はめあい公差を狙った旋盤加工では、最後の数µmが一番厄介だ。
普通の仕上げ加工なら、マイクロメータで測って「入っていればOK」で終わる。ところが、はめあい公差レベルの外径を狙って軸を削っていたとき、通常の仕上げ加工だけでは狙った寸法に対して削り残しやばらつきが出ることが何度かあった。切込みダイヤルを狙いの位置に合わせて送っているのに、そのとおりの径にならない。
今回、長い軸をセンター支持で削りながらこの問題に向き合った中で、「切込み量だけでは最後の数µmは決まらない」ということを、身をもって理解する機会があった。ここでは、そのときに効いた工夫と考え方を、実際にやったことベースでまとめておく。教科書的な正解というより、「今回の加工ではこうだった」という実務メモとして読んでもらえればと思う。
なぜ長い軸ではセンター支持が必要なのか
チャックから長く突き出した材料を、そのまま片持ちで削るとどうなるか。
切削抵抗は工作物を常に押している。突き出しが長いほど、この力に対して材料はたわみやすくなる。実際に片持ちのまま加工すると、
- 場所によって寸法が変わる(中央付近が太く残る)
- びびり(工具と工作物が共振して細かい波状の跡が出る現象)が発生する
- 全体の真直度が悪化する
といったことが起きやすい。狙った径ちょうどに削れたつもりでも、軸方向のどこを測るかで数値が変わってしまっては、はめあい公差どころではない。
そこで使うのが心押台の回転センターだ。工作物の先端(チャックと反対側の端)をセンターで支え、両持ちの状態にしてやることで、片持ちのたわみを大きく減らせる。長い軸を削るなら、まずここが土台になる。
センター穴加工の手順
センター支持をするには、先端にセンター穴(センタードリルで開ける60度の穴)を加工しておく必要がある。ここで実務上効いたのが、「加工する順番」だった。
材料をいきなり長く突き出した状態でセンター穴を開けるより、
- 材料をチャックからできるだけ短く出す
- 端面を加工する(平面を出す)
- センタードリルでセンター穴を加工する
- 材料を必要な長さまで引き出す
- 再びチャックで固定する
- 回転センターで支持する
という順序のほうが安定しやすい。理由は単純で、センター穴を開ける段階で材料の突き出しが長いと、その時点で材料自体がたわんだり振れたりしてしまい、開けたセンター穴自体が主軸の回転中心からずれてしまうからだ。短く保持した状態でセンター穴を開ければ、この段階でのたわみ・振れをそもそも抑えられる。
「まず短く持って端面とセンター穴だけ済ませ、それから必要な長さに送り出す」という二段構えが、地味だが効く。
つかみ直した後のセンター穴は本当に中心なのか
ここは、実際にやってみて一番注意が必要だと感じた部分なので、少し丁寧に書く。
短く保持した状態でセンター穴を開けたあと、材料を必要な長さまで引き出して、チャックを締め直す。この「つかみ直し」のときに問題が起きうる。
チャックというのは、締め直すたびに寸分違わず同じ位置で材料を掴んでくれるとは限らない。爪の当たり方や材料表面の状態によって、わずかにつかみ直し誤差が出る。つまり、
「今、主軸が回っている中心」と「さっき開けたセンター穴の位置」が、完全には一致しない可能性がある
ということだ。これを知らずに心押台のセンターを押し付けてしまうと、センター穴の位置に無理やり先端を合わせることになり、結果として材料をわずかに曲げた状態で加工することになる。曲げたまま削れば、当然その分の誤差が仕上がり寸法に乗ってくる。
多少のズレなら実用上問題にならないこともあるが、はめあい公差を狙うような精密加工では無視できない。対策としてやっていたのは、
- 材料を引き出したあと、チャックだけで固定した状態で外径の振れを見ておく
- センターを軽く当てたときに、材料の先端が大きく動かないか(押し込まれるように逃げないか)を確認する
- 振れが大きいようなら、チャックのつかみ直しを調整する
ということ。ポイントは、「センターで無理やり材料を曲げて中心を合わせにいかない」という考え方だ。センターは”中心を作る”道具ではなく、”すでにある中心を支える”道具だと考えたほうが、精度を追い込むときには扱いやすい。
