生産技術 #02：フライスCNC、旋盤、ワイヤEDM — 形状と公差で選ぶ

生産技術 #02：フライスCNC、旋盤、ワイヤEDM — 形状と達成できる公差で選ぶ

先に結論を述べます。部品が一つの軸まわりの回転体なら旋盤、複数の面・ポケット・多方向の穴を持つ角柱形状ならフライスCNC、鋭い角の輪郭、薄い壁、または工具が届かない焼入れ材が必要なときにのみワイヤEDMを選びます。この三つは完全には互いを置き換えません。各々が一つの形状と一つの公差帯に対応し、複雑な部品は通常二〜三の工程を通ります。本記事は、図面を見てどの方向で加工を発注すべきか、「法外な」見積もりや返品を避けるためにどの公差が妥当かを予測するための指針です。

三つの方法の早見比較

項目	旋盤	フライスCNC	ワイヤEDM
適した形状	回転体：軸、ブッシュ、ねじ、円錐	角柱：板、ポケット、段、多方向の穴	垂直な2D/2.5D輪郭、鋭い内角
標準的な寸法公差	IT7〜IT8（±0.01〜0.03 mm）	IT7〜IT9（±0.01〜0.05 mm）	IT6〜IT7（±0.005〜0.015 mm）
通常の表面粗さRa	0.8〜3.2 µm	0.8〜3.2 µm	0.4〜1.6 µm
焼入れ材（>45 HRC）	難、特殊工具が要る	難、工具が速く摩耗	よく切れ、硬さに依存しない
内角（すみR）	工具の先端による	フライス径以上	非常に小、線径（約0.1 mm）
材料除去速度	速	中	遅
1部品あたり相対費用	低	中	高
材料の要求	あらゆる金属	あらゆる金属	導電材料のみ

形状と公差で加工法を選ぶ図

旋盤：部品が一つの軸まわりに回るとき

旋盤は、ワークが回転し、工具が留まって直進して切る方法です。したがって旋削できる面はすべて回転軸まわりの回転面です。外円筒、内穴、円錐、溝、ねじ、端面です。図面を手に取り、部品が中心線に対して対称なら — モータ軸、ブッシュ、ねじ継手、プーリ、位置決めピン — ほぼ確実にまず旋削すべきです。

旋盤の最大の利点は速さと同心度です。ワークが固定した中心まわりに回るため、同じ段取りで加工した外径、内穴、端面は互いに非常に同心で、通常振れ回りが0.01 mm未満になります。これは長い軸ではフライスが苦労することです。ライブツール付きの現代のCNC旋盤は、旋盤上でキー溝のフライス、横穴のドリル、タップまでこなし、段取り回数を減らします。

旋盤の標準的な公差はIT7〜IT8で、数十ミリの部品で約±0.01〜0.03 mmです。それより厳しく（IT6以下）するには旋削後の研削が要ります。粗さは、仕上げ旋削でRa 0.8〜1.6 µmが通常で、より滑らかにするにはダイヤモンド旋削か研削が要ります。

旋盤の限界は、偏心した平面、角のポケット、非対称な輪郭を作れないことです。部品が円筒部と角柱部の両方を持つ（例：角フランジ頭のある軸）とき、旋削とフライスの両方を通る必要があります。

フライスCNC：形状が多方向・多面のとき

フライスは逆で、工具が回転し、ワークがテーブルに固定されX-Y-Z軸（4〜5軸機ならA、B軸も）に沿って動きます。これによりフライスはほぼあらゆる角柱形状を扱えます。多くの穴のあるベース板、閉じたポケット、段面、溝、金型の3D曲面などです。

3軸フライスは、切るべきすべての面が上から見える部品をよく扱います。部品が多方向に面を持つとき、何度も再段取りが必要で、各再段取りが誤差の源になります。ここで4〜5軸フライスに価値があります。ワークを傾け・回して一回の段取りで多くの面を加工し、面間の位置関係（図面が位置公差や平行度で拘束することの多いもの）を保ちます。

フライスの設計で覚えておく点は、ポケットのすべての内角にすみRが必要で、そのRはフライス径以上でなければならないことです。完全に鋭い角の内角を作れるフライスはありません。図面が内角R0（鋭い角）を示すなら、フライス工場は問い合わせるか、その部品をワイヤEDMへ移す必要があります。ポケットが深いほど工具は長く細くなり、振動して跡を残しやすいため、安定した結果には深さ対径の比を約4〜5以下に保ちます。

標準的なフライス公差はIT7〜IT9です。良い治具と機械で、仕上げフライスは小さい寸法で±0.01〜0.02 mmに達します。大きい寸法や複数段取りでは±0.05 mm以上に緩みます。

ワイヤEDM：工具が届かない、または焼入れ材のとき

ワイヤEDM（放電加工）は機械的な力で切りません。細い銅・黄銅の線（径0.1〜0.25 mm）とワークの間の電気火花を使い、脱イオン水の中で材料を徐々に侵食します。切削力がなく材料の硬さに依存しないため、EDMはフライスと旋盤が苦労する三つのことをします。

焼入れ材を切る。 金型鋼SKD11、SKH51は焼入れ後58〜62 HRCでほぼフライスできませんが、ワイヤEDMは普通に切ります。だからこそ、抜き型、パンチ、ダイはほぼ常に熱処理後にワイヤ切断されます。
非常に鋭い内角。 最小の内角Rは線径に放電ギャップを足しただけで、約0.1 mm — フライスよりはるかに小さいです。
薄い壁と細い輪郭 — 機械的な切削力が変形させたり折ったりするもの。

