精密機械加工とは、厳しい公差を保ちながらワークから材料を除去する工程です。精密機械には、フライス加工、旋削加工、放電加工など、様々な種類があります。今日の精密機械は、一般的にコンピュータ数値制御（CNC）によって制御されています。
ほぼすべての金属製品には精密機械加工が施されており、プラスチックや木材など、他の多くの材料にも精密機械加工が施されています。これらの機械は、専門の訓練を受けた機械工によって操作されます。切削工具が本来の性能を発揮するには、正しい切断を行うために指定された方向に動かす必要があります。この主要な動作は「切削速度」と呼ばれます。また、ワークピースを移動させる動作もあり、これは「送り」と呼ばれる二次的な動作として知られています。これらの動作と切削工具の鋭利さが相まって、精密機械の動作を可能にしています。
高品質な精密機械加工には、AutoCADやTurboCADなどのCAD（コンピュータ支援設計）またはCAM（コンピュータ支援製造）プログラムによって作成された、極めて詳細な設計図に従う能力が求められます。これらのソフトウェアは、工具、機械、または物体の製造に必要な複雑な3次元図面やアウトラインの作成に役立ちます。製品の完全性を維持するためには、これらの設計図を細部まで忠実に再現する必要があります。ほとんどの精密機械加工会社は何らかのCAD/CAMプログラムを使用していますが、設計の初期段階では手描きのスケッチを使用することも少なくありません。
精密機械加工は、鋼、青銅、グラファイト、ガラス、プラスチックなど、様々な材料に用いられます。プロジェクトの規模や使用する材料に応じて、様々な精密機械加工ツールが使用されます。旋盤、フライス盤、ボール盤、鋸、グラインダー、さらには高速ロボットを任意に組み合わせて使用される場合もあります。航空宇宙産業では高速機械加工が、木工工具製造産業では光化学エッチングやフライス加工プロセスが使用される場合があります。特定のアイテムの大量生産、つまり一定量の生産量は、数千個単位になることもあれば、わずか数個単位になることもあります。精密機械加工には、多くの場合、コンピュータ数値制御（CNC）装置のプログラミングが必要です。CNC装置を使用することで、製品の製造工程全体を通して正確な寸法を維持できます。
フライス加工とは、回転刃を用いて工作物に刃を一定方向に送り込むことで、工作物から材料を削り取る加工プロセスです。刃は工具軸に対して斜めに保持される場合もあります。フライス加工は、小型の個別部品から大型で高負荷のギャングミリング加工まで、幅広い加工と加工機械をカバーします。精密な公差でカスタム部品を加工する際に最も一般的に使用されるプロセスの一つです。
フライス加工は、様々な工作機械で行うことができます。フライス加工用の工作機械の原型は、フライス盤（ミルとも呼ばれます）でした。コンピュータ数値制御（CNC）の登場後、フライス盤はマシニングセンタへと進化しました。マシニングセンタは、自動工具交換装置、工具マガジンまたはカルーセル、CNC機能、クーラントシステム、筐体などを備えたフライス盤です。フライス盤は一般的に、垂直マシニングセンタ（VMC）と水平マシニングセンタ（HMC）に分類されます。
フライス加工と旋削加工環境の統合、そしてその逆の統合は、旋盤のライブツールと、旋削加工におけるフライス盤の散発的な使用から始まりました。これにより、フライス加工と旋削加工を同一加工領域内で容易に行えるように特別に設計された、新しいタイプの工作機械、マルチタスキングマシン（MTM）が誕生しました。
