なぜマシニング加工で「反り」や「ねじれ」が起きるのか？高精度を実現する「加工歪み」対策の全知識

図面指示だけでは解決しない「加工歪み」。ミクロン単位の精度をマシニングで実現するプロの着眼点（材料選定・応力除去・段取りの勘所）

 

 

◆「高精度な機械」≠「高精度な部品」のジレンマ

「最新の5軸マシニングセンタを導入したのに、なぜか精度が出ない」
「プログラム上は完璧なはずが、クランプを外した瞬間にワークが必ず反っている」
「A7075（超々ジュラルミン）の薄物加工が、どうしてもうまく安定しない」

高精度な加工機を導入しても、なお解決しないこれらの問題。その原因は、機械の性能ではなく、加工プロセスで必ず発生する「加工歪み（ひずみ）」の制御にあるかもしれません。

特に、ミクロン単位の幾何公差（平面度・平行度）が要求される精密部品や、薄物・長尺形状の部品において、この「加工歪み」は最大の敵となります。

既存のブログ記事（[5軸マシニング加工の可能性]や[マシニング加工における表面品質]へのリンクを想定）では、マシニング加工の能力や表面品質の向上について触れました。本記事ではさらに一歩踏み込み、高精度加工の実現を阻む「なぜ歪むのか？」という根本原因と、それを最小化するための「プロの技術（材料知識、応力除去、段取り）」を徹底的に解説します。

 

 

◆技術的深掘り：マシニング加工で「歪み」が発生する3大要因

「歪み」と一口に言っても、その発生メカニズムは一つではありません。マシニング加工で精度を悪化させる歪みは、主に以下の3つの「応力（ストレス）」によって引き起こされます。

 

要因1：材料の「残留応力」（加工前から“歪む種”が潜んでいる）

私たちが手にする板材や棒材（圧延材、引抜材）は、製造プロセス（圧延、引抜き、冷却）を経る中で、材料内部に不均一なストレスを溜め込んでいます。

 

これが「残留応力」です。

 

・メカニズム：
加工前の材料は、内部の「引っ張り応力」と「圧縮応力」がバランスしているため、一見すると真っ直ぐです。しかし、マシニング加工で片側から削ると、そのバランスが崩れます。例えば、表面の「圧縮応力層」を削り取ると、内部に残っていた「引っ張り応力」が解放され、ワークは「反る」形で新たなバランスを取ろうとします。
・特に注意すべき材料:
・A7075（超々ジュラルミン）: 高強度ですが、熱処理（T6処理）により非常に高い残留応力を持ちます。
・SUS304（オーステナイト系ステンレス）: 粘り気が強く、圧延段階で大きな内部応力を溜め込んでいることが多い材料です。

 

要因2：加工中に発生する「加工応力」（切削による“塑性変形”）

マシニング加工は、刃物（エンドミル）が材料を「むしり取る」行為です。この時、切削点には非常に大きな力がかかり、材料表面には「塑性変形（元の形に戻らない変形）」が起こります。これが「加工応力（加工変質層）」です。

・メカニズム:
切れ味の悪い工具や、不適切な切削条件（過度な高送り・高切り込み）で加工すると、材料を「削る」のではなく「押し潰しながら」加工することになります。これにより、ワーク表面には新たな「圧縮応力」が残留し、これが反りやねじれの原因となります。
・特に注意すべき材料:
・SUS304、SUS316: 加工硬化性が非常に高く、一度加工応力が加わった部分は急激に硬くなり、さらに切削が困難になる悪循環を生みます。

 

要因3：加工中に発生する「熱応力」（切削熱による“膨張と収縮”）

切削加工は、摩擦によって必ず「切削熱」を発生させます。この熱がワークに不均一に伝わると、局所的な「膨張」と「収縮」を引き起こし、内部に応力を発生させます。これが「熱応力」です。

・メカニズム:
加工点が局所的に高温（数百℃以上）になると、その部分だけが膨張します。しかし、周囲の冷えた部分に拘束されるため、膨張しきれない応力が溜まります。加工が終わり冷却されると、今度はその部分だけが過度に収縮しようとし、結果としてワーク全体に反りや歪みが生じます。
・特に注意すべき材料:
・チタン合金、インコネル: 熱伝導率が極端に低く、発生した熱がワークや切りくずに逃げにくいため、加工点に熱が集中しやすい「難削材」の代表です。

 

◆設計・材料選定フェーズでの対策

「歪み」との戦いは、マシニング加工が始まる前から始まっています。設計者・調達担当者が加工現場と共有すべき「上流工程」での対策をご紹介します。

 

材料選定の勘所：「歪みにくい材料」を選ぶ

・A5052 vs A7075:
同じアルミ合金でも、A5052（非熱処理型）は残留応力が比較的少なく、歪みにくい材料として知られます。一方、A7075（熱処理型）は高い強度と引き換えに、上述の通り高い残留応力（要因1）を持ちます。もしオーバースペックな強度設計（A7075指定）をしているなら、A5052やA5083に変更するだけで、加工精度とコストが劇的に改善する可能性があります。
・鋳物・鍛造品の活用:
もし量産品であれば、圧延材から全削り出しするのではなく、ニアネットシェイプ（最終形状に近い形）の「鋳物」や「鍛造品」をベースにマシニング加工をすることも有効です。これらは残留応力が比較的少ないため、削り出す量が減ることと相まって歪みを抑えられます。

 

「応力除去焼鈍（アニール）」の賢い使い方

残留応力（要因1）への最も効果的な対策が「応力除去焼鈍（アニール）」です。材料を特定の温度まで加熱し、ゆっくりと冷却することで、内部に溜まったストレスを解放します。

