機械加工

CNCマシンは、工具と部品が熱くなるのを防ぐために冷却剤を注ぎます

旋盤​

機械加工とは、切削加工によって大きな原材料から材料（主に金属）を制御的に除去することで、所望の形状または部品を作成する製造プロセスです。機械加工は、機械工具を使用する減算型製造^{[ 1 ]}の一種であり、制御された材料の追加を行う付加型製造（例：3Dプリンティング） とは対照的です。

機械加工は多くの金属製品の製造における主要な工程ですが、木材、プラスチック、セラミック、複合材などの他の材料にも使用することができます。^{[ 2 ]}機械加工を専門とする人は機械工と呼ばれます。商業事業として、機械加工は一般的に機械工場で行われます。機械工場は、主要な工作機械を備えた1つ以上の作業室で構成されています。機械工場は独立した事業体である場合もありますが、多くの企業は専門的なニーズをサポートするために社内に機械工場や工具室を維持しています。現代の機械加工の多くはコンピュータ数値制御(CNC) を採用しており、コンピュータがフライス盤、旋盤、その他の切削機械の動きや動作を制御します。

歴史と用語

第一次世界大戦中の機械工

機械加工という用語の正確な意味は、過去1世紀半の間に技術がさまざまな形で進歩するにつれ変化してきた。18世紀には、機械工という言葉は機械を製作または修理する人を意味していた。この人の仕事は主に手作業で行われ、木彫り、金属の筆記鍛造、手やすりがけなどの工程が用いられた。当時、ジェームズ・ワットやジョン・ウィルキンソンのような、新しい種類のエンジン（つまり、多かれ少なかれあらゆる種類の機械）を製作した製粉工や製造者がこの定義に当てはまるだろう。名詞「machine tool （機械工具） 」と動詞「machine（機械加工する、加工する）」はまだ存在していなかった。^{[ 3 ]}

20世紀半ば頃、後者の言葉は、その概念が広く普及するにつれて造語されました。したがって、機械時代においては、機械加工とは、旋削、ボーリング、ドリリング、フライス加工、ブローチ加工、鋸引き、シェーピング、プレーニング、研磨、リーマ加工、タッピングといった、（今日で言うところの）「伝統的な」機械加工工程を指していました。^{[ 4 ]}これらの「伝統的」または「従来型」の機械加工工程では、旋盤、フライス盤、ドリルプレスなどの工作機械を鋭利な切削工具と共に使用し、材料を削り取って所望の形状を実現します。^{[ 5 ]}

第二次世界大戦後、放電加工、電気化学加工、電子ビーム加工、光化学加工、超音波加工といった新技術が登場して以来、 「従来型加工」という用語がこれらの古典的な技術と新しい技術を区別するために用いられるようになりました。現在、修飾語のない「加工」は、通常、伝統的な加工工程を指します。

2000年代から2010年代にかけて、積層造形（AM）が初期の研究室やラピッドプロトタイピングの文脈を超えて進化し、製造業のあらゆる段階で標準となり始めたため、 AMとは論理的に対照的に、サブトラクティブ製造という用語がレトロニム的に一般的になり、以前は機械加工という用語でもカバーされていた基本的にすべての除去プロセスをカバーしました。この2つの用語は事実上同義ですが、機械加工という用語の長年確立された使用法が続いています。これは、連絡を取る方法（電話、電子メール、IM、SMSなど）の急増により「contact」という動詞の意味が進化したが、以前の「call （電話する） 、talk to（話す）、write to（書く） 」などの用語を完全に置き換えたわけではないという考えに似ています。^{[ 6 ]}

「数値制御加工セルの機械工」が製造中のB-1B航空機部品を監視しています。

機械加工作業

機械加工とは、切削工具が工作物（ワークピースはしばしば「ワーク」と呼ばれます）から材料を除去するプロセスです。従来の機械加工では、材料を除去するために工具とワークの間に相対的な動きが必要です。一方、非伝統的な機械加工プロセスでは、放電加工（EDM）における電流など、他の材料除去方法が用いられます。ほとんどの機械加工工程では、この相対的な動きは、工具またはワークピースのいずれかを（横方向の回転または横方向の動きによって）移動させることによって実現されます。工具の形状、相対的な動き、そしてワークピースへの食い込みによって、最終的な加工面の所望の形状が形成されます。

機械加工は、伝統的な加工と非伝統的な加工に分けられます。伝統的な加工には、加工する形状に基づいて2つのカテゴリがあります。1つは円形加工で、旋削、ボーリング、ドリリング、リーマ加工、ねじ切りなどが含まれます。もう1つは、様々な形状や直線形状の加工で、フライス加工、ブローチ加工、鋸引き、研削、シェーピングなどが含まれます。

