機械加工

機械加工は、切削によって大きな原材料から材料（ほとんどの場合金属）を制御して除去することで、目的の形状または部品を作成する製造プロセスです。機械加工は、制御された材料の追加を使用する付加製造（3Dプリントなど）とは対照的に、工作機械を使用する減算製造^[1]の一形態です。

機械加工は多くの金属製品の製造における主要な工程ですが、木材、プラスチック、セラミック、複合材などの他の材料にも使用できます。^[2]機械加工を専門とする人は機械工と呼ばれます。商業的な事業として、機械加工は一般的に機械工場で行われ、機械工場は主要な工作機械を備えた1つ以上の作業室で構成されています。機械工場は独立した作業場になることもありますが、多くの企業は専門的なニーズをサポートするために社内に機械工場または工具室を維持しています。現代の機械加工の多くはコンピュータ数値制御(CNC) を使用しており、コンピュータがミル、旋盤、その他の切削機械 の動きと操作を制御します。

機械加工という用語の正確な意味は、過去 1 世紀半の間に技術がさまざまな方法で進歩するにつれて変化してきました。18 世紀には、機械工という言葉は機械を製造または修理する人を意味していました。この人の仕事は主に手作業で行われ、木の彫刻、金属の筆記鍛造、手作業によるやすりがけなどのプロセスが使用されていました。当時は、ジェームズ ワットやジョン ウィルキンソンなどの新しい種類のエンジン(多かれ少なかれあらゆる種類の機械を意味する)の製粉工や製造者がその定義に当てはまります。名詞のmachine toolと動詞の to machine ( machined, machinery ) はまだ存在していませんでした。^[要出典]

20世紀中頃、後者の言葉は、その概念が広く普及するにつれて造語された。したがって、機械時代において、機械加工とは、旋削、ボーリング、ドリリング、フライス加工、ブローチ加工、鋸引き、成形、プレーニング、研磨、リーミング、タッピングなどの（今日私たちが呼ぶところの）「伝統的」機械加工プロセスを指していた。^[3]これらの「伝統的」または「従来型」機械加工プロセスでは、旋盤、フライス盤、ボール盤などの工作機械を鋭利な切削工具とともに使用して、材料を除去し、目的の形状を実現する。^[4]

第二次世界大戦後の時代には、放電加工、電気化学加工、電子ビーム加工、光化学加工、超音波加工などの新しい技術が登場し、それらの古典的な技術を新しい技術と区別するために「従来の加工」というレトロニムが使用されるようになりました。現在、修飾語のない「加工」は通常、従来の加工プロセスを意味します。

2000 年代から 2010 年代にかけて、積層造形(AM) が初期の研究室やラピッドプロトタイピングの文脈を超えて進化し、製造のすべての段階で標準になり始めたため、AM とは論理的に対照的に、サブトラクティブ造形という用語が一般的になり、基本的に以前は機械加工という用語でカバーされていた除去プロセスをすべてカバーするようになりました。この 2 つの用語は事実上同義語ですが、機械加工という用語の長年の使用法は続いています。これは、連絡方法 (電話、電子メール、IM、SMS など) の急増により動詞の「連絡」の意味が進化したが、以前の「電話する」、「話す」、「書く」などの用語を完全に置き換えたわけではないという考えに似ています。^[要出典]

機械加工とは、切削工具がワークピース (ワークピースは「ワーク」と呼ばれることが多い) から材料を除去するプロセスです。従来の機械加工では、材料を除去するためにデバイスとワークの間の相対的な動きが必要です。非従来の機械加工プロセスでは、EDM (放電加工) の電流など、他の材料除去方法を使用します。ほとんどの機械加工操作では、この相対的な動きは、ツールまたはワークピースのいずれかを移動 (横方向の回転または横方向の動き) することによって実現されます。ツールの形状、相対的な動き、およびワークへの食い込みによって、結果として得られる作業面の目的の形状が生成されます。

