試作人基礎講座

本日は穴をあけたり、あけた穴を加工する機械、ボール盤についてご紹介していきます。
ボール盤は旋盤やフライス盤と同様に汎用性に優れた工作機械です。
そんなボール盤の種類や加工方法をご紹介していきます！
製造業の方はご存じの内容かもしれませんが、是非お付き合いください♪

ボール盤とは

ボール盤とは、木材や樹脂材、金属材などに対して、穴あけ加工や中ぐり加工、リーマ加工などを施すことで材料の不要部分を除去し、材料を所定の形状に成形するための工作機械のことです。
主にツイストドリルやセンタードリル、リーディングドリルなどの各種ドリルを装着して使用しますが、以下のような切削工具も用いられます。
・リーマ・・・穴の形状を整えたり内面を仕上げたりするための切削工具
・タップ・・・穴の内面にねじ山を刻む(雌ねじを切る)ための切削工具
・中ぐりバイト・・・穴の径を拡張するための切削工具
・カウンターシンク・・・面取りやバリ取り、皿もみを行うための切削工具
・面取りカッター・・・面取りやバリ取り皿もみのほか、センタリングや穴あけも可能な切削工具
・ホールカッター(ホールソー)・・・板材に大口径の貫通した穴をあけるための切削工具

ボール盤では、工作物を固定し、回転する切削工具を工作物に向けて垂直に下ろすことで加工を行います。
ボール盤は、高精度の穴を用意に開けることができる機械ですが、安全に十分配慮しないと怪我などにつながりやすいというデメリットもあります。

ボール盤の構造と各部の名称

引用元：機械工学事典 > 生産加工・工作機械「ボール盤」一般社団法人日本機械学会

主軸頭

主軸頭はドリルの回転軸となる主軸とその動力源となるモーター、回転数や回転力(トルク)を変えるプーリー、動力をモーターから主軸に伝達するベルト、主軸を操作するハンドルを備え持つ部位のことです。
上図における、右上の樽状のものがモーター、主軸とモーターの上に位置するベルトがかけられているものがプーリーです。

●ドリル

ドリルは、穴あけを行うための切削工具です。
ボール盤では、鉛直軸周りの回転運動を与えられ、鉛直方向に送られて工作物に接触し、工作物を削ります。

●ドリルチャック

ドリルチャックは、主軸に取り付けられて、ドリルのシャンク(柄部)を掴んで保持し、主軸の回転運動をドリルに伝える保持器具です。
ただし、主軸の取り付け口の形状によっては、主軸とドリルチャックとの間にアーバーと呼ばれる接続器具を挟むことがあります。

●主軸

主軸は、ドリルを回転させるための軸のことです。
スピンドルとも呼ばれます。

●ベルト

モーターで生成された動力を主軸に伝達するためのシームレスな帯状部品です。
通常は安全のため、ベルトカバーでおおわれています。

●プーリー

プーリーは、ベルトをかける滑車として働き、モーターから主軸への動力の伝達を補助する部品です。
また、ボール盤のプーリーは、直径が異なる複数の円盤が連なっており、ベルトを異なる直径の円盤にかけ替えることで、自動車のトランスミッションのように、軸の回転速度を変更することができます。

ベルトのかけかえは、主軸の回転数を変更するたびに必要となり、非常に手間がかかる作業です。
そのため、動力をベルトではなく、歯車で伝達しているものもあり、そのようなボール盤であれば、レバーを引くなどの簡単な操作で主軸の回転速度の変更が可能です。
また、インバータによってモーターに供給する電力の周波数を制御して、モーターの回転数を連続的に制御できるようにしたボール盤もあります。
それならば、稼働中でも主軸の回転数変更が可能となるため、作業時間の大幅な短縮につながります。

●ハンドル

ハンドルは、主軸の上下への送りを操作するためのもので、手動でドリルを鉛直方向に送る手送りと一定の送り速度でドリルを鉛直方向に送る自動送りの双方を行うことができます。

