こんにちは，学生エンジニアの迫佑樹(@yuki_99_s)です．
私の大学の機械系の授業には「加工学」という科目があります．
教科書として，以下の本を使っているのですが，結構わかりやすいんですよ．
ということでこの本の1章〜4章の内容をまとめてみました．
内容は「加工の概要」「鋳造」「塑性加工」「粉末成形」となっています．
目次
加工の基礎知識
多くの工業製品は単一の部品ではなく，複数の材料から構成されている．形状や寸法，表面を変えることを加工という．
製品に求められる性能を上げるため，材料や加工法を選択する必要がある．
材料の分類
工業材料には分類がある．
大きな分類は3つあり，金属材料，非金属材料，複合材料にわけられる．
- 金属材料
これは更に，鋳鉄やステンレス鋼，工具鋼などの鉄鋼材料とアルミニウム，銅，ニッケルなどの非鉄金属材料に分けられる．
- 非金属材料
これは，ゴム，紙，木材など炭素を含む化合物である有機材料とセラミックス，ガラスなどの炭素を含まない化合物の無機材料にわけられる．
- 複合材料
2つ以上の材料を組み合わせて作られたもの．組み合わせることにより，機能や強度などをより良いものにする．
加工法の分類
加工法にはたくさんの種類があるため，分類がある．
この分類は，どのようなエネルギーを与えて加工をするのかと質量がどう変化するかを元に決められている．
エネルギーは以下の3つに分類される
- 機械的エネルギー
加工物に力を作用することにより加工を行うときに与えるエネルギー
- 熱的エネルギー
加工物に熱を加え，誘拐することで加工を行うときに与えるエネルギー
- 電気・化学的エネルギー
電解などの電気的なエネルギーや溶解などの科学的作用を使って加工を行うときに与えるエネルギー
質量変化も3つに分類される．
- 付加加工
溶接や接着，メッキなど，質量が増加する加工法のこと．比較的簡単だが，結合面の強度が問題になる．
- 成形加工
鋳造やプレスなど，質量が変化しない加工法のこと．大量生産に向いているが，時間が経つと形が変わることがある．
- 除去加工
機械加工や化学研磨など，質量が減少する加工法のこと．精度が出しやすく，複雑な形状も作れるが加工に時間がかかる．
鋳造について
金属を溶かして型に入れて，固めることにより型と同じ形状の製品を作る加工法を鋳造という．
具体的なイメージをつけたほうが早いので以下のビデオを見てみましょう．
https://www.youtube.com/watch?v=R3hbJH4JdoAwww.youtube.com
また，鋳造するときには，液体状態，固体状態において温度低下により体積が減る液体収縮，固体収縮や，液体が固体になる時に起こる体積が減る凝固収縮があるため，縮み代をつけなければならない．
また，模型をキチキチに作り過ぎると取り出すときに壊れるので，抜け勾配と呼ばれる勾配を模型につける．
肉厚変化部及びコーナーでは，溶湯の流れが悪くなる．また，結合部では収縮率の違いが起こる．この２つにより，構造欠損が起こることがある．
鋳造品は，複雑な形状ができるが，安全性は低く，あまり薄肉なものはできない．
それと比較して溶接構造品は，薄肉で大型構造物ができ，軽量だが，剛性や振動減衰能に劣る．
鋳造の手順
ビデオからもわかる通り，鋳造は，以下の7つの工程に分けられる．
-
溶解工程…金属を溶かす
-
造形工程…鋳型と呼ばれる金属を流しこむための型を作成する
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注湯工程…鋳型に金属を流し込む
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冷却工程… 金属を冷やして固める
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型ばらし工程… 鋳型から製品を取り出す
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清掃工程… 製品の表面を綺麗にする
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検査工程… 製品の欠陥を確認する
鋳造の長所・短所
長所
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型さえ作れば大量生産可能
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複雑な形状も作れる
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接合部がないので剛性が高い
短所
