機械加工精度達成における加工代の重要な役割
加工製品の品質要求が継続的に向上する中、人々は製品品質向上の方法と対策の探求に多くの時間と労力を費やしてきましたが、加工プロセスにおける加工代が製品品質に与える影響を無視してきました。加工プロセスに代があるだけで製品品質に大きな影響はないと考えられてきました。しかし、実際の機械製品加工プロセスでは、部品の加工代が直接製品品質に影響することが判明しています。
加工代が小さすぎると、前工程の残留形状・位置誤差と表面欠陥を除去することが困難です。代が大きすぎると、加工作業量が増えるだけでなく、材料、工具、エネルギーの消費も増加します。より深刻なのは、加工中に大量の加工代を切削することで発生する熱が部品を変形させ、加工難易度を高め、製品品質に影響を与えることです。したがって、部品の加工代を厳密に管理する必要があります。
加工代の概念
加工代とは、加工中に加工面から切り取られる金属層の厚さを指します。加工代は工程加工代と総加工代に分けられます。工程加工代とは、1工程である面から除去される金属層の厚さで、前後工程の寸法差に依存します。総加工代とは、部品がブランクから完成品になるまでの全加工プロセスで、ある面から除去される金属層の総厚さ、すなわち同一面のブランク寸法と部品寸法の差です。総加工代は各工程加工代の合計に等しいです。
ブランク製造と各工程寸法には避けられない誤差があるため、総加工代と工程加工代はともに変動値となり、最小加工代と最大加工代が生じます。工程加工代の変動範囲（最大加工量と最小加工代の差）は、前工程と現工程の寸法公差の合計に等しいです。工程寸法の公差帯は一般的に部品の進入方向で規定されます。軸部品では基本寸法が最大工程寸法、穴では最小工程寸法となります。
加工代が加工精度に与える影響
1. 過大な加工代が加工精度に与える影響
部品は加工プロセスで切削熱を発生させます。これらの切削熱の一部は切りくずと切削液で持ち去られ、一部は工具に伝わり、一部はワークに伝わって部品温度を上昇させます。温度は加工代と密接に関係します。加工代が大きいと、荒加工時間が必然的に長くなり、切削量も適切に増加し、切削熱と部品温度が継続的に上昇します。部品温度上昇による最大の害は部品変形であり、特に温度変化に敏感な材料（ステンレス鋼など）で顕著です。さらに、この熱変形は加工プロセス全体を通じて発生し、加工難易度を増大させ、製品品質に影響を与えます。
例えば、ボールねじなどの細長軸部品を加工する場合、一対一加工法により長さ方向の自由度が制限されます。この時ワーク温度が高すぎると熱膨張が発生します。長さ方向の伸びが阻害されると、応力の影響でワークは必然的に曲げ変形を生じ、後工程に大きなトラブルをもたらします。加熱後ワークが曲げ変形した状態で加工を継続すると、突出部分が加工されて完成品になります。常温に冷却後、応力作用で部品は逆変形を生じ、形状・位置誤差を引き起こし品質に影響します。径方向に膨張した後、増加分が切り取られ、ワーク冷却後に真円度と寸法誤差が発生します。精密ボールねじ研削時にもワークの熱変形がピッチ誤差を引き起こします。
2. 過小な加工代が加工精度に与える影響
部品の加工代は大きすぎても小さすぎてもいけません。加工代が小さすぎると、前工程の残留幾何公差と表面欠陥を除去できず、製品品質に影響します。部品の加工品質を確保するため、各工程で残す最小加工代は前工程の基本要件を満たす必要があります。
異なる部品と異なる工程では、上記誤差の値と形態も異なります。工程加工代決定時は個別に対応すべきです。例えば、細長軸は曲げ変形しやすく、母線の線形誤差が径寸法公差範囲を超えている場合、工程加工代を適切に拡大すべきです。フローティングリーマなど加工面自体で位置決めする工具で加工する工程では、取付誤差Eの影響を無視でき、工程加工代を適宜縮小できます。表面粗さ低減を主目的とする一部仕上げ工程では、工程加工代の大きさは表面粗さHのみに関係します。
加工代の合理的選定
1. 部品加工代の原則
加工代の選定は部品の材質、寸法、精度等級、使用加工方法と密接に関係し、具体的状況に応じて決定すべきです。部品加工代決定時は以下の原則を守らなければなりません：
- 加工時間短縮と部品加工コスト削減のため、最小加工代を使用する。
- 十分な加工代を確保し、特に最終工程では、図面で指定された精度と表面粗さを確保できる加工代を確保する。
- 加工代決定時、部品の熱処理変形を考慮する。そうでないとスクラップが発生する可能性がある。
- 加工代決定時、加工方法と設備、および加工中の変形可能性を考慮する。
- 加工代決定時、加工部品のサイズを考慮する。部品が大きいほど加工代は大きくなる。部品サイズが大きくなると、切削力と内部応力による変形の可能性も増加する。
2. 加工代決定方法
2.1 経験推定法
経験推定法は生産実務でよく使用されます。工程担当者の設計経験や類似部品との比較に基づき加工代を決定する方法です。例えば、建造中の舵軸、舵ピン、中間軸、尾軸の加工代は、技術者の長年の設計経験に基づき決定されます。 ワークの重要性、大型・大型鍛造ブランク応力などの因子を考慮し、荒旋削後に6mmの半仕上げ旋削代、半仕上げ旋削後に3mmの仕上げ旋削代、仕上げ旋削後に1mmの研削代を確保します。経験推定法による加工代は、不十分な加工代によるスクラップ防止のため、一般的に大きめに設定されます。この方法は単品・小ロット生産でよく使用されます。
2.2 表参照修正法
表参照修正法は、生産実務と実験研究で蓄積された加工代関連データに基づき、実際の加工条件と組み合わせて修正し、加工代を決定する方法です。この方法は広く使用されています。荒旋削後、仕上げ旋削後、研削後の軸受部品加工代は表1、表2を参照してください。
2.3 解析計算法
解析計算法は、試験データと計算式に基づき、加工代に影響する様々な因子を分析・総合計算して加工代を決定する方法です。この方法で決定される加工代は正確、経済的、合理的ですが、包括的なデータ蓄積が必要です。上記2方法ほどシンプルで直感的ではないため、現在はあまり使用されていません。
まとめ
実際の生産では、多くの部品の製造方法が暫定的に決定されます。例えば：遠心鋳造ステンレス鋼スリーブを鋼板圧延後溶接、クーラー端板・モーターベース・ギアボックス鋳造部品を溶接部品に置換など。これらの部品製造プロセスには不確定要因が多く、形状誤差を予測困難です。したがって、本稿で紹介した3つの加工代決定方法はこのような部品の加工代決定には適用できず、実際の製造プロセスで柔軟に対応するしかありません。
製造プロセス