SUS材の深穴加工と医療応用 ─ 加工が難しい理由とガンドリルによる対策

SUS材（ステンレス鋼）は、耐食性と生体適合性に優れることから、手術器具やインプラント、カテーテル部品など医療分野で欠かせない材料です。一方で、加工硬化しやすく熱伝導率が低いという性質があるため、深穴加工では熱と切りくずの管理が大きな課題になります。その解決の中心になるのが、工具の内部から高圧のクーラントを送り、冷却と切りくず排出を同時に行うガンドリル加工です。本記事では、SUS材の深穴加工が難しい理由と対策、医療分野での応用例をわかりやすく解説します。

SUS材（ステンレス鋼）の特性と医療で選ばれる理由

ステンレス鋼は、クロムを含むことで表面にごく薄い不動態被膜ができ、さびにくくなる鋼です。JISでは「SUS」の記号で表され、金属組織の違いによってオーステナイト系、マルテンサイト系などの系統に分けられます。医療分野では、この系統ごとの性質を使い分けて、用途に合った鋼種が選ばれています。系統ごとの特徴はステンレス鋼の種類と特性の解説記事でも紹介しています。

耐食性・生体適合性に優れるオーステナイト系

SUS304やSUS316Lに代表されるオーステナイト系は、体液や血液にふれる厳しい環境でも不動態被膜によって耐食性を保ちやすい鋼種です。なかでもSUS316Lは、炭素量を低くすることで溶接部の耐食性も高めた鋼種で、医療用インプラントにも用いられています。一方で、加工時に加工硬化を起こしやすく、熱伝導率が低いことが、切削加工での課題になります。

硬さと耐摩耗性に優れるマルテンサイト系

SUS420やSUS440系などのマルテンサイト系は、熱処理（焼入れ）によって高い硬さと耐摩耗性が得られる鋼種です。手術用ハサミや鉗子のように、硬さと耐摩耗性に加えて、繰り返しの滅菌工程に耐える性能が求められる器具に使われています。

SUS材の深穴加工が難しい3つの理由

深穴加工とは、穴の径に対して深さが大きい穴をあける加工です。どこから「深穴」と呼ぶかの目安は資料によって異なりますが、穴が深くなるほど、切削で生じた熱や切りくずが穴の中にこもりやすくなります。SUS材ではこれに材料特有の性質が重なるため、加工の難しさが一段と増します。

1. 加工硬化しやすい

オーステナイト系のSUS材は、切削時の変形によって表面が急速に硬くなる「加工硬化」を起こします。工具は硬くなった層を削ることになるため負荷が大きくなり、切削条件の最適化が欠かせません。

2. 熱伝導率が低く、熱が刃先に集中する

SUS材は熱伝導率が低いため、切削で生じた熱が材料側に逃げにくく、工具の刃先に集中します。その結果、工具摩耗が早まり、寸法精度が低下する原因になります。深穴では切削点が穴の奥にあるため熱が局所的にたまりやすく、工具寿命の低下や加工精度の悪化につながります。

3. 切りくずが長くつながりやすい

SUS材の切りくずは長い帯状になりやすく、穴の中に滞留すると工具の詰まりや刃先の摩耗を招きます。滞留した切りくずは加工硬化の悪影響も大きくします。穴が深いほど切りくずを外に出す距離が長くなるため、確実に排出する仕組みが必要です。

ガンドリル加工によるSUS材の深穴加工

ガンドリル加工の仕組み

ガンドリルは、深穴加工のために作られた工具です。工具内部の通路から高圧のクーラント（切削油）を刃先へ送り込み、切削点を冷やしながら、切りくずを工具外周のV字形の溝に沿って穴の外へ押し流します。冷却と切りくず排出を同時に行えるため、熱の蓄積を防いで工具摩耗を抑えられ、熱と切りくずが課題になるSUS材の深穴加工に適しています。詳しい仕組みはガンドリルとはのページで紹介しています。

真直度と寸法精度を確保するために

深穴では、穴が曲がらずにまっすぐ進むこと（真直度）と、穴径の寸法精度の両方が求められます。最適な切削パラメータと剛性の高い工具を組み合わせることで、深穴でも高い寸法精度と真直度が得られ、医療機器に求められる厳しい要求に応えることができます。工具摩耗を抑えて品質を安定させるには、超硬工具の採用や切削条件の適切な設定も重要です。

ハイタックの対応範囲

株式会社ハイタックは、ガンドリルマシンの製造販売と深穴の受託加工を行っています。SUS材の深穴加工にもガンドリル加工で対応しており、主な対応範囲は次のとおりです。

