マシニング加工の特徴や加工工程を解説!

マシニング加工とは、材料の加工をプログラムにもとづいて自動で行う加工で、このような加工ができる機械をマシニングセンタといいます。
今回は、マシニングセンタを用いたマシニング加工の特徴や加工工程などを紹介します。

マシニング加工の特徴や加工工程を解説!

マシニング加工とは?

マシニング加工とは?

マシニング加工は、マシニングセンタという加工機械を用いた切削加工の一種です。入力されたプログラムや、3D図面の形状をもとに自動で刃物の位置をコントロールします。さらに工具の交換も自動で行うため、加工ごとに設備を使い分けたり、ツールを交換したりする必要がなく、複雑な形状をより速く加工することが可能です。従来はたくさんの設備を使用していた加工を、より少ない設備で加工できるようにし、従来の設備では加工が困難だった形状を加工できるようにするなどのメリットがあります。

マシニング加工で使用されるマシニングセンタの特徴

マシニング加工では、切削工具を高速で回転させることで、材料を削り取り目的の形状にします。フライス加工の一種と考えることもできます。加工プログラム(NCプログラム)を設定することで自動加工できる点と、複数の工具を自動で交換できる点が大きな特徴です。
事前に設定したプログラムに応じて、加工したい材質や条件に対応した刃物に自動で交換し、表面を削ったり、溝を掘ったり、穴をあけたりできます。
マシニング加工と同様にフライス加工を行う設備として、汎用フライス盤やNCフライス盤があります。
これらとマシニング加工を比較すると、汎用フライス盤は自動交換機能やプログラムを設定した自動加工ができませんし、NCフライス盤は自動加工はできますが工具の自動交換ができません。

設備種類 プログラム加工 工具自動交換
マシニングセンタ
NCフライス盤 ×
汎用フライス盤 × ×

マシニングセンタの種類

マシニングセンタの種類

マシニング加工で使用されるマシニングセンタは、次の4種類に分けられます。

  • 立型マシニングセンタ
  • 横型マシニングセンタ
  • 門型マシニングセンタ
  • 5軸マシニングセンタ

ここでは、立型マシニングセンタ・横型マシニングセンタ・門型マシニングセンタの特徴について紹介し、次章で5軸マシニングセンタについて説明します。

立型マシニングセンタ

立型マシニングセンタは、刃物が設備の接地面に対して垂直(立て)方向についており、材料を上から加工します。刃物を取り付けた回転軸が縦、横、高さ方向に動くため、マシニング加工する様子を上から確認しながら加工できます。

横型に比べるとコンパクトで、狭い設置スペースでも導入可能です。広く導入されているタイプですが、加工時に発生する切りくずを外に排出しにくいため、切りくずを原因としたトラブルが発生しやすくなります。

大量生産よりも多品種少量生産の方が向いています。

横形マシニングセンタ

刃物を取り付けた回転軸が横向きについていて、材料を横から加工するタイプです。加工時に発生する切りくずが下に落ちていき、立型マシニングセンタに比べ切りくずを原因としたトラブルが発生しにくいのが特徴です。
また、設備によっては部品を自動で搬送できる装置を追加することも可能です。そのため連続して材料を加工することができ、同じものを大量に生産したい場合に向いています。

門型マシニングセンタ

門形マシニングセンタも、立型マシニングセンタと同様に刃物が垂直になっているマシニングセンタです。しかし立型マシニングセンタは刃物の回転軸が片持ちであるのに対し、門形マシニングセンタでは工作物をまたぐように配置された2本の柱により両側から支持する「門形」になっています。数メートルを超えるような大型の部品の加工ができるのが特徴ですが、マシニングセンタそのものが非常に大きくなります。

5軸加工機(5軸マシニングセンタ)

5軸加工機(5軸マシニングセンタ)

5軸加工機(5軸マシニングセンタ)は切削加工技術の中でも最新の機械で、縦方向、横方向、高さ方向の軸に加えて、さらに2方向の回転軸を持ったマシニングセンタです。立型や横型マシニングセンタでは、作業員が手動で材料を回転させ、再度位置決めをする必要がある加工でも、5軸マシニングセンタであれば作業員の手を加えずに、自動で回転させて位置決めが可能です。さらに、段取り替えのために設備を止めることもないので連続的に加工できます。
多くは立型ですが、門型マシニングセンタのなかにもヘッドを回転させ5軸加工を可能にしているものもあり、航空機部品などの製造現場で活躍しています。

加工効率の向上や段取り替えの誤差を低減できるため、品質も向上します。一方で、機械そのものが高価で加工賃が割高になることや、重切削が苦手で1台ですべての工程を完結するケースが少ないといった点がデメリットとして挙げられます。また、回転を含んだ加工プログラムの作成難易度が高い点も加工機導入の障壁となっています。

3軸加工機と5軸加工機の違いについてはこちらの記事で詳しく説明しています。

軸加工の上手な活用方法とは?3軸加工機と5軸加工機の違いについて解説。

マシニング加工の手順

マシニング加工の手順

マシニングセンタを使用した加工を行う場合、次のような手順で行われます。

  1. 加工プログラムの作成と読み込み
    材料を狙い通り加工するために、マシニングセンタをどう動かせば良いか指示するプログラムの作成が必要です。これは製品図面や3Dデータを参考に作りますが、形だけではなく削る方向や削る際の経路、刃物を動かす速度などを指示します。
    プログラムが作成できたら、マシニングセンタに読み込ませます。
  2. 材料や刃物のセット(段取り)
    加工したい材料や使用する刃物をマシニングセンタにセットします。このとき、材料や刃物が適切な位置にセットされていないと、狙い通りの精度で加工できなくなるため、確実な位置合わせが必要です。
  3. 材料の加工(プログラム実行)
    準備ができたら、材料の加工です。設定したプログラム通りにマシニング加工が進みますが、狙い通りに加工できているか確認する必要があります。
    切削の順番としては、大まかな形状を削りだす粗削り、狙い通りの寸法や形状を作る仕上げ加工という順番で行われます。加工が終わったら、狙い通りの形状、精度になっているか確認しましょう。

マシニング加工の代表的な材料

マシニング加工では、一般的に鉄、銅、アルミなどの金属やそれらを用いた合金を使用することが多いです。材料を削りながら加工しており、切りくずが多く発生するため、金、銀などの高価な素材を加工するのには適していません。
また、刃物の種類や加工する際の条件が整えば、ガラスや樹脂、セラミックスなど脆性の高い材料でも加工は可能です。

マシニング加工をするときの注意点

マシニングセンタを用いた加工では、設計段階で加工手順を考慮した設計を行うことが重要です。加工をする順番や完成形状の面取りなどの角の付け方次第で、品質、製造時間、コストが大きく変わります。
具体的には、削る深さをなるべく浅くする、両側から加工できるようにするなどの工夫が必要です。深い形状を掘ろうとすると刃物が安定せず、精度悪化につながる可能性があります。
また、加工する穴の側面がエッジになっている状態では穴の底にRが必要だったり、側面と底の両方がエッジになっているものは、加工が困難だったりします。

まとめ

マシニング加工とは、マシニングセンタを用いた加工のことです。マシニング加工では、プログラムを設定することで、自動で刃物を交換しながら加工を進め、短時間で品質のいい製品を製造できます。マシニング加工を採用する際には、設計段階から加工の流れや順序を考慮した設計を行うことがとても重要です。

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