切削工具

切削工具は、1つまたは複数の鋭い切れ刃を持ち、被削材よりも硬い材料で作られています。切れ刃は、切削片を母材から分離する役割を果たします。切れ刃には、工具の2つの表面が接続されています。

• すくい面と
• 側面。

すくい面は、新たに形成された切削片の流れを方向づける特定の角度で向いており、すくい角「α」と呼ばれます。これは、加工面に垂直な面を基準として測定されます。すくい角は正または負の値を取ります。工具の側面は、工具と新たに形成された加工面との間に隙間を設け、仕上げの質を低下させる摩耗から表面を保護します。加工面と側面の間のこの角度は、逃げ角と呼ばれます。切削工具には、基本的に2つの種類があります。

• シングルポイントツール。
• 多刃工具

シングルポイント工具は、旋削、穴あけ、プレーニング加工用の切れ刃を1つ備えています。加工中、工具の先端はワークの本来の加工面より下まで貫通します。この際、先端はノーズ半径と呼ばれる一定の半径に丸められることがあります。

多刃工具は複数の刃先を有し、通常は回転することでワークに対する相対的な運動を実現します。穴あけ加工やフライス加工では、旋削加工用の多刃工具が使用されます。これらの工具の形状は単刃工具とは異なりますが、工具形状の多くの要素は類似しています。

クラッパーボックスにボーリングバーを取り付けたシンシナティシェーパー

伝統的な機械加工

円形加工作業

• 旋削加工では、ワークピースの外側を、回転しない切削工具をワークピース内に挿入し、その工具に対して回転させます。ワークピースの回転は、工具に対して相対的な運動を生み出す方法です。旋盤は旋削加工に用いられる主要な工作機械です。
• ボーリングは、穴の直径を拡大するために穴の内面を機械加工する作業です。これは、旋盤でワークピースを回転させる（内面旋削とも呼ばれます）か、工具を穴の円周に沿って回転させるミル加工によって実行できます。
• 穴あけ加工とは、下面と刃先に刃先を持つ回転する切削工具（多くの場合、ドリルビットを使用）をワークピースの軸方向に接触させることで、穴をあけたり、穴を加工したりする加工です。穴あけ加工は、旋盤、フライス盤、ドリルプレス、あるいは手作業で行うことができます。
• ねじ切りまたはタッピングは、一定のピッチで、穴（タッピングまたはねじ切り）またはシャフト（ねじ切り）に定義された螺旋（ねじ）を切ることを含み、特定の形状は、反対側のねじと物体を回転運動で受け入れてアイテム（ナットとボルトなど）を固定するように設計されています。

各種形状加工

• 鋸引きは、棒材を短い長さに切断することを目的としています。鋸または切断機を用いて、回転する（丸鋸）または直線状の（帯鋸）歯付き刃を材料に当て、切り口（厚さ）を削り、材料を2つに切断します。材料によっては、歯の直線速度として測定される一定の刃速度（毎分メートルまたは毎分フィート）が必要な場合があり、最低200フィートから1000フィートまでの範囲で調整可能です。
• フライス加工とは、円筒面に沿って刃先を持つ切削工具をワークピースに押し当て、回転工具の軸と下刃の輪郭部分の材料を除去する加工です。 ^{[ 7 ]}フライス盤はフライス加工に使用される主要な工作機械です。高度なCNC工作機械では、旋盤加工とフライス加工を組み合わせることができます。
• ブローチ加工には 2 つの操作があります。直線ブローチ加工では、多歯工具を穴に押し込んで、スプライン、正方形、六角形など、目的の形状を切削するか、ブローチの歯のサイズが大きくなるにつれて切削量が増えることで表面に沿って切削します。回転ブローチ加工では、ドラフト工具が特殊なツールホルダー内で回転し、ツールとワークピースが機械加工中にかみ合って、目的の形状を切削します。旋盤で実行すると、ワークピースと切削工具が一緒に回転しますが、ツールホルダーはテールストック内で静止したままです。フライス加工の場合、切削工具はワークピースに接触すると停止し、オフセット軸の周りでのみ揺動し、ツールホルダーはミル内で回転します。
• シェーピング加工とは、ワークピースの表面に沿って押し付けられる非回転切削工具の直線運動によってワークピースから材料を除去する加工であり、平面形状を切削するように設計されています。シェーパーでは、旋盤工具と形状と形状が類似した高速度鋼工具がよく使用されます。シェーピングは旋削加工に似ていますが、円軸ではなく直線軸を使用します。シェーピング加工は、前後にストロークしますが、一方向にのみ切削するシェーパーマシンを使用して行われます。クラッパーボックスは、工具をワークピースから持ち上げて後退させるために使用されます。
• 研削作業では、石、酸化アルミニウム、ダイヤモンドなどの高速で移動/回転する研磨材をワークピースに当て、工具の研磨面を使用して材料を研削して材料を除去します。

