CNC旋盤加工完全解説：プロセス・種類・メリット・表面改善術

CNC加工工場で部品を製造したいが、正しいプロセスが分からず困っていませんか？特にCNC加工サービスに不慣れな場合は尚更です。

まず、機械加工者は特定の自動化技術を用いて部品を作ることを覚えておいてください。最も一般的なのはCNCフライス加工とCNC旋盤加工です。両者にはそれぞれ特定の目的があり、競合関係にはありません。つまり、CNC旋盤加工を理解することはCNCフライス加工を理解することと同等に重要です。

本記事はCNC旋盤加工についてです。それが製造においてなぜこれほど重要なのかを理解しましょう。

CNC旋盤加工とは？

コンピュータ数値制御旋削（CNC旋盤加工）は、CNC旋盤を用いてワークを回転させながら直線的に切削し、円筒形部品を形成する精密加工プロセスです。

このプロセスは機械旋盤を使用して完了します。これは基本的に、与えられた寸法に従ってワークの直径を削り、特定の形状に整え、研磨済みの完成部品を得るものです。開始材料は通常丸棒ですが、角材や六角材など他の形状も可能です。

CNC旋盤加工の仕組み

旋削プロセスは専用のCNC旋盤工場で行われます。このプロセスで使用される旋盤が横型か縦型かは、加工されるワークの重量と公差範囲によって決まります。

CNC旋削プロセスでは、ワーク（被加工材料）を「チャック」と呼ばれる装置に取り付け、指定された回転数で回転させます。同時に、工具をワークに送り込んで材料を除去し、所望の形状を形成します。付属工具を備えたタレットは、プログラム通りに素材バーに移動し、材料を除去してプログラムされた結果を生み出します。材料除去を伴うため、「3Dプリンティング」（付加）とは異なり、「減法加工」とも呼ばれます。センターが旋削とフライスの両機能を持つ場合、バーの回転を停止してドリル、溝、面取りなどの他機能を追加できます。

CNC旋盤またはターニングセンタの工具は、コンピュータ制御のタレットに取り付けられます。タレットが保持できる工具が多いほど、より複雑な部品に対応できます。

CNCターニングセンタには多くの種類があります。工具オプション、主軸オプション、外径制限、出力と速度機能が様々で、これらすべてが旋削部品の価格に影響します。

CNCフライス加工とCNC旋盤加工の違い

一般的に、旋削とフライスはまとめて「CNC加工」と呼ばれます。お客様は旋削やフライスという名前ではなく、CNC加工を依頼されることが多いです。もちろん、毎回最も適切なプロセスが使用されるよう確認するのは私たちの仕事です。

簡単に言えば、この2つのプロセスの違いは「どこが動くか」、一般的にはワークか機械かに帰着します。

CNC旋削では、金属ワークが旋盤に送られ高速回転し、単一ポイント切削工具が金属の一部を除去して所望の形状を形成します。フライス加工では、ワークは通常静止し、多点切削工具がその周りを回転します。（関連記事：CNCフライス加工とCNC旋盤加工の違い）

CNC旋盤加工の種類

ワークの様々な形状（直線、曲線、溝など）を切削するために、多様な旋削操作が使用できます。

1. テーパー旋削

テーパー旋削では、ワークの全直径を一部分から別の部分へ徐々に減らしたり増やしたりして、標準的なテーパー面を作ります。テーパー要素は主に機械構造に使用され、内部または外部のいずれかになります。

2. 硬質旋削

本質的に、硬質旋削とはワークの旋削硬度が45HRC（ロックウェルC）を超えるプロセスを指します。主に熱処理後の部品に用いられ、通常は研削作業の代わりに硬質旋削が使用されます。

3. 端面旋削

端面旋削では、切削工具と回転ワーク軸を適切な角度にして材料を除去し、平面を生成します。4爪チャックを使用して、端面旋削で様々な非円筒形状を作ることもできます。

4. 球面旋削

球面旋削では、材料が徐々に減らされる過程でワークに球面または球状の表面が形成されます。主にギア、射出成形、油圧部品などの装置に適しています。

5. 穴あけ（ボーリング）

ボーリングは基本的に、単一点切削チップを用いて材料を除去することでワークの穴を拡大するプロセスです。シリンダーやパイプなどの材料で、精密な寸法とテーパー穴を切削するのに主に使用されます。

