旋盤加工と切削加工の基本的な違いから、それぞれの特徴、適した材料、使用する工具まで徹底解説。金属加工業界での選択肢として、どちらの加工方法が自社の製品に適しているのでしょうか？
シャフト 金属加工の技術と精度 段付き軸の旋削加工
シャフト金属加工における高精度技術と各種加工方法について解説します。段付き軸の加工から精度向上のポイント、最新のCNC技術まで、実務に役立つ知識を網羅。あなたのシャフト加工技術、さらに向上させませんか？
シャフトは機械装置において回転運動や直線運動を伝達する重要な部品です。その精度や強度が機械全体の性能や耐久性に直結するため、高品質な金属加工技術が求められます。この記事では、シャフト金属加工の基礎から応用まで、実務で役立つ知識を詳しく解説します。
シャフトには様々な種類がありますが、産業機器で特に多く使用されるのが段付き軸です。段付き軸は直径の異なる部分が段階的に切り替わる形状をしており、ベアリングや歯車などの部品を適切に配置するために用いられます。
段付き軸の加工には主に旋盤加工が用いられます。加工工程は以下の通りです。
段付き軸加工で特に注意すべき点は、長尺シャフトの場合に発生しやすい「たわみ」です。長さに対して直径が小さい場合、加工中に振動やたわみが生じ、精度低下の原因となります。このため、適切な回転数の設定や、心押し台の使用が重要です。
また、段差部分の角は応力集中が起きやすいため、適切なR（アール）加工を施すことで、シャフトの強度と耐久性を向上させることができます。
シャフト加工において「精度」は最も重要な要素の一つです。精度が低いと、軸とベアリングの間に隙間が生じたり、逆に締め付けが強すぎて摩耗が早まったりする問題が発生します。
シャフト加工で考慮すべき主な精度パラメータには以下のものがあります。
特に回転部品であるシャフトでは、芯振れ（ランアウト）の管理が重要です。芯振れが大きいと、回転中に振動や騒音が発生し、機械全体の寿命を縮める原因となります。
精度を高めるためには、以下の点に注意することが重要です。
公差等級の選定は、シャフトの用途や嵌合する部品との関係で決定されます。例えば、ベアリング嵌合部では、JIS規格でh5〜h7の公差等級が一般的に用いられます。公差等級が厳しくなるほど加工難易度と費用は上昇しますが、その分高精度な動作が期待できます。
シャフト加工において、主に用いられる加工方法は「旋盤加工」ですが、キー溝や平面部などの加工には「フライス加工」も必要になります。それぞれの特徴と違いを理解することで、効率的な加工計画を立てることができます。
旋盤加工（旋削）。
フライス加工。
実際のシャフト製作では、まず旋盤加工で基本的な円筒形状を作り、その後フライス加工でキー溝などの特殊形状を加工するという順序が一般的です。この組み合わせにより、機能的なシャフトが完成します。
近年では、複合加工機の発達により、旋削とフライス加工を1台の機械で連続して行うことが可能になっています。これにより、段取り替え時間の短縮やワーク取り付け誤差の低減が実現し、生産効率と精度の向上につながっています。
高精度が求められるシャフトでは、旋盤加工やフライス加工だけでなく、研削加工による仕上げが不可欠です。特に熱処理後のシャフトは硬度が上がり、通常の切削加工が困難になるため、研削加工が重要な役割を果たします。
研削加工の特徴。
研削加工の種類としては、外径研削、内径研削、平面研削、センターレス研削などがありますが、シャフト加工では主に外径研削が用いられます。外径研削は、回転するシャフトの外周面を砥石で研削する方法で、ベアリング嵌合部など特に高い精度が要求される部分に適用されます。
シャフト加工における大きな課題の一つが「芯振れ」です。芯振れとは、シャフトが回転したときに生じる振れのことで、以下の原因で発生します。
芯振れを防止するための対策