穴を開けたり、表面を加工したりするためのさまざまな種類の放電加工機

非伝統的な加工

• プラズマビーム加工
• ウォータージェット加工は、水（通常はガーネットなどの研磨材も使用）を噴射してワークを厚さ方向に切断する加工方法です。ウォータージェットカッターは、2軸加工で2次元形状を加工する場合もあれば、5軸加工でほぼあらゆる3次元形状を加工する場合もあります。
• 放電加工（EDM）は、電荷を帯びた金属棒（ワイヤ）を用いて、ワークピースから材料を蒸発させることで材料を除去する加工方法です（ワイヤ放電加工）。この加工法は、穴あけ加工や、別の部品から特定の形状を切り出す加工に用いられます。EDMの利点は、非常に小さな切り口で加工でき、ワイヤを穴に通すことができるため、ワークピースの端面を切断することなく複雑な形状を切り出すことができ、完全に適合するプラグとソケットを加工できることです。
• 高速加工（HSM）は、高いスピンドル回転数、高速送り速度、最適化された切削パラメータを用いることで、精度と表面品質を維持しながら材料除去率を大幅に向上させる高度な製造技術です。もともと航空宇宙産業や金型製造産業向けに開発されたHSMは、チタン、硬化鋼、複合材料などの硬くて難削材の効率的な加工を可能にします。このプロセスは、切削工具とワークピースの接触時間を最小限に抑えることで熱変形と工具摩耗を低減し、多くの場合、特殊な工具、高性能工作機械、高度なCAMプログラミングを組み込んでいます。高速加工は、複雑な形状、厳しい公差、優れた表面仕上げが求められる産業で広く適用されており、生産時間の短縮と部品性能の向上に貢献しています。^{[ 8 ]}

機械加工を必要とする未完成のワークピースは、完成品を作るために材料の一部を削り取る必要があります。完成品とは、設計図や設計図で定められた仕様を満たすワークピースのことです。たとえば、ワークピースには特定の外径が必要な場合があります。旋盤は、金属ワークピースを回転させ、切削工具で金属を削り取り、必要な直径と表面仕上げに合った滑らかな円形の表面を作ることができる工作機械です。ドリルは円筒形の穴の形状に金属を取り除くことができます。金属の除去に使用されるその他のツールには、フライス盤、のこぎり、研削盤などがあります。これらの同じ技術の多くは木工でも使用されます。

機械加工では、ワークピースが設計図や設計図の仕様を満たすよう、多くの細部に注意を払う必要があります。寸法の正確さといった明白な問題に加え、ワークピースの適切な仕上げや表面の滑らかさを実現するという課題もあります。ワークピースの加工面の粗い仕上げは、不適切なクランプ、鈍い工具、または不適切なデバイスの配置などによって引き起こされる可能性があります。多くの場合、この表面粗さの悪さはチャタリングと呼ばれ、ワークピースの加工面にうねりや規則的な波模様が現れることで明らかになります。

切削条件

航空母艦USSジョン・C・ステニスの機械工場で船上マンホールの蓋を製作中

機械加工を行うには、工具とワークの間に相対運動が必要です。主な動作は特定の切削速度で行われます。さらに、工具をワークの横方向に移動させる必要があります。これは送りと呼ばれる非常に遅い動きです。切削の残りの寸法は、切削工具が元のワーク表面の下に入り込み、切削深さに達するまでの寸法です。速度、送り、および切込み深さは切削条件と呼ばれます。^{[ 9 ]}これらは機械加工プロセスの3つの寸法を形成し、特定の操作では、それらの積を使用してプロセスの 材料除去率を得ることができます。

${\displaystyle {R}_{MR}=vfd\,\!}$

どこ

• ${\displaystyle {R}_{MR}\,\!}$ – 材料除去速度（mm ³ /s）（3 ^/ s）
• ${\displaystyle v\,\!}$ – 切断速度（mm/s、in/min）
• ${\displaystyle f\,\!}$ – 送り量（mm）、（インチ）、
• ${\displaystyle d\,\!}$ – 切削深さ（mm）、（in）。

