はじめに

機械部品を作る方法には、いろいろな加工方法があります。

板を曲げる板金加工。
材料を溶接して組み立てる製缶加工。
型を使って作る成形加工。
材料を削って形を作る切削加工。

その中でも、機械部品でよく使われるのが切削加工です。

切削加工とは、工具を使って材料を削り、必要な形状や寸法に仕上げる加工方法です。

機械設計をしていると、プレート、ブラケット、シャフト、カラー、スペーサ、ブロック、ベース部品など、切削加工で作る部品を多く扱います。

初心者のうちは、CAD上で形を作ることに意識が向きがちです。

しかし、図面に描いた形状は、実際には工具で削って作られます。

そのため設計者は、

どのように削るのか
工具は入るのか
加工しやすい形状になっているか
必要以上に加工費が上がらないか

を考える必要があります。

今回は、機械設計初心者向けに
「切削加工とは何か」
について、設計者目線で解説します。

切削加工は材料を削って形を作る加工

切削加工は、材料から不要な部分を削り取って、目的の形状を作る加工です。

たとえば、四角い材料から段差を削る。
丸棒からシャフトを作る。
プレートに穴をあける。
ブロックに溝を加工する。
部品の表面を平らに仕上げる。

このような加工が切削加工です。

切削加工では、材料と工具のどちらか、または両方を動かしながら削ります。

代表的な加工としては、

  • フライス加工
  • 旋盤加工
  • 穴あけ加工
  • タップ加工
  • 中ぐり加工
  • 研削加工

などがあります。

これらはすべて、材料を削って形を作る加工です。

設計者として大切なのは、加工機の細かい操作方法を覚えることではありません。

まずは、図面に描いた形状が、材料をどの方向から、どの工具で削って作られるのかを想像できることが大切です。

フライス加工は平面や溝を作る加工

切削加工の中で、機械部品によく使われるのがフライス加工です。

フライス加工は、回転する工具で材料を削る加工です。

主に、

  • 平面を削る
  • 段差を作る
  • 溝を加工する
  • ポケット形状を作る
  • 側面を仕上げる
  • 穴位置の座面を加工する

といった用途で使われます。

プレート、ブラケット、ブロック形状の部品では、フライス加工がよく使われます。

設計者がフライス加工で注意したいのは、工具の形です。

工具は丸い形をしているため、内側の角を完全な直角に削ることは基本的に苦手です。

そのため、ポケット形状や内側の角には、工具径に応じたRが残ります。

CAD上では内角を直角に描けますが、実際の加工ではRが残ることを意識する必要があります。

この内角Rを無視して設計すると、相手部品が入らなかったり、追加加工が必要になったりします。

フライス加工では、

工具が入る形状か
内角Rが残っても問題ないか
深すぎる溝になっていないか

を考えることが重要です。

旋盤加工は丸物部品を作る加工

旋盤加工は、材料を回転させて、工具で削る加工です。

主に、丸い形状の部品に使われます。

たとえば、

  • シャフト
  • カラー
  • スペーサ
  • ローラ
  • ピン
  • ブッシュ
  • 丸ナット
  • 軸受部品

などです。

旋盤加工は、回転対称の形状を作るのに向いています。

外径を削る。
段付き軸にする。
端面を仕上げる。
穴をあける。
内径を広げる。
ねじを加工する。

このような加工が得意です。

設計者が注意したいのは、丸物部品だからといって、すべての形状が旋盤だけで簡単に作れるわけではないことです。

たとえば、シャフトに横穴をあける場合や、平面取りをする場合、キー溝を入れる場合は、旋盤加工だけではなく、別の加工工程が必要になることがあります。

また、長く細いシャフトは、加工中にたわみやすくなる場合があります。

旋盤加工では、

回転対称の形状か
追加加工が必要な形状はないか
細長すぎて加工しにくくないか

を考えることが大切です。

穴あけ加工は簡単そうで注意点が多い

穴あけ加工は、機械部品で非常によく使われる加工です。

ボルト穴、ピン穴、位置決め穴、タップ下穴、逃げ穴、配管穴など、さまざまな用途があります。

穴あけは基本的な加工ですが、設計上の注意点は多くあります。

たとえば、

  • 穴径
  • 穴深さ
  • 貫通穴か止まり穴か
  • 穴位置
  • 穴同士の距離
  • 端面からの距離
  • タップの有無
  • 座ぐりや皿もみの有無
  • 裏面のバリ
  • 加工方向

