CNCアンダーカット加工：工具の接近性・形状の種類・製造上の課題

アンダーカット形状は、標準的な工具の動作では必要な形状を加工できない箇所に設けられます。加工領域が壁面の裏側、肩部の下側、狭い内部などにあり、工具が直接接近できないことが特徴です。機械部品の組立部、はめ合い部、抜け止め機構、特殊形状部などに用いられます。

一般的なポケットや輪郭形状とは異なり、アンダーカットでは、工具経路を作成できるかどうかよりも、工具を加工位置まで進入させられるかどうかが課題になります。CAD上では単純に見える形状でも、実際には工具の到達距離、周囲のすきま、動作範囲が制限され、加工が難しくなる場合があります。

製造現場では、専用工具や追加の段取り検討が必要になることがあります。工具の保持部から離れた位置で切削するため、工具の安定性が重要です。また、加工深さ、隅部の形状、工具の接近方向によって、安定して加工できるかどうかが変わります。

本記事では、CNC加工の観点から、アンダーカットの種類、使用工具、工具の接近に関する制約、奥まった形状を加工する際の実務上の課題を解説します。

機械加工におけるアンダーカットとは

専用工具を使用し、CNC旋盤で内側の奥まった部分を加工している様子。出典：iStock

アンダーカットとは、通常の加工方向から工具を直接接近させにくい位置にある、くぼみや張り出しの裏側などの形状です。CNC加工では、標準的なエンドミルで壁面や肩部の裏側に届かないことがあるため、工具の進入経路と加工方法を事前に検討する必要があります。

機械部品にアンダーカットを設ける理由

アンダーカットは、組立時の逃げ、抜け止め、はめ合い部、工具の逃げ部などを形成するために設けます。通常の輪郭形状だけでは十分なすきまが得られない場合に、部品を所定の位置まで確実に着座させる役割もあります。

ねじ部品では、ねじ終端付近に工具の抜ける空間を確保するため、逃げ溝を設けることがあります。はめ合い部では、隅部や段差部での干渉を避けるために使用します。また、適切な半径と形状を与えた逃げ部は、急激な断面変化に伴う応力集中を緩和する目的で設ける場合もあります。

アンダーカット、溝、一般的なフライス加工形状の違い

アンダーカット、溝、一般的な加工形状の違いは、形状だけでなく、工具がどの方向から加工箇所へ接近できるかにもあります。なお、溝とアンダーカットは完全に別の分類ではなく、溝の位置や断面形状によってはアンダーカットに該当します。

アンダーカット加工が難しい理由

アンダーカットでは、一般的な輪郭加工やポケット加工とは異なる切削条件が生じます。加工箇所が狭く奥まっているため、工具の接近制限、工具の変形や振動、加工状態の見えにくさが主な課題となります。

奥まった形状における加工の安定性

アンダーカット加工では、工具の保持部から離れた位置に切削力が作用することがあります。そのため、工具のたわみや振動が発生しやすくなります。深い箇所では、わずかな工具変位でも、壁面の加工跡やエッジ位置のばらつきにつながります。

切りくずの排出と熱の蓄積

加工領域が部分的に囲まれているため、切りくずが内部に残りやすくなります。特に深い内径部では排出経路が限られ、切れ刃の周辺に切りくずが滞留すると、再切削や温度上昇が起こり、表面品質を維持しにくくなります。

見えにくい形状の検査

アンダーカットには、加工後も直接目視できない箇所があります。内側の隅部、裏側の加工面、奥まった輪郭などは、形状に対応した測定器、プローブ、三次元測定機などによる確認が必要です。目視だけでは寸法精度を判断できないため、検査に時間がかかる場合があります。

CNC加工における主なアンダーカット形状

アンダーカットは、形状、工具の接近方向、周囲の空間によって加工方法が異なります。代表例には、ねじ逃げ、内径の逃げ溝、軸の逃げ溝、T溝、あり溝などがあります。

内径の逃げ部・アンダーカット

内径の段差部や奥まった部分に逃げを設け、必要なすきまを確保します。穴径と加工深さによって工具寸法が制限されます。進入口が小さく、加工箇所が深いほど、細長い工具が必要になり、切削時の剛性が低下しやすくなります。

外径の逃げ部・軸のアンダーカット

段付き軸の径が変わる部分や肩部の隣に逃げを設け、相手部品の着座を妨げる干渉を防ぎます。外側から工具を接近させやすいため、一般に内径加工より短い工具を使用しやすく、安定した切削条件を確保しやすくなります。