テーブル

テーブルは、工作物を固定する台となるもので、通常、バイス(万力)やクランプが備え付けられています。
テーブル自体を上下、または左右に移動させるハンドルが備わっており、ハンドル操作によって、テーブルを鉛直方向に動かしたり、コラムを中心に回転させたりすることができます。

コラム

コラムは、ベースの上に垂直に固定された機械を構成する柱で、主頭軸とテーブルを支える役割を持ちます。

ベース

ベースは、直接的にはコラムを支える機械全体の土台となる構成部品です。
アンカーボルトでコンクリート地面に直接固定したり、ボルトで重量のある台座に固定したりします。

ボール盤の種類

ボール盤には様々な種類があります。
DIYで使えるような小型のものから、大物の加工に向いたもの、流れ作業に適したものなど、工作物の形状やサイズ、作業場の状況に応じて、適したものを選定する必要があります。
ここでは、代表的なボール盤についてご説明します。

直立ボール盤

直立ボール盤は、主軸が上下のみに動く、コンクリート床に直接据え付けたり、大型の台座に固定したりして用いるボール盤です。
工場などでよく用いられているボール盤で、単にボール盤という場合は直立ボール盤のことを指します。
直立ボール盤は、主軸の水平位置が固定されているため、工作物そのものや工作物を固定するテーブルを動かして加工する際の位置決めを行います。
そのため、比較的小形の工作物の加工に適しています。
また、テーブルは加工作業時には固定しますが、上下方向だけでなく、水平方向に移動可能なものやコラムを中心に水平回転が可能なもの、傾斜可能なものなどがあります。

ラジアルボール盤

ラジアルボール盤は、主軸が鉛直方向だけでなく、水平面内でも自由に移動可能なボール盤です。
テーブルがなく、ベースがテーブルの代わりとなって工作物を固定することになりますが、主軸の自由が高いため、工作物を動かすことなく、複数箇所を加工できます。
ラジアルボール盤の主軸頭は、コラムを中心に旋回するアームに取り付けられており、アームに沿った移動も可能です。
そのため、アームの届く範囲内であれば、主軸を水平面内の任意の位置に配置することができます。
ラジアルボール盤は、主に大型、または重量のある工作物の加工に用いられます。

卓上ボール盤

卓上ボール盤は、ベンチドリルとも呼ばれる、作業台の上に設置して使用する小型のボール盤です。
基本的な構造は直立ボール盤と同様で、主軸が上下にのみ動き、前後左右には動かないため、工作物やテーブルを動かして位置決めをして加工を行います。
小型である分、工作物を固定するテーブルも小さく、小型・軽量である製品の製作やDIYなどに用いられています。

多軸ボール盤

多軸ボール盤は、一つの主軸頭に複数の主軸を備え持つ、同時に複数箇所の加工が可能なボール盤です。
主軸頭内で主軸の配置を変化できるようになっています。
主に8～12軸程度のものが使用されていますが、30以上の軸を持つものもあります。
大量生産に向いており、複数箇所の穴あけを大量の材料に適用する場合などに効果的です。
ただし、多数ある主軸の配置変更には時間がかかるため、少量多品種生産には適していません。
汎用の機種は少なく、特定の製品の専用機として製造され、生産ラインの特定の作業に用いられることが多いボール盤です。

多頭ボール盤

多頭ボール盤は、多軸ボール盤と対照的に、一つの主軸を持つ複数の主軸頭を備えたボール盤です。
複数の主軸頭で共通のテーブルを使用し、一つの工作物を各主軸頭の直下に順次動かしていくことで、穴あけやねじ切り、座ぐりなど、複数種類の加工を順番に実行できるようにしています。

