工作機械いろいろ – メカ設計のツボ

工作機械のすべてがこれ１冊でわかる

ARATA — Fri, 06 Mar 2020 15:12:33 +0000

設計の頂点と言えば、工作機械。

その工作機械の設計のすべてをこの本で学ぶことができます。

工作機械が、マザーマシンと呼ばれる所以は、すべての部品を工作機械が作り出すことからそう呼ばれている。

単純な話、切削加工部品は工作機械の精度以上には仕上げられない。

工作機械の精度がミクロン単位ならば、ナノ単位の部品加工はできないのだ。

ミクロンと言えば、１/１０００ミリだが、

人の髪の毛でさえ、１/１００ミリである。

髪の太さよりもさらに精度の良い加工品を仕上げるとはいったいどんな世界なのか？

知りたくないですか？

もし、エンジニアになりたいのであれば、

設計の頂点とも言える、マザーマシンの設計学を学びたくないだろうか？

そう、以前の私もエンジニアを目指す前の学生時代、マザーマシンの設計学を学びたくて悩んでいた時期があった。

どうやって、ミクロンオーダーの金属加工ができるのか、どうやって工作機械は設計されているのか。それを知るためには、工作機械メーカーに入って設計するしか手段がない。

だが、メーカーに就職が決まりいざ設計部に配属が決まると、あることを教えられた。

それは、”工作機械の設計学という本”だった。

この本は、社団法人　日本工作機械工業会が出版している本で、一般には販売されていない。

基礎編と応用編があるのだが、まさに工作機械の設計の基本を学べ、より具体的な方法が載せられているのだ。

基本構造体の設計から主軸（スピンドル）の構造、面拘束の手法や案内面の設計手法、剛性や熱対策までさまざまな要素がビッシリ書かれている良書。

この本を設計バイブルにみんな設計をしているわけだ。もちろん、この本に書かれていることがすべてではないし、あくまで基本を学べるということなのだが、その知識や解説が素人でもわかりやすいのだ。

メーカーには、それぞれ会社ごとに独自の設計ノウハウがある。だが、正直、はじめは難しくてチンプンカンプンだ。はじめはみんな素人なのだ。気にすることはない。そんなとき、ものすごい本を見つけてしまった。

それが、こちら

この本は、元メーカー側の人間である私が言うのもおかしいが、この本１冊で誰でもすぐにマシニングセンタのことを理解することができる。

小難しい設計学を学ぶよりも、よっぽどわかりやすく具体的な内容が載っている優良バイブルなのだ。ミクロンオーダーの仕上げ加工ができる工作機械のナゾがわかりやすく書かれているのだ。

もし、あなたがエンジニアを目指しているなら、１冊手元にあっても決して損はないと言えるだろう。工作機械のいろはがすべてわかってしまうのだから。

この内容で、このお値段はホント異常だと断言できる。

トコトンやさしいマシニングセンタの本 (今日からモノ知りシリーズ)

フライス加工や3軸・5軸加工をわかりやすく！機械設計者向け基礎講座

ARATA — Thu, 05 Mar 2020 15:46:11 +0000

今回は切削加工の基礎知識として、特にフライス加工について初心者向けの解説をしようと思います。切削加工には大きく分けて２つあります。１つは加工物が回転して加工を行う旋盤加工と、もう１つは刃物が回転して加工を行うフライス加工に分けられます。今回は後者のフライス加工の説明となります。フライス加工でさらに３軸、５軸加工、同時５軸が理解できれば機械設計の幅が広がること間違いなしです。

汎用のフライス盤とは

汎用のフライス盤の説明の前にフライス盤の前につく”汎用”という言葉をご存じでしょうか。私は学生の頃、汎用フライス盤と聞いて”一般的なフライス盤”だと誤解してました。でもこれは間違いで、汎用とは主に一連の操作を手動で行うことを指します。

よって、汎用（手動操作）＋フライス盤という意味なんですね。

NC（数値制御）が付いていない昔ながらの手動のフライス盤を汎用フライス盤と呼んでいるのです。

汎用のフライス盤は当然のことながら実際に使ってみましょう。

マシニングセンターとは

では次にマシニングセンターについて解説します。マシニングセンターは工具交換を自動で行う全自動フライス盤なんですが、こちらも言葉の定義には背景があるのです。先ほどの汎用フライス盤から装置の歴史を見てみるとわかりやすいかなと思います。