部品調達に依存する設計エンジニア、研究開発チーム、そして製造業者にとって、精密CNC加工は、追加加工なしで複雑な部品を製造することを可能にします。実際、精密CNC加工により、完成部品を1台の機械で製造することが可能になる場合も少なくありません。
機械加工工程では、様々な切削工具を用いて材料を削り取り、最終的な、そして多くの場合非常に複雑な部品の設計図を作成します。加工工具の制御を自動化するコンピュータ数値制御（CNC）技術を用いることで、精度レベルが向上します。
精密加工における「CNC」の役割
コード化されたプログラミング命令を使用することで、精密 CNC 加工では、機械オペレーターによる手動介入なしに、ワークピースを仕様に合わせて切断および成形できます。
顧客から提供されたコンピュータ支援設計（CAD）モデルを基に、熟練した機械工がコンピュータ支援製造ソフトウェア（CAM）を用いて部品の加工指示書を作成します。ソフトウェアはCADモデルに基づいて必要なツールパスを決定し、機械に以下の指示を与えるプログラミングコードを生成します。
■ 正しい回転数と送り速度は？
■ ツールやワークピースをいつ、どこに移動するか
■ どのくらい深く切るか
■ 冷却剤を塗布するタイミング
■ 速度、送り速度、調整に関連するその他の要因
CNC コントローラーはプログラミング コードを使用して、マシンの動きを制御、自動化、および監視します。
今日、CNCは旋盤、フライス盤、ルーターからワイヤー放電加工機（EDM）、レーザー加工機、プラズマ切断機に至るまで、幅広い機械に組み込まれています。CNCは加工プロセスの自動化と精度向上に加え、手作業の削減と、同時に稼働する複数の機械の監視を可能にすることで、作業員の負担を軽減します。
さらに、ツールパスを設計し、機械をプログラムすれば、部品を何度でも加工できます。これにより、高い精度と再現性が得られ、結果としてプロセスのコスト効率と拡張性が大幅に向上します。
機械加工される材料
一般的に機械加工される金属には、アルミニウム、真鍮、青銅、銅、鋼、チタン、亜鉛などがあります。さらに、木材、発泡材、グラスファイバー、ポリプロピレンなどのプラスチックも機械加工可能です。
実際、精密 CNC 加工ではほぼあらゆる材料を使用できますが、もちろん、用途や要件によって異なります。
精密CNC加工の利点
幅広い製造製品に使用される小型部品やコンポーネントの多くでは、精密 CNC 加工が製造方法として選ばれることが多いです。
ほぼすべての切削・加工方法と同様に、材料によって挙動は異なり、部品のサイズや形状もプロセスに大きな影響を与えます。しかし、一般的に、精密CNC加工は他の加工方法に比べて優れた利点を備えています。
CNC 加工には次のような利点があるためです。
■ 部品の複雑さの度合いが高い
■ 厳しい公差、通常±0.0002インチ（±0.00508 mm）から±0.0005インチ（±0.0127 mm）の範囲
■ カスタム仕上げを含む、非常に滑らかな表面仕上げ
■ 大量生産でも再現性を実現
熟練した機械工は手動旋盤を使用して、10 個または 100 個の高品質部品を作成できますが、1,000 個の部品、10,000 個の部品、100,000 個、または 100 万個の部品が必要な場合はどうなるでしょうか?
