Loading article…
機械加工において、ボーリングとは、銃身やエンジンシリンダーのボーリングのように、単刃切削工具（または複数の工具を備えたボーリングヘッド）を用いて、既にドリル加工（または鋳造）された穴を拡大する加工のことです。ボーリングは、穴の直径の精度を高めるために用いられ、テーパー穴の切削にも使用できます。ボーリングは、外径を切削する旋削加工の、内径版と考えることができます。
ボーリングにはさまざまな種類があります。ボーリングバーは両端で支持される場合（既存の穴が貫通穴の場合のみ有効）、または片端で支持される場合（貫通穴と止まり穴の両方に有効）があります。ラインボーリング（ライン ボーリング、ラインボーリング）は前者を意味します。バックボーリング（バック ボーリング、バックボーリング）は、既存の穴を通してワークピースの「裏側」（機械の主軸台に対して）をボーリングするプロセスです。
被削材が工具をほぼ完全に囲むため、工具設計に制約が生じ、ボーリング加工は旋削加工に比べて本質的にやや難易度が高い。これは、工具保持剛性の低下、クリアランス角の要求値の増加（切削刃に与えられる支持量の制限）、および加工面（サイズ、形状、表面粗さ）の検査の難しさといった点による。そのため、ボーリング加工は旋削加工とは別個の機械加工分野として捉えられており、両者には共通点があるにもかかわらず、独自のコツ、テクニック、課題、そして専門知識が存在する。
最初のボーリングマシンは1775年にジョン・ウィルキンソンによって発明された。 [ 1 ]
ボーリング加工と旋削加工には、内面および外面円筒研削という研磨加工の対応物がある。それぞれの加工方法は、特定の用途における要件とパラメータ値に基づいて選択される。
穴あけ加工は、(1)旋盤(/旋削センター)やフライス盤(/加工センター)などの汎用機械、および( 2)ジグボーラーやボーリング盤、またはボーリングミルなど、穴あけ加工を主な機能として設計された機械を含む、さまざまな工作機械で実行できます。ボーリングミルには、垂直ボーリングミル(工作物が垂直軸を中心に回転し、ボーリングバー/ヘッドが直線的に移動する。基本的に垂直旋盤)と水平ボーリングミル(工作物がテーブル上に置かれ、ボーリングバーが水平軸を中心に回転する。基本的に特殊な水平フライス盤)が含まれます。
加工対象物と工具ビット間の寸法は、2つの軸を中心に変更することができ、内面を垂直方向と水平方向の両方に切削することが可能です。切削工具は通常、M2およびM3高速度鋼またはP10およびP01超硬合金製の単刃工具です。切削刃を半径方向と軸方向の両方に同時に送り込むことで、テーパー穴を加工できます。
ボーリング盤には、さまざまなサイズとタイプがあります。小型のワークピースのボーリング加工は旋盤で行えますが、大型のワークピースはボーリング盤で加工されます。ワークピースの直径は一般的に1～4メートル（3フィート3インチ～13フィート1インチ）ですが、最大で20メートル（66フィート）にもなります。必要な動力は最大200馬力（150kW ）にもなります。ボーリングバーの冷却は、クーラントが自由に流れる中空の通路を通して行われます。ボーリング中の振動やビビリを抑制するために、タングステン合金製のディスクがバー内に密閉されています。制御システムはコンピュータベースにすることができ、自動化と一貫性の向上を実現できます。
ボーリングは既存の穴の製品公差を小さくすることを目的としているため、いくつかの設計上の考慮事項が適用されます。まず、切削工具のたわみのため、穴径に対する長さの比率が大きいことは好ましくありません。次に、貫通穴は止まり穴（ワークピースの厚みを貫通しない穴）よりも好ましいです。切削工具と表面が不連続に接触する、中断された内部作業面は、できれば避けることが望ましいです。ボーリングバーは、切削工具を保持する機械の突出したアームであり、非常に剛性が高くなければなりません。[ 2 ]
先に述べた要因から、深穴加工や深穴ボーリングは、特殊な工具と技術を必要とする、本質的に難易度の高い作業分野です。しかしながら、驚くほど高い精度で深穴を加工できる技術が開発されてきました。多くの場合、これらの加工では、互いに反対方向に配置された複数の切削点を用い、それぞれの切削力が相殺されるようにします。また、切削油を工具を通して加圧し、切削刃付近の開口部に送り込むのが一般的です。銃身加工や大砲ボーリングはその典型的な例です。これらの加工技術は、もともと銃器や大砲の砲身を作るために開発されたものですが、今日では多くの産業の製造業で広く利用されています。
CNC制御装置には、さまざまな固定サイクルによる穴あけ加工機能が備わっています。これらは、切削、後退、前進、再切削、後退、初期位置への復帰といった一連の動作を工具に繰り返して行う、あらかじめプログラムされたサブルーチンです。これらのサブルーチンは、G76 、G85、G86、G87、G88、G89などのGコード、あるいは特定の制御装置メーカーや工作機械メーカー固有の、あまり一般的ではないコードを使用して呼び出されます。
旋盤ボーリング[ 3 ]は、単刃切削工具またはボーリングヘッドを使用して、工作物の既存の開口部を拡大することで円錐面または円筒面を作成する切削加工です。テーパーのない穴の場合、切削工具は回転軸と平行に移動します。テーパーのある穴の場合、切削工具は回転軸に対して角度をつけて移動します。ボーリング加工を使用すると、さまざまな直径で、単純な形状から非常に複雑な形状まで作成できます。ボーリングは、旋削加工や穴あけ加工に次いで、最も基本的な旋盤加工の1つです。