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均質性が低く，欠陥を内蔵しやすい
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引張強度が低く，延性にかける
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表面が荒い
-
砂型鋳造では，粉塵や騒音問題などが起こる
鋳造の分類
砂型鋳造
製品の模型を作り，それを砂の中に埋め込み，砂を固めて模型を取り外すことにより，砂の鋳型を作る方法．
砂型を乾燥する時間が長いことや，模型を砂型から取り外すときに型形状が崩れやすいことが問題となっている．
砂型鋳造の例は以下である．
-
自硬性鋳型法…砂に添加物を入れ，砂型の硬化を促進する
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シェルモールド法(シェル鋳型法)…加熱された金型の上に砂を吹き込み，薄くて貝殻状の鋳型を作る
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Vプロセス法(減圧造形法)…さらさらな状態の砂を減圧することにによって造形，そして注湯，冷却した後，鋳型を大気圧に戻すだけで型ばらしができる，
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ロストワックス法…ろうなどの溶けやすい物質で模型を作り，模型をセラミック粉末でコーティングした後に模型を融解して除去する方法
-
フルモールド法…加熱すると燃焼，気化する発泡スチロール製の模型をセットしたあとに砂を重鎮し，模型を残したまま溶湯を注ぎ，型を溶かしながら置換していく方法．模型が安価で軽く，造形時間が短縮できること，複雑な鋳物が複製できることなどが利点である．短所は，燃焼ガスが鋳物の欠点となること，燃えカスが行面を劣化させること，模型強度が低いこと，製品表面に亀甲模様が出ることがあることなどである．
金型鋳造
金型鋳造とは，鋳型が繰り返し使用できる金型製のものを使う鋳造方法．
溶湯を圧入プランジャ－(バネみたいな機械部品)により高速，高圧で金型内へ射出，充填し急速に凝固させる鋳造方式をダイカスト法(コールドジャンバ法)という．
特殊鋳造
特殊鋳造法には，以下の3つが代表としてあげられる
- 真空鋳造法
鋳型と鋳造を真空炉内に入れ，真空状態にした後，鋳造材料を高周波数誘導加熱により溶解し，鋳型に注湯する方法．
材料から機体が発生する．材料を劣化させない，酸化しやすい金属でも扱えるなどの特徴がある．
- 遠心鋳造法
高速回転している鋳型に溶湯を直接流し込み，遠心力を使って壁に押し付けながら凝固させていく方法．
肉厚が均等となること，比重差により不純物を内側に分離できること，外側の表面は遠心力による圧力で隙間を作らないというメリットが有る．
- 連続鋳造法
モールドと呼ばれる底なしの鋳型に溶鋼を流し込み，水を吹き付けながら単純な形状の角材，丸棒を製造する加工法
塑性加工について
塑性加工とは，塑性変形を利用して加工を行う方法．
力を加えて元に戻る変形を弾性変形(バネなど)，元に戻らない変形を塑性変形という
大きい力を広い面積に作用させ，型を使って一気に転写加工を行うことで，速く大量に加工することができるという特徴がある．
材料を変形させるときに，変形に対して示す抵抗を変形抵抗という．
塑性変形を行うと，降伏点(塑性変形が起こる場所)が増加する．このことを，加工硬化という．
圧延加工
回転する2つのロールの間に材料を絡み込み，厚さの小さい板や型材を製造する加工法を圧延加工という
薄くなった量/元の大きさで表わされるのを圧下率という
圧延によって作られる鋼管には，厚肉の粗管を作りそれを延伸圧延法で肉厚減少を行って製品にする継目無鋼管がある．
それに対して成形した後に突合わせ部を溶接，鍛接して製品とする溶接鋼管がある．
押出し加工，引抜き加工
ダイスやポンチで材料を押し出す加工法を，押出し加工という．
材料の変形能が向上し，一度に大変形を与えることができる．材料の密着性が向上するため，異金属を合わせて押し出すと，複合材料ができる．
工具の隙間を通して材料を引き出す加工法を引き抜き加工という．
表面がなめらかで高速，ダイスの鋼管のみで異なる断面を作れるなどのメリットがあるが，一回の線引で達成できる断面減少率は少ない．
鍛造加工
材料の一部を工具で押しつぶすことにより，形状を変える加工法を鍛造加工という．
型を使わずに様々な方法から繰り返し圧縮を与えつつ形状を変化させる方法である自由鍛造と，形状を持つ金型を用意し表面を加圧し変形させ金型になじませる型鍛造の二種類がある．