センター支持の押し付け量
回転センターは、強く押し付ければ支持が安定するというものではない。
押し付けが強すぎると、
- 軸方向の荷重が大きくなる
- その荷重で工作物がわずかに変形する
- 心押台やセンター本体に余計な負荷がかかる
- 加工中の摩擦熱で材料が熱膨張し、押付け力がさらに増えていく
といったことが起きる。逆に弱すぎれば、支持そのものが不十分になり、びびりや振れにつながる。今回の加工でしっくりきた感覚は、「ガタなく安定して支持できる程度」という、なんとも曖昧な表現に落ち着く。実際には、センターを当てた状態で工作物の先端を軽く揺すってガタがないことを確認しつつ、それ以上は締め込まない、というくらいの加減だった。
加工が進んで工作物が温まってくると、材料が熱膨張してセンターへの押付けがじわじわ強くなることもある。長時間の加工では、途中で押付け具合を確認し直す価値があると感じた。
外径測定時にセンター支持を外すべきか
基本的には、センターで支持した状態のまま主軸を停止し、マイクロメータなどで外径を測るようにしていた。
一度センターを外して測定し、また取り付け直すと、押付け量・工作物の姿勢・わずかなたわみ具合が、外す前とまったく同じに戻る保証がない。センター支持そのものが工作物の状態(たわみ方)に影響しているので、それを外して測って、また戻して削る、を繰り返すと、条件がそのつど微妙に変わってしまう。
どうしても測定器が邪魔でセンターを外さざるを得ない場面もあるが、その場合は再度取り付けたあとに、振れやガタがないか状態を確認してから加工を再開するようにしていた。
スプリングパスとは何か
仕上げ加工が終わったあと、切込み位置(ダイヤルの数値)をまったく変えずに、もう一度同じ送りをかける。この方法は、一般に「スプリングパス(spring pass)」と呼ばれている。
研削加工の「スパークアウト」(送りを止めて空転させ、火花が出なくなるまで待つ工程)と発想は近い。ただし旋削のスプリングパスは、送りを止めて待つのではなく、実際にもう一度バイトを最初から最後まで走らせる点が違う。そして、切込みをまったく変えていないにもかかわらず、2回目でも実際に材料が削れることがある。
今回の加工でも、同じ切込み位置でもう一度送ったところ、外径が数µm小さくなった。狙いの寸法に対して「あとひと息」というところで、この数µmがはめあい公差に入るかどうかを左右した。
なぜ同じ切込みなのに削れるのか
最初は不思議に感じたが、理由を整理すると納得できた。主な原因は、1回目の加工中に切削抵抗によって、
- 工作物がたわむ
- バイト(刃物)自体がたわむ
- 工具ホルダや機械側の各部がわずかに弾性変形する
ということが起きているからだ。刃先は材料を「押しながら」切っている状態になっていて、加工中は工具と工作物の位置関係が、設定上の切込みよりもわずかに逃げている。逃げた分だけ、材料は設定値より少しだけ太く(削り残しの状態で)仕上がる。
流れにすると、こういうイメージになる。
設定上の切込み
↓
切削抵抗によって材料・工具がわずかに逃げる(弾性変形)
↓
その分だけ太く削り残る
↓
切削が終わり、抵抗がなくなる → 逃げていた分が元の位置に戻る
↓
スプリングパス(同じ切込み位置でもう一度送る)
↓
戻ってきた分の削り残しを除去できる
加工中は逃げていた工具・工作物が、切削抵抗がなくなった瞬間に元の位置へ戻る。だから、同じ切込み位置のつもりでもう一度送ると、その”戻った分”がちゃんと削れる。切込みを変えていないのに削れるのは、機械が狂っているからではなく、弾性変形が戻った分を回収しているから、と考えると筋が通る。
数µm削れることは異常ではない
同じ切込み位置でもう一度送ったときに数µm削れること自体は、特に、
- 長い軸
- センター支持での加工
- 細い工作物
- 突き出しの長いバイト
- 仕上げの切込み量が小さいとき
といった条件が重なると、十分に起こり得ることだと感じた。異常ではなく、条件によっては普通に起きる現象という理解で扱っている。
ただし、数µmの世界を相手にするなら、削れ方だけでなく測定側の事情も無視できない。
- 加工直後の工作物は摩擦熱でわずかに温まっている(熱膨張で実寸より大きく測れることがある)
