CNC加工できない材料とは？多くのエンジニアが見落としているもの

CNC加工は、複雑な部品を製造するために広く用いられている切削加工法です。自動車用アルミニウム合金やチタン合金部品から、私たちが日常的に使用するプラスチック部品まで、CNC加工部品は私たちの生活に欠かせないものとなっています。しかし、CNC加工は万能な解決策ではありません。この記事では、CNC加工に適さない材料について解説します。

材料の観点から見たCNC加工の限界

CNCとは「コンピュータ数値制御」の略で、高速回転する切削工具を用いて金属を削り出し、穴を開ける加工方法を指します。この切削加工では、材料の剛性と耐熱性に極めて高い要求が課せられます。

例えば、材料が硬すぎると、工具の摩耗が早まり、切削の安定性が損なわれる可能性があります。これはコストを急激に押し上げるだけでなく、部品の加工精度にも影響を与えます。

CNCフライス加工では、加工対象物と切削工具との摩擦によって熱が発生します。加工対象物自体の耐熱性が不十分な場合、熱膨張によって変形する可能性があります。CNC加工部品は通常、厳しい精度が求められるため、このような結果は許容できません。

 

CNC加工に適さない材料

CNC加工に適さない材料は、主に高い弾性や複合材料であることなど、その物理的特性によって制限されます。本節では、いくつかの種類の材料を紹介し、それらがCNC加工に適さない理由を説明します。

表：CNC加工に適さない材料

材料タイプ	材料	原因
高弾性非金属材料	シリコーン、軟質ポリウレタン、TPE（熱可塑性エラストマー）	非常に弾力性があり、変形しやすい。
高硬度脆性材料（セラミックスおよびガラス）	酸化アルミニウムセラミックス、石英ガラス、工業用磁器、強化ガラス	脆く、ひび割れやすく、工具の摩耗が大きい
炭素繊維複合材料	CFRP（炭素繊維強化ポリマー）	研磨性、剥離リスク、粉塵の危険性
極めて柔らかく粘着性のある金属	高純度金、軟鉛、錫	柔らかすぎるため、工具に付着しやすく、変形しやすい。
低密度多孔質フォーム	スポンジ、発泡プラスチック、発泡材料	圧縮可能だが、精密加工は不可能
非均質材料	節のある天然木、再生素材、積層板	密度が不均一で、切削力が不安定です。

高弾性非金属材料

これらの材料は優れた柔軟性と弾力性を備えており、工業用シール、防振材、および軟質消費財に広く使用されています。代表的な例としては、シリコーン、軟質ポリウレタン、および各種熱可塑性エラストマー（TPE）が挙げられます。

LVMA CNCは、これらの材料を型抜き加工または射出成形によって加工します。

原因：CNC加工中、これらの材料は高速回転する切削工具にさらされると外側に伸びたり変形したりする傾向があり、その結果、加工面が粗く不均一になり、所望の公差を達成することが困難になります。

高硬度脆性材料（セラミックスおよびガラス）

これらの材料は優れた耐熱性と化学的安定性を備えているものの、結晶構造が非常に脆く、金属に見られるような延性に欠ける。代表的な例としては、各種工業用セラミックス、石英、装飾用磁器、強度を高めるために熱処理された強化ガラスなどが挙げられる。CNC加工と比較すると、これらの材料はウォータージェット切断や超音波加工などの加工方法に適している。

原因CNC加工による機械的な切削力が加わると、表面に微細な亀裂が生じやすく、それが原因で部品全体が欠けたり、完全に破損したりする可能性があります。さらに、材料の硬度が高いため、切削工具の摩耗が早まることもあります。

炭素繊維複合材料

これは、高剛性炭素繊維を樹脂マトリックスで接合して作られた、新しいタイプの軽量構造材料です。重量と強度が極めて重要な航空、レース、ハイエンドスポーツ用品などで頻繁に使用されています。この材料は、成形プレス加工やレーザー切断によって加工されるのが一般的です。

原因炭素繊維は、 CNCフライス加工工具の摩耗が急速に進む原因となる。さらに、機械加工では層間の剥離や破断が生じることが多く、その結果発生する微細な導電性粉塵は作業員の健康を害する。

極めて柔らかく粘着性のある金属

これらの金属は、その内部原子構造により、極めて高い延性と非常に低い圧縮硬度を示します。溶融状態での流動性が高いため、一般的に精密鋳造が用いられます。代表的な例としては、鉛、錫、高純度純金などが挙げられます。薄肉製品の製造が目的であれば、プレス加工も可能です。

原因CNC工具で高速切削を行うと、これらの金属はきれいな切りくずを形成できないだけでなく、熱と圧力によって粘着性が増し、薄いペースト状になって切削刃に付着します。また、万力や治具で挟まれた際に、締め付け力に耐えられないため、すぐに変形してしまうこともあります。

低密度多孔質フォーム

これらの材料の決定的な特徴は、内部に多数の気泡が詰まっていることです。体積は大きいものの、構造的な剛性は極めて低く、非常に圧縮性が高いのが特徴です。代表的な例としては、発泡スポンジやポリスチレンフォームが挙げられます。切断効率を高めるため、通常はワイヤー放電加工、レーザー切断、またはカスタムダイカットをお勧めします。

原因CNC工具でこの材料を切削しようとすると、圧縮によって材料が継続的に内側に収縮します。工具を引き抜くと材料が反発し、切削寸法が完全に制御不能になります。深刻な場合、高速回転によって発生する摩擦熱により、局所的な溶融が発生することもあります。

非均質材料

これらの材料は、自然な成長パターン、粗雑な加工方法、または再生材による汚染などにより、異なる部分で物理的な密度や硬度に大きなばらつきを示すのが一般的です。例えば、節のある天然の丸太、未知の異物を含む再生プラスチック、接着剤層が均一に塗布されていない積層パネルなどが挙げられます。このような材料の場合、一般的には低速加工に適した従来の木工機械を使用することが推奨されます。ただし、均一な木目を持つ木材は、CNC加工機を用いて表面加工を行うことができます。

原因CNCスピンドルが高速回転している際に、低密度領域から高硬度の結節や異物に突然切削を開始すると、切削力が急激に増加します。この予測不可能な衝撃は、機械の激しい振動を引き起こしたり、工具の破損や機器の損傷に直接つながる可能性があります。

結論

CNC加工において、適切な材料の選定は非常に重要です。材料がCNC加工に適さない場合、工具の過剰な摩耗、加工時間の長期化、作業者の負傷、設計通りの結果が得られないなど、様々な問題が発生する可能性があります。部品に適した材料を選ぶことが、CNC加工における最初のステップです。

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よくある質問

CNC加工の限界は何ですか？