深穴ボール盤

深穴ボール盤は、他種のボール盤よりも狭く深い穴を加工する場合に用いられるボール盤です。
深穴加工機やガンドリルマシンとも呼ばれ、もともとは、小銃や猟銃などの銃身の穴あけのために開発された工作機械です。
ガンドリルやBTA工具と呼ばれる専用工具を使用し、ドリルを横に向け、ドリルの先端に空いた穴から切削油を供給しながら深穴加工を行います。
深穴加工とは、穴の深さが直径の10倍を超える穴あけ加工のことですが、近年では、口径0.5mm以下の穴でも深さが50mm(0.5mmの100倍)程度まで加工可能なガンドリルが数多く登場しています。
精度の要求が高いシリンダーやスピンドル、自動車のクランクシャフトなどにおいて深穴加工の需要は多く、深穴加工機は自動車や航空機、情報家電などの薄型化・軽量化が進む部品の加工などでも用いられるようになっています。

タレットボール盤

タレットボール盤は、複数の切削工具を取り付けられるタレットと呼ばれる回転式の刃物台を備え持つボール盤です。
タレットに複数種の工具をあらかじめ装着しておくことで、工具交換にかかる時間を短縮することができます。
例えば、タレットにドリルとタップ、面取りカッターを装着しておけば、穴あけ加工、ねじ切加工、穴の面取り加工を連続的に実行できます。

NCボール盤

NCボール盤は、NC(数値制御)によって自動的に穴あけ加工などを実行できるボール盤です。
最近では、コンピューターを通してNCの設定が可能なCNCボール盤も存在します。
NCボール盤では、加工穴の位置や深さなどをあらかじめプログラムしておくことで、自動的な加工が可能となります。
主軸の移動もプログラムすることが可能であることから、複数箇所の連続的な加工も自動化できます。
自動送り装置と組み合わせれば、ボール盤による加工を完全に自動化した生産ラインの一工程とすることも可能です。
量産化や工数削減などによるコスト低減のほか、作業員のけが防止や品質の安定化などのメリットがあります。
しかし、導入費用が高かったり、NCのプログラム技術や加工ノウハウが必要となったりするなどのデメリットがあります。

ボール盤でできる加工

穴あけ加工

穴あけ加工は、ドリルによって円筒形状の穴をあけるという、ボール盤の最も基本的な加工方法です。
貫通させる場合(通り穴・貫通穴)もあれば、設定した深さで止める場合(止まり穴)もあります。
通常、側面の溝にねじれがあるツイストドリルが用いられます。

穴あけ加工は通常、以下の手順で行います。
1.穴のセンタリング(位置決め)を行う
2.下穴をあける(ドリルによる穴あけ加工)
3.穴の用途に応じて、下穴へ中ぐり加工やリーマ加工、ねじ切加工、座ぐり加工、などを施す

穴あけ加工の前に、まず、実行されるのが穴の中心にくぼみなどの位置決め穴をあけるセンタリングです。
センタリングは、センターポンチなどのケガキ工具やセンタードリル・リーディングドリルなどの切削工具を用いて行われます。
位置決め穴をあける理由は、加工穴の精度確保のためでもありますが、位置決め穴がないとドリルの先端がブレて中心がズレてしまうことがあるからです。
但し近年、ドリルの性能が向上したことにより、位置決め穴がなくても、十分な精度の穴あけ加工が可能となっています。
しかし、高精度な穴あけ加工が要求されている場合には、やはりセンタリングが必須です。
センタリングの後、ドリルを使用して穴をあけます。
しかし、ドリルによってあけられる穴の口径は限られます。
また、ドリルによる加工穴は、加工面が粗く、精度も十分ではありません。
そのため、穴の用途に応じて、さらに中ぐりやリーマなどの加工が施されます。