≪マシニングセンターＭＣの歴史≫
汎用（手動操作）＋フライス盤　＝　汎用フライス盤
↓
ＮＣ（数値制御）＋フライス盤　＝　ＮＣフライス盤
↓
ＮＣ（数値制御）＋フライス盤　＋　自動工具交換　＝　マシニングセンター

昭和の時代では工作機械業界の会社を見てみると、ＭＣ専門の装置メーカーが存在し、旋盤専門の装置メーカーとは区別されていました。しかしながら、今では旋盤もフライスもさらには研削（グラインディングＧＤ）もと複合加工機の開発を進める装置メーカーが増えてきています。

≪複合加工機の主な組み合わせ≫

・ＭＣ＋ＴＣ
・ＴＣ＋ＧＤ
・ＭＣ＋ＧＤ
・ＭＣ＋ＴＣ＋ＧＤ

専門要素が増えすぎて設計の難易度が半端なく高くなっています。せめて、今から工作機械を学びたい人ならば、もうひとつターニングセンターについても知識として最低限知っておきましょう。

≪ターニングセンターＴＣの歴史≫

汎用（手動操作）＋旋盤　＝　汎用旋盤
↓
ＮＣ（数値制御）＋旋盤　＝　ＮＣ旋盤
↓
ＮＣ（数値制御）＋旋盤　＋　自動工具交換　＝　ターニングセンター

このように、自動化が進むことで汎用からＮＣ、ＭＣやＴＣへと装置も名前を変えてきているということが読み取れると思います。ただ、今の時代は自動化プラス工程集約ということで更なる効率化が進んでいるため、複合加工機という名称になってきています。

３軸加工とは

ＭＣやＴＣについて理解してもらえたでしょうか。ここで少し加工の説明に入る前に装置の軸について解説しておきます。軸というのは装置を理解する上で欠かせない要素になるためしっかり理解しておきましょう。難しいことは何一つありません。

工作機械には軸という定義があります。こんな感じで、ＸＹＺ軸を指します。

この軸がＸＹＺの３軸の装置では３軸加工ができることになります。上図は横形と呼ばれる工作機械の軸構成になります。単に、軸の数がそのまま〇軸加工になる、ということなんですが、３軸加工とはいったいどんな加工なのかということ理解しましょう。

例えば、
・板厚が９ｍｍの平板に穴を１００穴空ける
・ブロック形状の素材から外形を削る
・ブロック形状の素材からポケット加工を行う

といったイメージの加工ができるようになります。

ブロック素材をイメージするとわかりやすいですかね。３軸加工では青色部分が加工できるわけです。

５軸加工とは

３軸加工ができれば工夫次第で大体の加工ができます。ただし、斜め方向への加工ができませんね。治具を作成すればできるのですが、そのために治具を作るのは一苦労です。そこで５軸加工機が登場するのです。５軸機の軸の定義はこのようになります。

すると、このような加工ができるようになります。

このように軸数が増えることで加工の幅が広がるわけですね。当たり前なんですが。３軸加工では無理だった加工が、５軸機を使えばワークのチャッキングを外さずに１工程で加工できるようになります。

軸数が増えると素材から部品を仕上げるまでにかかる段取り時間や加工時間の短縮、ワークの載せ替え時間の短縮、より多くの時間を機械のプログラムで終わらせることができて、且つ、人の手間が減ることから皆に喜ばれる傾向になります。

５軸加工と同時５軸加工の違いとは

ここで、先ほどご紹介した５軸加工なんですが、同時５軸加工という言葉もあります。先ほどのサンプル写真は同時５軸になりますね^^５軸加工とは５つの軸数を持った加工装置でできる加工を意味しますが、同時５軸とは言葉通り、５軸を同時に動かすことができる加工を意味します。

すなわち、５軸加工では極端な話、１軸１軸移動するたびに時間を止めてワークを加工する意味合いになりますが、同時５軸とはそのうちの３軸から５軸が同時に移動して加工するという意味合いになります。XY軸を動かしながらA軸を回転させるとかですね。動画を見てもらった方が早いのでこちらの動画を見てください。

