【機械加工を学ぶ】1.機械加工の全体像 切削加工や研削加工など、加工の種類や特徴を解説

機械加工・図面知識

ものづくりの分野において、機械加工というと何を思い浮かべるでしょうか。
機械加工とは「工作機械を用いて材料を加工すること」全てを指します。

機械を使った加工には様々な方法が存在し、材料や加工したい形状に合わせて選択していく必要があります。今回は機械加工を学ぶ第一回の記事として「機械加工の全体像」を明らかにしていきます。

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機械加工の全体像

機械加工の分類は何で区分けするかによって異なりますが、大きく分けると除去加工成形加工付加加工の3つに分類されます。

1.除去加工

除去加工とは、不要な部分を除去することによって目的の形状に仕上げていく加工です。
材料の状態から部品になるまでに「質量が減る加工」です。

1) 切削加工

切削加工は刃物を加工物にあてて削っていく除去加工です。
比較的精度が高く、時間がかかる傾向があります。

  • 旋削
    旋盤という機械を使用する加工方法で、刃物(バイト)を固定し材料を回転させ削っていきます。手動の汎用旋盤、数値制御のNC旋盤などの種類があり「ターニング」とも呼ばれます。
  • フライス
    フライス加工は、フライスと呼ばれる刃物を使って、バイス(万力)で固定した材料を削っていく加工方法です。手動の汎用フライス、数値制御のNCフライスなどがあります。
  • 穴あけ
    穴をあけたり広げたりするもので、ボール盤という機械によって行います。穴あけ自体はフライスや旋盤などでも加工が可能ですが、ボール盤は穴あけに特化した機械です。
  • マシニングセンタ
    マシニングセンタとは、数値制御(NC)によって自動で加工ができ、工具交換も自動で行える切削加工機です。種類にもよりますが、穴あけや平面削りはもちろんのこと、5軸制御による3次元加工も可能なものがあります。

2) 研削加工

  • 砥石研磨
    砥粒と呼ばれる微細な粒を使用し、金属などを削っていく加工です。硬度の高い材料の加工も可能で、精度も高く、フライスや旋盤加工の仕上げとして使用されることが多いです。

3) 特殊加工

  • 放電加工
    銅やモリブデンでできたワイヤーに電気を流し、火花を発生させ金属を溶融・蒸発させていく加工です。非常に精度の高い加工が可能ですが、1分に数mm程度と長い加工時間を要します。また、電気を通さない材料は加工できません。
  • レーザー加工
    レーザー光のエネルギーにより材料を焼切る加工です。複雑な形状の加工も可能で、主に板金(薄い金属の板)加工に用いられています。レーザー光を反射しやすい材質(チタン)などは加工が困難です。また、あまり分厚い材料の加工もできません。
  • ウォータージェット加工
    高圧ポンプから噴射された水によって切断などを行う加工方法です。チタンやガラス、セラミックなどの難加工材料をはじめ、スポンジなどの非常に柔らかい素材も加工でき、熱影響もないため素材へのダメージが少ないです。ただし、精度はCO2レーザー程度のレベルのため、マシニング加工などには遠く及びません。

2.成形加工(変形加工)

成形加工は、材料を伸ばしたり曲げたり叩くことにより、新しい形状にする加工です。
材料の状態から部品になるまでに「質量が変わらない加工」と言えます。
比較的精度が低い加工に分類されますが、一気に大量生産することに向いております。

1) 射出成型

プラスチックなどの材料を溶かし、金型に抽出してから冷やし固める成形方法です。プラスチック製品の大量生産などに用いられ、加工には射出成型機が使用されます。

2) 鋳造

鋳造とは、熱で溶かした金属を型に流し込み、冷却して固めることによって、目的の形状にする加工方法です。

3) 塑性加工

  • プレス加工
    薄い金属を金型で挟み込み、「絞る」「曲げる」「切る」といった加工をします。絞るとは、材料を押して底付きの形状を成形するものです。(例:アルミの灰皿)
  • 鍛造
    ハンマーなどで金属を叩くことで、目的の形状にする加工です。熱した鉄を加工する熱間鍛造と、常温のまま加工する冷間鍛造があります。

3.付加加工

付加加工とは、材料に別の材料を加える加工方法です。
接合や付着などすることで、「材料の状態よりも質量が増える加工」と言えます。

1) 溶接

  • 融接
    母材同士、もしくは母材と溶接棒(接合するための溶加材)を接合する方法です。アーク溶接ガス溶接レーザー溶接などがあります。
  • 圧接
    摩擦や電力で母材を溶かして接合する方法です。スポット溶接やシーム溶接などがあります。
  • ろう付け(ロー付け)
    ろう(溶加材)によって接合する方法です。銅合金や超鋼などを接合する際によく用いられます。はんだ付けも、ろう付けの一種です。

2) 積層造形 3Dプリント

積層造形は、材料を一層ずつ重ねて立体形状を作り上げる方法です。

  • 熱溶解積層方式(FDM)
    熱可塑性樹脂を溶かし、ノズルで一層ずつ成形していく方法です。家庭向けの3DプリンタではこのFDM方式のものが多く、安いもので数万円~購入できるものがあります。
  • 光造形(SLA)
    光硬化性樹脂に紫外線レーザーを当て硬化させていく方法です。精度が高く、表面の仕上がりが滑らかです。造形後は洗浄の必要があり、後処理に少し手間がかかります。
  • 粉末焼結積層造形(SLS)
    CO2レーザーや放電により粉末材料(粉末樹脂や粉末金属)を溶融・焼結し、立体形状をつくりあげる方法です。非常にコストが高く、広くは普及していませんが、2014年に特許が切れたことによって様々なスタートアップ企業が参入してきております。今後のローコスト化に期待しましょう。

総括

これで機械加工の全体像が見えてきましたでしょうか。
各機械の詳細については、また今後の記事で取り上げていきます。