1. 概要
Material Removalとは、不要な材料を除去することによって、目的の形状、寸法、精度、表面品質を作り出す製造工程群である。Formingが材料を変形させて形状を作る方式であるのに対し、Material Removalは切削、研削、放電、切断などの方法で材料を除去し、部品を完成させる。
Material Removalは、機械部品製造において最も広く使用される工程群のひとつである。金型を使わずに多様な形状を作ることができ、高い精度と良好な表面品質を得ることができる。そのため、試作品、少量生産、精密部品、後加工工程において非常に重要である。
代表的なMaterial Removal工程は次のとおりである。
旋削
フライス加工
穴あけ
中ぐり
リーマ加工
タップ加工
ブローチ加工
研削
放電加工
レーザー切断
ウォータージェット切断
のこ切断
ホーニング
ラッピング
Material Removalの核心は、単に「材料を削ること」ではない。工具アクセス性、基準面、クランプ、切削条件、工具剛性、加工順序、表面粗さ、公差、熱変形、切りくず排出、検査可能性を同時に考慮する必要がある、設計主導の製造工程である。
2. Material Removalの役割
Material Removalの核心的な役割は、部品の形状と精度を最終的に確保することである。
Primary ShapingやFormingで作られた部品は基本形状を持つことはできるが、ベアリング取付面、シャフト径、位置決め穴、シール面、LMガイド取付面のような精密機能面は、追加加工が必要になる場合が多い。このときMaterial Removalは、機能上重要な面を正確に作る役割を果たす。
Material Removalの役割は次のように整理できる。
原材料から目的の形状を作る。
鋳造品、鍛造品、溶接品、成形品の機能面を後加工する。
高い寸法精度と形状精度を確保する。
基準面、基準軸、位置決め構造を作る。
穴、溝、スロット、ポケット、ねじ、平面、円筒面を加工する。
表面粗さと機能面品質を確保する。
組立基準と検査基準を作る。
試作品と少量生産に柔軟に対応する。
例えば鋳造ハウジングは、外形を鋳造で作り、ベアリングボア、ボルト締結面、基準面をCNC加工で仕上げる。溶接フレームは溶接後に変形が発生するため、LMガイド取付面と基準面を後加工して精度を確保する。
したがってMaterial Removalは、単なる切削工程ではなく、部品の機能精度を完成させる核心的な製造方式である。
3. Material Removalの基本原理
Material Removalは、工具またはエネルギー源を利用して材料の一部を除去する方式である。工程によって、材料を切る、削る、研ぐ、溶かす、蒸発させる、または侵食させる。
基本的な工程フローは次のとおりである。
Material Removalで重要な要素は次のとおりである。
要素 | 説明 | 設計への影響 |
|---|---|---|
工具 | 材料を直接除去する切れ刃または砥粒 | 加工可能形状、内部コーナーR、表面品質を決定 |
工具経路 | 工具が移動しながら材料を除去する経路 | 形状精度と加工時間に影響 |
基準面 | 加工位置と寸法を決める基準 | 精度と公差累積に影響 |
クランプ | 部品を固定する方式 | 変形、振動、段取り精度に影響 |
切削条件 | 速度、送り、切込み深さ | 表面品質、工具寿命、生産性に影響 |
切りくず排出 | 除去された材料の排出 | 加工安定性、表面損傷、工具破損に影響 |
熱 | 切削または研削中に発生する熱 | 寸法変化、変形、表面損傷に影響 |
検査 | 加工結果を確認する方法 | 公差指定と品質管理に影響 |
Material Removalに共通する原則は次のとおりである。
工具が加工位置にアクセスできなければならない。
部品を安定して固定できなければならない。
基準面と基準軸が明確でなければならない。
深く狭い形状では、工具剛性と振動を考慮しなければならない。
内部の鋭い直角コーナーは、回転工具で直接作ることができない。
寸法精度と表面粗さは、工程能力の範囲内で指定しなければならない。
