機械加工プロセスシステムとは？金属切削とモーション制御の基礎

機械製造分野において、機械加工プロセスシステムは精密部品生産を可能にする中核的な枠組みです。以下のセクションでは、その基本原理と動作ロジックを体系的に解説します。

1.0機械加工プロセスシステムとは？

機械加工プロセスシステム（一般的にプロセスシステムと呼ばれる）は、旋盤、フライス盤、研削盤などの様々な工作機械と、切削工具、治具、およびワークピースを組み合わせた切削システムです。その主な機能は、原材料またはブランクを、指定された形状、寸法、および品質要件を備えた機械部品に変換することです。プロセスシステムが加工要求を満たし、必要な表面形状を実現できるかどうかは、適切な形状パラメータとプロセスパラメータだけでなく、各コンポーネントの固有の特性と、それらの相互作用によって形成されるシステム全体の動作にも左右されます。

2.0機械部品の機械加工面はどのように形成されるのでしょうか?

機械部品がどれほど複雑に見えても、その表面は最終的には基本的な表面タイプの組み合わせで構成されています。機械加工の本質は、特定の切削方法によって必要な機能面を生成するプロセスです。

2.1一般的なワークピース表面の種類

• 飛行機
• 円筒面
• 円錐面
• 成形面（ねじ面、インボリュート歯車の歯面など）
• 特殊な面（球面、トーラス面、双曲面など）

2.2ワークピースの表面はどのように生成されますか?

ほとんどの標準的な機械面は、1つの母線を別の準線に沿って動かすことで形成されます。母線と準線は総称して母線と呼ばれ、面を定義する基本要素です。従来の旋盤、CNCフライス盤、および類似の機械加工装置による加工では、ワークピースと切削工具の相対的かつ協調的な動きによってこれらの2つの線が生成され、それによって目的の表面形状が形成されます。

3.0ワークピースの表面に線を生成するとはどういうことですか？どのような方法で線を形成しますか？

母線とは、工作物の表面を構成する母線と準線の総称です。加工面を形成するには、まずこの2つの母線を特定の方法で生成する必要があります。現在、母線の形成方法は大きく分けて4つの方法に分類できます。

成形方法：刃先が直接複製 ジェネラトリックス。 の 成形方法は線接触を特徴とし、工具の刃先はワーク表面と線接触し、刃先の形状は表面の母線と正確に一致します。例：シェーバーで曲面を設計する場合、工具の刃先形状はワーク表面の母線と一致し、母線は工具の形状によって直接形成されます。

軌道法: ツールチップの動きが生成を生成する ライン。 の 軌道法では近似点接触が行われ、生成線はツール先端の運動経路によって生成されます。例:

• ガントリープレーナーで平面をプランニングする：ツールの直線運動は直線の母線を形成する
• CNCフライス盤で曲面を加工する：工具が曲線経路に沿って動くことで、曲線の準線が形成される。

接線法：回転工具パスの包絡線が ライン。 で 接線法では、フライスカッターや研削ホイールなどの回転工具が使用されます。工具は回転しながら同時に所定の経路に沿って移動し、刃先の動きの軌跡は表面の母線を囲みます。例：

• 垂直フライス盤による表面フライス加工：カッターの回転と中心パスの動きの組み合わせにより、切削点の軌跡が必要な生成線を囲むようになります。
• 外面円筒研削盤で円筒面を研削する：軸送りと組み合わせた研削ホイールの回転により、接線作用によって母線が生成されます。

生成方法：転がり運動によりインボリュート回転角が生成される 創成法は、工具とワークピース間の切削運動を創成させることに依拠しています。刃先と被加工面は点接触し、工具はワークピースに対して創成運動をしながら転がります。時間経過に伴う刃先位置の包絡線が創成線を構成します。例：

• ホブ盤による円筒歯車ホブ加工：ホブとワークピースは創成運動で同期して回転し、ホブの刃の包絡線は歯車の歯面のインボリュート母線を形成します。
• ギアシェーパーによるギアシェーピングも創成法に属する

4.0ワークピースの加工にはどのような動作が必要ですか?

