機械加工とは？種類や加工方法、工作機械の基礎知識を解説

機械加工とは、工作機械を用いて材料を目的の形状に加工する技術全般を指します。
特に金属加工の分野で広く用いられる基本技術であり、その定義や意味を理解することは、ものづくりの基礎知識として欠かせません。

この記事では、機械加工の主要な種類や具体的な加工方法から、代表的な工作機械まで、幅広い知識を網羅的に解説します。

機械加工とは？工作機械で材料を求める形状にする技術

機械加工は、ドリルやバイトといった工具を備えた工作機械を使い、材料を削ったり変形させたりして、図面で指示された通りの形状に作り上げる技術です。
その目的は、自動車部品や電子機器の筐体など、様々な製品に用いられる精密な部品を製造することにあります。

加工対象となる材料は多岐にわたりますが、主に鉄やアルミニウム、ステンレスといった金属が用いられます。

機械加工の主要な3つの分類

機械加工の種類は、材料に対するアプローチの違いから、大きく3つに分類されます。
材料の不要な部分を取り除く「除去加工」、材料に力を加えて変形させる「成形加工」、そして材料を付け足したり繋いだりする「付加・結合加工」です。

それぞれの加工方法には異なる特徴があり、作りたい製品の形状や材質、求められる精度によって最適な手法が選択されます。

材料を削り取る「除去加工」の種類

除去加工は、材料の塊から不要な部分を削り取ったり、溶かしたりして目的の形状を作り出す加工方法の総称です。
刃物で削る「切削加工」や、砥石で磨く「研削加工」、レーザーや放電を利用する「特殊加工」などが含まれます。
この加工方法のメリットは、高い寸法精度を実現しやすく、複雑な形状の部品も製作できる点にあります。

一方で、削り取った部分は切りくずとなり材料のロスが生じることや、加工に時間がかかる場合がある点がデメリットとして挙げられます。
製品に求められる精度や材質に応じて、これらの手法が使い分けられています。

刃物を使って削り出す「切削加工」

切削加工は、バイトやエンドミルといった刃物（切削工具）を用いて、材料を削り取る加工方法です。
機械加工の中でも最も代表的で、旋盤やフライス盤などの工作機械が用いられます。
旋盤では材料を回転させて固定した工具で削り、フライス盤では固定した材料に対して工具を回転させて削ることで、平面や溝、穴などを作り出します。

切削加工は、様々な形状を高精度で製作できるため、幅広い分野で利用されています。
設計された通りの形状を効率よく実現するために、工具の材質や回転速度、送り速度などを適切に設定して加工を行います。

砥石で表面を滑らかにする「研削加工」

研削加工は、砥粒を固めて作られた砥石を高速で回転させ、材料の表面をわずかに削り取る加工方法です。
切削加工後に行われる仕上げ工程で用いられることが多く、より高い寸法精度や滑らかな表面を得るために行われます。
この研削という手法は、切削では難しい硬い材料の加工も可能にします。

似た言葉に研磨があるものの、研削が形状の精度を出すことを主目的とするのに対し、研磨は表面を磨き上げて光沢を出すなど、さらに平滑にすることを目的とする場合が多くあります。
製品の摺動部や嵌合部など、精密な仕上げが求められる部品に不可欠な加工技術です。

電気やレーザーで加工する「特殊加工」

特殊加工は、機械的な力を直接用いるのではなく、電気エネルギーや化学的反応、光などを利用して材料を除去する加工方法の総称です。
代表的なものに、放電現象を利用して硬い金属に穴や溝を開ける「放電加工」や、高出力のレーザー光で材料を切断・彫刻する「レーザー加工」があります。

これらの特殊加工は、切削加工では難しい高硬度の材料や、微細で複雑な形状の加工に適しています。
加工時に材料に大きな力がかからないため、薄くて変形しやすい材料の加工にも向いています。
熱処理が材料の性質を変化させる目的で行われるのに対し、特殊加工は形状を作り出すことを目的とする点で異なります。

材料を変形させて形作る「成形加工」の種類

成形加工は、材料を削り取るのではなく、力を加えたり熱で溶かしたりして、材料そのものを変形させることで目的の形状を作り出す加工方法です。
材料の不要な部分を捨てる除去加工とは異なり、材料のロスが少ないという大きな特徴を持ちます。

この加工法は、主に金型などを用いて材料に圧力をかける「塑性加工」と、溶かした金属を型に流し込んで固める「鋳造」に大別されます。
同じ形状の製品を効率よく大量に生産する場合に適しており、自動車のボディパネルやペットボトル、鋳物のエンジンブロックなど、身の回りの多くの製品がこの成形加工によって作られています。

力を加えて目的の形状にする「塑性加工」

塑性加工は、金属が持つ「一度力を加えて変形させると元に戻らない」という性質（塑性）を利用して、材料を目的の形状に成形する技術です。
具体的には、金型で材料を挟んで圧力をかけるプレス加工、材料を叩いて鍛える鍛造、ローラーで圧延して薄く延ばす圧延などが含まれます。
この塑性加工は、材料の内部組織を緻密にすることで強度を向上させる効果も期待できます。

