金属加工とは？主な3つの種類と2つの重要な工程をわかりやすく解説

金属加工は、自動車や産業機械、電子機器から日用品に至るまで、あらゆる製品の製造に関わる基幹技術です。多様な加工法それぞれに目的や得意な材質、形状があるため、設計や加工を行う際には、加工法の特性を正しく理解し、材質や機能要件に応じた選定が不可欠です。

本記事では、金属加工の基本的な定義から形状や性質を変える代表的な加工方法、さらには設計時に押さえるべきポイントまでわかりやすく解説します。

金属加工とは

金属加工とは、金属素材に対して、削る、曲げる、接合する、硬くするなどの加工を行って、目的の形状や性能を実現する技術の総称です。単に形を整えるだけでなく、製品の機能性や耐久性、生産効率を高めるために欠かせない工程で、主な目的は、大きく2つに分類されます。

形を変える金属加工
金属を所定の寸法や形状に加工し、組立や機能に適した形に仕上げるための加工です。代表的な加工法には切削加工、塑性加工、鋳造などがあります。

性質を変える金属加工
金属に熱処理や表面処理を行って、強度や硬度、耐摩耗性などの性質を向上させる加工です。代表的な加工法には熱処理、表面処理などがあります。

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形状を変える金属加工の3つの種類

形状を変える金属加工には、主に機械加工、塑性加工、鋳造加工があります。機械加工は金属を削って形状や寸法を整える加工、塑性加工は金属に力を加えて変形させる加工、鋳造加工は溶かした金属を型に流し込んで形を作る加工です。

これらは、部品の形状、材質、必要な精度、生産数量によって使い分けられます。複雑形状や高精度部品には機械加工、量産品や板金部品には塑性加工、大型部品や複雑な立体形状には鋳造加工が選ばれる場合があります。

1. 機械加工
2. 塑性加工
3. 鋳造加工

1. 機械加工

機械・除去加工とは、素材から不要な部分を取り除いて形状を整える加工です。比較的自由度が高く高精度な部品製作にも適していますが、加工時間が長く、材料ロスが大きい傾向があります。

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2. 塑性加工

塑性加工とは、金属に力を加えて変形させ、力を取り除いても元の形に戻らない性質を利用して成形する加工方法です。切削加工のように素材を削り取るのではなく、変形させて必要な形状に仕上げるため、材料を有効に利用しやすい点が特徴です。金型などを利用して同じ形状を繰り返し加工できる方法も多く、量産に適しています。

代表的な方法には、鍛造や圧延、曲げ、打ち抜きなどがあります。

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3. 鋳造加工

鋳造加工とは、金属を加熱して溶かし、鋳型に流し込んで冷却・凝固させることで、目的の形状に成形する加工方法です。複雑な形状や大型の部品を一体で成形しやすく、同じ形状を繰り返し製造する量産にも利用されています。切削加工では材料の除去量が多くなる形状でも、鋳型を使うことで効率よく成形できる点が特徴です。

一方、鋳造だけで必要な寸法精度や表面状態が得られない場合には、鋳造後に切削加工や研削加工などの追加工を行うことがあります。

性質を変える金属加工に重要な2つの工程

ここでは、主な性質を変える金属加工の方法について紹介します。

1. 熱処理
2. 表面処理

1. 熱処理

熱処理は、部品全体を加熱・冷却することで、強度・硬度・靭性・加工性などの機械的性質をコントロールする手法です。部品にかかる荷重や摺動、繰返し応力などの使用環境に併せて選択を行います。

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2. 表面処理

表面処理は、金属部品の表面のみ特定の加工を施し、耐摩耗性や耐食性、硬度などを向上させる加工です。機能だけでなく外観や耐候性の改善なども含め、最終製品の付加価値を左右する重要な工程です。

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金属加工で使われる主な材料

金属加工で使われる代表的な材料は、鉄鋼材料のほか、ステンレス、アルミニウム、銅・黄銅、チタンなどがあります。ここでは、各材料の特徴や用途について詳しく見ていきましょう。

1. 鉄鋼材料
2. ステンレス
3. アルミニウム
4. 銅や黄銅
5. チタンや難削材

鉄鋼材料

鉄鋼材料にはさまざまな種類がありますが、ここではステンレスを除き、一般構造用鋼や、機械構造用炭素鋼について取り上げます。

鉄鋼材料は、強度、コスト、加工性のバランスがよく、機械部品や構造部品など幅広い用途で使われています。炭素量や添加元素によって特性が異なり、熱処理によって硬度や耐摩耗性を高められる材料もあります。用途や必要な強度、加工方法に応じて、適切な鋼種を選定することが重要です。

