切削加工の種類の解説｜設計者が知るべき基礎知識

ここでは「切削加工の種類と設計者が知るべき基礎知識」についてのメモです。

機械設計において、部品の形状を実現するための加工法選定は、その製品の品質、コスト、納期を左右する極めて重要なプロセスです。　数ある加工法の中でも、切削加工は最も基本的かつ広範に用いられる技術の一つと言えますが、一口に切削加工といっても、その種類は多岐にわたり、それぞれに特有の原理、メリット、デメリットが存在します。

設計者がこれらの違いを深く理解せず、図面を作成してしまうと、「この形状は加工できない」「想定外のコストがかかる」といった手戻りが発生しかねません。　この記事では、「切削加工の種類」について知りたい機械設計者やものづくりに関心のある方々に向けて、その基礎知識から具体的な加工方法、そして設計時に必ず押さえておくべき注意点まで、網羅的にメモしていきます。

設計の基本となる切削加工の種類

機械加工とは？まず全体像を理解する

機械加工とは、工作機械と工具を用いて、金属や樹脂などの材料から不要な部分を取り除き、目的の寸法や形状を持つ部品を作り出す技術の総称　です。　私たちの身の回りにある鉛筆削りや大根おろしも、広い意味では切削工具の仲間と言えます。

この機械加工は、大きく以下の3つに分類されます。

この記事で主に取り上げる切削加工は、この中の「除去加工」に分類される最も代表的な手法です。　　工具の刃物（切れ刃）を使って材料を切り屑として排出しながら削っていくことで、高い精度の部品を製作できます。

代表的な加工法①：旋削加工の基礎

旋削加工は、加工したい材料（工作物）を回転させ、そこに固定した「バイト」と呼ばれる工具を当てることで削り出す加工方法　です。　陶芸でろくろを回しながら形を整えていく様子をイメージすると分かりやすいかもしれません。　この原理から、旋削加工は主にシャフトやピンのような円筒形状の部品（丸物）の製作に用いられます。

旋削加工でできること

旋削加工では、バイトの動かし方によって様々な形状を作り出せます。

• 外丸削り：工作物の外径を削り、細くします。
• 面削り（端面加工）：工作物の端面を平らに削ります。
• 中ぐり加工：工作物に開けられた穴の内径を広げます。
• 突切り加工：工作物に深い溝を入れたり、切断したりします。
• ねじ切り加工：工作物の外周や内周にねじ山を作ります。

旋削加工のメリット・デメリット

• メリット：加工中、工作物が常に回転しているため、高い同軸度や真円度を得意とします。加工速度も比較的速いのが特徴です。
• デメリット：加工後の形状は必ず回転体（円筒・円盤など）になります。そのため、四角いブロックにポケットを掘るような加工は不可能です。

旋削加工の加工前の素材形状について

旋削加工の素材は丸棒だけだと思われがちですが、実はそうではありません。　条件付きではありますが、四角い材料（角材）から丸い形状を削り出すことも可能です。　ただし、これは工具の刃が断続的に材料に当たる「断続切削」という状態になります。　この方法は工具への衝撃が大きく、刃先（チップ）の消耗が激しくなるため、加工コストや工具寿命を考慮する必要があります。

また、量産品などでは、最初から最終製品に近い形状で作られた鋳造品や鍛造品を素材として旋削加工することも一般的　です。　これにより、削る量を減らして材料費と加工時間を削減したり、鍛造の場合は素材自体の強度を高めたりするメリットが得られます。

旋削加工表面粗さ（Ra）の目安

一般的な旋削加工では、並仕上げで　Ra 3.2μm～6.3μm、丁寧な上仕上げを行うと　Ra 0.4μm～1.6μm程度　の表面粗さが得られます。

旋盤で使われる工具「バイト」には、刃先が摩耗したら交換するスローアウェイバイトが主流です。　これにより、安定した品質での量産が可能になっています。　設計する部品が丸物であれば、まず旋削加工を検討するのが基本　となります。

代表的な加工法②：フライス加工の基礎

フライス加工は、旋削加工とは逆に、工具（エンドミルや正面フライス）を高速で回転させ、固定した工作物に当てることで削り出す加工方法です。　地面に固定した木材の上を、電動カンナを動かして平らにしていくイメージに近いでしょう。　この方法により、平面や側面、溝、段差といった角形状の部品（角物）から、複雑な三次元曲面まで、非常に多様な形状を製作できます。

