金属加工

概説

金属加工には数千年以上の歴史があり、歴史的起源は様々な文化や文明に遡ることができる。金属加工は、太古の昔の金の発見とともに始まった、と考える人もいる。またその歴史は、さまざまな鉱石の精錬法の発見とともに展開したともされており、それで得られるようになった金属という材料の持つ可鍛性や延性などといった特性を活かしつつ、道具や装飾品などに加工してきた歴史である。現代では金属加工というのは、科学でもあり、技能でもあり、また趣味として行われる場合もあれば、産業として行われる場合もある。→#歴史
ひとくちに金属加工と言っても、そのスケールは様々であり、大きなものではたとえば船や橋の製造・加工といったようなものから、中程度ではたとえばブロンズ像（銅像）の制作、自動車のシャシやボディの製造、精巧なエンジン部品の加工・製作、アルミサッシの製造、金属製鍋の製造、小さなものでは指輪・ペンダント等々の装身具の製作やリフォーム、マイクロネジの製造、などといったものもある。そして各領域ごとの独特の技能・工程・道具がある。例えば中世の（またその伝統を受け継ぐ近・現代の）熟練の刀鍛冶はふいご・炭・槌などを用い玉鋼を鍛錬し成形し、焼入れ・焼もどし・焼なましなどの一連の熱処理を行い、研師はその刃をとぎ、また例えば近・現代のジュエリー工房では職人が金・銀・プラチナ等々の合金をガスバーナーややすりやペンチやはんだごてなどといった道具を用いて、美的感覚に配慮した細かな加工を手作業で行い、一方で現代の自動車工場では自動化された製造ラインの中で、毎日大量に、ロール状の鋼板を巨大なプレス機械に送り込み数千トンもの圧力で打ち抜いたり成形するなどして自動車のボディーのパーツを作り溶接ロボットにそれをつなぎ合わせる作業をさせていたり、また例えば精密な金属部品加工を行う工場や研究所等では工員やエンジニアや研究員などが、ただひとつの部品を作るために、コンピュータで数値制御された工作機械を用いて、切削ビットを自動交換させつつ、アルミのブロックを削る、といったように、ひとつひとつの領域ごとに、さまざまな技能・工程・道具で金属加工がおこなわれているのである。→#職人・専門家、#分類

先史時代

金属加工は先史時代にまで遡る。金属加工がいつどこで始まったのか正確にはわかっていない。最初期のテクノロジーは一時的で局所的なもので、長期に渡って証拠を残せるような規模ではなかった。金属に関する重要な進歩は、火と金属を結びつけたことだった。誰がいつどこでそれを実行したのかは不明だが、古代エジプト文明は金を扱うようになった最初の文明の1つとされている。
金属を扱うのに常に火を必要としたわけではない。アイザック・アシモフは「最初の金属」は金だったのではないかと考えた。その根拠は、金が化学的に安定していて純金の塊として見つかることが多いという点である。言い換えれば、金は希少なものではあるが、見つかるときは事実上常に金属の形で見つかる。他の金属は隕石などでない限り、金属そのままの形で自然界に産することはめったにない。金以外のほとんどの金属は鉱石や鉱物を含む岩石の形で存在しており、そこから金属を取り出すには熱を加えるなどの工程を必要とする。金の別の特徴は、金の塊を見つけるには特別なテクノロジーが不要で目さえあればよく、それを加工するのも金床とハンマーがあればよいという点である。テクノロジーとしては石のハンマーと石の金床で十分だった。これは金の持つ可鍛性と延性のおかげである。先史時代の道具は石や骨や木で出来ており、そういった道具でも金を加工するのに十分だった。
ある時点で鉱石に熱を加えれば金属を取り出せることが判明し、銅やスズや鉛を多く含む岩石に需要が生じるようになった。それらの鉱石は発見されればどこであっても採掘された。古代の鉱山の痕跡は中東の至るところで見つかっている。南アジアのメヘルガルでは、紀元前7000年から紀元前3300年にかけて金属加工が行われていた。金属加工は紀元前6000年ごろ、中東で銅の精錬が一般化したことで本格化した。