また、一度金型を作れば高速で大量生産が可能になるため、コストを抑えやすいです。
一方で、初期投資として高価な金型が必要になる点や、複雑な形状の製作には限界がある場合もあります。

溶かした金属を型に流し込む「鋳造」

鋳造は、鉄やアルミニウムなどの金属を高温で溶かし、作りたい製品の形をした型に流し込んで冷やし固める加工方法です。
この一連の工程の中で、溶けた金属が型の隅々まで行き渡る「流れ」の管理が品質を左右する重要な要素となります。
鋳造の大きな利点は、切削加工では作ることが難しい一体化した複雑な形状や、中空構造を持つ製品を製造できる点です。

また、非常に大きな製品の製造も可能で、自動車のエンジン部品や水道のバルブ、マンホールの蓋などがこの方法で作られています。
使用する型には、砂で作られる砂型や、金属製の金型などがあり、生産量や製品の特性に応じて使い分けられます。

材料を付け足す・繋ぎ合わせる「付加・結合加工」の種類

付加結合加工は、材料を削ったり変形させたりするのではなく、材料を積み重ねたり、複数の部品を繋ぎ合わせたりして目的の形状を得る加工方法の総称です。
これには、材料を一層ずつ積み重ねて立体物を造形する「積層造形」と、部品同士を熱や圧力で接合する「接合加工」などが含まれます。

この加工法は、材料の塊から削り出す除去加工とは逆の発想であり、複雑な内部構造を持つ形状や、複数の異なる素材を組み合わせる際に用いられます。
それぞれの加工法で手順は大きく異なるものの、設計データをもとに材料を付加していく、あるいは部品を組み立てていくというアプローチが共通しています。

材料を積み重ねて立体物を作る「積層造形」

積層造形は、3Dプリンティングとも呼ばれ、3DCADデータをもとに材料を一層ずつ薄く積み重ねていくことで立体的な形状を作り出す加工技術です。
樹脂や金属の粉末、液体などをレーザーや熱で固めながら積層していきます。
この方法の最大の特徴は、従来の加工法では製造が困難だった複雑な内部構造や、一体化した部品を金型なしで製作できる点です。

試作品の製作や、少量多品種生産、医療分野でのカスタムメイドのインプラント製造などで活用が進んでいます。
一方で、大量生産には時間がかかることや、加工精度、表面の滑らかさにおいては、他の加工法に及ばない場合もあるため、用途に応じた使い分けが求められます。

複数の部品を繋ぎ合わせる「接合加工」

接合加工は、複数の部品を恒久的に繋ぎ合わせて一体化させる技術です。
代表的な手法に溶接があり、これは接合したい部材（母材）の接合部を熱で溶かす、あるいは溶加材と呼ばれる別の金属を溶かして加えることで、部材同士を金属組織レベルで連続的に一体化させます。

この溶接という方法は、ボルトやリベットで留める機械的接合とは異なり、強力で密閉性の高い接合部を作れるのが特徴です。
建築物の鉄骨や船舶、自動車のフレーム、パイプラインなど、強度と気密性が求められる様々な構造物の製造に不可欠な技術となっています。
アーク溶接やレーザー溶接など、用途や材料に応じて多様な溶接方法が存在します。

代表的な工作機械の種類とそれぞれの役割

機械加工は、目的に応じた様々な工作機械を用いて行われます。
これらのマシンは、材料を固定する方法や工具の動きに特徴があり、それぞれ得意な加工が異なります。

ここでは、代表的な工作機械の一覧として「旋盤」「フライス盤」「ボール盤」「マシニングセンタ」を取り上げ、それぞれの基本的な役割と、どのような加工に使われるのかを解説していきます。

円筒状の材料を回転させて加工する「旋盤」

旋盤は、円筒状の材料を主軸に固定して高速で回転させ、そこにバイトと呼ばれる切削工具を当てて削る工作機械です。
この加工方法を旋削加工と呼び、主に円柱や円すい形状の部品を製作する際に用いられます。
材料の外側を削る外径加工、内側を削る内径加工のほか、表面に溝を入れたり、ねじ切りを行ったりすることも可能です。

シンプルな構造の機械から、コンピュータ制御で複雑な加工を自動で行うNC旋盤まで様々な種類が存在します。
また、ホブと呼ばれる特殊な工具を取り付けることで、歯車を加工できる機能を備えた機種もあり、シャフトやボルト、フランジなど、回転体部品の製造に広く利用されています。

工具を回転させて平面や溝を加工する「フライス盤」

フライス盤は、テーブルに固定した材料に対し、フライスと呼ばれる回転切削工具を動かして加工を行う工作機械です。
材料を回転させる旋盤とは対照的に、工具側が回転するのが大きな特徴です。
このフライス加工により、平面削りや側面削り、段差加工、溝加工など、主に四角い形状の部品製作を得意とします。