ご覧になられて同時５軸が理解していただけたでしょうか。この同時５軸を駆使すると、このような加工物が仕上がるわけです。

（インペラ）

（プロペラ）

（ブリスク）

同時５軸になると、加工プログラムも手書きでは無理になります。ＣＡＭというソフトでシミュレーションを行い、プログラムの自動作成をする形となりますね。

横形の工作機械とは

工作機械と言えば、一般的に立形のＭＣをイメージすると思います。しかしながら、横形のＭＣも存在します。立形があって、横形があって．．．というラインナップの話ではなく、工作機械の弱点を補うための特徴という意味合いがあります。

ここでフライス加工の欠点についてはじめに話しておきます。フライス加工とは基本的に主軸と呼ばれる刃物部分が上部からの
アプローチになります。これがすなわち、立形のＭＣの特徴です。

工作物の上部からのアプローチで素材を加工するわけですね。これだと、横面の加工を行うためには段取り替えをしないといけないわけです。

横面(青色部分)の加工が多い形状は横形マシニングセンターが加工に向いているわけです。横形のマシニングセンターは、主軸が横向きに設置されているため、B軸が回転すれば、段取り替え不要で加工を進めることができるのです。

逆に横形は上面からの加工が多い形状には不向きだと言えます。こういった向き/不向きは何で決まるかというと、段取り替えや加工基準を決める作業、ワークの運搬作業で決まるのです。段取り替えのネックは作業者が一度ワークを固定して加工のゼロ点を決めたものを解放させてしまうことです。

ワークを一度フリーにしてしまうということは、段取り替え後、また加工のゼロ点を慎重に決めなおさないといけない事になります。作業としてはそこまで難しくはないのですが、そこには人為的なミスが隠れています。

このような段取り替えが一切なければ、はじめのプログラム確認だけ集中して慎重にチェックすれば、あとは放っておけばいいのです。また、段取り替えには加工物（ワーク）の運搬もはいってきます。ワークのサイズにもよりますが、ＭＣやＴＣで加工するワークは普通、重量も重く人力では到底運べない重さになります。

クレーンを使って慎重にワークの向きを変えて治具で固定し、加工のゼロ点を決める作業が増えてしまうのです。ここにも人為的なミスが隠れていますよね。作業者は人為的なミスを嫌がります。

なので、できるだけ、立形ＭＣに向いている形状は立形ＭＣで加工したいし、横形ＭＣに向いている形状は横形ＭＣで加工したいわけです。多くの加工工場に、立形と横形のマシニングセンターが複数台置かれているのはこのためなのです。

マシニングセンターには以上のような理由から

・立形マシニングセンター
・横形マシニングセンター

と種類分けされていることを覚えておきましょう。世の中にはもっと軸構成が複雑な工作機械がありますが、基本的にこれらを理解しておけば、問題ありません。

複合加工機とは

近年では工程集約を実現した複合加工機があります。複合加工機とは、これまで解説してきた「マシニング＋ターニング」を兼ね備えた加工機となります。

ワークの段取り替えの解説をしてきましたが、それ以外にも工程替えも存在します。これまでは丸物形状をターニングで行い、フライス加工は別の機械にワークを乗せ換えることが当たり前でした。

量をこなすためには、同じ形状や似た形状のワークを同じ機械にセットして次から次へと流したほうがいいですからね。ただ、部品の仕上げ形状によってはどうしても１つの機械だけでは難しく、別の機械を使って図面仕様を満足させないといけないものもあります。２段階もしくは３段階の工程が必要となる部品です。大手工作機械メーカーはこの工程を短縮させるために複合加工機を開発しているのです。着眼点がすごいですよね。

１つの機械でワークの段取り替えもワークの運搬作業もいらなくなれば、これまでの加工時間を大幅に短縮できることになりますよね。そういった複合加工機がこちらになります。

こちらはブレード加工のサンプル動画です。

その代わりといっては何ですが、お値段も倍近くになることは容易に想像がつきますよね。この部分にユーザーが価値を感じて、数年でペイできるか試算できれば高くても機械を買うのでしょう。