精密CNC加工により、このような大量生産に必要な拡張性とスピードを実現できます。さらに、精密CNC加工の高い再現性により、生産する部品の数に関わらず、最初から最後まで全て同じ品質の部品が得られます。
CNC加工には、ワイヤ放電加工（EDM）、積層加工、3Dレーザープリンティングなど、非常に特殊な手法がいくつかあります。例えば、ワイヤ放電加工では、導電性材料（通常は金属）と放電を用いて、ワークピースを複雑な形状に加工します。
ただし、ここでは、精密 CNC 加工で広く利用され、頻繁に使用される 2 つの減算的方法であるフライス加工と旋削加工に焦点を当てます。
フライス加工と旋削加工
フライス加工とは、回転する円筒形の切削工具を用いて材料を削り取り、形状を作り出す加工プロセスです。フライス盤やマシニングセンターとも呼ばれるフライス加工装置は、大型の金属加工物において、様々な複雑な形状の部品を加工します。
フライス加工の重要な特徴は、切削工具が回転する一方で、ワークピースは静止していることです。言い換えれば、フライス加工では、回転する切削工具が、ベッド上に固定されたワークピースの周りを移動することになります。
旋削加工とは、旋盤と呼ばれる装置を用いてワークピースを切削または成形する工程です。通常、旋盤はワークピースを垂直軸または水平軸上で回転させ、固定された切削工具（回転している場合とそうでない場合があります）がプログラムされた軸に沿って移動します。
工具は物理的に部品の周りを回転することはできません。材料が回転することで、工具はプログラムされた操作を実行します。（旋盤の中には、スプールに供給されたワイヤーの周りを工具が回転するものもありますが、ここでは説明しません。）
旋削加工では、フライス加工とは異なり、ワークピースが回転します。ワークピースは旋盤の主軸上で回転し、切削工具がワークピースに接触します。
手動加工とCNC加工
ミルと旋盤はどちらも手動モデルで提供されていますが、小型部品の製造には CNC マシンの方が適しており、厳しい公差の部品の大量生産を必要とする用途に拡張性と再現性を提供します。
精密CNC装置には、工具がX軸とZ軸で移動するシンプルな2軸加工機に加え、ワークピース自体も移動可能な多軸加工機も用意されています。これは、ワークピースの回転のみに限定され、工具が移動することで所望の形状を形成する旋盤とは対照的です。
これらの多軸構成により、機械オペレーターの追加作業を必要とせずに、より複雑な形状を単一の操作で製造することが可能になります。これにより、複雑な部品の製造が容易になるだけでなく、オペレーターのミスの可能性も低減または排除されます。
さらに、高圧クーラントと精密 CNC 加工を組み合わせることで、垂直方向のスピンドルを備えた機械を使用する場合でも、切削片がワーク内に侵入することがなくなります。
CNCミル
フライス盤は種類によって、サイズ、軸構成、送り速度、切削速度、フライス送り方向、その他の特性が異なります。
しかし、一般的にCNCフライス盤は回転するスピンドルを用いて不要な材料を切削します。鋼やチタンなどの硬質金属の切削に使用されますが、プラスチックやアルミニウムなどの材料にも使用できます。
CNCフライス盤は再現性を重視して設計されており、試作から大量生産まであらゆる用途に使用できます。高性能の高精度CNCフライス盤は、精密金型のフライス加工など、公差が厳しい作業によく使用されます。
CNCフライス加工は短納期を実現できますが、フライス加工直後の仕上げでは工具痕が目立ちます。また、鋭利なエッジやバリが発生する場合もあり、エッジやバリが許容できない場合は追加工程が必要になる場合があります。
もちろん、シーケンスにプログラムされたバリ取りツールはバリ取りを行いますが、通常は完成要件の最大 90% を達成し、最終的な手仕上げのためにいくつかの機能を残します。
表面仕上げに関しては、許容できる表面仕上げだけでなく、作業製品の一部に鏡のような仕上げを生み出すツールがあります。
CNCミルの種類
フライス盤には、垂直マシニング センターと水平マシニング センターという 2 つの基本的なタイプがあり、主な違いは機械のスピンドルの向きにあります。
立形マシニングセンターは、主軸軸がZ軸方向に整列したフライス盤です。これらの立形機械はさらに2つのタイプに分けられます。
■ベッドミルは、スピンドルが自身の軸と平行に移動し、テーブルがスピンドルの軸に対して垂直に移動する。