今日

金属加工は貴金属から装飾品を作るだけでなく、様々な産業の基盤となっており、交通機関も金属加工に依存している。金属がなければ国際的な物流も今のような規模では行えない。

近代的工具

旋盤、ディスクグラインダー（グラインダー）など。
レーザー加工（切断、溶接）もある。

職人・専門家

かつては鍛冶屋などと言う呼称も使われていた。鉄工所は、鉄という字が含まれているが、鉄に限らず広く金属類を加工することを請け負っている。
現在では、プレス職人、溶接工など、細分化された名称が主として用いられている。

成形加工

成形加工は、金属材の一部を除去することなく変形させる工程である。成形には熱や圧力、機械力などを使う。他の加工法にくらべ生産性が格段に高い。これらに用いる金型・工具等は金属同士の衝撃や高温にさらされるため、ほとんどが鉄鋼材料の一種である強固な工具鋼で製造される。

機械加工

機械加工は、金属などの素材から最終形状に不要な部分を除去することで複雑な形状を作る加工技術である。一般にフライスなどの工具と作業台から成るフライス盤という工作機械を使用する。フライスは回転切削工具であり、作業台は複数の方向に移動可能である（通常X軸とY軸方向の2次元の動きをする）。回転工具はZ軸方向に動く。作業台全体を持ち上げることもできる。このような工作機械は手動操作も可能だが、CNC（コンピュータ数値制御）も可能である。様々な複雑な作業が可能で、溝削り、平削り、穴あけ、ねじ切り、リューターによる加工などがある。主軸の方向によって、立フライス盤と横フライス盤に分けられる。
複雑な3次元形状のものを製作でき、設計図からX, Y, Z軸の座標をCNCマシンに入れてやると、必要な作業を実行する。フライス盤は様々な3次元形状を作ることができるが、場合によっては加工対象物をX, Y, Z軸で回転させる必要がある。公差は1インチの数千分の1程度で、機械によって異なる。
刃先と加工対象物を冷却しておくために冷却剤が使われる。多くの場合冷却剤はホースから直接刃先と加工対象物に吹き付けられる。冷却剤の噴射はユーザーが制御する場合と機械が自動制御する場合がある。
アルミニウムからステンレス鋼まで様々な素材が加工可能である。ただし素材によって切削可能速度に違いがある。硬い素材では切削速度は遅い。柔らかい素材では一般に切削速度が速くなる。
フライス盤を使用することで様々な工程コストが付加される。まず、刃先の摩滅を防ぐために冷却剤の噴射が欠かせない。また、ある程度使った刃先は交換する必要がある。加工にかかる時間もコストに大きく影響する。複雑な部品の製作には時間がかかるが、単純な部品なら短時間でできる。加工時間の差は製品全体の完成までにかかる時間にも影響を及ぼす。
工作機械では安全性が重要である。刃先は高速回転して高温の金属片を削っている。CNCでは作業員が刃先に近づく必要がないため、安全性が高い。

ねじ切り加工

ねじ切り工程には様々なものがある。ねじ切りダイスを使った方法、専用のねじ切り盤を使う方法、ねじ転造盤を使う方法などがある。タップはドリルで開けた穴の内側に雌ネジを切るのに使われ、ねじ切りダイスは丸い棒に雄ネジを切るのに使われる。