注意: すべての単位は、対応する 10 進単位 (またはUSCU単位)に変換する必要があります。

金属切削の段階

機械加工作業は通常、目的と切削条件によって 2 つのカテゴリに分けられます。

• 荒削り
• 仕上げカット

荒削りは、最初のワーク パーツから大量の材料をできるだけ早く、つまり大きな材料除去率 (MRR) で除去して、目的の形状に近い形を作りつつ、後続の仕上げ操作のためにいくらかの材料をピースに残す場合に使用します。仕上げ切削によりパーツが完成し、最終的な寸法、公差、および表面仕上げが得られます。製造機械加工ジョブでは通常、ワークに対して 1 回以上の荒削り切削が実行され、その後に 1 回または 2 回の仕上げ切削が行われます。荒削り操作は、高い送りと深い深さで実行されます。一般的な送りは 0.4～1.25 mm/回転 (0.015～0.050 インチ/回転)、深さは 2.5～20 mm (0.100～0.750 インチ) ですが、実際の値はワークピースの材質によって異なります。仕上げ加工は、低い送りと低い切り込み深さで行われます。典型的な送りは0.0125～0.04 mm/rev（0.0005～0.0015 in/rev）、切り込み深さは0.75～2.0 mm（0.030～0.075 in）です。切削速度は、荒加工では仕上げ加工よりも低くなります。

切削工具の冷却と潤滑のため、切削液が機械加工に用いられることがよくあります。切削液の使用の是非、そして使用する場合は適切な切削液を選択することは、通常、切削条件の検討範囲に含まれます。

今日では、他の金属切断方法もますます普及しています。その一例がウォータージェット切断です。ウォータージェット切断では、620MPa（90,000psi）以上の加圧水を使用し、金属を切断して完成品を得ることができます。このプロセスは冷間切断と呼ばれ、レーザー切断やプラズマ切断とは異なり、熱影響部による損傷を排除します。

減算的技法と加法的技法の関係

近年の積層造形技術の普及に伴い、従来の機械加工は、思考と言語において、逆説的に減算型製造方法に分類されるようになりました。狭い文脈においては、積層造形法と減算型製造方法は互いに競合する可能性があります。しかし、産業全体という広い文脈においては、両者の関係は補完的です。それぞれの方法には、他方よりも優れた利点があります。積層造形法は、機械加工では再現できない非常に複雑なプロトタイプデザインを製造できる一方で、強度と材料の選択が制限される場合があります。^{[ 10 ]}

参照

• 研磨加工
• 研磨フロー加工
• 研磨ジェット加工
• バイオマシニング
• CNC加工における製造性を考慮した設計
• チップ形成
• 自分でやる
• ほこり
• 加工性
• 工作機械|電動工具
• 機械工場
• 機械加工の振動
• 金属くず
• 微粒子
• 改修
• おがくず
• スカイビング（金属加工）
• ホーニング（金属加工）
• ツール管理

参考文献

1. "MAS.863/4.140J-P7" . Fab Central . マサチューセッツ工科大学. 2016年8月22日閲覧。
2. 「Machining Page」 . CYBERMAN . John W. Sutherlandの研究ページ. 2018年9月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年10月5日閲覧。
3. 「機械加工」 intradefairs.com . 2025年1月6日閲覧。
4. 「機械加工：入門」eFunda。2024年2月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。
5. 「Additive Manufacturing Advances Another Step」 American Machinist 、2007年5月10日。2012年4月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
6. 「当社の製造プロセス パートI」 chapter-07-18.hugoinaction.com 2019年1月1日. 2025年1月6日閲覧。
7. Fu, Guoyu; Huo, Dehong; Shyha, Islam; Pancholi, Ketan; Saharudin, Mohd Shahneel (2019年7月). 「ポリエステル／ハロイサイトナノクレイナノ複合材料のマイクロミリングに関する実験的研究」 . Nanomaterials . 9 ( 7): 917. doi : 10.3390/nano9070917 . ISSN 2079-4991 . PMC 6669872. PMID 31247963 .   
8. ハーバート・シュルツ「高速機械加工の歴史」ペンシルベニア州立大学
9. 「速度とフィード」 staff.mica.edu . 2016年9月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年8月22日閲覧。
10. 付加製造/減算製造研究

参考文献

• アルバート、マーク（2011-01-17）「減算と加算は（- + + = > ）以上です」、マーク：My Word、Modern Machine Shop、83（9）、シンシナティ、オハイオ州、米国：ガードナー出版：14。

さらに読む

• グルーヴァー、マイケル・P.（2007）「金属加工理論」、現代製造業の基礎（第3版）、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、pp.  491– 504、ISBN 978-0-471-74485-6
• オバーグ、エリック; ジョーンズ、フランクリン D.; マコーリー、クリストファー J.; ヒールド、リカルド M. (2004)、『機械ハンドブック』（第 27 版）、インダストリアル プレス、ISBN 978-0-8311-2700-8。
• 「Machine Tool Practices」第6版、RR、Kibbe、JE、Neely、RO、Meyer & WT、White著、ISBN 0-13-270232-0、第 2 刷、著作権 1999、1995、1991、1987、1982、1979 Prentice Hall。

外部リンク

• www.nmri.go.jp/eng、金属加工の基礎知識
• Institut für den Wissenschaftlichen Film が公開した機械加工に関するビデオ。 AV ポータルのドイツ国立科学技術図書館で入手できます。