リーマ加工

リーマ加工は、穴の寸法精度を高めたり、穴の内面を滑らかに仕上げたりするために、ドリルであけた穴の内側を薄く削る加工方法です。
リーマと呼ばれる切削工具が用いられます。
リーマ加工の前にあけた下穴は、リーマの直径から0.1mm～1.0mm程度小さい口径としますが、ドリル径が足りない場合は、リーマ加工の前に中ぐり加工を施して口径を広げます。
リーマは、円筒形状の切れ刃などを備えた本体にシャンクが付いたような構造をしており、円筒側面の先端から、切れ刃、切れ刃に続いてマージンと呼ばれる部位があります。
切れ刃は穴の内面を削って寸法精度を高め、マージンは穴の内面をつぶすことで、表面を滑らかにする役割を担います。
リーマ加工は、精密性を要する作業であるため、主軸の振れやチャックのガタツキなどに注意する必要があります。
工作物の水平が取れているかを確認することも重要です。

ねじ切り加工

ねじ切り加工は、ドリルであけた穴の内側に、タップと呼ばれる切削工具で、ボルトなどを通すための雌ねじのねじ山を形成する加工方法です。
タップ立てやタッピングとも呼ばれます。
タップは、側面にねじ山のような鋭利な山が連続的に連なった構造を持ちます。
ポイントタップなどの通り穴用とスパイラルタップなどの止まり穴用があり、止まり穴用には、切りくずを排出するための溝があります。
ボール盤でねじ切り加工を行う場合、穴に形成するねじ山の間隔が決まっているので、自動送りによってタップを送ってねじ切りを行います。
ボール盤をタップと工作物の固定具にして、手動でねじ切りを行うこともあります。
その場合、まず、タップハンドルと呼ばれる手動工具にタップを取り付け、タップはボール盤に固定された工作物の下穴に合わせます。
次に、ボール盤の主軸にセンタと呼ばれる支持具を取り付け、センタをタップの柄のセンタ穴に合わせてタップを保持します。
この状態でタップハンドルを回しながらセンタを手動で下方に送ると、タップの曲がりを心配することなく、ねじ切りを行うことができます。

中ぐり加工

中ぐり加工は、ドリルであけた穴をさらにくりぬいて内径を削り広げる加工方法です。
中ぐりバイトと呼ばれる切削工具が用いられます。
中ぐりバイトは、先端に備えた超硬合金などからなるチップによって、穴の内面を削り出します。
チップは通常、交換が可能となっています。
中ぐり加工を止まり穴に適用する場合、切りくずが内部にたまりやすく、切りくずによって穴の内面が傷つきやすくなっています。
定期的に加工を止め、切りくずを排出する必要があります。
また、工具が穴の底に強く当たると、欠けなどの原因となるので、穴の深さに余裕を設けるか、工具をゆっくり送るようにしましょう。

座ぐり加工

座ぐり加工は、座ぐり穴を形成するための加工方法です。
座ぐりとは、ねじやボルトを締めたとき、それらの頭部が工作物表面の下に沈み込むように、ねじ穴の周辺を凹形状に加工することです。
そのねじ穴の周囲にあけた穴が座ぐり穴で、座ぐりカッターや後述する座ぐりドリルと呼ばれる特殊なドリルで形成されます。
座ぐり穴にねじ・ボルトを締めると、工作物表面のねじ頭部による出っ張りがなくなり、表面は平らな仕上がりとなります。
それによって、美観が良好になるほか、製品を傷つけたり、作業員がひっかけたりすることもなくなります。

ボール盤で使われるドリルの種類

ツイストドリル

ツイストドリルは、側面の溝にねじれがあるドリルのことです。
単にドリルという場合、ツイストドリルを指します。
溝のねじれは、ドリルの先端で生じた切りくずをシャンク側に送る役割があり、穴あけ加工の際には、このねじれた溝を通って切りくずが排出されます。
また、ねじれは先端の切れ刃とつながっており、切れ刃の傾きでもあります。
つまり、ねじれ角が大きいほど、切れ刃が鋭利になるとともに、より鋭い角度で工作物表面に入ることになります。
それにより切れ味が良くなって、その結果、切削抵抗も小さくなります。
しかし、切れ刃の強度は低下するため、切れ刃に欠けやチッピングが起こりやすくなります。