グラインディング仕様とは

更なる進化としてグラインディング（研削）仕様の装置も開発されています。部品には表面を仕上げる図面指示が書かれています。▽の記号で書かれていたり、表面粗さを数値で表されていたり。その中でピッカピカに仕上げてねといった、研磨加工指示の部品があります。

これまで研磨面を必要とする高精度な加工部品は当然のことながら研削盤と呼ばれる加工機を使って加工をする必要がありました。ここにも工程替えが発生していました。この部分の工程をなくすために、この研削加工すら１つの機械で終わらせる優れモノの加工機がグラインディング仕様となります。

この動画は約１０分くらいありますが、これだけでお腹一杯になる加工です。こんなに複雑な形状の部品を１台の複合加工機で完結できるのはとてもすばらしいですよね。工作機械メーカーはこういった技術的なハードルを次々とクリアして、お客様の要望に応えているんですね。

もちろん、どれも簡単な技術ではなく、日々実験と検証を繰り返し、技術者は失敗を繰り返し、最終製品となる装置を世の中に出しているんですね。

設計者は切削加工を知ることで何を考えるのか

工作機械メーカーはこのように日々技術の進化をしてきています。工作機械メーカー以外のエンジニアはこれら工作機械の知識を理解する必要があるのです。なぜなら、加工法を理解することで、自分の設計部品を安く仕上げることができるからです。だからといって、詳しく掘り下げて知る必要はありません。ザックリと上辺だけで良いです。では機械設計初心者のあなたが何を知るべきかかなんですが．．．

まずは自分の取引先である加工業者がどんな加工機を所有しているのかから始まります。これを知れば、自分の中で選択肢ができるわけです。複数の業者を調べれば、どこにどの部品をお願いして制作してもらうか振り分けられますよね。

そして、ＭＣやＴＣでどのように部品が加工されるのかを現物を見ることです。そうすれば、加工順序をイメージしながら設計できます。

最後にどのレベルの仕上げ加工ができるのかを把握します。加工精度や表面仕上げ、部品の外観や検査工程など。こういったことを考えて設計に入れば、そもそも設計のやり直しがなくなります。やり直しがあるうちは、まだまだ設計者として半人前です。やり直しがなくなってはじめて次のステージを迎えます。

先人たちは少なくともこういったことを理解し、日々設計という仕事に向き合っていますので、あなたもぜひ取り組んでみてほしいです。

旋盤加工をわかりやすく！機械設計者向け基礎講座

ARATA — Tue, 13 Nov 2018 14:00:09 +0000

この記事は、機械設計１年生向けに書いた記事です。旋盤とはなんぞや？と思う方に役立ててもらおうと思い書きました。新人研修用として読んで頂けたら幸いです。私が昔新人さんに教えた内容を書き起こした内容となっています。

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旋盤加工とは

旋盤加工ってわかりますかね？丸モノと呼ばれる部材の加工ですね。旋盤加工では、刃物が固定でワークが回ります。イメージとしては、陶芸の電動ろくろのようなイメージです。粘土が回って、手は固定ですよね。粘土がワークで手は刃物に相当します。ちょうどあんな感じです。

ところで、工作機械の旋盤はわかりますか？
こんなヤツです。

旋盤も汎用とＮＣとあるんですが、違いわかりますか？

手動で動かして部品を加工する汎用旋盤と呼ばれるタイプとＮＣコードを読み込んで自動で部品を加工するＮＣ旋盤があります。汎用旋盤は工業系の学校でよく見かけますね。手動式のものです。

ＮＣ旋盤はプログラムを組んで、自動で動かします。ＮＣとは、Numerical Controlの略で数値制御って意味です。ＮＣ旋盤の特徴として、タレットと呼ばれる旋回式の刃物台とチャックと呼ばれるワークを掴む部分があります。

ワークを回転させて加工することから旋盤のワークは丸モノと呼ばれるんですね。ちなみに、フライス加工とは旋盤加工とは真逆で、ワークが固定で、刃物が回転します。設計者はまずはじめにどちらの加工で部品を仕上げるのかを頭で考えて設計をはじめないといけません。