などです。

特に注意したいのが、深い穴です。

穴が深くなると、ドリルが逃げやすくなったり、切粉が排出しにくくなったりします。

また、細く深い穴は工具が折れやすく、加工時間も長くなります。

図面上では、穴を1本描くだけでも、加工現場では工具選定や加工方法に影響します。

設計者は、穴加工を簡単に考えすぎず、

本当にその深さが必要か
貫通穴にできないか
工具が入る方向はあるか
タップ深さは適切か

を確認することが大切です。

タップ加工はねじ穴を作る加工

タップ加工は、穴の内側にねじを作る加工です。

機械部品では、ボルトを締め付けるためにタップ穴を使うことが多くあります。

タップ加工で注意したいのは、ねじが必要な深さです。

タップ穴には、

  • 有効ねじ深さ
  • 下穴深さ
  • 止まり穴の余裕
  • 板厚
  • ボルトのかかり代

などを考える必要があります。

初心者のうちは、図面に「M6」などと入れればよいと思いがちです。

しかし、実務では、どれだけねじがかかるのか、下穴はどこまで必要なのか、貫通できるのか、止まり穴なのかを考える必要があります。

特に薄い板にタップを立てる場合は注意が必要です。

板厚が薄いと、ねじのかかり代が不足し、十分な締結力が得られないことがあります。

また、止まり穴のタップでは、工具先端の逃げが必要になります。

タップ加工では、

ねじのかかり代は足りているか
止まり穴の深さに余裕があるか
タップ加工できる方向があるか
ボルト長さと合っているか

を確認することが重要です。

切削加工には工具が必要

切削加工は、工具を使って材料を削ります。

そのため、設計者は工具の存在を意識する必要があります。

CAD上では、狭い溝や深いポケット、細い穴も簡単に作れます。

しかし、実際には工具が入らなければ加工できません。

また、工具が入っても、工具が長すぎたり細すぎたりすると、たわみや振れ、びびりが発生しやすくなります。

たとえば、

  • 深い溝
  • 細い溝
  • 深いポケット
  • 奥まった穴
  • 狭い隙間の加工
  • 内側の直角形状

などは注意が必要です。

工具は無限に細く、無限に長くできるわけではありません。

細く長い工具は剛性が低くなり、加工が不安定になります。

設計者は、形状を考えるときに

工具が入るか
工具が短く使えるか
無理な深さになっていないか
工具径に合った形状か

を意識することが大切です。

加工には基準が必要

切削加工では、材料をどこかで固定し、基準を決めて加工します。

そのため、部品図には加工基準を意識した寸法が必要です。

たとえば、穴位置を入れる場合でも、どの面から寸法を取るのかが重要です。

基準がばらばらだと、加工者がどこを正として加工すればよいか迷います。

また、加工後の検査でも測定しにくくなります。

設計者が意識したいのは、

どの面を基準にするか
どの寸法が重要か
加工者が測りやすい寸法か

ということです。

特に、位置決めに使う穴や、相手部品と組み合う面では、基準が重要になります。

加工基準を考えた寸法にすると、加工者に意図が伝わりやすくなります。

反対に、基準があいまいな図面は、確認事項が増えやすくなります。

切削加工では、形状だけでなく、基準の考え方も大切です。

切削加工では段取りがコストに影響する

切削加工では、材料を加工機に固定して削ります。

この固定や加工準備のことを、段取りと呼ぶことがあります。

加工する面が増えたり、裏返して加工する必要があったりすると、段取りが増えます。

段取りが増えると、加工時間や手間も増えます。

たとえば、1方向から加工できる部品と、表裏左右から何度も向きを変えて加工する部品では、加工費が変わります。

図面上では同じような小さな部品でも、加工工程が多いと高くなりやすいです。

設計者は、部品形状を考えるときに、

何面加工が必要か
一方向から加工できないか
段取り替えを減らせないか
部品を分けた方が簡単にならないか

を考えることが大切です。

段取りを意識すると、加工しやすい形状に近づけやすくなります。

削りすぎる形状は加工時間が長くなる

切削加工は、材料を削り取って形を作る加工です。

そのため、削る量が多いほど加工時間が長くなりやすくなります。

たとえば、大きなブロックから大きくえぐるようなポケット形状を作る場合、多くの材料を削り取る必要があります。

一体物として作るときれいに見えますが、加工時間が長くなり、材料の無駄も増えることがあります。

このような場合、設計を見直すことで改善できることがあります。

たとえば、

  • 部品を分割する
  • 板金部品にする
  • 溶接構造にする
  • 標準材を組み合わせる
  • 削り取る部分を減らす
  • 必要な部分だけ加工面にする