溝にねじれがない直刃ドリルと呼ばれるものもあります。
直刃ドリルは、ツイストドリルに比べて切れ味は劣りますが、切れ刃の強度は高く、硬い素材の加工や傾斜に対する穴あけ加工に用いられます。
上述したように、ドリルによる穴あけ加工の前には、穴の中心にくぼみなどを付けることが推奨されますが、その理由の一つに、ドリルの先端にあるチゼルエッジと呼ばれる切れ刃のない部位の存在が挙げられます。
チゼルエッジはドリルの剛性を左右するウェブ(ドリルの芯)が先端に表出したものですが、最近のドリルでは、このチゼルエッジを切れ刃に加工するシンニングが施されているドリルがあります。
このシンニングによって、ドリルは穴あけ開始時の工作物表面への食い付きがよくなり、場合によっては位置決めのくぼみも不要となります。

座ぐりドリル

座ぐりドリルは、穴あけ加工と座ぐり加工を同時に実行できるドリルのことです。
その寸法は、ねじやドリルの規格に合わせたものがほとんどであり、先についているドリルの直径はねじ・ボルトの呼び径より少し小さく、中央の座ぐり刃の直径はねじ・ボルトの外径より少し大きくなっています。
ただし、ねじ・ドリルを締めるには、さらにタップによるねじ切りが必要です。

センタードリル

センタードリルは、先端に細いドリル、その細いドリルに続いて、さらに円錐状のドリルを備え持つドリルのことです。
センター穴と呼ばれる、工作物の端の中心にあけられる、センターを差し込んで工作物を支持するための穴の加工に用いられます。
センター穴加工以外にも、先端のドリルのみでセンタリングや薄板の穴あけ加工を行ったり、円錐状のドリルで穴の面取り加工を行ったりと多様な使い方ができるドリルです。

特に、センタードリルは剛性が高いため、位置決めのくぼみなしでも工作物表面を滑ってしまうことが少なく、穴あけのセンタリングに有効です。
また、センタードリルの円錐状のドリルは、60°や75°、90°の角度を持ちますが、90°のものもあれば、皿頭ねじの頭部の角度(90°)と一致するため、センタードリルを皿もみ加工に使用することができるでしょう。

フライス盤・旋盤との違い

ボール盤とフライス盤、旋盤は、ともに材料を削り出して所要の形状に成形する切削加工を行うための工作機械です。
しかし、ボール盤とフライス盤が転削加工を行うための機械である一方、旋盤は、旋削加工を行うための機械であるという違いがあります。
・転削加工・・・回転させた工具を固定した材料に当てることで、材料を削り出す加工方法です。
・旋削加工・・・回転させた材料に固定した工具を当て、工具の位置を送り装置で調節することで、材料を削り出す加工方法です。
転削加工を行うための加工機械であるボール盤とフライス盤ですが、これらの機械は、加工するときの工具の送り方向が異なります。
ボール盤は、水平面内で工具の位置を合わせた後、工具を鉛直下方に送ることで加工します。
その一方、フライス盤は３次元空間内で工具の位置を合わせた後、工具を前後左右及び上下に送ることで加工します。
つまりフライス盤は、ボール盤の機能を兼ねることが可能です。
しかしフライス盤では、ボール盤のように材料をペンチでつかんで穴あけをするといった手軽な取り扱いはできず、工具を手動で大きく(速く)送るようなこともできません。
また、ボール盤に比べて、工具交換に時間がかかります。
つまり、穴あけ加工を実行するならば、ボール盤のほうがフライス盤より効率的であるということです。

アスクではボール盤を使ってバリ取りなども行っているのですが、目がおかしくなるんじゃないかと思うぐらいすごいバリ取りもボール盤で行いました！
是非見ていただきたいので気になった方はアスクのInstagramやTikTokで探してみてください♪
他にも面白いものが発見できるかも！？

アスクのInstagram　→　@askk_tannouki

アスクのTikTok　→　@askk1989

こちらの記事はMitsuri Media様の記事を参照しております。

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