CNC加工におけるドリル・リーマ・ボーリングの違いと使い分け

外周面加工と比較すると、CNC加工における穴加工の条件は 훨씬悪く、外周加工よりも困難です。その理由は以下の通りです。

• 穴加工に使用する工具のサイズは加工穴のサイズによって制限され、剛性が低いため曲げ変形と振動が発生しやすい；
• 固定サイズの工具で穴を加工する場合、穴のサイズは工具の対応サイズによって直接決定されることが多く、工具の製造誤差と摩耗が直接加工精度に影響する；
• 穴加工時、切削領域がワーク内部にあるため、切りくず排出と放熱条件が悪く、加工精度と表面品質の制御が難しい。

1. ドリル加工（穴あけ）

ドリル加工は、固体材料に穴を開ける最初の工程で、一般的に穴径80mm未満に適用されます。ドリル加工には2方式あり：ドリル回転方式とワーク回転方式です。両方式で発生する誤差は異なります。ドリル回転方式では、切削刃の非対称性とドリルの剛性不足によりドリルが偏心すると、加工穴の中心線が歪んだり曲がったりしますが、穴径は変わりません。一方、ワーク回転方式では、ドリルの偏心により穴径が変化しますが、穴中心線は真直を保ちます。

一般的なドリル工具には、ツイストドリル、センタードリル、深穴ドリルなどがあり、最も一般的なのはツイストドリルです。構造上の制約により、ドリルの曲げ剛性とねじり剛性はともに低く、センタリング性も悪いです。そのためドリル加工精度は低く、一般的にIT13〜IT11程度、表面粗さも大きくRaは50〜12.5μm程度ですが、金属除去率が大きく切削効率は高いです。ドリル加工は主に、ボルト穴、タップ下穴、油穴など品質要求の低い穴加工に用いられます。 高精度・高表面品質が要求される穴は、その後のリーマ、ボーリング、研削で仕上げます。

2. リーマ加工

リーマ加工は穴の仕上げ加工方法の一つで、生産現場で広く採用されています。 小径穴の場合、リーマ加工は内面研削や精密ボーリングより経済的で実用的です。

リーマ（リーマ工具）

リーマは一般的にハンドリーマとマシンリーマの2種類に分類されます。 ハンドリーマはシャンクがストレートで、作業部が長く、ガイド機能に優れます。一体型と外径調整型の2構造があります。マシンリーマにはシャンクタイプとスリーブタイプがあります。リーマは円孔だけでなく、テーパーリーマを使用してテーパー穴の加工も可能です。

リーマ加工技術とその応用

リーマ代（仕上げ代）はリーマ加工品質に大きく影響します。代が大きすぎるとリーマ負荷が大きく、切れ刃が早く摩耗し、滑らかな加工面が得られず、寸法公差も確保困難です。代が小さすぎると前工程の工具痕が除去できず、穴加工品質の向上が図れません。一般的に荒リーマ代は0.35〜0.15mm、仕上げリーマ代は0.15〜0.05mmです。

ビルトアップエッジ（溶着）防止のため、リーマ加工は通常、低切削速度で行います（ハイスリーマで鋼・鋳鉄加工時 v＜8m/min）。送り量は加工穴径に関係し、穴径が大きいほど送り量も大きくなります。ハイスリーマで鋼・鋳鉄を加工する場合、送りは通常0.3〜1mm/revです。

リーマ加工時は適切な切削液で冷却・潤滑・洗浄を行い、ビルトアップエッジ防止と切りくずの即時除去を図る必要があります。研削やボーリングと比較してリーマ加工は生産性が高く、穴精度の確保が容易ですが、穴軸の位置誤差を修正できません。穴の位置精度は前工程で保証する必要があります。段付き穴と止まり穴にはリーマ加工は不向きです。

リーマ穴の寸法精度は一般的にIT9〜IT7、表面粗さRaは3.2〜0.8μmです。高精度が要求される中径穴（IT7級精度穴など）には、ドリル→リーマ→仕上げリーマの工程が生産現場で典型的によく用いられます。