加工後のバリ、切りくず、汚染物を除去しなければならない。
4. 代表工程の分類
Material Removalは、材料を除去する方式と工具運動によって複数の工程に分けることができる。
工程 | 主な運動 | 適用形状 | 主な特徴 |
|---|---|---|---|
旋削 | 工作物回転、工具送り | 円筒、軸、ねじ、溝 | 回転体部品に適している |
フライス加工 | 工具回転、工作物または工具送り | 平面、ポケット、スロット、3D形状 | 多様な形状加工が可能 |
穴あけ | 工具回転および軸方向送り | 穴 | 最も基本的な穴加工 |
中ぐり | 工具回転または工作物回転 | 精密内径 | 既存穴の精度向上 |
リーマ加工 | リーマ回転 | 精密穴 | 穴寸法と表面品質の向上 |
タップ加工 | タップ回転 | 内ねじ | 締結用ねじを形成 |
ブローチ加工 | 多段切れ刃の直線移動 | キー溝、スプライン、特殊内形 | 繰り返し精密形状に適している |
研削 | 砥石回転 | 精密平面、円筒、鏡面 | 高精度と高表面品質 |
放電加工 | 電気放電 | 高硬度材料、複雑形状 | 工具アクセスが難しい形状に有利 |
レーザー切断 | 熱エネルギー | 板材切断 | 速く複雑な2D切断が可能 |
ウォータージェット切断 | 高圧水および研磨材 | 板材、複合材 | 熱影響が少ない |
これらの工程はいずれも材料を除去するが、適用される形状と設計基準はそれぞれ異なる。旋削は回転対称形状に適しており、フライス加工は平面と複雑形状に適している。研削は精度と表面品質が必要な場合に使用され、放電加工は高硬度材料や複雑な内部形状に有利である。
5. 旋削, Turning
旋削は、工作物を回転させ、切削工具を移動させて円筒形状を作る工程である。シャフト、ピン、ブッシュ、プーリー、ローラー、ねじ、円筒形ハウジングなど、回転体部品の製作に広く使用される。
代表的な旋削工程は次のとおりである。
外径旋削
内径旋削
端面加工
溝加工
ねじ加工
突切り加工
テーパー加工
複合旋削
旋削の利点は次のとおりである。
円筒形部品の製作に非常に効率的である。
高い同心度と円筒度を得ることができる。
外径、内径、端面、溝、ねじを一台の機械で加工できる。
精密シャフトと回転部品の製作に適している。
旋削の制約は次のとおりである。
主に回転対称形状に適している。
長い部品ではたわみと振動が発生する場合がある。
薄肉部品ではクランプ変形が発生する場合がある。
複雑な非回転形状には別途フライス加工が必要である。
設計者が検討すべき項目は次のとおりである。
チャッキング基準
センター支持の可否
工具アクセス方向
逃げ溝
エッジR
ねじ逃げ
加工順序
振動とたわみ
同心度と円筒度
表面粗さ
後熱処理と研削の必要性
シャフト設計では、ベアリング取付部、シール接触部、スナップリング溝、キー溝、ねじ部がそれぞれ異なる加工条件を持つ。ベアリング取付部には精密公差と表面品質が必要になる場合があり、シール接触部では表面粗さと硬度が重要である。
長いシャフトは加工中にたわみや振動が発生しやすいため、センター支持、振れ止め、加工順序を考慮する必要がある。
6. フライス加工, Milling
フライス加工は、回転する切削工具を用いて工作物の平面、溝、ポケット、スロット、三次元曲面を加工する工程である。CNC加工において最も広く使用されるMaterial Removal工程のひとつである。
代表的なフライス加工工程は次のとおりである。
正面フライス加工
エンドミル加工
ポケット加工
スロット加工
輪郭加工
3D曲面加工
側面加工
5軸加工
フライス加工の利点は次のとおりである。
多様な形状を加工できる。
金型なしで複雑な部品を作ることができる。
試作と少量生産に適している。
高い位置精度を実現できる。
複数の面を順番に加工できる。
フライス加工の制約は次のとおりである。
工具アクセスが難しい内部形状は加工しにくい。
内部の鋭い直角コーナーは回転工具では作れない。
深く狭いポケットでは工具振動とたわみが発生する。
段取り回数が多いと累積誤差が増加する。
加工時間が長いとコストが増加する。
