マシニング加工とは｜加工方法の種類や特徴について

マシニング加工とは、マシニングセンタという工作機械を使用して行う切削加工の一種であり、プログラムによって工具を自動で制御し、様々な形状の部品を高精度で効率的に製造する技術です。これにより、複雑な形状の加工や多数の工具を必要とする加工も自動で連続して行え、生産性の向上と品質の安定化を実現します。マシニングセンタには様々な種類があり、それぞれ得意な加工や特徴が異なります。本記事では、マシニング加工の基礎知識から種類、工程、関連する加工方法、そして加工における考慮点までを詳しく解説します。

マシニング加工の概要

マシニング加工の定義

マシニング加工とは、マシニングセンタと呼ばれる機械を用いて、金属や樹脂などの材料を切削、研削することで目的の形状や寸法に仕上げる加工方法を指します。マシニングセンタは、コンピュータ数値制御（NC）に基づいたプログラムによって自動で刃の位置を制御し、工具を自動で交換できる機能（ATC）を備えているため、多種多様な加工を一台で連続的に行うことが可能です。これにより、手作業では難しい複雑な形状や高精度な加工も効率的に実現できます。フライス加工の一種とも考えられ、自動車、航空宇宙、精密機器など幅広い分野で活用されています。

自動工具交換装置（ATC）とは

自動工具交換装置（ATC：Automatic Tool Changer）とは、マシニングセンタに搭載されている、複数の工具を自動で交換する機能のことです。加工プログラムに従って、必要な工具をツールマガジンから自動的に主軸に装着・交換するため、加工ごとに作業員が手動で工具を取り替える手間が省けます。これにより、多種多様な加工を一つの工程で連続して行えるようになり、生産効率が飛躍的に向上します。ATCは、マシニングセンタの大きな特徴の一つであり、複雑な形状の部品を効率的に生産するために不可欠なツールです。

NCフライスとマシニングセンタ（MC）の違い

NCフライスとマシニングセンタ（MC）はどちらもコンピュータ数値制御（NC）によって動作する点で共通していますが、最も大きな違いは自動工具交換装置（ATC）の有無です。NCフライスは、NCプログラムによって工具の動きを制御し高精度なフライス加工を行うことができますが、加工途中で工具を交換する際は手作業で行う必要があります。一方、マシニングセンタはATCを搭載しており、加工プログラムに従って自動的に工具を交換しながら、フライス加工、穴あけ、ねじ切りなど複数の加工を連続して行うことが可能です。このため、マシニング加工においては、一度材料をセットすれば複数の工程を自動で完結できるという大きなメリットがあります。複雑な形状の加工や量産加工において、マシニングセンタはNCフライス盤よりも高い生産性と効率性を発揮します。

マシニングセンタの種類

マシニングセンタは、主軸の配置や可動軸の数によって様々な種類に分類され、それぞれ得意な加工や用途が異なります。主な種類は、立形、横形、門形、そして5軸マシニングセンタです。

立形マシニングセンタ

立形マシニングセンタは、主軸が地面に対して垂直方向に取り付けられている種類のマシニングセンタです。これは最も一般的なタイプで、ワークの上面から切削加工を行います。主軸はX、Y、Zの3軸方向に動き、テーブルに固定されたワークを加工します。視認性が高く、ワークのセットアップが比較的容易であるため、初心者でも扱いやすいのが特徴です。主に平面加工や穴あけ加工に強みを発揮し、電子部品や金型部品などの精密加工、特に小型・中型の高精度部品加工に適しています。また、多品種小ロット生産にも向いています。立形マシニングセンタには、主軸の規格サイズによって「主軸30番」「主軸40番」「主軸50番」などの種類があり、40番は金型加工や自動車部品の加工で広く採用されています。冷却システムも重要な構成要素であり、加工時の熱を冷却し、切りくずの排出を助けます。

横形マシニングセンタ

横形マシニングセンタは、主軸が地面に対して水平方向に取り付けられている種類のマシニングセンタです。この構造により、ワークを横から加工することができ、加工時に発生する切りくずが自然に下に落ちるため、切りくずによるトラブルが発生しにくいという特徴があります。立形マシニングセンタとは異なり、テーブル上方のスペースが広いため、高さのあるワークの加工や、ワークを回転させることで着脱なしに側面全体を加工する多面加工に適しています。また、自動で部品を搬送できるパレットチェンジャーを設置できる設備もあり、長時間の連続稼働や大量生産に向いています。ワークを垂直に設置して加工するため、段取りの時間を要する場合もありますが、一度セットすれば4面加工も可能になるため、位置ズレによる加工精度の低下を防ぎ、高い加工精度を実現できます。横形マシニングセンタも、主軸の規格サイズによって「主軸30番」「主軸40番」などに分類され、特に40番は金型加工で多く使用されます。