フライス加工でできること

フライス加工は、使用する工具と動かし方の組み合わせで、その加工範囲は無限に広がります。

• 平面加工：工作物の上面を平らに削ります。主に正面フライス（フェイスミル）という工具が使われます。
• 側面加工：工作物の側面を削ります。エンドミルの外周刃を使います。
• 溝加工：T溝やアリ溝など、特定の形状の溝を加工します。溝フライスやエンドミルが用いられます。
• ポケット加工：工作物の内部を掘り込む加工です。エンドミルで輪郭を削り、中身を除去します。
• 3D曲面加工：先端がボール状のボールエンドミルを使い、滑らかな曲面を削り出します。

フライス加工のメリット・デメリット

• メリット：四角い形状や複雑な形状の加工自由度が非常に高いのが最大の特徴です。旋盤では不可能なポケット加工やリブ形状も作れます。
• デメリット：旋削加工に比べて、広い面を削るのに時間がかかる場合があります。また、工具の届かないアンダーカット形状　は加工できません。

フライス加工表面粗さ（Ra）の目安

一般的なフライス加工で得られる表面粗さは、並仕上げでRa 3.2μm～6.3μm、上仕上げでRa 0.4μm～1.6μmが目安　です。　　工具や加工条件を最適化することで、さらに滑らかな面を得ることも可能です。

フライス盤には、工具を取り付ける主軸が垂直な「立型」と水平な「横型」があります。　一般的に、ポケット加工や平面加工は立型、深い溝加工などは横型が得意とされています。　設計する部品に平面や溝、穴が複数ある場合は、フライス加工が基本　となります。

代表的な加工法③：穴あけ・穴仕上げ加工

穴あけ加工は、その名の通り材料に穴を開ける加工ですが、設計で要求される精度を実現するためには、複数の工程と工具を使い分ける一連のプロセスとなります。　単にドリルで穴を開けただけでは、寸法精度や表面の滑らかさが不十分な場合が多いためです。

高品質な穴は、一般的に以下のステップで加工されます。

1. 位置決め（センタリング）：ドリルの先端がずれないよう、センタ穴ドリルで正確な開始点となる小さなくぼみを付けます。
2. 下穴加工（ドリリング）：最も一般的なツイストドリルを使い、目的の径に近い穴を開けます。これは最も効率的な材料除去のステップです。
3. 穴仕上げ（リーマ加工）：高い寸法精度や滑らかな面粗さが求められる場合、リーマという工具で穴の内面をわずかに削り、仕上げます。リーマは穴を開ける能力はなく、既存の穴を精密に仕上げる専用工具です。
4. 高精度仕上げ（中ぐり加工）：より厳密な直径や真円度が求められる場合、中ぐり工具（ボーリングバー）で穴の内側を旋削のように削り、精度を高めます。

ボルト穴の追加工

ボルトやネジの頭部を収めるためには、さらに追加の加工が必要です。

• 座ぐり加工（カウンターボア）：ボルトの頭部が部品表面から飛び出さないように、穴の入り口を一段深く、平らに削る加工です。
• 皿もみ加工（カウンターシンク）：皿ねじの頭部がぴったり収まるように、穴の入り口を円錐状に削る加工です。

ドリル加工表面粗さ（Ra）の目安

ドリルで開けたままの穴は、表面が粗く、一般的にRa 12.5μm～50μm程度　となります。　これに対し、リーマ加工や中ぐり加工といった仕上げ工程を経ることで、表面は格段に滑らかになります。　リーマ加工ではRa 0.8μm～3.2μm、高精度なものではRa 0.2μmレベルの仕上げも可能　です。

代表的な加工法④：ねじ加工の基礎

ねじ加工は、部品同士を締結するために不可欠な、らせん状の溝（ねじ山）を形成する加工法です。　加工する場所によって「めねじ（穴の内側）」と「おねじ（軸の外側）」に大別され、それぞれに専用の工具が使われます。

めねじ加工（穴の内側）

めねじ加工には、主に2つの方法があります。

おねじ加工（軸の外側）

• ねじ切りバイト：旋盤加工の一環として、専用のバイトを使い、回転する工作物におねじを削り出します。
• ダイス：円形の工具で、丸棒にダイスを回転させながら通すことで、おねじを形成します。主に手作業や少量生産で用いられます。