重要なのは、その「タイミング」です。

・加工前アニール: 材料（素材）の段階でアニールをかけ、残留応力をリセットします。
・「工程内アニール」: これがプロのノウハウです。
1. マシニングで荒加工を行う（まだ仕上げ代は残す）。
2. この時点で、材料内部の応力バランスが崩れ、一度大きく歪みます。
3. この「荒加工後の歪んだ状態」で、再度、応力除去焼鈍（工程内アニール）をかけます。
4. 歪みを取り除いた「ゼロベース」の状態から、クランプし直して仕上げ加工を行います。

手間（＝コスト）はかかりますが、「熱処理後に歪むから」と諦めていたミクロン単位の精度を実現するために、非常に有効な手段です。

 

◆加工現場（マシニング）での対策

ここからは、加工現場で「3つの歪み要因」をいかに抑え込むか、という実践的なノウハウです。

 

 「段取り（クランプ）」の技術：歪ませずに固定する

「加工中にワークが動かないよう、万力（バイス）で力いっぱい締め付ける」
これは、高精度加工においては間違いです。なぜなら、クランプ自体がワークを歪ませている（拘束歪み）可能性があるからです。

・「強く締めすぎない」勇気:
力任せのクランプは、薄いワークを「弓なり」にさせたまま加工するようなものです。クランプを解放した瞬間、ワークは元の歪んだ形に戻ろうとし、平面度も平行度も出ません。

・歪みの「逃げ場」を作る:
あえてクランプ圧力を弱めたり、切削抵抗が低い工具（次項）を選んだりすることで、加工中に発生する応力（要因2, 3）をワーク自体に吸収させず、クランプの外へ「逃がす」発想も必要です。
・薄物・弱剛性ワークへの工夫:
・サポート治具: ワークの下全面を隙間なく支える「捨て板」や、切削箇所をピンポイントで支える「サポートジャッキ」を治具に組み込みます。
・多数点クランプ: 一点で強く抑えるのではなく、複数のクランプで「優しく」分散して固定します。
・真空チャック: アルミの薄板加工などで、メカ的なクランプを避け、面全体で吸着させることで拘束歪みを最小限にします。

 

「加工パス」と「加工順序」の工夫：応力バランスを取る

歪みをゼロにできない以上、「歪みを予測し、バランスを取りながら削る」のがプロの技術です。

・両面からの「ひっくり返し加工」:
板厚を出す際、片面を荒加工 → 仕上げ加工し、次にひっくり返して反対面を加工…という手順では、必ず歪みます。
正解は、「①表面 荒加工 → ②裏面 荒加工 → （必要なら工程内アニール） → ③表面 仕上げ加工 → ④裏面 仕上げ加工」というように、両面から少しずつ削り、応力バランス（要因1）を保ちながら加工を進めることです。
・薄物加工のパス:
薄いリブや壁を残す加工では、加工応力（要因2）や熱（要因3）が集中しないよう、工具のパス（経路）を最適化します。一方通行で削るのではなく、往復させたり、小さな領域ごとに分割して加工したりします。
・ポケット加工の順序:
大きな穴（ポケット）を掘る際、中央から外側へ削るか、外側から中央へ削るかだけでも、残留応力の解放のされ方が変わり、ワークの「口の開き（歪み）」が変わってきます。

 

 「工具」と「切削条件」の最適化：ストレスを与えない

加工応力（要因2）と熱応力（要因3）を根本的に減らすには、「切れる工具」で「ストレスを与えない」加工をすることが絶対条件です。

・「切れる工具」の選定:
・ポジ刃（すくい角が大きい）: 刃先が鋭利で、材料を「削ぎ落とす」イメージ。切削抵抗が小さいため、加工応力や熱の発生を抑えられます。
・シャープエッジ: 刃先が欠けやすいデメリットはありますが、切れ味は抜群です。
逆に、ネガ刃（すくい角が小さい）は、刃先の強度はありますが、材料を「押し潰す」力が強くなるため、歪みが出やすくなります。
切削条件の最適化:
・びびり（振動）は歪みの元凶: びびりが発生すると、加工応力（要因2）が断続的に加わり、表面品質の悪化と歪みを引き起こします。工具の突き出し量を短くする、剛性の高いホルダを使う、S（回転数）とF（送り速度）を調整してびびらない条件を見つけることが重要です。
・クーラントの重要性: 切削熱（要因3）をいかに素早く除去するか。十分な量のクーラントを「加工点」に正確に供給することが、熱歪みを防ぐ鍵となります。

 

◆その「歪み」、工法提案で解決します

「マシニング加工で精度が出ない」という問題の根は、機械の性能だけにあるのではありません。材料が元々持つ「残留応力」、加工が引き起こす「加工応力」や「熱応力」。これら「加工歪み」の複合的な要因をいかに制御するかにかかっています。

 

・「A7075の薄物加工で、どうしても平面度が出ない」
・「SUS304の長尺部品が、必ず反ってしまう」
・「図面上の公差は厳しいが、アニール処理を挟むコストと納期のバランスを相談したい」

 

もし貴社がこのような「歪み」に関する課題をお持ちなら、ぜひ一度、ご相談ください。

私たちは、図面上の公差を守るだけでなく、その材料が持つ「クセ」を読み、荒加工の順序、クランプの方法、そして必要に応じた工程内アニールまで、

 

加工プロセス全体を見通した工法提案を得意としています。材料特性とマシニングのノウハウの両面から、貴社の課題解決に最適なソリューションをご提案します。