ここ、重要です。

汎用旋盤もＮＣ旋盤も装置の構成はほとんど同じです。
汎用旋盤を例に簡単に、装置構成の説明をしておきましょう。

・主軸台

ワークを回転させるための駆動系の部位を主軸台といいます。
主軸の回転速度をRPMという単位で表し、回転数を制御します。

・心押し台

ワークを固定するチャックとは反対側にある先の尖った部位をいいます。
ワークの端を押さえる台を心押し台といいます。

旋盤は片側固定になるので、長尺になればなるほど先端が振るんですね。
その触れをなくすために、心押しでワークの先端を押えて振れを抑えるんですね。

心押し台もストロークで動きますし、心押し軸も出入りができる構造になってます。

・往復台

固定した工具と台ごとワークに近づけていく部位をいいます。
刃物台と思ってもらえればいいのですが、
ワークまでの距離をアプローチして逃がすといった往復運動をするので、
正確には往復台になるのでしょう。

刃物台だと工具の固定だけになりますからね。

・送り装置

分け方として細かいのですが、往復台である程度ワークの近くまでアプローチして、
実際にワークを回転させて送り量の調整を行なう部位を送り装置といいます。
動く範囲が小さく、0.01mm以下の精密な範囲で移動させることができます。

・ベッド

旋盤の本体を構成し、案内面を支持する台をベッドといいます。
よく工作機械全般でベッドといえば、この部分を指します。

・刃物台

旋盤の切削工具(バイト)を固定する部位のことを刃物台といいます。
刃物台は往復台と一緒に移動し、切り込み方向へ移動させます。

・チャック

旋削加工物を取り付けて固定する部位です。主軸にセットして使用します。
チャックの爪でワークを挟み込む機械式のものが多く使われています。

三つ爪と呼ばれ、三点で支持することで円の中心が出やすい構造となっています。

装置の解説については、ざっくりこんなとこでしょうか。

実際に使ってみるとすぐに理解できると思いますが、設計する立場では、どんな加工ができて、どんな形状が作れるのかといった情報を常にアンテナを立ててキャッチすることです。

こういった加工情報が古ければ、あなたの設計はいつも古い情報を元にした、古い設計となります。気をつけるようにしましょう。
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旋盤で削れる加工の種類

・外経加工

・内径加工（中ぐり）

・テーパー削り

・端面削り加工

・突切り加工

・ネジ切り加工（外径・内径）

大まかな加工としてはこんな感じですかね。

最近の旋盤ではこんな加工もできるみたいですね。

提供：Mazak Integrex J200-Drve Unit

もはや旋盤という領域を超えすぎて物凄いことになっています。
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旋盤工具の種類

上記で説明した加工に使われる工具形状を紹介します。と思いましたが、私はそれほど工具形状に詳しくないので、割愛します。次にご紹介しる工具メーカの公式サイトを見てもらったほうが早いと思います。

・外経加工

・内径加工（中ぐり）

・テーパー削り

・端面削り加工

・突切り加工

・ネジ切り加工

とにかく、旋盤で使われる工具の種類は無数にあります。カタログを見ているだけでも勉強になります。また、工具形状はかなり高度な設計がなされています。あの工具形状を決めるのに何百回と試験を繰り返しているそうですよ。

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旋盤工具のメーカー

メジャーどころの工具メーカです。これだけでも相当の数の工具を見ることができます。

・京セラ
公式サイトへ行く

・三菱マテリアル
公式サイトへ行く

・OSG
公式サイトへ行く

・big(大昭和精機)
公式サイトへ行く

・タンガロイ
公式サイトへ行く
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機械設計に必要な旋盤加工の知識

やっとここからが本番なんですが、丸モノ部品を設計する上でいったいどこに気をつけなければいけないのか、解説していきたいと思います。

〔丸モノ形状の設計で注意すべきこと〕

１．長尺部品かどうか

長尺部品ならばセンター穴が必要です。図中にセンタ穴を記載しましょう。

２．旋盤加工だけで完結できるのか

フライス工程が必要な設計かどうか。できるだけ、旋盤工程だけ完結できるといいですね。

３．ネジ切りの逃がしはあるか

外径でも内径でもねじ切り加工には逃げ溝が必要ですよ。

４．焼入れが必要か？材質は正しいか

丸モノ部品はたいていベアリングとかシールとか入る設計です。生材でよいのか、焼き入れが必要か判断してください。
焼き入れ部品の場合は、材質にも気を付けましょう。
焼き入れが分からなければこちらの記事をどうぞ
焼き入れ焼き戻しとは？メカ屋が知っておきたい最低限の熱処理知識