設計要件を満たすワーク表面を得るためには、工具とワークに特定の動作を適用し、前述の方法を用いて母線を形成する必要があります。これらの動作は、表面形成動作と切削動作に分けられます。表面形成動作は幾何学的な観点から定義され、切削動作は金属切削の実用的な観点から定義されます。

4.1表面形成運動とは何ですか?

面形成運動とは、ワーク表面の母線を形成するために必要な運動を指します。その種類と数は、加工面の形状、加工方法、および工具構造によって異なります。

5.0切削動作とは何ですか？どのように分類されますか？

金属切削において、工具と工作物との間の相対運動によって余分な材料が除去される動作を切削運動と呼びます。実際の機械加工においては、表面成形運動が切削運動として現れます。切削運動は、その機能に応じて、主運動と送り運動に分類されます。

6.0複合切削動作とは何ですか?

主運動と送り運動が同時に起こる場合、その結果は複合切削運動と呼ばれます。

• ワークピースに対する刃先上の選択された点の瞬間的な移動方向を複合切削方向と呼びます。
• この点の速度は、主動作速度と送り動作速度のベクトルの合計として定義され、複合切削速度 (ve = vc + vf と表現されます) と呼ばれます。

複合切削動作の例:

• 従来の旋盤による外旋削：ワークピースの回転（主運動、vc）と工具の縦方向の送り（送り運動、vf）の組み合わせにより、刃先の選択された点にらせん状の軌道が生成されます。
• 外面円筒研削：砥石の回転とワークピースの軸方向の動きが連動して作用する

7.0補助動作とは何ですか?

工作機械は、切削動作に加えて、工具とワークの相対位置を調整したり、支持動作を実行したりするための補助動作を必要とします。これらの動作は材料の除去に直接関与するわけではありませんが、円滑で効率的な加工作業を実現するために不可欠です。

補助動作の一般的な例:

• CNC旋盤における高速工具アプローチとリトラクト
• ラジアル方向のスピンドル後退 掘削機
• フライス盤と組み合わせて使用される分割ヘッドのインデックス動作

8.0よくある質問

Q1: 機械加工プロセスシステムのコアコンポーネントは何ですか?

A: 機械加工プロセスシステムは、旋盤、フライス盤、研削盤などの工作機械、切削工具、治具、そしてワークピースという4つの主要要素で構成されます。これらのコンポーネントは統合システムとして機能し、原材料から適切な完成部品までの切削プロセスを完了します。

Q2: プライマリモーションとフィードモーションの主な違いは何ですか?

A: 主動作は、金属切削を担う基本的な動作です。切削速度が最も速く、消費電力が最も大きく、あらゆる切削工程において単一の動作として存在します。送り動作は、主動作と連携して連続切削または断続切削を実現する補助動作です。消費電力ははるかに少なく、加工プロセスに応じて、1回、複数回、あるいは全く送り動作がない場合もあります。

Q3: 複合切削速度が主動作速度と送り動作速度のベクトル合計として定義されるのはなぜですか?

A: 工具とワークピース間の相対運動として、主運動と送り運動が同時に発生します。速度はベクトル量であるため、大きさと方向の両方を考慮する必要があります。したがって、複合切削速度は主運動速度と送り運動速度のベクトル和として表されます。

Q4: 生成方法の最も一般的な用途は何ですか?

A: 最も典型的な用途は、ホブ盤による円筒歯車の加工です。ホブとワークピース間の創成運動（同期回転）により、ホブ刃の包絡線が歯車歯面のインボリュート母線を形成します。ギアシェーパによる歯車加工も創成加工法に属します。

Q5: 補助動作が材料除去に関与しない場合でも、補助動作が重要なのはなぜですか?

A: 補助動作は、工具とワークの相対位置を調整し、クランプ、位置決め、インデックスなどの動作を完了する役割を担います。補助動作は、連続的で効率的な加工を実現するために不可欠なサポートを提供します。補助動作がなければ、工作機械は通常の加工サイクルを完了できません。

 

参照

https://bharatforge.eu/artikel/what-is-machining-procedure-significance-and-applications/?lang=en
https://admati.com/the-importance-of-machining-types-of-equipment-and-machining-methods/
https://www.nutech.de/en/services/machining/