旋盤による穴あけ加工では、通常、工作物をチャックに固定して回転させる必要があります。工作物が回転するにつれて、先端にインサートを取り付けたボーリングバーが既存の穴に送り込まれます。切削工具が工作物に接触すると、切りくずが形成されます。使用する工具の種類、材料、送り速度によって、切りくずは連続的になる場合もあれば、断片的になる場合もあります。このようにして形成された表面を穴と呼びます。
旋盤ボーリングによって作られる形状は、通常、ストレート穴とテーパー穴の2種類です。必要に応じて、各形状の穴に複数の直径を追加することもできます。テーパーを作るには、工具を回転軸に対して斜めに送るか、送り運動と軸方向の動きを同時に行います。ストレート穴と座ぐり穴は、工具を工作物の回転軸と平行に移動させることによって作られます。
最も一般的に使用されるワーク保持装置は、3爪チャック、4爪チャック、コレット、およびフェースプレートの4種類です。3爪チャックは、ワークが自動的にセンタリングされるため、丸型または六角形のワークピースを保持するために使用されます。これらのチャックでは振れに制限があり、最新のCNCではすべての条件が良好であればかなり低くすることができますが、従来は少なくとも0.001～0.003 インチ（0.025～0.075 mm）です。4爪チャックは、不規則な形状を保持する場合、または丸型または六角形を極めて低い振れで保持する場合（各ピースの位置決めとクランプに時間を費やす）に使用されます。どちらの場合も、各爪が独立して動作するためです。フェースプレートも不規則な形状に使用されます。コレットは、セルフセンタリングチャッキングと低振れを兼ね備えていますが、コストが高くなります。
ほとんどの旋盤ボーリング加工では、±0.010インチ（±0.25 mm）を超える公差は 容易に維持できます。そこから±0.005 インチ（±0.13 mm）までの公差は、深い穴でも通常は特別な困難や費用をかけずに維持できます。±0.004 インチ（±0.10 mm）から±0.001 インチ（±0.025 mm）の間の公差になると、難易度が上がり始めます。このような厳しい公差の深い穴では、制限要因はサイズ制約と同じくらい幾何学的制約であることがよくあります。言い換えれば、任意の直径測定点で直径を0.002インチ以内に維持することは容易かもしれませんが、穴の深さが直径の5倍以上（深さは直径：深さのアスペクト比で測定）にわたって、0.002インチの制約で区切られたゾーン内に穴の円筒度を維持することは困難です。最高精度が求められる用途では、一般的に公差は浅い穴の場合のみ±0.0005 インチ（±0.013mm ）以内に抑えることができます。場合によっては、浅い穴でも±0.0001 インチ（±0.0038mm ）という厳しい公差を維持できることもありますが、100%検査と不適合部品の廃棄によりコストがかさみます。ボーリングの再現性と精度が限界に達した場合は、研削、ホーニング、ラッピングといった加工方法が用いられます。
ボーリング加工における表面仕上げ（粗さ）は8～250マイクロインチの範囲であり、一般的な範囲は32～125マイクロインチである。
部品によっては、ボーリング加工では実現できないほど高い形状精度や寸法精度が求められる場合があります。例えば、最適化されたボーリング加工であっても、穴の異なる部分における直径のばらつきは、3マイクロメートル（0.0001インチ、「10分の1」）を下回ることはほとんどなく、5～20マイクロメートル（0.0002～0.0008インチ、「2～8分の1」）になることも珍しくありません。このような穴のテーパー、真円度誤差、円筒度誤差は、他のほとんどの部品では無視できる程度ですが、用途によっては許容できない場合があります。このような部品の場合、内面円筒研削が一般的な後処理工程となります。多くの場合、部品は機械加工工程で荒削りと半仕上げ加工を行い、その後熱処理を施し、最後に内面円筒研削で仕上げ加工を行います。
近年の機械加工技術の進歩に伴い、ボーリング加工における幾何学的精度（形状、位置）や被削材の硬度に関する制約は縮小しつつあります。例えば、新しいグレードの超硬合金やセラミック製の切削インサートの登場により、研削加工なしで達成できる精度と表面品質が向上し、加工可能な被削材の硬度範囲も拡大しました。しかしながら、わずか数マイクロメートル（数十分の1インチ）の公差で加工を行うには、実際の被削材は理想的に剛性で不動ではないという事実に、製造工程で合理的に対処し、補正する必要があります。切削が行われるたび（たとえ切削量がどれほど小さくても）、あるいは温度が数百度変化するたび（たとえ一時的な変化であっても）、被削材全体、あるいはその一部は、たとえ動きが極めて小さくても、新しい形状に変形する可能性があります。場合によっては、ある領域における数マイクロメートルの動きが、てこの原理で増幅され、数デシメートル離れた被削材の部位に数マイクロメートルの位置誤差が生じることもあります。こうした要因によって、内外径円筒研削ではなく、ボーリングや旋削による仕上げ加工が不可能になる場合がある。極端な場合、加工や研削の精度がどれほど高くても、部品が製造時に公差内であっても、数日後あるいは数か月後に公差外に歪んでしまうことがある。エンジニアはこのようなケースに直面すると、マイクロスケールやナノスケールでの部品形状の不動性に過度に依存しないような、別の加工材料や代替設計を模索するようになる。