切削加工の基礎知識から設計・加工の注意点まで詳しく解説!

切削加工は代表的な機械加工の一つで、主に金属に対して、刃物で切ったり削ったりする加工です。鉛筆削りや、木材を削るかんなをイメージするといいでしょう。今回は切削加工の種類や切削加で製作できる部品例をご紹介します。さらに、切削加工によく使われる材料と加工・設計のポイントについても解説します。

切削加工の種類

切削加工は旋盤加工(旋削加工)、フライス加工、穴あけ加工の大きく3種類に分けられます。旋盤加工は工作物を回転させて削る工作方法で、フライス加工や穴あけ加工は刃物を回転させて削る工作方法です。

  • 旋盤加工(旋削加工)
    工作物を高速で回転させ、そこに刃物を触れさせて材料を削ります。工作物が回転しますので、円筒状の部品を制作するのに向いています。円筒の外周を削ったり、円筒の内部に穴を開けたり、雄ネジの加工をします。手動でさまざまな加工を行う汎用旋盤と、コンピュータープログラムによって移動で加工を行うNC旋盤、CNC旋盤があります。
    旋盤加工(旋削加工)
  • フライス加工
    フライス加工では、固定した工作物に高速で回転する刃物をあてて加工します。正面フライス、エンドミル、溝フライス、平フライスなどの工具により、面を削り出したり、段や溝を彫ったりするなど、さまざまな加工が可能です。工具の交換や工具の制御などを全て手動で行う汎用フライス盤や、工具の制御を自動で行うNCフライス盤、工具の交換も自動で行うMC(マシニングセンタ)があります。NCやMCの中には、工具の位置だけでなく、工具や工作物の傾きも制御する、3軸加工機や5軸加工機と呼ばれる加工機もあります。円筒状のものを加工する旋盤と異なり、ブロック状の材料から複雑な形状を削り出したり、溝や穴などの加工をしたりするなど、幅の広い加工が可能です。
    フライス加工
  • 穴あけ加工(ボール盤)
    一般的には「穴をあけるだけ」と思われがちなボール盤ですが、使用する工具によってさまざまな加工が可能です。穴の精度を高めるリーマや、穴の内径を広げる中ぐり、ネジ切り加工などです。
    穴あけ加工(ボール盤)

切削加工で製作できる部品

切削加工で作れるモノとはどのような形状でしょうか。ここでは、まずはイメージを持っていただくために、代表的な部品例をご紹介します。

  1. 1~2軸加工品
    一つの方向から穴をあけたり、切込みを入れたりしてできる形状が最も簡易に製作できる部品となります。穴加工のように1軸方向のみの加工や、同じ高さで輪郭を加工したり、窪みを入れたりする平面的な加工も比較的簡易な加工です。

    下の例のように、フラットな板にネジ穴やキリ穴などをあけただけのベースプレートや、一部切り欠きや面取りを施したブロックなどが典型的です。穴や切り欠きに加え、輪郭、ポケット(窪み)の加工も可能です。
    1~2軸加工品

  2. 多面加工品
    1~2軸加工品を1方向だけではなく複数の方向から施したような加工品です。左図のブラケットのように、1方向からの輪郭形状、穴加工、ポケット加工、切り欠き加工のほか、横方向から穴加工を施しています。

    右図のハウジングは横方向から溝加工、別の方向から穴加工を施しています。このような加工は、素材をひっくり返して向きを変えて、それぞれの向きで形状加工をします。1方向から加工を施した後、素材をひっくり返して再度固定するわけですが、このような作業を段取り替えとも呼びます。
    多面加工品

  3. 3軸加工
    1方向からの加工でも、滑らかな局面(自由曲面など)を削る方法を同時3軸加工と言います。曲面に沿ってボールエンドミルという先端が丸い刃物を動かして、仕上げていきます。

    左図のように自由曲面を持つ部品はもちろんですが、右図のように人や動物をスキャンしたような曲面も加工することができます。曲面に沿って3次元的に同時に主軸を動かさなければいけませんので、3次元加工に対応したCAM(Computer Aided Manufacturing)と呼ばれる専用のアプリケーションでNCプログラムを作成します。射出成型部品などの金型の切削加工などでもよく使われる加工方法です。
    3軸加工

  4. 多軸加工品
    ブロック状ではなく、全体的に複雑な形状をした部品も加工できます。素材を色々な向きに固定しなおしたり、5軸加工機と呼ばれる最新の機械を使ったりすることで、多面的な複雑形状の製作が可能です。
    航空機部品などで多用される加工方法です。

    下の図は、典型的な航空機部品の形状(イメージ)です。
    自由曲面と穴加工などが組み合わさっており、ボスが立っていたり、全体的に肉抜き形状になっているなど複雑で薄肉構造が多いのが特徴です。
    多軸加工品

  5. 同時多軸加工
    最新の5軸加工機や複合加工機の中でも、工具の動きと同期して素材もぐるぐる回転させながら加工する同時加工によってしか加工できない形状もあります。
    左図のようなローターブレードと呼ばれる形状(同時4軸)や、右図インペラのような形状(同時5軸)が典型的です。このように一定の素材方向からだけでは加工できないような入り組んだ形状加工にも、切削加工は強みを発揮します。
    同時多軸軸加工

切削加工の具体的な作業についてはこちらの記事で解説しています。
切削加工を疑似体験してみよう!