機械加工作業は、従来の作業と非従来の作業に分けられます。従来の作業には、加工する形状に基づいて 2 つのカテゴリがあります。1 つは、旋削、ボーリング、穴あけ、リーマ加工、ねじ切りなどを含む円形、もう 1 つは、フライス加工、ブローチ加工、鋸引き、研削、成形などを含むさまざまな/直線形状です。

切削工具には 1 つ以上の鋭い刃があり、加工材料よりも硬い材料で作られています。刃は、切削片を加工材料から分離する役割を果たします。刃には、工具の 2 つの表面が接続されています。

• 傾斜面;そして
• 側面。

新しく形成されたチップの流れを方向付けるすくい面は、一定の角度で向いており、すくい角「α」と呼ばれます。すくい角は、作業面に対して垂直な平面を基準として測定されます。すくい角は、正または負になります。工具の側面は、工具と新しく形成された作業面の間に隙間を設け、仕上げの質を低下させる摩耗から表面を保護します。作業面と側面の間のこの角度は、逃げ角と呼ばれます。切削工具には、次の 2 つの基本的なタイプがあります。

• シングルポイントツール。
• 多面的な先端ツール

シングルポイント ツールには、旋削、穴あけ、平削り用の 1 つの切削刃があります。機械加工中、デバイスのポイントは、作業部品の元の作業面の下に貫通します。このポイントは、ノーズ半径と呼ばれる特定の半径に丸められることがあります。

多刃工具には複数の刃先があり、通常は回転することで作業部品に対する動きを実現します。穴あけやフライス加工では、旋削用の多刃工具を使用します。これらの工具の形状は単一ポイントの装置とは異なりますが、工具形状の多くの要素は類似しています。

• 旋削加工では、ワークピースの外側を、ワークピース内に移動される非回転切削工具に対して回転させます。ワークピースの回転は、工具に対して相対的な動きを生み出す方法です。旋盤は、旋削加工に使用される主要な工作機械です。
• ボーリング加工では、穴の直径を拡大するために穴の内面を機械加工します。これは、旋盤でワークピースを回転させる (内面旋削とも呼ばれます) か、工具を穴の円周に沿って回転させるミル加工によって実行できます。
• 穴あけ作業は、下面と端面に刃先を持つ回転切削工具 (多くの場合、ドリルビットを使用) をワークピースの軸方向に接触させることで穴を開けたり、穴を細くしたりする作業です。穴あけ作業は、旋盤、フライス盤、ドリル プレス、または手作業で実行できます。
• ねじ切りまたはタッピングは、一定のピッチで、穴（タッピングまたはねじ切り）またはシャフト（ねじ切り）に定義されたらせん（ねじ）を切ることと、反対側のねじと物体を回転運動で受け入れてアイテムを固定するように設計された特定の形状（例：ナットとボルト）を伴います。

• 鋸引きは、棒材を短く切断することを目的としています。鋸または切断機を使用して、回転する (丸鋸) または直線状の (帯鋸) 歯付きブレードを材料に当て、材料から切り口 (厚さ) を切断して 2 つに切断します。材料に応じて、歯の直線速度として測定される特定のブレード速度 (メートル/分またはフィート/分) が必要になる場合があります。速度は 200 フィート/分から 1000 フィート/分までです。
• フライス加工とは、円筒面に沿って刃先を持つ切削工具をワークピースに当てて、回転工具の軸と下刃の輪郭にある材料を除去する加工のことです。 ^[5]フライス盤はフライス加工に使用される主要な工作機械です。高度なCNC工作機械では、旋盤加工とフライス加工を組み合わせることができます。