門形マシニングセンタ

門形マシニングセンタは、その名の通り「門」のような構造を持つ大型のマシニングセンタです。主軸が門型フレームの中央に配置され、ワークテーブル上をX軸、Y軸、Z軸方向に移動しながら加工を行います。その大きな構造と高い剛性により、非常に大型で重い部品の加工に適しており、特に金型加工や大型機械のベース部品の製作に多く用いられます。広い加工エリアと高い加工剛性が大きなメリットであり、大型部品の複雑な形状加工や高精度加工に強みを発揮する種類のマシニングセンタです。

5軸マシニングセンタ

5軸マシニングセンタは、従来のX、Y、Zの3つの直線軸に加えて、2つの回転軸（A軸、B軸、またはC軸など）が加わることで、合計5つの軸を同時に制御できる高機能なマシニングセンタです。これにより、工具やワークを様々な角度に傾けながら同時に加工することが可能となり、より複雑で立体的な形状や、3軸加工では難しいアンダーカット部分なども一度の段取りで加工できます。インペラやタービンブレードなどの航空機部品、医療機器、金型など、高い精度と自由な加工が求められる分野で活用されています。荒加工から仕上げ加工まで全自動で長時間連続稼働できるため、夜間の無人運転も可能であり、加工の効率化に大きく貢献します。5軸マシニングセンタには、テーブル型、主軸型、混合型などの種類があり、回転軸の構成によってその特性も異なります。

マシニング加工の工程

マシニング加工は、プログラムを基に自動で進行する一連の工程によって成り立っています。この自動化されたプロセスにより、安定した品質と高い生産性が実現されます。

プログラムの作成と転送

マシニング加工を行う上で最も重要な工程の一つが、加工プログラム（NCプログラム）の作成と転送です。このプログラムは、加工対象の図面を基に、どのような形状に削るかだけでなく、工具の種類、削る方向、工具の移動速度、回転数など、非常に詳細な情報を数値制御データとして記述します。複雑な形状の加工には、CAD（Computer Aided Design）で設計されたデータや、CAM（Computer Aided Manufacturing）を用いて作成されたプログラムが用いられることが一般的です。作成されたプログラムは、有線または無線でマシニングセンタに転送され、機械はそれに従って自動で加工を実行します。プログラムの精度が加工精度に直結するため、この工程には専門知識と正確性が求められます。

材料の準備

マシニング加工では、様々な種類の材料が用いられます。一般的に多く使用されるのは、鉄、銅、アルミなどの金属やそれらを用いた合金です。特にアルミやステンレスは、マシニング加工で頻繁に扱われる材料であり、それぞれに適した加工条件が設定されます。例えば、ステンレスは熱伝導率が低く加工硬化性があるため、工具に負担がかかりやすく、工具寿命が短くなる傾向があります。これらの金属以外にも、適切な刃物や加工条件を整えることで、樹脂、セラミック、ガラスといった脆性の高い材料の加工も可能です。

加工の実行

プログラムの作成と材料の準備が完了したら、いよいよ加工の実行に移ります。マシニングセンタは、プログラムに従って工具を自動で交換しながら、切削、穴あけ、ねじ切りなど様々な加工を連続して行います。加工は通常、荒加工、中仕上げ加工、仕上げ加工の順で進められます。荒加工では、不要な部分を大まかに削り取り、材料内部の残留応力を軽減させ、その後の加工で歪みが生じるのを防ぎます。大径の工具を使用し、短時間で多くの材料を除去することが主な目的です。その後、中仕上げ加工を経て、仕上げ加工で寸法精度や表面粗さを高め、最終的な形状を作り上げます。穴あけ加工は、ドリルなどの工具を用いて円筒形の穴を開ける加工で、ボルト穴や軸受穴などに用いられます。ねじ切り（タップ加工）は、下穴にめねじを作る加工です。加工中は、切りくずの排出やクーラント（油）の供給にも注意が払われ、スムーズな加工と工具の摩耗抑制に貢献します。これらの工程が自動で連続して行われることで、高精度な部品を効率的に生産できるのがマシニング加工の大きなメリットです。

マシニング加工における考慮点

マシニング加工は高精度な部品製造を可能にする一方で、その特性上、いくつかの考慮すべき点があります。これらを理解することで、より効率的かつ高品質な加工を実現できます。適切な会社への依頼や見積もり取得においても重要な知識となります。