５．寸法公差、幾何公差は妥当か

ｈ公差かｇか、ｆか、H公差かGか、Fか、公差をあまくできるならコストダウンできますよ。
真円度や振れ公差は妥当ですか？表面粗さとの整合性は取れてますか？

６．逃げ溝Rはバイト形状を確認したか

角部に付けるRは0.1ですか、0.3ですか？バイト先端形状を確認して。

７．加工の基準面を決めたか

これは超基本ですよ。基準面が分からなければこちら記事をどうぞ
【機械図面】基準面を決めて寸法を引く理由

８．回転部材のとき、偏心しないか

丸モノは基本回転体の部品として使われます。形状が非対称だと偏心しますよ。

９．シール溝の寸法公差は正しいか

シール溝はメーカごとに公差が違います。ここ間違うとシールの機能が損なわれますよ。

以上が注意点ですが、おそらく追記があると思います。思いついたらまた書き加えます。後半疲れてしまいまい説明が雑になってしまいましたが、新人君も疲れたと思いますので、今日はこのぐらいにしておきましょう。
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切削加工とは？加工コストを抑えるために技術者がやるべきこと

ARATA — Sat, 04 Jun 2016 04:04:43 +0000

機械設計をしていて、切削加工という言葉を知らない人はいないと思います。切削と言ってもその加工法は様々で、設計者自身はそれらすべてを頭の中に入れておかなければなりません。なぜなら、加工法を知らないと設計ができないだけでなく、外注とのやり取りやコスト計算ができなくなってしまうからです。ということで、今回は筆者の経験をもとに切削加工についてまとめてみました。

切削加工とは？切削加工とそれ以外の加工の使い分け

切削加工とは、金属、木材やプラスチックといった素材を刃物を使用して削り取り、希望する寸法や形状にする加工法が「切削加工」です。

設計で切削加工が必要なときとはいったいどんな場面でしょうか？
今あなたはごく自然に切削加工とそれ以外の加工とを仕分けしていると思いますが、実際には頭の中でどう振り分けられているのか整理してみます。

部品を設計するとき、必要なことはたいてい次の５つになります。

１．部品の大きさ
２．形状の複雑さ
３．要求精度
４．部品の強度
５．部品の材質

その他にも考えなければならないことは、熱処理だったり、塗装だったりいろいろありますが、ここでは省略します。

この中で、加工法を判断する場合に３つのキーワードが重要となります。
それは、「部品の大きさ」と「形状の複雑さ」、「要求精度」です。

部品の大きさ
部品の大きさによって、加工法の選択肢は変わってきます。
例えば、1,000×2,000×500ぐらいの土台を設計するとします。

この土台の用途が仮に重いものを載せるための土台だったら、その土台は鋳物もしくは製缶品として作る必要があります。一方で、軽いものを置くための土台だったら、アルミフレームなどで枠組みだけにすればいいですよね。

鋳物の場合だと、切削加工は必要になってきますし、製かん品（鋼板の溶接）でも場合によっては切削加工が必要になります。アルミフレームだと切削は必要ありませんよね。

また、小さい部品ではどうでしょう。
例えば、Φ20×6みたいな丸いブロックです。
そのブロックにM6タップが通しで１ヶ所空いているとします。
ただし、このブロックの外径はh7の公差が必要だとします。
一見簡単な形状ですが、外径の要求精度が高い部品です。