加工の際に1〜3の圧縮応力が生じ，材料の変形能が高くなることや，もろい材料を鍛錬して強靭にしたり，圧接を行うことができるという利点がある．
しかし，工具欠損が生じやすいことや，危険，騒音問題が大きいかつ熟練が必要であること，型鍛造は型と機械が硬化ななことが問題である．
板材成形
元の素材である板としての形を保ちながら外観を変える加工を変えることを板材成形という
プレス加工工程で分割をするときはせん断が主となる．
曲げ加工はプレスやロールに酔って曲げ変形を与える加工．
曲線縁にそって曲げ加工を行うと，曲げ縁方向に伸びフランジ成形もしくは縮みフランジ成形が起こる．
転造加工
ネジの山型や歯車の波形をもつダイスを素材に押し付けて転がし，形を移しだしてネジや歯車を作る加工法を転造加工という
転造加工の中の回転する成形型に板や管を押し付けるスピニング加工は，動力が少なくて済むこと，材料費や工具費の削減ができること，表面の硬化，全体として大きな変形ができることなどがある．
粉末加工
粉末を金型に入れて加圧成形し，方から取り出して加熱して粉末を結合させて製品得る加工法を粉末加工という
加熱による粉末の結合を焼結といい，粉末が金属粉末の際には粉末冶金と呼ばれる
粉末成形の長所として，以下があげられる．
-
材料の自由度が高く，複合材料の製造も可能であること
-
含油軸け・フィルタ等の多孔質材料が製造可能であること
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高精度部品を安価に大量生産することが可能であること．
-
不良品ができる可能性が低く，省資源であること
短所としては，以下の点がある．
-
少量生産では割高になってしまうこと
-
形状・寸法に制約があること
-
多孔質体は強度が低いため，後処理は注意を要すること
粉末の製造
容器を回転させて機械的に，粉砕して粉末を製造したり，衝撃エネルギーにより粉化する溶湯粉化や熱分解・電気分解により行う物理的・化学的方法がある．
粉末の成形
粉末を金型に重鎮し，圧縮成形する方法を金型成形法という．粉末と金型壁との間の摩擦により，密度の不均一が起こることがある．
粉末と液体の混合物を石膏型に流し込み，乾燥固化させて整形する方法を射込成形法という．液体分の除去と成形時間が長いことが欠点としてあげられる．
ダイスを通して流れを生じさせ，棒状，管状の製品の製造に用いられる加工法を押出法という．
遠心力により粉体を圧縮する加工法は遠心力法とよばれ，硬質合金の制作に適している．
液体と粉体を混合した泥をキャリアフィルムに流し，乾燥して剥がしてから焼結するのがドクターブレード法と呼ばれるものである．
ドクターブレード法は，フィルム上の成形体の製造には有効だが，機械的強度にかける．それに対して粉末を圧延ロール間に供給して薄板を作り，冷却となましを繰り返して強靭なストリップを得る圧延成形法がある．
弾性体の袋の中に粉末を入れ，高圧液体中に入れた後に静水圧を加えて整形する加工法を静水圧変形法という．
静水圧変形法には，常温で行うCIP(Cold Isostatic Pressing)と高温で行うHIP(Hot Isostatic Pressing)がある．
粉末加工と塑性加工を組み合わせた技術である，粉末鍛造法がある．圧粉体を加熱し，成形プレスの金型に入れ，加圧整形することにより緻密化する方法．工程数が多く，生産性が悪い．
焼結
整形した素材は密度や強度が不十分なため，加熱して粉末を結合させる焼結という作業がいる．
完全に融解させるには大きなエネルギーが必要になるため，融点以下に加熱し，表面だけ融解させる．
機械加工
機械加工は，機械的エネルギーを用いて行う除去加工のこと．
切削加工
工具と工作物の間に相対運動を与えて不要な部分を切り取る．
上の動画のように，工作物を回転させて丸状に加工する機械を旋盤と呼ぶ．バイトホルダやボーリングバーを使った切削加工を旋削加工と呼ぶ．
上の動画のように，工作物の表面や溝を削る加工をフライス加工(転削加工)といい，それに使われる機械をフライス盤という．
穴を開ける加工をドリル加工といい，ボール盤，旋盤，フライス盤などで行える．
切削工具には，ダイヤモンド，超硬合金，セラミックス，ダイヤモンド焼結体などが使用される．
研削加工
研削加工は，高速で回転している研削砥石を用いて，その砥石を構成する硬く微細な砥粒によって工作物を削りとってゆく加工法．
切削工具で削れない硬脆材料が簡単に加工できること，軟質材料の加工では目詰まりが起こる，精度が良いなどの特徴がある．
砥石は，除去作用を行う砥粒，結合剤，切りくずの逃げや冷却のための気孔の3つからなる．
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