その代わり、ワイヤEDMは遅く高価で、線の方向に沿った「垂直に掃く」輪郭（2D、U-V傾斜軸で2.5D）しか作れず、フライスのような自由な3D曲面はできず、材料は導電性でなければなりません。ワイヤEDMの公差は非常に良く、通常IT6〜IT7で、精密な機械と複数回の切断（荒切りのあと輪郭を精切り）で±0.005 mmに達します。

どれを選ぶか：図面を読んで決める

決定のための図面の読み方は次のとおりです。

一つの軸まわりに回る部品か。 → 旋盤が基本。キー溝や横穴があればライブツール機で旋削するか、後工程でフライスへ移す。
多面・多方向の穴・ポケットの角柱部品か。 → フライスCNC。面間の位置拘束が厳しい、または面が多方向なら、段取りを減らすため4〜5軸フライスを検討。
鋭い内角R < 0.5 mm、非常に薄い壁、または焼入れ材上の輪郭か。 → ワイヤEDM。
IT6より厳しい公差、Ra < 0.4 µmの面か。 → 上記のどれでも不十分。荒加工後に研削か精EDMを追加。

実際には、典型的な金型部品は三つすべてを通ります。荒フライスで成形 → 熱処理 → 基準面の研削 → 焼入れ後に精密な輪郭をワイヤ切断です。したがって加工を発注するとき、「一つの機械を選ぶ」ではなく、工程順序で考えます。何を焼入れ前に行い、何を焼入れ後に残すかです。

公差と費用は一緒に動く

図面を書くときの最も高くつく誤りは、機能が本当に必要とするより厳しい公差を示すことです。厳しい公差の各等級は費用の等級です。±0.1 mmの寸法は一回のフライスで済みますが、±0.01 mmに強いると研削工程の追加、検査の追加、不良の追加が要ることがあります。一般的な経験として、厳しい公差は正確に機能的なはめあい寸法（軸受取付穴、位置決めピン、密封接触面）だけに示し、残りはJIS B 0405中級のような標準の粗い一般公差にします。

このシリーズには、IT7〜IT9の公差が加工費用をどう左右するかを深く扱う専用の記事もあります。生産技術 #05 — あなたが書く公差が加工費用をどう決めるかを参照してください。

例：実際の部品を読む

図面が抜き型のガイド板だとします。寸法120 × 80 × 20 mm、材料SKD11、ガイドブッシュ用の四つの穴（H7公差）、内角R0.2 mmの幅6 mmのU字輪郭溝が二つ、熱処理後の硬さ60 HRCの要求です。

工程順序を計画するための読み方：

塊と四つの穴： 焼入れ前の軟らかい状態で3軸CNCフライスにより外形を成形し、取り代を残して四つの穴を荒ドリル。この時点では精寸法に入らない。焼入れで変形するため。
熱処理： 60 HRCに焼入れ。この後、材料は仕上げフライスには硬すぎる。
二つの基準面の研削： 焼入れ後の平面度と平行度を回復し、後工程の基準を作る。
ワイヤEDM： 四つのH7穴と二つのU溝を精切り — 溝が内角R0.2 mm（最小のフライスでも難しく、60 HRC材上でもある）を持ち、H7穴が焼入れ材上で安定したIT7公差を要するため。

「精密な輪郭を焼入れ後に残す」原則を省き、軟らかいうちにすべてを仕上げフライスしようとすると、板は焼入れ後に反り寸法を失い、廃棄になります。これは、部品が「一つの機械」ではなく、フライス → 焼入れ → 研削 → ワイヤ切断の連鎖に属する典型的な例です。

よくある失敗

フライス部品に鋭い角の内角R0を示す。 丸いフライスは鋭い角を作れない。すみRを付けるか、ワイヤEDMへ移す（はるかに高価）。
フライスで作れる部品にワイヤEDMを発注する。 ワイヤEDMは遅く高価。鋭い角、薄い壁、焼入れ材が本当に必要なときだけ使う。
軸対称でない部品に旋盤を要求する。 角柱部、偏心した平面は旋削できない。フライスが要る。
熱処理の順序を忘れる。 精密な輪郭は焼入れ後にワイヤ切断すべき。先に仕上げフライスして焼入れすると、部品が変形し寸法を失う。
一律に厳しい公差を示す。 機能的な価値を加えずに価格を上げる。

手早い選定チェックリスト

[ ] 部品は一つの軸まわりに対称か。該当 → 旋盤を優先。
[ ] 多方向の面・ポケット・穴を持つか。該当 → フライスCNC（位置拘束が厳しいなら4〜5軸）。
[ ] 鋭い内角、薄い壁、または焼入れ材 > 45 HRCか。該当 → ワイヤEDM。
[ ] IT6より厳しい公差、またはRa < 0.4 µmか。該当 → 研削・精EDMを追加。
[ ] 機能寸法（厳しく示す）と自由寸法（一般公差にする）を明確に分けたか。
[ ] 熱処理の点まわりの工程順序を決めたか。

図面があり、どの方向で加工を発注すべきか確信がない、または機能を満たしつつ費用を減らすために公差を最適化したいなら、MINATAは見積もり前に図面を見直し適した加工方針を助言できます。MINATAの技術・製造サービスをご覧ください。

参考：加工法別のRa粗さ範囲（「各種加工法による粗さの範囲」表）とJIS B 0401のIT公差等級、MISUMIカタログの技術表と照合。公差が費用をどう左右するかは生産技術 #05を参照。

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