マシニングセンタとは？ 種類ごとの特徴とマシニング加工の手順を解説

マシニングセンタとは？ 種類ごとの特徴とマシニング加工の手順を解説

近年、金属加工の製造現場では工作機械の自動化が進んでおり、「マシニングセンタ」と呼ばれる工作機械が広く普及しています。自動車部品や放熱板、プレス・射出成形向け金型など、さまざまな製品がマシニングセンタによって造られていて、現代のものづくりに欠かせない機械といえるでしょう。 ここでは、マシニングセンタとはどのような機械なのかをはじめ、NCフライス盤との違いや導入するメリット、加工手順などについてご紹介します。

マシニングセンタとは？

マシニングセンタ（machining center）は、回転工具を使用してフライス削りや中ぐり、穴あけ、ねじ立てといった切削加工を、1台で行える工作機械です。マシニングセンタを使ってワークを目的の形状に仕上げる加工は「マシニング加工」と呼ばれます。

マシニングセンタには「自動工具交換装置（ATC・オートツールチェンジャー）」が搭載されていて、加工に必要な切削工具をツールマガジンにセットしておけば、プログラムに沿って工具を自動交換してくれるのが特徴です。
従来のフライス盤では、工具交換作業は機械稼働を止めて行っていたため、工具交換などの作業に時間を大きく取られていました。ATCによって工具交換をスピーディに行えるマシニングセンタは、生産性の向上に大きく寄与しています。

マシニングセンタとNCフライス盤の違い

NC（numerical control）とは数値制御の意味で、材料の位置や動きなどを数値化して機械を動かす方式を指します。現在はコンピューターによる数値制御機能を備えており、コンピューターに加工条件を入力することで自動加工が行える、CNC（Computer numerical control）フライス盤が主流です。
マシニングセンタとNCフライス盤はどちらもフライス加工用の機械で、プログラムによって動きを制御している点は同じですが、自動工具交換装置が付いているかどうかが異なります。

マシニングセンタの基本的な構造

マシニングセンタは、多くの部品から作られている工作機械です。一般的なマシニングセンタを構成している部品や機能と、それぞれの特徴をご紹介します。

・NC装置

NCプログラムの読み込みや機械を動かす指令を出す部分です。マシニングセンタの頭脳にあたります。

・ATC

加工で必要になる工具のセットや交換を行う機能です。刃物台が回転して工具交換を行う「旋回式」と、ツールマガジンに収納した工具をアームによって主軸に取り付ける「マガジン式」の2種類に分けられます。ツールマガジンの種類によっては、100本以上の工具を収納可能です。

・主軸

取り付けた工具を回転させる装置です。スピンドルとも呼ばれます。

・ベッド

マシニングセンタの最も下に位置するのがベッドです。ベッドから垂直に伸びた柱はコラムと呼ばれ、横型マシニングセンタではコラムが上下に移動します。コラムとベッドが一体化している場合もあります。

・インデックステーブル

被削材を固定する部分です。割り出しテーブルとも呼ばれ、角度の割り出しを行えます。1度や5度といった単位での割り出しが可能で、4軸や5軸といった複雑な加工を行うために欠かせない部分です。

マシニングセンタの種類

マシニングセンタは、構造によって立型や横型、門型、5軸制御の4種類に分けることができます。種類ごとの特徴をご紹介します。

・立型マシニングセンタ

工具を垂直方向に取り付けるマシニングセンタです。
材料を上から削るため切削状況を確認しやすく、設計図面と見比べながら加工を行えます。他の型に比べてコンパクトな作りで専有面積が小さく、設置しやすいのも特徴です。

一方で、切りくずが排出されづらく、後工程で工具のチッピングの原因になる可能性があるため、大量生産には不向きです。金型部品や試作品などの少量生産に適しています。

・横型マシニングセンタ

工具を地面と水平方向に取り付けるマシニングセンタです。切りくずの排出性が良く、製品の加工面が傷つきにくい、切りくず残りによる工具損傷の心配が少ないといったメリットを持ちます。

部品供給を自動で行えるパレットチェンジャーを装備すれば、長時間の連続稼働も可能です。縦横高さの3軸に加え、テーブルが水平方向に回転して4軸での制御が行えるものなら、高い精度の加工が行えます。

一方で、横から材料を固定するという構造上、重い材料を固定した際に治具が乱れたり、たわんだりする恐れがあるのがデメリットです。重量物の加工には不向きで、高い精度を要する精密小物部品の加工に適しています。

・門型マシニングセンタ

主軸が天井側に付いているマシニングセンタです。正面から見た際に機械が門の形をしていて、ガントリー型とも呼ばれます。
材料を置くテーブルが広いため、主に重量のある加工物や長尺製品の加工に使われています。

