機械加工は現代の製造業において極めて重要なプロセスであり、様々な業界で精密部品の製造に用いられています。従来は金属加工が一般的でしたが、エンジニアリングプラスチックの進歩と軽量で耐腐食性のある部品に対する需要の高まりにより、プラスチック加工の需要が急速に高まっています。
どちらの材料も類似のCNC加工機で加工可能ですが、切削挙動、工具要件、設計公差など、加工プロセスは大きく異なります。コストと性能の最適化を目指すエンジニア、設計者、機械工にとって、プラスチック加工と金属加工の違いを理解することは不可欠です。
材料特性：加工挙動の基礎
最も根本的な違いは、プラスチックと金属の固有の材料特性から生じます。
プラスチックと金属の物理的特性には大きな違いがあります。多くの場合、金属はプラスチックよりも硬く耐久性が高いため、加工が困難です。つまり、金属加工にはプラスチック加工よりも特殊な設備と工具が必要になります。一方、プラスチック加工には標準的な切削工具で十分です。
コスト面では、プラスチックは一般的に金属よりもはるかに安価です。そのため、多くの用途においてプラスチックはより費用対効果の高い選択肢となります。これは特に、大幅なコスト削減が可能な大規模生産において大きなメリットとなります。しかし、プラスチック部品は必ずしもすべての用途に適しているわけではありません。高温や高圧に耐える必要がある部品や、高い耐腐食性が必要な部品の場合は、金属の方が適している場合があります。
ツールと切削パラメータ
ツールの材質と形状
プラスチック加工では通常、熱を最小限に抑え、材料の汚れや破れを防ぐために、高速度鋼 (HSS) または研磨された表面を持つ鋭利な超硬工具が使用されます。
金属加工、特に硬質合金の加工では、工具寿命と耐熱性を延長するために、より耐久性の高いコーティングされた超硬工具、さらにはセラミックや CBN 工具が必要です。
送りと速度
プラスチック加工では、材料のたわみや熱の蓄積を防ぐために、スピンドル速度を高くし、送り速度を低くすることがよくあります。
金属加工では通常、硬度と工具の能力に応じて、より遅いスピンドル速度とより大きな送りが必要になります。
チップの排出と冷却
適切に冷却しないと、プラスチックが溶けたり、工具に付着したりする可能性があります。応力割れや化学反応を防ぐため、エアブラストまたは最小限の冷却剤の使用をお勧めします。
金属は、フラッドクーラントまたは高圧クーラント システムによって温度を制御し、工具寿命を延ばすことができます。
公差と寸法安定性
プラスチック部品は、熱膨張、吸湿、機械加工による応力の影響を受けやすい傾向があります。
プラスチックは、特に後工程のアニール処理を行わない場合、機械加工後にクリープ、反り、または収縮を起こす可能性があります。許容誤差は±0.05 mmが一般的ですが、ナイロンなどの吸湿性材料の場合は調整が必要になる場合があります。
金属は寸法安定性が高いため、高精度加工において ±0.01 mm 以内という厳しい公差も実現できます。
したがって、設計者は、機械加工後の寸法だけでなく、実際の用途におけるプラスチックの長期的な動作を考慮する必要があります。
表面仕上げと美観
プラスチックの表面は傷がつきやすいですが、見た目を良くするために磨いたり質感を整えたりするのは簡単です。
バリはどちらにも共通していますが、プラスチックのバリ取りには、エッジの損傷を避けるために、より穏やかな方法（極低温または手作業によるトリミングなど）が必要になる場合があります。
金属は研磨や研削によって鏡のような仕上がりを実現できますが、多くの場合、より多くの時間と工具の摩耗が必要になります。
専門知識と設備
プラスチック加工には専門知識と設備が必要であり、すべての製造施設で利用できるとは限りません。さらに、プラスチック部品は金属部品よりも加工が難しい場合があり、製造にはより多くの時間とリソースが必要になる場合があります。一方、金属加工はより確立されたプロセスであり、様々な業界で広く使用されています。そのため、金属加工にはプラスチック加工よりも多くの専門知識と設備が必要となるのが一般的です。
金属部品とプラスチック部品の用途
プラスチック加工と金属加工のどちらを選択するかは、最終的には具体的な用途と求められる性能特性によって決まります。例えば、カスタムハウジングやコンシューマー製品など、高度な設計柔軟性が求められる部品の場合、プラスチック加工の方が適している場合があります。一方、自動車や航空宇宙部品など、高温、高圧、腐食環境への耐性が求められる部品の場合、金属加工の方が適している場合があります。
結論
プラスチック加工と金属加工はどちらも現代の製造業に不可欠ですが、互換性はありません。それぞれの素材には独自の課題と利点があり、それぞれに適した加工戦略、工具、そして設計上の考慮事項が必要です。
加工挙動、公差、そして後処理における根本的な違いを理解することで、メーカーはアプリケーションのニーズ、コスト目標、そして期待される性能に合わせた、より賢明な意思決定を行うことができます。軽量POMギアであれ、硬化鋼製の治具であれ、適切な材料と加工方法を選択することが、生産を成功させる鍵となります。