■タレットフライス盤は、スピンドルが固定されており、切削操作中にテーブルが常にスピンドルの軸に対して垂直かつ平行になるように移動します。
横型マシニングセンターでは、フライス盤の主軸はY軸方向に配置されています。水平構造のため、これらのフライス盤は機械工場のフロアスペースを広く占有する傾向があり、また、一般的に縦型機よりも重量が重く、出力も高くなります。
水平フライス盤は、より優れた表面仕上げが求められる場合によく使用されます。これは、スピンドルの向きによって切削片が自然に落下し、簡単に除去できるためです。（さらに、効率的な切削片除去により工具寿命が延びるという利点もあります。）
一般的に、立形マシニングセンターは横形マシニングセンターと同等のパワーを持ちながら、非常に小さな部品を加工できるため、より広く普及しています。また、立形マシニングセンターは横形マシニングセンターよりも設置面積が小さいという利点もあります。
多軸CNCミル
精密CNCフライス盤には複数の軸を持つものがあります。3軸フライス盤は、X、Y、Z軸を用いて様々な加工を行います。4軸フライス盤では、垂直軸と水平軸を中心に回転し、ワークを移動させることで、より連続的な加工が可能になります。
5軸フライス加工機は、従来の3軸に加え、2軸の回転軸を備えており、スピンドルヘッドがワークピースの周りを回転しながら加工することができます。これにより、ワークピースを取り外したり、機械をリセットしたりすることなく、ワークピースの5面を加工できます。
CNC旋盤
旋盤（ターニングセンターとも呼ばれる）は、1つまたは複数の主軸とX軸、Z軸を備えています。この機械は、ワークピースを軸を中心に回転させ、様々な切削加工や成形加工を行うために使用され、様々な工具をワークピースに使用します。
CNC旋盤（ライブアクションツーリング旋盤とも呼ばれる）は、対称的な円筒形または球形の部品の作製に最適です。CNCフライス盤と同様に、CNC旋盤は試作などの小規模な加工に対応できるだけでなく、高い再現性を実現し、大量生産にも対応できます。
CNC 旋盤は比較的ハンズフリーな生産にも設定できるため、自動車、電子機器、航空宇宙、ロボット工学、医療機器業界で広く使用されています。
CNC旋盤の仕組み
CNC旋盤では、まず素材のブランクバーを旋盤の主軸チャックに装着します。このチャックは、主軸が回転する間、ワークを所定の位置に保持します。主軸が必要な速度に達すると、固定された切削工具がワークに接触し、材料を削り取って正しい形状を実現します。
CNC旋盤は、穴あけ、ねじ切り、ボーリング、リーマ、面取り、テーパー旋削など、様々な加工が可能です。加工内容によって工具交換が必要となり、コストとセットアップ時間が増加する可能性があります。
必要な加工工程がすべて完了すると、必要に応じて部品がストックから切り出され、さらなる加工が行われます。CNC旋盤はその後、工程を繰り返す準備が整います。その間に追加のセットアップ時間はほとんど、あるいは全く必要ありません。
CNC 旋盤にはさまざまな自動バーフィーダーを取り付けることもできるため、手作業による原材料の取り扱いが軽減され、次のような利点が得られます。
■ 機械オペレーターの時間と労力を削減
■ 精度に悪影響を与える振動を軽減するためにバーストックをサポートします
■ 工作機械を最適なスピンドル速度で動作させる
■ 切り替え時間の最小化
■ 材料の無駄を削減
CNC旋盤の種類
旋盤にはさまざまな種類がありますが、最も一般的なのは 2 軸 CNC 旋盤と中国式自動旋盤です。
中国製CNC旋盤のほとんどは、1つまたは2つの主軸と1つまたは2つの後部（または二次）主軸を備えており、前者は回転伝達機構によって担われます。主軸はガイドブッシュの助けを借りて、主要な加工操作を実行します。
さらに、一部の中国式旋盤には、CNC ミルとして動作する 2 番目のツール ヘッドが装備されています。
CNCチャイナ式自動旋盤では、材料はスライディングヘッドスピンドルを介してガイドブッシュに供給されます。これにより、工具は材料が支持されている箇所に近い位置で材料を切削できるため、チャイナ式旋盤は細長い旋削部品や微細加工に特に効果的です。
多軸CNC旋盤と中国式旋盤は、1台の機械で複数の加工工程を実行できます。そのため、従来のCNCフライス盤などの装置では複数の機械や工具交換が必要となる複雑な形状に対して、コスト効率の高い選択肢となります。