3. ボーリング加工

ボーリングは、切削工具を用いて下穴を拡大加工する方法です。ボーリング作業はボーリング盤または旋盤で実施できます。

ボーリング方式

ボーリングには3つの異なる加工方式があります。

（1）ワークが回転し、工具が送り運動する。旋盤でのボーリングの大半はこの方式です。プロセス特性：加工後の穴中心線がワーク回転軸と一致し、穴の真円度は主に工作機械主軸の回転精度に依存、穴の軸方向幾何誤差は主に工具の送り方向がワーク回転軸に対する位置精度に依存。この方式は外周面との同軸度が要求される穴加工に適しています。

（2）工具が回転し、ワークが送り運動する。ボーリング盤の主軸がボーリングバーを回転させ、テーブルがワークを送り運動させます。

（3）工具が回転し、かつ送り運動する。この方式ではボーリングバーの突出し長さが変化するため、ボーリングバーの力と変形も変化します。穴径が小さくなりテーパー穴になりやすく、さらにボーリングバー突出し長さの増加に伴い自重による主軸の曲げ変形も増大し、加工穴軸も曲がります。この方式は短い穴のみに適しています。

ダイヤモンドボーリング（精密ボーリング）

通常のボーリングと比較して、ダイヤモンドボーリングは切込み量が小さく、送りが小さく、切削速度が高いのが特徴です。高い加工精度（IT7〜IT6）と非常に滑らかな表面（Ra 0.4〜0.05μm）が得られます。本来はダイヤモンド工具でしたが、現在は超硬、CBN、合成ダイヤモンド工具が一般的です。主に非鉄金属ワークに用いられますが、鋳鉄や鋼の加工にも使用されます。

ダイヤモンドボーリングで一般的に用いられる切削条件：荒ボーリングの切込み0.2〜0.6mm、仕上げボーリング0.1mm；送り0.01〜0.14mm/rev；切削速度は鋳鉄加工で100〜250m/min、鋼で150〜300m/min、非鉄金属で300〜2000m/min。

ダイヤモンドボーリングで高精度と高表面品質を確保するには、工作機械（ダイヤモンドボーリング盤）に高い幾何精度と剛性が必要です。主軸は通常、精密アンギュラ玉軸受または静圧すべり軸受で支持され、高速回転部品は精密バランス調整が必須です。さらに、送り機構の動きが非常に安定しており、テーブルが安定した低速送り運動を実行できる必要があります。

ダイヤモンドボーリングは加工品質が良く生産性も高いため、量産時の精密穴最終加工（エンジンシリンダー穴、ピストンピン穴、工作機械主軸箱の主軸穴など）に広く採用されています。ただし、鉄系金属をダイヤモンドボーリングで加工する際は、超硬とCBN製ボーリング工具のみ使用可能で、ダイヤモンド工具は使用できません。ダイヤモンド中の炭素原子が鉄族元素と親和性が高く、工具寿命が極めて短くなるためです。

ボーリング工具

ボーリング工具は単刃ボーリング工具と双刃ボーリング工具に分類されます。

ボーリングの技術的特徴と適用範囲

ドリル→リーマ→リーマ工程と比較して、ボーリングは工具サイズによる穴径制限がなく、強力な誤差補正能力を持ちます。ボーリング加工面と基準面の位置精度を高く維持できます。

ボーリング穴と外周を比較すると、工具保持系の剛性が低く変形が大きい、放熱と切りくず排出条件が悪い、ワークと工具の熱変形が比較的大きいため、ボーリング穴の加工品質と生産効率は外周加工ほど高くありません。

以上の分析から、ボーリングは加工範囲が広く、さまざまなサイズと精度レベルの穴を加工できます。大径で高い寸法・位置精度が要求される穴や穴システムには、ボーリングがほぼ唯一の加工方法です。ボーリング加工精度はIT9〜IT7、表面粗さRaは0.8〜0.4μm程度です。ボーリング盤、旋盤、フライス盤などで実施可能で、柔軟性が高く生産現場で広く採用されています。量産ではボーリング治具を用いて効率向上を図ることが多いです。