・5軸制御マシニングセンタ

縦横高さの3軸に2つの回転軸を加えた計5軸を制御することで、複雑な形状の加工が行えるマシニングセンタです。主軸は地面に対して垂直方向に取り付けられています。

固定している底面以外の5面に対して加工を行えるため、材料のセッティングが一度で済み、作業工程を減らせるのが特徴です。ただし、軸が増える分設定する座標も多くなるので、プログラミングと制御は難しくなります。

マシニングセンタを使用するメリット

マシニングセンタを導入すると、手動で同じ加工を行う場合に比べて、どのようなメリットがあるのでしょうか。導入によって得られる2つのメリットをご紹介します。

・さまざまなコストの削減

マシニングセンタは1台で複数の加工を行えるので、作業工程を最小限に抑えられます。マシニングセンタの使用方法さえ理解できれば、加工自体は機械が自動で行うため、従来のフライス盤のように手動操作技術を習得する必要はありません。
生産の自動化が可能になり、人件費や育成コスト、作業時間の節約につながります。

・加工精度の改善

手動での加工操作は、操作ミスによる不具合や作業員の経験の差などが原因で、加工精度にばらつきが出る恐れがあります。しかし、マシニングセンタの自動作業なら仕上がりの差がなくなり、品質の安定化が図ることが可能です。

マシニング加工の手順

マシニングセンタを使ったマシニング加工は、大きく次の3つの工程に分けることができます。

・1．NCプログラムの作成

最初に、マシニングセンタを動かすためのNCプログラムを作成します。工作機械に直接打ち込むこともできますが、複雑な加工はCAMやCADといったソフトを使って設計図を作り、マシニングセンタに転送するのが一般的です。この時、加工する形状だけでなく、削る方向や工具を動かす速度、回転数などの指示も行います。

また、プログラムの座標や軸移動にはGコードと呼ばれるコードが用いられますが、工作機械ごとにコードの読み取り方や使い方は異なる点に注意が必要です。作成したプログラムは、それぞれの機械に適した形式に変換する必要があります。

・2．工具や材料の取り付け

NCプログラムの転送が終ったら、使用する工具や加工したい材料をマシニングセンタに取り付けます。加工精度の低下につながるため、工具や材料は適切な位置に合わせることが重要です。

・3．加工（プログラムの実行）

プログラムの作成や材料の取り付けなどが完了したら、実際に加工を行います。設定したプログラムや工具にミスがないか確認しながら加工を行いましょう。
通常は、大まかな形状を作る荒加工を行ってから、中仕上げ加工、仕上げ加工と段階を踏んで、求められる加工精度に近づけていきます。

マシニング加工を行う際の注意点

マシニング加工を行う際は、設計段階で加工手順や方法を考慮することが重要です。加工を行う順番や削る深さ、角の付け方などによって、完成品の品質や作業時間、コストなどが大きく変わってしまいます。一度に削る深さを浅くする、両側から加工できるようにしておくなどの工夫を行うと、加工精度の悪化を防いだり、作業時間を短縮したりすることが可能です。
また、マシニングセンタは回転する刃物を押し付けて、素材の不要な部分を削り取るため、隅には必ず刃物の半径分のアールがつきます。ピン角と呼ばれる、丸みのない角の加工は難しい点も注意が必要です。

マシニングセンタに欠かせない工具補正機能

マシニングセンタは、ドリルやエンドミル、リーマなど、さまざまな種類の工具を取り付けることができます。しかし、取り付ける各工具の大きさは必ずしも同じではありません。マシニングセンタによる加工はNCプログラムで座標を指定して行いますが、座標を変えずにサイズの異なる工具を使用すると、加工の位置ずれが起こります。

そこで利用されるのが、工具の長さや径を認識して補正する「工具補正機能」です。工具ごとの外径の違いを補正する工具径補正や、工具ごとの長さの違いを補正する工具長補正などの種類があります。
あらかじめ使用する工具の半径や長さなどのデータを入力しておくことで、工具ごとのサイズの違いを意識せずに加工を行えます。

マシニングセンタを導入して生産効率を向上しよう

作業の自動化による生産性の向上に加えて、作業時間や人件費の削減など、マシニングセンタの導入は多くのメリットがあります。無人化や標準化は、現代の製造業が生産工程の自動化を実現するうえで不可欠ともいえる課題であり、マシニングセンタはこれらを解決する糸口のひとつです。

ただし、設計を間違えると加工に時間がかかったり、精度が落ちたりすることも考えられます。
導入の際は、マシニングセンタにどのような機能が必要なのかを踏まえて選定し、作業員への操作方法の教育、手順書などの導入準備もしたうえで活用していきましょう。

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