ねじ加工表面粗さ（Ra）の目安

ねじ加工の表面粗さは、ねじ山の機能（締結）が主目的のため、他の加工面ほど厳しく管理されることは少ない　です。　しかし、切削によるねじ加工（タップ、スレッドミル、ねじ切りバイト）では、一般的な切削加工と同等のRa 1.6μm～6.3μm程度の仕上げ面が得られます。

高価な部品や、自動化ラインでの加工を想定する場合、タップ折損のリスクは致命的です。　コストや納期に余裕があれば、安全性の高いスレッドミル加工を指定することも重要なリスク管理の一つです。

部品設計に活かす多様な切削加工の種類

専門的な加工法①：歯切り加工とは

歯切り加工は、モーターなどの動力を伝えるために不可欠な「歯車（ギア）」の、複雑な歯形を精密に創成するための専門的な加工法です。　歯車の歯形はインボリュート曲線と呼ばれる特殊なカーブで設計されており、滑らかで効率的な動力伝達を実現するために、極めて高い精度が求められます。

歯切り加工には、大きく分けて2つの方法があります。

1. 創成法：工具と歯車材料が互いに噛み合いながら運動することで、歯形が「創り出される」方法です。　ホブというウォームギア状の工具や、ピニオンカッタという歯車状の工具が専用の工作機械で使われます。高精度な歯車を効率よく生産できるため、現在の主流となっています。
2. 成形法：歯車の歯溝と全く同じ形状を持つ歯切りフライスを使い、形状をそのまま転写する方法です。　原理は単純ですが、一般的に創成法より精度は劣ります。

歯車を設計する際は、単に形状を描くだけでなく、「モジュール」「歯数」「圧力角」といった専門的なパラメータを正確に図面に記載する必要があります。　これらの情報がないと、加工業者は正しい歯車を作ることができません。

歯切り加工表面粗さ（Ra）の目安

歯切り加工で創成された歯面は、動力伝達のために滑らかさが求められます。　ホブやピニオンカッタによる創成法では、一般的にRa 1.6μm～3.2μm程度　の表面粗さが得られます。　さらに高精度な仕上げが必要な場合は、後工程で歯面研削が行われます。

専門的な加工法②：特殊形状の加工

これまでに紹介した加工法以外にも、特定の目的を達成するために特化した加工法が存在します。　ここでは代表的な2つを紹介します。

ブローチ加工

ブローチ加工は、多数の切れ刃が直線状に並んだ「ブローチ」と呼ばれる長い工具を、工作物に対して一度引き抜くか押し通すだけで、目的の形状を完成させる加工法です。　主に、モーター軸のキー溝や、複数の溝があるスプライン形状、四角穴などの加工に用いられます。

ブローチ加工のメリット・デメリット・表面粗さ

• メリット：一度の通過で加工が完了するため、生産性が非常に高いです。同じ形状を大量生産する場合に圧倒的なコストメリットを発揮します。
• デメリット：工具が非常に高価で、一つのブローチは一つの形状しか加工できません。そのため、少量生産には全く向いていません。また、加工の原理上、止まり穴には適用できず、必ず通り穴である必要があります。

ブローチ加工は高精度な加工法であり、仕上げ面も滑らかです。　一般的に　Ra 1.6μm～3.2μm程度　の表面粗さが期待できます。

研削加工

研削加工は、砥石（といし）と呼ばれる、無数の硬い砥粒を固めた工具を高速回転させ、工作物の表面をミクロン単位でわずかに削り取る加工法です。　これは、旋削加工やフライス加工の後に行われる「仕上げ」工程であり、より高い寸法精度や滑らかな表面（面粗度）を実現するために用いられます。

研削加工のメリット・デメリット・表面粗さ

• メリット：切削加工では達成できない高精度な寸法公差や、鏡のような滑らかな仕上げ面を得ることができます。　焼入れなどで硬くなった材料の仕上げも可能　です。
• デメリット：材料を少しずつしか削れないため、加工に非常に時間がかかり、コストも高くなります。

研削加工の最大の特長は、極めて優れた表面粗さを実現できる点です。　一般的な研削仕上げでRa 0.2μm～0.8μm、さらに精密なラップ仕上げやポリシングを組み合わせることで、Ra 0.05μm以下の鏡面仕上げも可能　です。

各加工方法のメリットを比較する

ここまで様々な切削加工の種類を見てきました。　それぞれの加工法が持つメリットを理解し、設計する部品の要求仕様に応じて最適な方法を選択することが重要です。　以下の表に、各加工法の主なメリットをまとめました。