金属加工に用いられる鉄鋼材料には、以下などがあります。

ステンレス

ステンレスは鉄鋼材料の一種ですが、本記事では特徴や用途の違いを分かりやすくするため、鉄鋼材料と分けて解説します。

ステンレスは、鉄を主成分にクロムなどを加え、耐食性を高めた合金鋼です。錆びにくさが求められる機械部品や設備をはじめ、医療機器、食品機械など幅広い用途で使われています。鋼種によって耐食性や磁性、加工性、熱処理による硬化の可否などが異なるため、使用環境や必要な性能に合わせた選定が重要です。

金属加工に用いられるステンレスには、以下などがあります。

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アルミニウム

アルミニウムは、鉄鋼材料と比べて軽量で加工しやすく、輸送機器、筐体、機械部品、治具などに幅広く使われています。純アルミニウムに銅やマグネシウムなどを加えたアルミニウム合金も多く、合金の種類によって強度や耐食性、加工性が異なります。軽量化や必要な強度、加工方法を考慮して材質を選定します。

金属加工に用いられるアルミニウムには、以下などがあります。

銅や黄銅

銅は、導電性や熱伝導性に優れ、電気部品、配線部品、端子、放熱部品などに使われています。銅に亜鉛などの元素を加えた銅合金もあり、なかでも黄銅は強度や加工性に優れる材料です。同じ銅系材料でも導電性や切削性などに違いがあるため、部品に必要な機能や加工方法に応じて使い分けられます。

金属加工に用いられる銅や黄銅には、以下などがあります。

チタンや難削材

チタンは、軽量でありながら強度が高く、耐食性にも優れる材料です。チタンや耐熱合金のひとつであるインコネル合金などの難削材は、航空宇宙、医療、自動車などで使われています。一方、熱伝導率が低く加工熱が逃げにくいことなどにより切削加工の難易度が高く、工具や加工条件、冷却方法などを材質に合わせて設定する必要があります。

金属加工に用いられるチタンや難削材には、以下などがあります。

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金属加工の方法を選ぶときのポイント

加工方法は、材質、形状、精度、公差、数量、後工程を踏まえて選ぶことが重要です。特に次の3点を整理すると、品質とコストを両立しやすくなります。

1. 各加工法の特徴を理解する
2. 材質と形状に合う加工方法を選ぶ
3. 必要な精度や公差を確認する

1. 各加工法の特徴を理解する

加工方法を選ぶ際は、形状の自由度や精度だけでなく、加工時間や量産性も比較します。切削加工は複雑形状や少量生産に対応しやすく、研削加工は焼入れ後の高硬度材や高い寸法精度、表面品質が求められる仕上げに適しています。

一方、プレスや鍛造、転造は同一形状の量産に向き、鋳造は複雑形状や大型部品を一体成形しやすい方法です。

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2. 材質と形状に合う加工方法を選ぶ

材質の硬さや粘り、熱伝導性によって、工具摩耗や加工熱、変形の生じやすさは異なります。高硬度材では切削より研削が適する場合があり、チタンなどの難削材では工具や切削条件、冷却方法の工夫が必要です。

また、薄肉部品は加工荷重による変形、長尺・小径部品はたわみや曲がりが生じやすいため、保持方法や加工順序まで含めて工法を決めます。

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3. 必要な精度や公差を確認する

要求される寸法公差や幾何公差、表面粗さによって、必要な加工工程は変わります。切削加工で大まかな形状や寸法を作り、高い真円度や円筒度、表面粗さが求められる部分のみ研削で仕上げる方法もあります。

また、熱処理後に変形が生じる部品では、熱処理前に仕上げ切らず、研削代を残して後工程で最終寸法に仕上げる工程設計も必要です。

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金属加工を実施する時の注意点

金属加工は、多様な工法や材質を組み合わせることで、高性能かつコスト効率の良い部品製作が可能になります。その一方で、設計時・加工時の判断ミスや連携不足により、納期遅延や品質不良、想定外のコスト増といったリスクが生じることもあります。

1. 材質と加工法の相性
2. 精度とコストのバランス
3. 二次加工・追加工との関係

材質と加工法の相性

金属は素材ごとに異なる物理・機械的特性があるため、加工法の選定ミスは不良やコスト増の原因になります。

快削鋼やアルミ：加工性が高く切削向き
チタンやインコネル：難削材の代表。加工熱・工具摩耗に注意が必要
鋳造・鍛造専用材：成形性に優れるが、追加の切削加工には不向きな場合も