• ブローチ加工には 2 つの操作があります。1 つはリニアブローチ加工で、多歯工具を穴に押し込んで、目的の形状 (スプライン、正方形、または六角形など) を切断するか、ブローチの歯のサイズが大きくなるにつれて切り込みが大きくなっていきます。もう 1 つはロータリーブローチ加工で、ドラフト工具を特殊なツールホルダー内で回転させ、工具をオフセット軸を中心に揺動させて、加工中に工具とワークピースを結合し、目的の形状を切断します。旋盤で実行すると、ワークピースと切削工具が一緒に回転しますが、ツールホルダーはテールストック内で静止したままです。フライス加工の場合、切削工具はワークピースに接触すると停止し、オフセット軸を中心に揺動するのみで、ツールホルダーはミル内で回転します。
• シェーピング操作は、ワークピースの表面に沿って押し付けられ、平らな形状を切断するように設計された、回転しない切削工具の直線運動によってワークピースから材料を除去する操作です。シェーパーは、旋盤工具と形状や形状が似ている高速鋼工具を使用することがよくあります。シェーピングは、円形軸ではなく直線軸での旋削に似ています。シェーピング操作は、前後にストロークしますが、一方向にのみ切断するシェーパー マシンを使用して実行されます。クラッパー ボックスは、工具をワークピースから持ち上げて後方に移動できるようにするために使用されます。
• 研削作業では、石、酸化アルミニウム、ダイヤモンドなどの高速で移動/回転する研磨材をワークピースに当て、工具の研磨面を使用して材料を削り取ります。

• プラズマビーム加工
• ウォータージェット加工では、ワークピースの厚さ全体にわたって、水のジェット（通常はガーネットなどの研磨材も使用）を使用してワークピースを切断します。ウォータージェット カッターは、2 軸で 2 次元形状を生成したり、5 軸でほぼすべての 3 次元形状を生成したりできます。
• 放電加工(EDM)操作では、帯電金属棒またはワイヤ (ワイヤ EDM) を使用してワークピースから材料を除去し、ワークピースから材料を蒸発させます。これは、穴を加工したり、別のピースから特定の形状を切り取ったりするために使用できます。EDM の利点は、非常に小さな切り口を持つことができ、ワイヤを穴に通すことができるため、ワークピースの端を切断することなくピースから複雑な形状を切り取ることができ、完全に適合するプラグとソケットを機械で作成できることです。

機械加工を必要とする未完成のワークピースは、完成品を作るために材料の一部を切り取る必要があります。完成品とは、設計図や青写真でそのワークピースに定められた仕様を満たすワークピースのことです。たとえば、ワークピースには特定の外径が必要な場合があります。旋盤は、金属ワークピースを回転させて切削工具で金属を切り取り、必要な直径と表面仕上げに一致する滑らかな円形の表面を作成することでその直径を作成できる工作機械です。ドリルは、円筒形の穴の形状で金属を取り除くことができます。金属の除去に使用できるその他のツールには、フライス盤、のこぎり、研削盤があります。これらの同じ技術の多くは、木工でも使用されます。

機械加工では、工作物が設計図や青写真の仕様を満たすように、多くの細部に注意を払う必要があります。寸法の正確さに関する明らかな問題のほかに、工作物に適切な仕上げや表面の滑らかさを実現するという問題があります。工作物の機械加工面の仕上げが粗悪なのは、クランプの不適切さ、工具の鈍さ、または装置の不適切な配置が原因である可能性があります。多くの場合、チャタリングと呼ばれるこの表面仕上げの悪さは、工作物の機械加工面の波状または規則的な波状仕上げによって明らかになります。

機械加工を行うには、工具とワークの間に相対的な動きが必要です。主な動作は特定の切削速度で行われます。さらに、デバイスをワークの横方向に移動させる必要があります。これは、送りと呼ばれる非常に遅い動きです。切削の残りの寸法は、切削工具が元のワーク表面の下に入り込み、切削の深さに達することです。速度、送り、および切削深さは、切削条件と呼ばれます。^[6]これらは機械加工プロセスの3つの次元を形成し、特定の操作では、それらの積を使用してプロセスの 材料除去率を取得できます。