使用するフライスの種類を変えることで、様々な形状を作り出すことが可能。
主軸の向きによって、水平な横形と垂直な立形に大別され、手動で操作するものから数値制御で自動加工を行うNCフライス盤まで幅広くあります。
金型や機械のベースプレートなど、角物部品の加工に不可欠な機械です。

材料に穴を開ける「ボール盤」

ボール盤は、材料に穴を開ける「穴あけ加工」に特化した工作機械です。
主軸の先端にドリルなどの切削工具を取り付けて高速で回転させ、ハンドル操作で主軸を上下させることで材料に穴を開けます。
構造が比較的シンプルで操作しやすいため、多くの製造現場で利用されています。

単に穴を開けるだけでなく、開けた穴の精度を高めるリーマ加工や、穴の内側にめねじを作るタップ加工も行うことができます。
卓上で使用できる小型のものから、大きな材料に対応する大型のラジアルボール盤まで、様々なサイズや種類のものが存在します。
基本的な加工機ですが、部品製造において穴あけは頻繁に行われるため、非常に重要な役割を担っています。

複数の加工を一台で自動で行う「マシニングセンタ」

マシニングセンタは、NC（数値制御）装置を備え、フライス加工を中心に穴あけやねじ切りなど、複数の加工をプログラムに従って自動で行うことができる工作機械であり、MCとも略されます。
最大の特徴は、ATC（自動工具交換装置）を搭載している点にあり、加工工程ごとに必要な工具へ自動で交換しながら作業を進めます。
これにより、一度材料をセットすれば、人の手を介さずに複雑な形状の部品を完成させることが可能となります。

一般的な3軸加工機に加え、テーブルが傾斜・回転する5軸マシニングセンタでは、より複雑な曲面や傾斜面の加工を一度の段取りで行えるため、生産効率と加工精度の向上に大きく貢献します。

高品質な製品を作るために知っておきたい機械加工の注意点

高品質な製品を製造するためには、形状を再現するだけでなく、いくつかの重要な注意点を理解しておく必要があります。
加工精度や表面の仕上がり具合、加工後に発生するバリの処理などは、製品の性能や寿命に直接影響を与える要素です。

また、適切な工具の選定や、切削速度、送り速度といった加工条件の最適化も品質を左右します。
ここでは、機械加工において特に注意すべき点を解説します。

図面通りの寸法に仕上げるための精度管理

機械加工において最も重要なのが、図面に指示された寸法や形状を正確に再現する精度管理です。
製品は複数の部品が組み合わさって機能するため、一つ一つの部品が指定された寸法公差の範囲内で作られていなければなりません。

加工精度には、工作機械自体の剛性や振動、切削工具の摩耗、加工熱による材料の膨張・収縮など、様々な要因が影響を与えます。
そのため、加工の際には基準となる面を明確に定め、そこからの寸法を正確に出していくことが基本となります。
また、加工後の測定も重要であり、マイクロメータやノギス、三次元測定機などを用いて、図面通りの寸法が出ているかを確認する作業が不可欠です。

製品の機能や見た目に影響する表面粗さ

表面粗さとは、加工された部品の表面に残る微細な凹凸の度合いを示す指標です。
一見滑らかに見える面でも、ミクロン単位で見ると刃物の跡などが残っています。
この表面粗さは、製品の品質を左右する重要な要素となります。

例えば、部品同士が摺動する部分では、表面が滑らかでないと摩耗が早くなったり、焼き付きの原因になったりします。
また、シール面では気密性や液密性に影響し、外観部品では見た目の美しさを損ないます。
図面ではRaやRzといった記号で要求される粗さが指示されており、切削、研削、研磨といった加工方法や、工具の種類、加工条件を調整することで、目的の表面粗さを実現します。

加工後に発生する不要な突起（バリ）の処理

バリとは、切削加工やプレス加工などの際に、材料が塑性変形して部品の角や縁に発生する、意図しない微小な突起のことです。
このバリが残っていると、製品の組み立て時に他の部品を傷つけたり、正確な位置決めを妨げたりする原因となります。
また、使用中にバリが剥がれ落ちて機械内部で異物となり、故障を引き起こす危険性もあります。

そのため、加工後の仕上げ工程として、このバリを除去する作業が不可欠です。
バリ取りには、ヤスリや工具を使った手作業のほか、バレル研磨機や専用のブラシ、化学的な処理など様々な方法があります。
製品の品質保証において、バリの適切な処理は極めて重要な工程と位置づけられています。

まとめ

本記事では、機械加工の基本的な定義から、除去加工、成形加工、付加・結合加工といった主要な分類、そして旋盤やマシニングセンタなどの代表的な工作機械について解説しました。
それぞれの加工方法や工作機械には固有の特徴があり、目的とする製品の材質、形状、精度、生産数に応じて最適なものが選択されます。

また、高品質な製品を生み出すためには、寸法精度や表面粗さの管理、バリの処理といった品質に関わる注意点への理解も不可欠です。
これらの知識は、現代の製造業におけるものづくりの根幹を支える基盤技術となっています。