板金という選択肢はなくなりますね。
切削加工でしか、この要求精度を満たす方法はなくなります。

部品の大きさに関わらず、求める精度によって切削加工が必要なのかどうか分けられると思います。

形状の複雑さ

文章で示すより、動画で見ていただいた方が早いので、いくつか紹介します。

ベベルギア

インペラ

羽

エンジンブロック

クランクシャフト

ここまで複雑な設計をするかどうかは別として、こういった加工ができることを頭に入れておけば、自分が思い描く大抵の部品は切削加工できると思います。

問題は、加工する外注や社内設備でこういった５軸加工や複合旋盤を持っているかどうか、オペレータが使いこなせるかどうかですよね。

要求精度

要求精度も当然、加工法を選択するうえで重要な要因です。
部品設計をする上では、２通りのアプローチがあります。それは、要求精度を先に決めて部品の形を作る場合と、部品の形が先に決まり、そこから精度を決める場合です。

前者の場合は、切削面が必要なのか、研磨面が必要なのか、面粗さが必要なのかが先に決まるわけですから、その時点で加工法が決まってしまいます。

一方で、後者の場合は、形状が先に決まり、そのあと精度を決めるので、切削面が必要ではないケースも出てきます。この場合、要求精度での切り分けのポイントとしては、寸法精度、幾何公差や表面粗さになります。

寸法精度で言えば、１００分代、１０００分代の精度が必要ならば、切削加工となりますし、コンマ代の精度でよければ、板金や表面がすでに仕上がっている引き抜き材などを使えば、その部分は加工が不要となります。

ここで忘れてはいけないことが、要求精度を満たすためには、それなりの剛性を部品に持たせた形状にする必要があるということです。

切削が必要だということは、ある程度切削負荷に耐えうる構造になっていないと、要求している精度そのものが出ない結果となるからです。

その点は、十分注意が必要です。

どんな加工機を所有しているのかで企業の部品レベルが変わる！

それでは、切削加工を行うときに使用される工作機械についていくつかご紹介します。

工作機械といっても、汎用機もあれば、NCを搭載した機械もあれば、旋盤もあれば、マシニングもあれば、歯切り盤もありと様々な用途の機械があります。

ここでは、NC工作機械と呼ばれる装置の種類の中でも、マシニングセンタについてご紹介します。

ちなみに、刃物が回転するものをマシニングと呼び、ワークが回転するものを旋盤と区別しています。

町工場では、一般的に汎用機と呼ばれる機械を使われているところもありますが、これは熟練のオペレーターが一個一個手作業で部品の精度を仕上げていきます。それでは、１００個、１０００個といった数がある場合には、時間がかかってしまい、非効率的なものとなってしまいます。

そこで、加工手順をNCプログラムと呼ばれるコードを入力することで、仕上がり寸法精度が出るように機械に覚えさせ、あとはそのプログラムを実行すれば、自動で部品が仕上がるように汎用機を進化させた機械をNC工作機械と呼びます。

今では当たり前の工作機械となっていますが、一言にNC機といっても、一般的に種類は大きく３種類に分類できます。

・立形機
・横形機
・多軸（複合）機

それぞれ特徴がありますので、次に細かく紹介していきます。

立形機

工作機械にはXYZ軸という座標軸があり、立形機は刃物がZ軸方向に搭載されています。

固定テーブルにワークを載せて、そのテーブルがXY平面を動くことで、加工を行っていきます。

横形機

立形機とは異なり、刃物がY方向に搭載されています。テーブルは主にY方向とZ軸周りの回転方向に移動します。横型の最大の特徴は、ワークを回転させることができるので、斜めからのアプローチが可能となることです。

多軸(複合)機

多軸機は通称複合機とも呼ばれ、5軸機とも呼ばれています。これまで縦型、横型とも制御できる軸は3軸でした。それが複合機になると、回転方向が加わり、5軸制御になるわけです。XYZ平面とそれにプラスして、C軸回転とA軸回転が加わります（立形複合機の場合）

最大の特徴は、段取り替えをすることなく、ワンチャッキングで
ワークを最終仕上がりまで行えるということです。

立形だけでは終わらない工程と横型だけでは終わらない工程を１つの工作機械で仕上げることができるのです。

工作機械は数ミクロンから数十ミクロンという仕上がり精度に部品を加工することができますが、一旦、ワークをテーブルから外すと、また、一から加工基準を出しなおす工程が必要となります。