設計者が検討すべき項目は次のとおりである。
工具アクセス性
内部コーナーR
ポケット深さ
スロット幅
クランプ方向
基準面設定
段取り回数
工具長さ
切りくず排出
加工順序
表面粗さ
公差指定
CNCフライス加工設計で最も重要な点のひとつは、内部コーナーである。エンドミルは円形工具であるため、内部の鋭い直角コーナーを直接作ることはできない。したがって内部コーナーには、工具半径以上のRを適用する必要がある。
深いポケットは長い工具を必要とし、長い工具は剛性が低いため振動と寸法誤差が発生しやすい。したがって、ポケット深さと幅の比率を適切に制限し、可能な限り工具アクセス方向を単純化することが望ましい。
7. 穴あけ、中ぐり、リーマ加工、タップ加工
穴加工はMaterial Removalにおいて非常に重要な領域である。ほとんどの機械部品は、締結、位置決め、ベアリング取付、流体の流れ、配線、センサー取付のために穴を必要とする。
7.1 穴あけ
穴あけは、ドリル工具を用いて穴を作る基本工程である。
設計者が検討すべき項目は次のとおりである。
穴深さ
穴径
貫通穴または止まり穴
切りくず排出
ドリル進入面
ドリル抜け面
位置精度
バリ発生
深穴は切りくず排出が難しく、ドリルが曲がる可能性がある。そのため、深さ対直径比が大きい穴は加工可能性を検討する必要がある。
7.2 中ぐり
中ぐりは、既存の穴を拡大する、または精密に仕上げる工程である。ベアリングボア、精密内径、ハウジング穴に使用される。
中ぐりは次の条件に適している。
高い位置精度が必要な場合
内径寸法公差が重要な場合
円筒度と同心度が必要な場合
鋳造または穴あけ後の穴を精密化する必要がある場合
7.3 リーマ加工
リーマ加工は、穴あけされた穴の寸法精度と表面品質を高める工程である。位置決めピン穴、精密はめあい穴に使用される。
設計者は、リーマ加工前の下穴に適切な加工代を残す必要がある。
7.4 タップ加工
タップ加工は、穴の内部にねじを作る工程である。ボルト締結構造において非常に重要である。
設計者が検討すべき項目は次のとおりである。
ねじ径
ねじピッチ
ねじのかかり長さ
止まり穴の余裕深さ
タップ破損の可能性
材料のタップ加工性
締結方向
繰り返し分解の可否
止まりタップ穴は、実際のねじ深さよりも深い下穴余裕が必要である。また、軟質材料やプラスチックでは、インサートナットまたはヘリサートが必要になる場合がある。
8. 研削, Grinding
研削は、高速で回転する砥石を用いて材料を微量に除去する精密加工工程である。高い寸法精度、形状精度、表面品質が必要な部品に使用される。
代表的な研削工程は次のとおりである。
平面研削
円筒研削
内面研削
センタレス研削
プロファイル研削
工具研削
ギア研削
研削の利点は次のとおりである。
高い寸法精度を得ることができる。
良好な表面粗さを得ることができる。
熱処理後の高硬度材料を加工できる。
円筒度、平面度、平行度の改善に有利である。
精密機能面の仕上げに適している。
研削の制約は次のとおりである。
材料除去量は大きくない。
加工時間が長くなる場合がある。
研削熱による損傷が発生する可能性がある。
研削焼け、微細割れ、熱変形を管理しなければならない。
適切な研削代が必要である。
設計者が検討すべき項目は次のとおりである。
研削代
要求表面粗さ
熱処理後の変形
研削基準面
冷却条件
研削方向
エッジ処理
形状精度
測定方法
機能面と非機能面の区別
例えば、熱処理されたシャフトのベアリング取付部は、先に旋削し、熱処理した後、最終的に研削して寸法と表面品質を確保する場合が多い。LMガイド取付面や精密摺動面も、研削によって平面度と粗さを改善できる。
9. 放電加工, EDM
放電加工, EDMは、電極と工作物の間で発生する電気放電を利用して材料を除去する工程である。工具が直接切削しないため、高硬度材料や複雑形状の加工に有利である。
代表的な放電加工方式は次のとおりである。
ワイヤー放電加工
形彫り放電加工
小穴放電加工
放電加工の利点は次のとおりである。
高硬度材料を加工できる。
複雑な内部形状を作ることができる。
狭いスロットや精密輪郭加工が可能である。
機械的切削力が小さい。