特に長尺シャフトの加工では、「振れ止め」と呼ばれる支持装置を使用することで振動を抑制し、加工精度を高めることができます。また、切削条件（特に切込み量）を適切に設定することで、加工による内部応力の発生を最小限に抑えることが可能です。
シャフト金属加工技術は日々進化しており、特にCNC旋盤やマシニングセンターの発展により、高精度化と効率化が進んでいます。最新技術とその活用法について解説します。
最新CNC旋盤の特徴。
特に注目すべきはツーリングシステムの進化です。シャフト加工では、工具保持具（ツールホルダー）と主軸の接続方式が精度に大きく影響します。現在主流のシャンク（工具の柄部分）には以下のようなものがあります。
これらのシャンクは、工具のフレや振動を抑制し、シャフトの精度向上に貢献しています。特にBBTシャンクやHSKシャンクは、テーパー部とフランジ部の2カ所で保持する「2面拘束タイプ」で、高精度なシャフト加工に適しています。
また、新しい加工方法として注目されているのが「ハードターニング」です。これは焼入れ後の硬い材料を、特殊な工具を用いて直接旋削する技術で、従来の「旋削→熱処理→研削」という工程を「旋削→熱処理→ハードターニング」に置き換えることで、工程短縮とコスト削減が可能になります。
シャフト加工における最新のデジタル技術
これらのデジタル技術を活用することで、熟練工の技能に依存しない安定した加工品質を実現できるようになっています。
さらに、シャフトの修理技術も進化しています。摩耗したシャフト部分を「肉盛溶接」で修復し、その後精密加工で寸法を復元する方法が一般化しています。これにより、高価なシャフトの交換コストを抑え、機械の長寿命化に貢献しています。
シャフトの性能を最大限に引き出すためには、適切な材料選定と熱処理が不可欠です。用途や要求特性に応じた最適な材料選択と処理方法について解説します。
シャフト用主要材料とその特徴。
| 材料 | 特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|
| S45C | 汎用性が高く、機械的性質のバランスが良い | 一般機械部品、自動車部品 |
| SCM440 | 焼入れ性に優れ、高強度・高靭性 | 高負荷用シャフト、自動車部品 |
| SUS304 | 耐食性に優れる | 食品機械、化学プラント用シャフト |
| SUS420J2 | 耐食性と焼入れ性を兼ね備える | 高精度要求のステンレスシャフト |
| SKD11 | 高硬度、耐摩耗性に優れる | 金型用シャフト、高負荷用シャフト |
シャフト用材料を選定する際の主な考慮点は。
特に重要なのが熱処理です。シャフトに適用される主な熱処理方法には以下のものがあります。
熱処理を行う際の最大の課題は「歪み」です。特にシャフトのような細長い部品は熱処理による変形が生じやすく、精度に影響します。この問題に対処するためには。
を計画的に実施することが重要です。
近年では、環境負荷低減の観点から、低温浸炭や窒化など、低温で行える表面硬化処理が注目されています。これらの処理は従来の熱処理と比べて変形が少なく、精度維持に有効です。
高品質なシャフトを安定して生産するためには、発生しやすいトラブルを事前に把握し、適切な対策と品質管理を行うことが重要です。ここでは主なトラブルとその対策、効果的な品質管理方法について解説します。
シャフト加工の主なトラブルと対策。
効果的な品質管理方法。
シャフト加工における品質管理は、「工程内品質管理」と「最終検査」の2段階で行うのが効果的です。
工程内品質管理。
最終検査。
特に重要なのが「トレーサビリティ」です。材料の入荷から加工、熱処理、検査までの全工程を記録し、問題が発生した場合に原因追及できる体制を整えることが大切です。
また、統計的手法を用いた品質管理も有効です。工程能力指数（Cp、Cpk）を活用することで、加工プロセスの安定性を定量的に評価し、継続的な改善につなげることができます。