といった考え方です。

もちろん、一体加工が必要な場合もあります。

精度、剛性、見た目、組立性などの理由で、一体物にした方がよい場合もあります。

大切なのは、削り出しにする理由を明確にすることです。

何となく一体で削るのではなく、機能と加工費のバランスを考える必要があります。

切削加工ではバリが出る

切削加工では、材料を削るため、加工端部にバリが出ることがあります。

バリとは、加工後に端部へ残る薄い突起やめくれのようなものです。

バリは小さなものですが、機械部品では無視できない場合があります。

たとえば、

  • 作業者が手を切る
  • 相手部品に傷を付ける
  • 組立時に部品が密着しない
  • ワークに傷が付く
  • 摺動部で引っかかる
  • センサーやシール部に悪影響が出る

といった問題につながることがあります。

そのため、必要に応じて面取りやバリ取りを図面で指示します。

ただし、すべての端部に過剰な面取りを指定すると、加工工数が増える場合があります。

設計者は、

どこにバリが出ると困るのか
どこは軽いバリ取りでよいのか
どこは明確な面取り寸法が必要か

を考えることが大切です。

切削加工は精度を出しやすいが万能ではない

切削加工は、比較的精度を出しやすい加工方法です。

そのため、位置決め部品や、はめあい部品、摺動部品などでよく使われます。

しかし、切削加工だから何でも簡単に高精度で作れるわけではありません。

加工精度には、材料、工具、加工方法、固定方法、温度、部品形状などが影響します。

たとえば、薄い部品は加工中に変形しやすくなります。
長い部品はたわみやすくなります。
深い加工では工具が振れやすくなります。
溶接後の部品では、ひずみの影響を受けることがあります。

つまり、切削加工は精度を出しやすい加工ではありますが、部品形状によっては難しくなることがあります。

設計者は、必要な精度を指定するだけでなく、

その精度を出しやすい形状になっているか

を考えることが大切です。

設計者が切削加工で意識したいポイント

設計者が切削加工を考えるときは、次のような点を確認するとよいです。

  • どの加工方法で作る部品か
  • フライス加工向きか
  • 旋盤加工向きか
  • 穴加工やタップ加工が無理なくできるか
  • 工具が入る形状か
  • 内角Rが残っても問題ないか
  • 深すぎる溝や穴はないか
  • 薄くて変形しやすい部分はないか
  • 加工基準はわかりやすいか
  • 段取りが多すぎないか
  • 削り取る量が多すぎないか
  • バリや面取りを考えているか
  • 必要以上に厳しい公差になっていないか

これらをすべて完璧に判断するのは、初心者には難しいかもしれません。

しかし、最初から加工を意識して図面を見るだけでも、設計の質は変わります。

加工者に確認する場合でも、加工の基本を少し知っていると、会話がしやすくなります。

まとめ

切削加工とは、工具を使って材料を削り、必要な形状を作る加工方法です。

機械部品では、フライス加工、旋盤加工、穴あけ加工、タップ加工などがよく使われます。

設計者は、切削加工の細かな作業方法をすべて覚える必要はありません。

しかし、

工具で削って作る
工具が入らない形状は加工しにくい
内角にはRが残ることがある
深い穴や細い溝は加工が難しくなりやすい
加工には基準と段取りがある
削る量が多いと加工時間が増える
バリや面取りも考える必要がある

という基本は知っておくことが大切です。

CAD上では簡単に描ける形状でも、実際には加工に手間がかかることがあります。

良い設計とは、図面上で形が成立しているだけではありません。

加工方法を想像し、無理なく作れる形状にすること

が大切です。

次回は、
「フライス加工で作りやすい形状・作りにくい形状」
について解説します。