${\displaystyle {R}_{MR}=vfd\,\!}$

どこ

• ${\displaystyle {R}_{MR}\,\!}$– 材料除去速度（mm ³ /s ）、（3 ^/ s）、
• ${\displaystyle v\,\!}$– 切断速度（ mm/s、in/min）、
• ${\displaystyle f\,\!}$– 送り量（mm）、（インチ）、
• ${\displaystyle d\,\!}$– 切削深さ（mm、インチ）。

注意: すべての単位は、対応する 10 進数 (またはUSCU ) 単位に変換する必要があります。

機械加工作業は通常、目的と切削条件によって 2 つのカテゴリに分けられます。

• 荒削り
• 仕上げカット

荒削りは、開始ワーク パーツから大量の材料をできるだけ早く、つまりかなりの材料除去率 (MRR) で除去して、目的の形状に近い形状を作りつつ、後続の仕上げ操作のためにピースにいくらかの材料を残すために使用されます。仕上げ切削によりパーツが完成し、最終的な寸法、許容差、および表面仕上げが得られます。生産機械加工ジョブでは、通常、ワークに対して 1 回以上の荒削り切削が実行され、その後に 1 回または 2 回の仕上げ切削が行われます。荒削り操作は、高い送りと深さで実行されます。一般的な送りは 0.4～1.25 mm/回転 (0.015～0.050 インチ/回転)、深さは 2.5～20 mm (0.100～0.750 インチ) ですが、実際の値はワークピースの材料によって異なります。仕上げ加工は、低い送りと深さで実行されます。一般的な送りは 0.0125～0.04 mm/rev (0.0005～0.0015 in/rev)、深さは 0.75～2.0 mm (0.030～0.075 in) です。^[要出典]切削速度は、荒加工の方が仕上げ加工よりも低くなります。

切削工具を冷却し、潤滑するために、切削液が機械加工作業によく使用されます。切削液を使用する必要があるかどうかの判断、および使用する場合は適切な切削液を選択することは、通常、切削条件の範囲内に含まれます。

今日では、他の形式の金属切断がますます普及しています。その一例がウォーター ジェット切断です。ウォーター ジェット切断では、620 MPa (90,000 psi) を超える加圧水を使用し、金属を切断して完成品を得ることができます。このプロセスは冷間切断と呼ばれ、レーザー切断やプラズマ切断とは異なり、熱影響部による損傷がありません。

近年の積層造形技術の普及により、従来の機械加工は、考え方と言語において、減算的製造方法として逆説的に分類されるようになった。狭い文脈では、積層造形法と減算的方法は互いに競合する可能性がある。業界全体の広い文脈では、それらの関係は補完的である。それぞれの方法には、他方よりも優れた点がある。積層造形法では、機械加工では再現できない非常に複雑なプロトタイプ設計を製造できるが、強度と材料の選択が制限される可能性がある。^[7]

• Albert, Mark (2011-01-17)、「減算と加算は ( - + + = > ) 以上」、Mark: My Word、Modern Machine Shop、83 (9)、シンシナティ、オハイオ州、米国: Gardner Publications Inc: 14。

• グルーヴァー、マイクル P. (2007)、「金属加工の理論」、現代製造業の基礎(第 3 版)、John Wiley & Sons、Inc.、pp. 491–504、ISBN 978-0-471-74485-6
• オバーグ、エリック; ジョーンズ、フランクリン D.; マコーリー、クリストファー J.; ヒールド、リカルド M. (2004)、『機械ハンドブック』（第 27 版）、インダストリアル プレス、ISBN 978-0-8311-2700-8。
• 「Machine Tool Practices」、第 6 版、RR、Kibbe、JE、Neely、RO、Meyer および WT、White 著、ISBN 0-13-270232-0、第 2 刷、著作権 1999、1995、1991、1987、1982、1979 Prentice Hall。 

• www.nmri.go.jp/eng、金属加工の基礎知識
• Institut für den Wissenschaftlichen Film が公開した機械加工に関するビデオ。 AV ポータルのドイツ国立科学技術図書館で入手できます。