切削加工の材料

切削加工ができないのは、陶器のように壊れやすい脆性の高い素材や、ゴムのように粘りが強く弾力がある素材です。切削加工は、それ以外の金属材料や木材、一部の樹脂材料など、非常に幅広い材料を加工することができます。しかし、やはり材料によって切削しにくかったり、切削加工にコストがかかったりするため注意が必要です。基本的に硬いものは削りにくくコストが上がると考えるといいでしょう。

  • 鉄系材料
    S45CやSS400といった一般的な鉄鋼材料は、切削加工の材料としても非常によく使われます。焼き入れなどの表面処理を行ってしまうと硬くなってしまうため、焼き入れは切削加工後に行うのが一般的です。
  • ステンレス系材料
    SUS304などのステンレス鋼も切削加工が可能ですが、一般的な鉄鋼材料に比べて硬いため工具の寿命が短くなります。また加工に時間がかかるため、コストも高くなってしまいます。
  • アルミ
    A2017(ジュラルミン)やA5056といったアルミ系材料は、基本的に非常に切削加工しやすい素材です。しかし鉄系材料などに比べ強度に劣ったり、材料そのもののコストが高くなったりしやすいです。また溶接など、他の加工には向かないこともあるため注意が必要です。
  • 樹脂
    エンプラ(エンジニアプラスチック)とよばれる工業用の樹脂も切削加工ができます。
    ABSやポリエチレンなどの素材で歯車を製作したり、試作として切削加工品を使用するケースもあります。
    またPETやアクリル、ポリカーボネートなどの透明樹脂素材は、複雑な形状を削り出すのは向きませんが、穴開けや切り欠きなどの切削加工が可能です。透明樹脂の板に通し穴を開け、機械の窓部などにボルトで固定するなどの活用ができます。
  • その他
    チタンやインコネル、タングステンなどは非常に硬い金属で加工が困難です。特別な理由がない限り、切削加工ではこれらの材料は使わないほうがいいでしょう。

切削加工の注意点

切削加工を行う際は、工具と材料との摩擦により熱が発生します。そのため熱に弱い材料の場合、変形してしまったり、材料の性質が変化してしまったりする可能性があります。そのような場合には、切削油やクーラントを使用したり、加工速度を調整したりするなどの工夫が必要になります。
また加工後に発生するバリにも注意が必要です。材料や加工の種類により発生状況は変化しますが、切削加工を行った際には、バリが発生する可能性は高いと考えておきましょう。バリがあると、部品の機能の妨げになったり、使用者や加工者がケガをしてしまったりするケースもあります。あらかじめ、バリに対する対策も考えておくようにしましょう。

切削加工品を設計する際のポイント

切削加工の現場目線から具体的な設計のポイントを2つ紹介します。

  1. 隅アールを設計に盛り込む
    切削加工では、「刃物が回転する」ことによって刃物の半径分だけのアール(隅アール)が必ず付いてまわります。
    特に3面壁に囲まれた隅部には、どこかに隅アールが付きます。
    隅アールを設計に盛り込む

    このような形状を加工する場合には、必ずどこに隅アールを付けるのか図面中に明記してください。どこにも指示がないと「どこにアールを付ければ良いですか?」という問い合わせが入り、場合によっては「こんなもの作れないよ!」と断られてしまうかもしれません。

    切削加工における「隅アール」を考慮した設計についてはこちらの記事で詳しく解説しています。

  2. 加工のことを考慮して穴を設計する
    切削加工で最も問題になりやすいのが穴です。穴に関して一番問題を引き起こす要因が、下穴という存在です。ネジ穴にするにしても、リーマ穴をあけるにしても、まずは下穴をあけることが必要です。
    貫通の穴ならば問題になることは少ないのですが、途中で穴が行き止まりになっている「止まり穴」に、タップやリーマの加工を施す場合は注意が必要です。

    穴にまつわるよくあるトラブルと穴設計のポイントはこちらの記事で詳しく解説しています。

今回は2つ紹介しましたが、その他には加工形状の深さやアンダーカット、段取り替えをなるべく減らすといった設計のポイントがあります。
切削加工部品の効果的な設計のコツはこちらの記事で詳しく説明しています。

まとめ

切削加工の工作機械には加工物を回転させて加工する旋盤、加工物を固定し刃物を回転させて加工するフライス盤、穴をあけるボール盤があります。目的とする形状により、加工機の種類や加工軸の数などを選択します。鉄系材料やアルミ系材料、樹脂など、幅広い材料を加工できますが、陶器のように壊れやすい素材やゴムのように弾力と粘りのある素材の加工は困難です。切削加工品を設計する際には、加工機の性質や刃物の形状を考えながら設計を行いましょう。

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