熱処理後の金型や精密部品加工に適している。
放電加工の制約は次のとおりである。
導電性材料にのみ適用できる。
加工速度が遅い場合がある。
表面に熱影響層が生じる場合がある。
電極製作が必要になる場合がある。
一般切削よりコストが高くなる場合がある。
設計者が検討すべき項目は次のとおりである。
材料の導電性
加工形状
電極アクセス性
ワイヤー開始穴
コーナーR
表面品質
熱影響層
後研磨の必要性
加工時間
コスト
ワイヤー放電加工は、金型プレート、精密スロット、ギア形状、複雑な2D輪郭に適している。形彫り放電加工は、一般的なフライス加工では作りにくい深い溝、内部コーナー、金型キャビティ加工に使用される。
10. ブローチ加工, Broaching
ブローチ加工は、複数の切れ刃が段階的に配置されたブローチ工具を用いて材料を除去する工程である。一回の直線運動によって、キー溝、スプライン、多角形穴、特殊な内形を作ることができる。
ブローチ加工の利点は次のとおりである。
繰り返し精度が良い。
生産性が高い。
内部キー溝やスプライン加工に適している。
表面品質が比較的良い。
同一形状の大量生産に有利である。
ブローチ加工の制約は次のとおりである。
専用工具費が高い。
形状変更が難しい。
少量生産では非経済的な場合がある。
工具長さと設備サイズに制約がある。
ブローチが通過する空間が必要である。
設計者が検討すべき項目は次のとおりである。
ブローチ通過方向
加工形状
工具製作可能性
開始穴
切削代
材料の切削性
バリ発生
工具摩耗
生産数量
ブローチ加工は、ギア内径スプライン、プーリーキー溝、カップリング溝、精密な繰り返し内形に多く使用される。ただし専用工具が必要なため、十分な繰り返し生産数量がある場合に経済的である。
11. レーザー切断とウォータージェット切断
11.1 レーザー切断
レーザー切断は、高エネルギーのレーザービームを用いて材料を溶融または蒸発させ、切断する工程である。板材切断、複雑な2D輪郭、少量多品種生産に広く使用される。
レーザー切断の利点は次のとおりである。
複雑な2D形状を速く切断できる。
金型なしで切断できる。
切断幅が狭い。
自動化が容易である。
板金製作と接続しやすい。
レーザー切断の制約は次のとおりである。
熱影響部が発生する。
厚板には制限がある。
切断面品質は材料と厚さによって変化する。
バリまたは酸化層が発生する場合がある。
11.2 ウォータージェット切断
ウォータージェット切断は、高圧水と研磨材を用いて材料を切断する工程である。熱影響がほとんどないため、複合材、ゴム、プラスチック、セラミック、金属板材に適用できる。
ウォータージェット切断の利点は次のとおりである。
熱影響が少ない。
多様な材料を切断できる。
厚い材料を切断できる。
変形が少ない。
複合材切断に有利である。
ウォータージェット切断の制約は次のとおりである。
切断速度が遅い場合がある。
切断面にテーパーが生じる場合がある。
精度は後加工より低い場合がある。
水と研磨材の処理が必要である。
レーザー切断とウォータージェット切断は、最終精密加工というよりも、板材の初期形状切断、展開部品製作、溶接前の準備工程として多く使用される。
12. Material Removalの設計基準
Material Removalにおいて設計者が最初に考慮すべきことは、工具が実際に目的の形状へアクセスできるかである。
主な設計基準は次のとおりである。
12.1 工具アクセス性
工具が加工位置にアクセスできなければ、その形状は一般加工では作れない。深い内部溝、止まり内部コーナー、長く狭いポケットは加工性が低い。
12.2 内部コーナーR
回転工具は円形であるため、内部の鋭い直角コーナーを作ることはできない。内部コーナーには必ず工具半径以上のRが必要である。
12.3 基準面と基準軸
精密加工では、基準面と基準軸が明確でなければならない。基準が不明確であれば、加工順序、検査基準、組立基準が不安定になる。
12.4 クランプ
部品は、加工中に切削力によって動かないよう固定されなければならない。薄い部品、長い部品、非対称部品では、クランプ変形を考慮する必要がある。
12.5 段取り回数