一旦加工基準を出してから加工を行わないと、せっかく前工程で仕上げた精度を次の工程で継承できなくなってしまい、加工不良を起こしてしまいます。

こういった段取り時間を短縮できることが5軸機のメリットとなります。

このように工作機械ごとに加工できる範囲が決まっており、また、工場がどの工作機械を所有しているかで、仕上げられる精度の限界や加工できる範囲が決まってしまいますので、設計者はそれらを頭に入れた上で、図面を書く必要があるのです。

切削加工においてコストがかかるとはどういうことか

これまでのことからもわかる通り、切削加工においてコストとは、すべて”加工時間”に比例します。

加工時間とは、単に部品を機械が削っている時間だけではなく、ワーク（素材）から仕上がり形状になるまでのトータルを指します。

例えば、ある工場では、縦型のマシニングしか所有していなかったとします。
部品の形状を見ると、縦型のみでは仕上がらない加工があった場合、その工場だけでは、その部品を仕上げることができないわけです。

すると、その工場からまた知り合いの工場へ加工を依頼することになります。
１つの部品を仕上げるために、自分の会社の直下の外注だけでなく、外注の外注を使って部品を仕上げるわけですから、おのずと人件費や加工コストが増えてしまうということが理解できると思います。

また、別の例をいうと、縦型と横型の機械を所有している工場があったとします。２つの機械を使わないと仕上げられない部品形状があった場合、その工場だけで完結できるのですが、２つの機械を使う必要があるので、そこには段取り替えという工数や加工基準を出す工程が出てきます。

仮に5軸機を所有している工場があれば、ワンチャッキングで仕上がる部品が5軸機を所有しない工場では、これら段取りと加工基準の工程が増えるわけです。

当然、部品単価で考えると、5軸機を使って仕上げた部品代のほうがやすくなることがわかると思います。

よって、切削加工が必要な部品の単価を考えた場合は、部品の大きさや形状、削りやすい材質かどうかも大切なんですが、それよりも、いかに自分の外注の所有している工作機械を把握して、その機械で加工できる部品形状に構想段階で考えておくことが部品の単価を抑える有効手段だということも覚えておくと良いでしょう。

加工精度と不釣合いな形状のバランスとは？

切削部品のコストを考えた場合、加工時間や段取りを含んだトータルコストがコストに反映されると紹介しました。

ここで、もう少しミクロな部分の”加工時間”について詳しく説明していきたいと思います。

加工時間とは、切削を行っている時間という意味ですが、切削時間とは、切り込みと送り速度によって変わってきます。

切り込みと送り速度について簡単に説明したいと思います。
あなたはバームクーヘンという洋菓子をご存知でしょうか？

バームクーヘンとは薄い層が幾重にも重なってできたお菓子です。

このバームクーヘンを順次一層ずつパクリと食べていくとします。
一層ずつ順次食べていくと、いずれバームクーヘンがなくなりますよね。

この一層が”切り込み量”に相当し、パクリと食べて、またパクリと食べるスピードが送り速度に相当します。

そして、すべて食べ終える時間が加工時間に相当するわけです。
イメージできたでしょうか？

このバームクーヘンをすべて食べ終える時間、すなわち加工時間を早めるためにはどうするべきか？

一層を二層に変えるか、食べるスピードを早くするかになると思います。
このイメージが加工時間なのです。

ですが、金属を加工する場合は少し条件が違ってきます。
それは、部品のたわみが関わってくるのです。

硬い金属を削る場合、刃物にもワークにもそれなりの負荷がかかります。
この負荷は、切り込みを増やしても負荷が増えますし、スピードを増やしても負荷が増えます。

ここで、加工時間を早めたいと思うあまり、条件を厳しくすると、ワークに負荷が加わり、最終仕上げ精度が出せなくなるわけです。

あまりにも貧弱な部品形状と求める精度のバランスが悪いと、切削条件を緩めて、ゆっくり削るしかできないという状況になります。

そうなると当然、加工時間をどうしても縮めることができなくなるので、部品代は安くならないということになります。

加工コストが安くできるかどうかは、構想段階から安く加工できる方法を考えることが重要だということがお分かりいただけたでしょうか？設計者である我々もこの基本を忘れずに、日々勉強して行きたいものです。