6. 切り離し（パーティング）

名前の通り、パーティングは刃物のような切削工具を元のブランクに送り込み、特定長さの部品を切り離す操作です。

7. 溝入れ（グルービング）

パーティングと似ていますが、グルービングは原材料を一定の深さまで切削するだけで、完全には切り離しません。ワークの内部領域と外部領域の両方で実行可能です。

8. ドリリング

ドリリングは基本的に、ワーク内部に丸穴を作って材料を除去するプロセスです。標準ドリル機を旋盤のタレットにしっかり固定し、ワークに直接送り込んで完了します。

9. ノール加工

ノール加工は、直線またはダイヤモンド模様をワーク表面に押し付けて外観とグリップを向上させる特殊な旋削プロセスです。専用工具を使用します。

これらの操作を個別に見ると大したことはありません。しかし、それらをすべて組み合わせ、コンピュータプログラミングの精度を取り入れると、信じられないほど高品質な部品が生まれます。

CNC旋盤加工を改善する方法

どの工場も、CNC旋削の最後に部品が破損したりスクラップになったりするのを見たくはありません。適切な技術と適切な工具を組み合わせれば定時に作業を完了できますが、仕上げ段階に達する前に考慮すべき他の変数もあります。最高の表面仕上げを得るための対策を以下に示します：

切削速度を上げる

これは超硬工具を使用する際に最も適用されます。分速表面フィート（SFM）を増やすと、材料が工具先端と接触する時間が短くなり、工具へのビルトアップエッジの蓄積も減り、不良な表面仕上げを防げます。

送り速度を下げる

送り速度を下げると表面仕上げの改善に役立ちます。これによりフランカー摩耗も減り、刃先寿命が延びます。さらに、ノーズ半径を2倍にすると表面仕上げの改善に役立ちます。荒取り用途では高送り工具で素早く材料を除去し、仕上げでは送り速度を下げ、切削角度を減らすのがベストです。

チップブレーカーを使用する

チップブレーク不良、チップ除去のためのダウンタイム、工具切れ刃温度の上昇も不良表面仕上げの原因になります。チップブレーカーは小さなチップを生成し、切削領域から素早く除去できます。手作業でチップを除去する必要がなくなるため、安全性も向上します。

チップブレーカーがチップを十分な長さに切断できれば、振動は最小限に抑えられ、チップがワークや工具に巻き付くことも、工具が損傷することもありません。チップブレーカーは切削抵抗も減らし、欠けや切れ刃損傷を防げます。切削抵抗の低減は発熱を抑え、工具摩耗を遅らせます。

正しい技術を使う

目指すのは「薄いチップから薄いチップへ」の切削です。滑らかな表面仕上げを得るには技術が不可欠です。ノーズ半径より小さな工具を選び、ラインからラインへのスムーズな移行をプログラミングします。

最終切削時には、ワークをチェックするだけでなく、全力を尽くしてください。チップも読み取るべきです。チップの特性が、どの加工設定や工具調整が必要かを教えてくれます。

荒取りと仕上げで別々の工具を使う

同じインサートを荒取りと仕上げの両方に使えると考えるかもしれません。しかし、荒取り用と仕上げ用で別々のブレードを使用する方が良いです。荒取りでは大きなノーズ半径、大きなすくい角、高速送りの不等ピッチフライスカッターを使用できます。仕上げでは、適切な先行角とワイパーフラットを持つ細ピッチ仕上げ工具を使用し、より良い表面仕上げを得られます。

チップを除去する

フライス加工でクーラントを使うべきかは議論の分かれるところです。しかし、行う作業の種類（深いキャビティフライス、材料タイプ、使用インサート）によって全てが決まります。場合によってはクーラント使用を避けるべきです。これは熱亀裂を引き起こし工具寿命を縮め、表面仕上げに悪影響を与える可能性があります。しかしアルミニウム、軟鋼、ニッケル基合金では、クーラント使用が工具のワークへの溶着を防ぎます。

工具とワーク保持をチェックする

工具ホルダの状態をチェックするのは良い習慣です。古く摩耗した工具ホルダはブレードを動かす原因になります。これはびびりを引き起こし、部品の表面仕上げに悪影響を与えます。高金属除去率の場合特に、安定した剛性のある治具も必要です。