段取りが多いほど、加工時間と累積誤差が増加する。可能であれば、一方向または最小限の段取りで加工できる構造が望ましい。
12.6 公差と表面粗さ
公差と表面粗さは、機能に必要な部位にのみ厳しく指定すべきである。不必要な精度は加工費と検査費を増加させる。
12.7 切りくず排出とバリ除去
穴、溝、ポケットでは切りくず排出が重要である。また切削後にはバリが発生するため、設計段階でバリ取り可能性を考慮しなければならない。
13. 切削条件と加工品質
Material Removalの品質は、切削条件に大きく影響される。
代表的な切削条件は次のとおりである。
切削速度
送り速度
切込み深さ
工具材質
工具形状
クーラント使用
クランプ剛性
機械剛性
工具摩耗状態
切削条件が適切でない場合、次の問題が発生する可能性がある。
表面粗さ不良
寸法誤差
工具摩耗増加
工具破損
振動
びびり跡
熱変形
加工硬化
バリ増加
設計者が切削条件を直接設定しない場合でも、設計形状が切削条件を難しくしていないか判断する必要がある。例えば、深すぎるポケット、薄肉壁、長い突き出し部、狭いスロットは、工具剛性を低下させ、振動を増加させる可能性がある。
14. 欠陥と品質問題
Material Removal工程では、切削力、熱、振動、工具摩耗、クランプ変形によってさまざまな品質問題が発生する可能性がある。
代表的な欠陥は次のとおりである。
欠陥 | 主に発生する工程 | 原因 |
|---|---|---|
寸法誤差 | すべての加工 | 工具摩耗、熱変形、段取り誤差 |
表面粗さ不良 | 旋削、フライス加工、研削 | 工具摩耗、切削条件不良、振動 |
びびり跡 | 旋削、フライス加工 | 工具剛性不足、振動 |
バリ | 穴あけ、フライス加工、切断 | 切削終端部の材料変形 |
工具破損 | 穴あけ、タップ、フライス加工 | 過大荷重、切りくず排出不良 |
熱変形 | 研削、高速切削 | 加工熱の蓄積 |
研削焼け | 研削 | 過度な研削熱 |
クランプ変形 | 薄い部品、長い部品 | 過大な固定力 |
位置誤差 | 多面加工 | 基準設定不良、段取り累積誤差 |
これらの問題は、生産現場の条件だけで発生するものではない。設計形状、公差指定、基準設定、工具アクセス性、クランプ可能性と直接つながっている。
15. Material Removalと後処理
Material Removal後には、部品機能と品質を確保するために後処理が必要になる場合が多い。
代表的な後処理は次のとおりである。
バリ取り
洗浄
研磨
熱処理
表面処理
防錆処理
寸法検査
形状検査
表面粗さ検査
組立前洗浄
切削後には、バリと切りくずが残る場合がある。特に食品機械、油圧部品、空圧部品、ベアリングハウジング、シール部品では、残留切りくずとバリが機能問題を引き起こす可能性がある。
後処理可能性は設計段階で考慮しなければならない。狭い溝や止まり穴の内部はバリ取りと洗浄が難しいため、汚染物や切りくずが残らないような構造を設計する必要がある。
16. 生産数量と経済性
Material Removalは、金型なしで柔軟に製作できるため、試作品、単品、少量生産に非常に適している。しかし加工時間が直接コストにつながるため、大量生産ではコストが高くなる場合がある。
生産数量とMaterial Removalの関係は次のとおりである。
Material Removalを選択する際には、次のコスト要素を検討する必要がある。
素材費
加工時間
工具費
段取り時間
設備使用料
作業者の熟練度
検査時間
バリ取りと洗浄費
要求公差レベル
要求表面粗さレベル
不良率
後処理費
試作段階ではMaterial Removalが最も合理的な場合が多い。しかし同一部品を繰り返し生産する場合、基本形状は鋳造、鍛造、押出、プレスなどで作り、精密機能面だけを切削加工する方式の方が経済的な場合がある。
17. 食品機械におけるMaterial Removalの適用
食品機械や食肉加工機械では、Material Removalはステンレス部品、食品用プラスチック部品、シャフト、ハウジング、ブラケット、ガイド、ノズル、締結部、シール面の製作に多く使用される。