そのため、加工フロー全体を見据えて、材料と加工法を見極めることが重要です。
単純に図面に寸法や材質指定を行うのではなく、本当にその材質でその加工法が可能か、その形状が最善の設計かなどをあらかじめ製造現場とすり合わせることでトラブル回避につながります。

精度とコストのバランス

高精度な加工は製品の品質向上に直結しますが、その一方でコストや工数の増加を招く要因にもなります。

たとえば、±0.01mm以下の公差やRa1.6以下の表面粗さといった超精密加工レベルの要求の場合、一般的な加工機や治具では対応が難しく、製造側に高い技術が求められます。

そのため設計段階では、どの部位にどこまでの精度が必要かの見極めが重要です。特に部品点数が多い製品では、精度重視の部品と標準加工の部品を分けて考えて、必要な箇所にのみ精密加工を集中させることがコスト抑制と品質確保の両立に役立ちます。

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二次加工・追加工との関係

金属加工では、一度の加工で完成する部品ばかりではなく、熱処理、表面処理、溶接、研磨、組立など、複数の工程を経て完成するケースが多く存在します。部品の製造に二次加工や追加工が必要になる場合、前加工における寸法管理や余肉設定、歪みの考慮が必要になります。

例えば、焼入れ後に歪みが発生する部品では、焼入れ前の加工段階であらかじめ歪みを見越した寸法補正を行ったり、仕上げ加工用に追加の加工代（余肉）を残したりすることがあります。

また、溶接や組立を前提とする部品設計では、溶接熱による変形や公差の累積を考慮したクリアランス設計が求められます。
こうした後工程とのつながりを見越した設計は、製造現場との連携が不可欠です。金属加工を行う場合には、工程全体を考慮した設計が重要です。

金属加工に関するよくある質問

金属加工を依頼する際は、費用の決まり方や見積もりに必要な情報、高精度加工で確認すべき品質項目などが気になるところです。

ここでは、金属加工会社への相談や発注を検討するときによくある3つの疑問に回答します。

Q1. 金属加工の費用は何で変わりますか？
Q2. 金属加工を依頼する前に確認すべきことはありますか？
Q3. 高精度な金属加工で重要になる品質項目は何ですか？

Q1. 金属加工の費用は何で変わりますか？

金属加工の費用は、材質、形状、加工方法、要求精度、数量、納期、熱処理や表面処理の有無などによって変わります。見積もりには材料費だけでなく、加工プログラムの作成や段取り、機械の稼働時間、工具、測定・検査などの工数も含まれます。

特に複雑形状や厳しい公差、難削材では加工・検査の工数が増えやすく、小ロットでは段取り費を製品数で分散しにくいため、1個あたりの加工費も高くなる傾向があります。

Q2. 金属加工を依頼する前に確認すべきことはありますか？

金属加工会社へ依頼する際は、図面やCADデータ、材質、数量、希望納期、必要な精度に加えて、部品の用途や使用環境も伝えることが大切です。寸法公差や幾何公差、表面粗さ、熱処理や表面処理の有無は、見積もりや工程設計に影響します。

特にオーダーメイドの金属加工では、嵌合部や摺動部など機能上重要な箇所や設計意図まで共有すると、用途に適した材質や加工方法、工程について提案を受けやすくなります。

Q3. 高精度な金属加工で重要になる品質項目は何ですか？

高精度な金属加工では、寸法公差だけでなく、真円度や円筒度、同軸度などの幾何公差、表面粗さ、熱処理後の変形まで管理する必要があります。求められる品質項目は金属加工の種類や部品の機能によって異なり、回転部品では真円度や振れ、摺動部では寸法や表面粗さが性能に影響します。

また、要求精度に対応した測定機器や検査方法を用意し、量産では測定記録やロット間のばらつき、トレーサビリティまで管理します。

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金属加工のまとめ

金属加工は、金属製品の形状と性質を加工する技術の総称です。金属加工にはさまざまな種類と特徴があり、材質・目的・数量・コストなどの条件に応じた選択が重要です。また、設計者が加工現場の実情を理解し、加工性・コスト・精度のバランスを取った設計を行うことが、製造品質の安定とリードタイム短縮にもつながります。

三和ニードル・ベアリングは、超精密加工をコア技術に、切削・研削・塑性加工・熱処理を組み合わせた社内一貫生産体制を構築しています。設計意図や部品の用途に応じた最適な加工プロセスをご提案し、安定した品質でお応えします。量産はもちろん、設計構想や試作段階からのご相談にも柔軟に対応可能ですので、金属加工でお困りの際は、ぜひお気軽にご相談ください。