- マイクロメータの測定力(締め付ける強さ)によって数値が微妙に変わる
- 測定する位置(軸方向のどこを測るか)によって値が変わる
- 表面粗さの影響
- 測定者による差
加工した直後にすぐ測って「狙いより大きい」と判断するより、少し冷めてから測り直したほうが、実際の寸法に近い値が出ることがあった。数µmを追い込む場面では、削る側の工夫と同じくらい、測り方も揃えておく必要がある。
何回もスプリングパスすれば良いわけではない
スプリングパスは1回で終わることが多い。感覚としては、
- 1回目:仕上げ加工
- 2回目:スプリングパス(数µm削れる)
- 3回目:ほとんど削れない
という流れに落ち着く。何度送っても同じくらいの量が削れ続けるようなら、それはスプリングパスで説明できる範囲を超えている。むしろ、
- 工作物側の剛性不足
- バイト側の剛性不足
- センターの押付け不足(支持が弱い)
- びびりの発生
- 刃先の摩耗
- 切削条件(回転数・送り・切込み)そのものの問題
- 熱による寸法変位
のどれかを疑ったほうがいい。スプリングパスは、寸法を際限なく追い込むための魔法の手順ではなく、あくまで「弾性変形によって削り残った分を1回だけ回収する」ための方法だと考えている。2回、3回とやっても毎回同じだけ削れるなら、それは別の原因を探すサインだと捉えている。
はめあい公差との関係
はめあい公差では、数µmから十数µm程度の違いが、公差に入るか外れるかを左右することがある。普段の旋削加工ではまったく気にしないような、
- 工作物のたわみ
- 工具のたわみ
- 工作物の温度
- 測定のしかた
- センター支持の条件
が、はめあい公差を狙う加工では、そのまま寸法の合否に効いてくる。今回、スプリングパスで実際に数µm削れるのを目の当たりにして、「旋盤では、切込みダイヤルを同じ位置に合わせたから同じ径になるとは限らない」という点を、実感として理解できたのが一番の収穫だった。ダイヤルの数値と、実際に削れる寸法との間には、弾性変形という見えないクッションが挟まっている。
突っ切りについて(補足)
長い軸の最後を突っ切る場面についても、実際に気をつけていたことを書いておく。
切断した部品が落下するのが嫌な場合(重い部品や、落下すると端面が傷つく場合など)は、完全に突っ切らず、
- ある程度を残したところで送りを止める
- 主軸を停止する
- 工作物を取り外す
- 金ノコなどで最後の部分を切り離す
- 端面を仕上げる
という手順のほうが安全で扱いやすい。回転中に手で部品を受け取ろうとするような方法は避けている。
また、センターを強く押し付けたまま突っ切りを最後まで進めると、切断の直前で部品側が拘束された状態になり、バイトを挟み込む方向に力がかかることがある。突っ切りに入る前に、センターの押付け具合を見直しておいたほうがいい。
まとめ
はめあい公差を狙う旋盤加工では、最後の数µmは切込み量だけでは決まらない。工作物や工具の弾性変形、センター支持の状態、測定時の温度や方法まで含めて考える必要がある、というのが今回の加工を通じての実感だ。
要点を並べると、
- 長い軸は片持ちで削らず、センターで支持する
- センター穴は材料を短く持った状態で開けたほうが安定する
- つかみ直したあとは、センターで無理に中心を合わせにいかない(振れを確認してから支持する)
- センターの押付けは「ガタなく安定する程度」が基本で、強ければいいわけではない
- 仕上げ加工後、同じ切込み位置でもう一度送る「スプリングパス」で、弾性変形による削り残しを回収できる
- 数µm単位では、加工側だけでなく測定側(温度・測定力・測定位置)も揃える
- スプリングパスは1回で効果が出るもので、何度やっても削れ続けるなら別の原因を疑う
条件によっては、ここに書いた以外のやり方が適するケースもあると思う。それでも、「仕上げ加工後にもう一度、同じ位置で送ってみる」という一手が、はめあい公差を狙う場面では実際に効いた、というのが今回の経験から伝えたかったことだ。
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