代表的な適用例は次のとおりである。
ステンレスシャフト
食品用POM、UHMW-PEガイド
ベアリングハウジング
シール面
ノズル
カッターホルダー
ブラケット
位置決めピン穴
衛生用締結部
分解洗浄用部品
食品機械でMaterial Removalを適用する際には、次の点を考慮する必要がある。
食品接触面の表面粗さ
バリ除去可能性
洗浄性
切りくず残留防止
鋭いエッジの除去
シール面の精度
プラスチック加工時のバリと摩耗粉
ステンレス加工後の表面変色と汚染
電解研磨または不動態化の必要性
分解と保守性
食品接触部品は、単に寸法が合っているだけでは十分ではない。表面に微細なバリや切りくずが残ると、異物混入と洗浄不良の原因になる可能性がある。したがって、加工後のバリ取り、洗浄、表面処理まで含めて設計する必要がある。
18. 他のKnowledge Tracksとの接続
Material Removalは、他のKnowledge Tracksと密接に接続される。
18.1 Materialとの接続
材料によって、切削性、工具摩耗、表面品質、バリ発生、熱変形が異なる。
18.2 Mechanism & Motionとの接続
運動部品は、精密な寸法と表面品質を必要とする。シャフト、ベアリングボア、摺動面、カム、ギアはMaterial Removalに大きく依存する。
18.3 Assemblyとの接続
Material Removalは、組立基準面、位置決め穴、締結面、タップ穴を作る。そのため、組立性と公差累積に直接影響を与える。
18.4 Manufacturing Qualityとの接続
Material Removalは、寸法、表面、形状精度を直接決定するため、検査基準と密接に接続される。
19. 核心的な考え方
Material Removalにおける核心的な考え方は次のとおりである。
材料を除去すると形状自由度は高くなるが、加工時間とコストも増加する。
工具がアクセスできない形状は、一般加工では作ることができない。
内部の鋭い直角コーナーは、回転工具で直接加工できない。
深く狭いポケットは、工具振動と寸法誤差を生む。
精度は基準面とクランプから始まる。
段取り回数が多いほど、累積誤差とコストが増加する。
公差と表面粗さは、機能に必要な箇所にのみ厳しく適用すべきである。
加工後のバリと切りくずは、機能不良と汚染の原因になり得る。
熱処理後の精密部位には、研削または後加工が必要になる場合がある。
Material Removalは試作と少量生産に有利であるが、大量生産では基本形状化工程と組み合わせる方が経済的な場合がある。
良いMaterial Removal設計は、加工性、基準設定、公差、表面品質、組立性、検査性を同時に考慮する。
20. 結論
Material Removalは、不要な材料を除去することで、目的の形状、寸法、精度、表面品質を作る製造工程群である。旋削、フライス加工、穴あけ、中ぐり、リーマ加工、タップ加工、研削、放電加工といった工程は、機械部品製造において非常に重要な役割を果たす。
しかしMaterial Removalは、単に材料を削る工程ではない。設計者は、工具アクセス性、基準面、クランプ、段取り回数、内部コーナーR、公差、表面粗さ、切りくず排出、バリ除去、熱変形、検査可能性を同時に考慮しなければならない。
機械設計の観点から、Material Removalの核心は次のとおりである。
工具が実際にその形状へアクセスできるのか。
部品を安定して固定できるのか。
基準面と基準軸は明確か。
内部コーナーと深いポケットは加工可能か。
必要な公差と表面粗さは工程能力の範囲内か。
加工後のバリと切りくずを除去できるか。
精密機能面はどの工程で仕上げるのか。
生産数量と加工コストのバランスは適切か。
したがってMaterial Removalは、Manufacturing Trackにおいて精密形状と機能面を完成させる核心項目であり、Primary Shaping、Forming、Surface Engineering、Finishing、Assembly、Manufacturing Qualityと自然につながる製造知識である。