研削加工

研削加工は金属素材を研磨する工程である。工作機械の一種であるグラインダーで、軽く切削することで非常に滑らかな表面仕上げをしたり、砥石車を使って高精度な仕上げをする。砥石車には様々な大きさのものがあり、石やダイヤモンドや無機化合物でできている。
最も単純なグラインダーとして、金属部品のバリ取りに使われるベンチグラインダーや小型アングルグラインダーがある。
グラインダーはテクノロジーの進化とともに大きさと複雑さが増していった。手動の砥石車から、ジェットタービン製作に使われる毎分3万回転のCNCグラインダーまで様々なものがある。
グラインダーで仕上げをするには、対象とする金属より硬くなければならない。中にはCNCの軸の位置決めに使われるガラススケールの製造に使われるグラインダーもある。一般にある機械の部品を製造する機械は、対象機械の10倍の正確さでなければならない。
かつての砥石車は表面仕上げに使える場面が限られていた。現代の砥石車は工業用ダイヤモンドなどの人工コーティング材（立方晶窒化ホウ素）を使っており、利用できる用途が広がっている。
現代ではCNC制御を含む進んだ研削加工があり、高精度に材質を削ることができ、航空宇宙用途や高精度部品の大量生産にも使えるようになっている。

やすりがけ加工

やすりがけ加工は、やすりを使って研磨と切断を行う加工技法である。工作機械が登場する以前は相対的に精密な小型部品を作るのに使われていた。特に平らな表面仕上げを得意とする。かつて熟練した機械工はやすりで微妙な調整を行うことができ、それが技能の証明にもなっていた。やすりがけは標準的生産技術としてはめったに使われないが、バリ取りにはよく使われている。

その他

金属に空いた穴の内面を様々に切削するブローチ加工がある。電子ビーム加工機 (EBM) は高速な電子を金属材に当て、金属を微細に気化させて加工する。超音波加工機は超音波を使うもので、非常に硬い素材や脆い素材に適している。

溶接

溶接は金属材同士を金属または熱可塑性物質で溶融・一体化させる工程である。通常、金属材の接合部を溶かし充填材を付加することで溶融物質のプールを形成し、それが冷却することで一体化する。熱と同時に圧力を加えて溶融させることもある。
溶接のエネルギー源は様々であり、ガスの火、電弧、レーザー、電子ビーム、摩擦熱、超音波などがある。工場で行うのが一般的だが、屋外、水中、宇宙空間などでも溶接は行われている。どんな環境であっても溶接は危険な作業であり、やけどや感電、有毒ガスの発生、紫外線への当たりすぎなどに注意が必要である。

ろう付け

ろう付けは充填金属を溶かし、毛細管現象を利用して金属材の接合部に流し込んで、金属材同士を接着する。充填材は冶金的に金属材と反応し、金属材の細部に侵入して凝固することで強固な接合を実現する。溶接とは異なり、金属材自体は融けない。はんだ付けとよく似ているが、ろう付けの温度は450℃以上である。溶接に比べると金属材に与える熱応力が小さく、合金の性質を変えにくいため、溶接よりも展延性が優れている。
トーチろう付け、抵抗ろう付け、炉内ろう付け、拡散ろう付け、誘導加熱ろう付けなどの技法がある。

はんだ付け

はんだ付けは450℃以下の温度で行う接合工程である。ろう付けと基本原理は同じだが、充填材が異なり温度がさらに低い。そのため金属材との冶金的反応は最小限であり、接合は弱いものとなる。

関連する加工

以下に挙げる加工工程は本質的には金属加工とは言えないが、金属加工工程の前後に実施されることが多い。

熱処理

金属は熱処理することで、強さ、展延性、剛性、硬度、耐腐食性などの特性を変化させることができる。一般的な熱処理工程として、焼きなまし、析出強化、焼入れ、焼き戻しがある。「焼きなまし」は金属を軟化させる。「焼入れ」は鋼などを硬化させる。「焼き戻し」は焼入れで硬化した鋼に対してじん性を強化する（衝撃への脆さを改善する）。
熱処理と物理的な力を組み合わせることで金属の性質の改善を行うことが多い。これらの技法は特殊鋼や超合金やチタン合金でも共通である。

めっき

金属材の表面処理として電気めっきがよく行われる。金、銀、クロム、亜鉛などの薄い膜を金属材表面に形成する。腐食を防ぎ、見た目も改善される。

溶射

溶射はめっきとは別の表面仕上げ技法で、電気めっきよりも高温特性がよい場合が多い。