設計における条件

マシニング加工で高い精度を実現するためには、設計段階から加工条件を考慮することが非常に重要です。マシニング加工は高精度な部品製造が可能であり、特にマシニングセンタは1μm〜3μmの高精度加工に対応できると言われています。しかし、複雑な形状や厳しい公差を持つ部品の加工は難しい場合もあります。例えば、薄肉部品の加工では、切削熱による歪みや工具の振動による影響を受けやすく、精度を維持するのが難しいことがあります。また、深穴加工や細い溝の加工も、工具の折損や切りくずの排出の問題から難易度が高まります。このため、設計段階で加工の難易度を考慮し、可能な限り加工しやすい形状にすることで、不良品の発生を抑え、加工コストの削減にも繋がります。

加工可能な隅部の種類

マシニング加工において、隅部の加工は使用する工具、特にエンドミルの種類に大きく左右されます。エンドミルは、外周と底部に切れ刃を持つ円筒形の工具で、様々な形状があります。例えば、角部にRを付けたラジアスエンドミルや球形状のボールエンドミルを使用することで、隅部にRを付けた加工が可能です。しかし、内側の隅部を完全に直角に加工することは、回転工具の特性上、原理的にできません。必ず小さなRが残ります。このRの大きさは、使用するエンドミルの径によって決まります。例えば、底部のRが一般的な数値ではない場合、専用の工具を新たに用意する必要があり、コストが増加する可能性があります。したがって、設計時には、加工可能なRの大きさを考慮し、必要以上に小さなRを設定しないことが重要です。

CAD・CAMの必要性

現代のマシニング加工において、CAD（Computer Aided Design）とCAM（Computer Aided Manufacturing）は不可欠な知識とツールです。CADは、加工対象の部品を設計し、3次元モデルを作成するために使用されます。この3次元モデルは、マシニングセンタが加工を行うための基盤となります。CAMは、CADで作成されたモデルを基に、マシニングセンタが実行する加工プログラム（NCプログラム）を自動で生成する役割を担います。これにより、工具の経路（カッターパス）、切削条件、工具交換のタイミングなどを効率的に計画できます。特に複雑な形状の加工や、複数の工程を連続して行う場合には、手動でのプログラム作成は非常に時間がかかり、人的ミスも発生しやすいため、CAD・CAMの活用は必須となります。これらのツールを使いこなすことで、加工時間の短縮、品質の安定化、そして生産性の向上が実現できます。

加工が難しいとされる要素

マシニング加工には多くのメリットがある一方で、加工が難しいとされる要素も存在します。その一つが、難削材の加工です。例えば、超硬合金やセラミック、ガラスなどの非常に硬い材料は、通常の工具では加工が困難であり、工具の摩耗が激しくなります。また、これらの材料は脆性も高いため、加工中に欠けや割れが発生するリスクも伴います。このような難削材の加工では、専用の超硬工具や、特殊な加工条件（低速高トルク、クーラントの最適化など）が必要となり、高い技術と経験が求められます。さらに、薄肉部品や深穴加工、非常に複雑な三次元形状の加工も、工具のたわみ、振動、切りくず排出の課題から難易度が上がります。これらの難しい加工に直面した場合は、専門的な知識と経験を持つ会社に依頼することや、事前の見積もり段階で加工の可否や価格、相場について十分な確認をすることが重要です。

まとめ

マシニング加工は、マシニングセンタという高機能な工作機械を用いて、多種多様な材料を高精度かつ効率的に加工する技術です。自動工具交換装置（ATC）による連続加工や、5軸マシニングセンタによる複雑な形状加工など、その汎用性と生産性の高さが特徴です。CAD・CAMシステムとの連携により、設計から加工までを一貫して自動化でき、品質の安定と生産効率の向上に貢献しています。

マシニング加工についてのご依頼・ご相談はこちら
お問い合わせはこちら

資料ダウンロードはこちら

一覧に戻る

CONTACT お問い合わせ

「ものづくりのまち燕三条」だからできる。
お客様の様々なご要望にお応えします。

他社に断られた案件など、お困りでしたらすぐにご連絡ください。
迅速かつ丁寧な対応で、お客様のお役に立ちます。

受付時間 / 8:30〜17:30

0256-64-8441（代）加工のご依頼・ご相談はこちら

対応エリア日本全国

関東方面・関西方面をはじめ、
全国に対応しております。

COLUMN 加工コラム