• 対応穴径はφ0.5〜30mm
• φ1.0mmで深さ400mm（L/D 400）の深孔加工を実現（世界初）
• 長さ3,000mm（トンボ加工）の長尺深孔加工に対応
• 試作1本から量産まで対応
• 小径（φ3mm未満）に特化したガンドリルマシンを国内で製造している唯一のメーカー
• 自社製ガンドリルマシン35台・1,000種類以上の工具を保有

外形加工・ホーニング加工まで内外径を一貫して対応できるほか、ISO 9001:2015の認証を取得し、医療機器製造業の登録も行っています。

補助加工技術と後処理

医療用部品では、深穴加工に加えて、穴の形状や表面の状態を整えるための加工・処理が組み合わされます。ここでは、代表的な補助加工と後処理を紹介します。

放電加工（EDM）・レーザー加工

ハイタックでは、機械的な切削が難しい極細の穴や複雑な形状に対して、放電加工やレーザー加工を併用しています。これらは刃物で材料を削る加工ではないため加工硬化の影響を受けにくく、微細加工に向いています。一方で、加工面には熱の影響を受けた層（白層など）が残るため、電解研磨や化学エッチングで除去し、内面の仕上がりを整えます。

電解研磨とパッシベーション処理

医療用部品では、耐食性と表面の滑らかさが特に重要です。電解研磨で表面を鏡面に近い滑らかな状態に仕上げ、その後のパッシベーション（不動態化処理）で表面に付着した鉄分などの汚れを取り除き、不動態被膜の形成を促します。こうした処理によって、長期間にわたって安定した耐食性を得やすくなります。

医療分野でのSUS材の応用例

手術器具

SUS420やSUS440系などのマルテンサイト系は、熱処理で得られる高い硬さと耐摩耗性を生かして、手術用ハサミや鉗子に使われています。繰り返しの滅菌工程に耐えることも、手術器具に欠かせない条件です。

インプラント・骨固定具

SUS316Lなどのオーステナイト系は、体内の環境でも安定した耐食性と生体適合性を示すため、骨固定具やプレート、スクリューとして広く利用されています。

カテーテル部品・内視鏡部品などの微細部品

注射針やカテーテル、内視鏡に関わる部品のように細く長い形状の部品では、小径で高精度な穴加工が求められます。高精度な深穴加工技術によって、こうした微細な部品の寸法精度や複雑な内部形状を実現しやすくなります。ハイタックの医療分野での深穴加工については、医療系器具の小径深穴加工のページで紹介しています。

医療用部品に求められる特性

SUS材の表面の仕上がりを数値で管理するときの指標については、表面粗さRaの解説記事で紹介しています。同記事では、SUS420を用いた医療関連部品の深穴加工事例も掲載しています。

よくある質問

SUS材の深穴加工は、なぜ難しいのですか？

SUS材は加工硬化しやすく、熱伝導率が低いため切削熱が刃先に集中しやすい材料です。さらに切りくずが長くつながりやすく、深穴では熱と切りくずが穴の奥にこもります。そのため、高圧のクーラントで冷却と切りくず排出を同時に行うガンドリル加工と、切削条件の最適化が重要になります。

医療用のインプラントや手術器具には、どのSUS材が使われますか？

骨固定具やプレート、スクリューなどのインプラントには、SUS316Lなどのオーステナイト系が広く使われています。SUS316Lは炭素量を低くして溶接部の耐食性も高めた鋼種です。手術用ハサミや鉗子には、熱処理で硬くできるSUS420やSUS440系などのマルテンサイト系が使われています。

ハイタックでは、どのくらいの小径・深さまで対応できますか？

対応穴径はφ0.5〜30mmで、φ1.0mmでは深さ400mm（L/D 400）の深孔加工を実現しています。長さ3,000mm（トンボ加工）の長尺深孔加工にも対応しており、試作1本から量産までご依頼いただけます。材質や形状によって条件が変わるため、図面をもとにご相談ください。

まとめ

SUS材は、高い耐食性と生体適合性、強度を備え、医療分野で欠かせない素材です。一方で深穴加工では、工具摩耗、加工硬化、熱の管理、切りくずの排出といった課題がともないます。ガンドリル加工で冷却と切りくず排出を両立させ、最適な切削条件と剛性の高い工具を組み合わせることが、精度の高い深穴を得るための基本です。

ハイタックでは、φ0.5〜30mmに対応するガンドリル加工を中心に、放電加工やレーザー加工などの技術も組み合わせて、高い精度と耐久性が求められる部品を製造しています。部品によっては、電解研磨やパッシベーションといった後処理も、医療用部品に求められる耐食性と表面品質を高めるうえで重要です。

ハイタックは試作1本から量産まで対応しており、ISO 9001:2015の認証取得と医療機器製造業の登録も行っています。SUS材の深穴加工や医療機器部品の加工についてのご相談は、お問い合わせページからお気軽にご連絡ください。