このように、例えば「高精度なシャフト」を設計するなら旋削加工と研削加工の組み合わせが考えられますし、「複雑な形状のブラケット」であればフライス加工が主体となります。　部品の機能から必要な形状を考え、それを実現できる加工法を選択するという視点が大切です。

各加工方法のデメリットと設計上の注意点

メリットの裏側には、必ずデメリットや加工上の制約が存在します。　これらを無視した設計は、加工不可能という判断や、予期せぬコストアップにつながります。　設計者として必ず知っておくべき、代表的な注意点をまとめます。

加工法別の主な設計上の注意点

• 旋削加工：
  • 制約：四角い形状や、円の中心から外れた位置にある穴などは加工できません。
  • 注意点：長いシャフトを加工する場合、材料のたわみを防ぐための工夫が必要になります。
• フライス加工：
  • 制約：工具が届かない「アンダーカット」形状は加工できません。
  • 注意点：ポケットの隅には必ずR（丸み）が付きます。このRは使用するエンドミルの半径以下にはできず、ピン角（R0）にすることは不可能です。また、深すぎるポケットや薄すぎる壁は、びびり（振動）が発生し精度が出ない原因となります。
• 穴あけ加工：
  • 制約：ドリルの先端は円錐状（通常118°）のため、止まり穴の底は完全な平面にはなりません。
  • 注意点：有効なねじ深さや、平らな底面が必要な場合は、その旨を図面に明確に指示する必要があります。
• ブローチ加工：
  • 制約：必ず通り穴である必要があります。止まり穴のキー溝加工はできません（その場合はスロッター加工などが選択肢になります）。
  • 注意点：初期の工具製作コストが非常に高いため、試作や少量生産には適しません。

加工法ごとのコストと精度の関係性

設計を行う上で、コスト意識は不可欠です。　切削加工におけるコストは、「精度」と密接な関係にあります。　結論から言うと、高い精度を求めれば求めるほど、コストと加工時間は指数関数的に増加します。　なぜなら、高い精度を実現するためには、

• より高性能で高価な工作機械
• 高価で摩耗の少ない切削工具
• 加工条件を最適化できる熟練した技術者
• 材料を少しずつしか削れないため、長い加工時間

といった要素が必要になるからです。　例えば、一般的なフライス加工で得られる寸法公差は±0.1mm程度ですが、これを±0.01mmにするためには、温度管理された環境で研削加工を行う必要があり、コストは何倍にも跳ね上がります。

その公差、本当に必要ですか？

部品を設計する際には、「その部品が機能するために、本当にその厳しい公差が必要なのか？」を常に自問自答することが重要です。　他の部品と勘合する部分など、本当に精度が必要な箇所にのみ厳しい公差を設定し、それ以外の部分は可能な限り公差を緩く（大きく）設定すること。　これが、コストを抑えた賢い設計の最大のポイント　です。

最適な部品設計のための切削加工の種類

この記事では、機械設計者が知っておくべき切削加工の種類と、それに伴うメリット・デメリット、設計上の注意点について解説してきました。　最後に、本記事の要点をまとめます。

• 切削加工は材料を削って形作る最も基本的な機械加工法の一つ
• 旋削加工は工作物を回転させ主に丸い部品を作る加工法
• フライス加工は工具を回転させ主に四角い部品や複雑な形状を作る
• 旋削加工は同軸度や真円度に優れフライス加工は形状の自由度が高い
• 穴あけはドリルで行いリーマや中ぐり工具で精度を高めるプロセス
• めねじ加工にはタップ加工とスレッドミル加工という代表的な方法がある
• タップ加工は手軽だが工具折損のリスクを伴う
• スレッドミル加工は安全性が高く高価な部品や自動化ラインに適している
• 歯切り加工は歯車の精密な歯形を作るための専門的な加工法
• ブローチ加工はキー溝などを一度に加工でき大量生産時の効率が非常に高い
• 研削加工は切削加工後の仕上げとして高精度な寸法や表面を得るために行う
• 各加工法にはメリットだけでなく加工できない形状などの制約がある
• フライス加工ではポケットの隅をピン角にすることはできない
• 止まり穴の底はドリルの先端角により完全な平面にはならない
• 高い精度を要求すると加工コストと時間は大幅に上昇する
• 部品の機能上不要な厳しい公差はコストアップの大きな要因となる
• 設計段階で加工法の特徴と制約を理解し最適な切削加工の種類を選ぶことが重要

以上です。