ねじ逃げ・ねじ終端の逃げ溝

ねじ終端に逃げ溝を設け、ねじを所定の位置まで加工するための空間と、工具の抜ける空間を確保します。溝幅や深さは、ねじ寸法、工具形状、適用規格などに応じて決定します。

規格化されたアンダーカット・逃げ形状

規格化された逃げ形状は、定められた形状と寸法に基づいて設計します。標準形状を採用すると、工具の選定が容易になり、設計ごとの不要なばらつきを抑えられます。ねじ逃げや軸の逃げ部では、用途に応じてDINやISOなどの関連規格を参照し、加工と組立に必要なすきまを確保します。

T溝・あり溝

T溝やあり溝には、開口部よりも奥側へ広がる形状があります。開口部の下側や裏側を切削するため、形状に対応した専用カッタが必要です。工具角度、切れ刃の到達範囲、進入経路が重要な検討項目となります。

表1：アンダーカット形状の比較

アンダーカット加工の工具接近性と切削安定性

アンダーカットでは、一般的なポケットや輪郭加工よりも工具に多くの制約が生じます。開放された空間から離れた位置で加工するため、工具の到達距離、保持状態、接近経路が切削挙動を直接左右します。

内径溝入れ工具と特殊カッタ

• 加工箇所が周囲の形状の下側や裏側にあるため、標準的なエンドミルでは届かない場合があります。
• 形状と進入可能な空間に応じて、ロリポップカッタ、T溝カッタ、あり溝カッタなどを選定します。
• CAD上で切れ刃が加工位置に届いていても、実際の主軸動作ではホルダが周囲に干渉する可能性があります。

工具の到達距離・突出し長さ・接近の制約

• 深いアンダーカットでは、奥の加工箇所に届く長い工具が必要になる場合があります。
• 突出し長さが増えるほど剛性が低下し、切削力による変位が大きくなりやすくなります。
• 周囲のすきまが少ないと、主軸の動作や工具の接近方向も制限されます。

工具のたわみ・振動・びびり

• 保持部から離れた位置に切削力が作用すると、工具のたわみや振動が生じやすくなります。
• わずかなたわみでも、奥まった壁面や裏側の加工面に寸法誤差が生じます。
• 細長い工具では剛性が低くなりやすく、びびりが問題になる場合があります。

切りくず排出とクーラントの到達性

クーラントを供給しながら、CNCフライス盤で金型部品のアンダーカット部を加工している様子。出典：iStock

• 加工領域が部分的に囲まれているため、切りくずの排出空間が限られます。
• 内部に残った切りくずが、次の切削で再びかみ込まれることがあります。
• 切れ刃が奥まった位置にあるため、クーラントも届きにくくなります。

複雑なアンダーカットへの多軸加工の活用

• 多軸工作機械では、工具とワークの相対姿勢を変え、異なる方向から加工箇所に接近できます。
• 適切な工具姿勢を選ぶことで、過大な突出し長さを避けられる場合があります。
• 工具の接近性が改善されると、複雑な形状でも段取り回数を減らせる可能性があります。

CNC加工しやすいアンダーカットの設計

アンダーカットの設計は、工具選定、段取り、加工の安定性に影響します。形状をわずかに変えるだけで、一般的な段取りで加工できるか、専用工具や追加工程が必要になるかが変わる場合があります。

工具の接近性を考慮する

工具の進入経路と退出経路を確保する必要があります。周囲の壁面や肩部が工具を遮る場合は、長い工具や特殊カッタが必要です。工具が接近しやすい設計にすると、段取り替えを減らし、安定した加工条件を確保しやすくなります。

隅部の半径・幅・深さを検討する

内側の隅部の半径が小さいと、細い工具が必要になり、剛性が低下します。溝幅が狭い場合は、使用できる工具や切りくずの排出空間も制限されます。深さが増すと工具の到達距離が長くなり、切削中のたわみや寸法変動が発生しやすくなります。

公差と検査方法を検討する

奥まった箇所に厳しい公差を設定すると、工具変位の管理や仕上げ加工に時間がかかります。簡易的なゲージでは確認できず、プローブや三次元測定機が必要になる場合もあります。厳しい公差は、機能上必要な面や寸法に絞って指定することが重要です。

材料が加工性に与える影響を考慮する

アルミニウムは、一般に切削抵抗が比較的小さく、アンダーカットでも加工しやすい材料です。ただし、切りくずの付着や溶着には注意が必要です。ステンレス鋼では、狭い領域で工具負荷と発熱が増え、工具寿命や表面品質に影響します。硬い合金では、材質と工具に応じて切削速度や切込み量を調整する必要があります。

CNC旋削とフライス加工を使い分ける

CNCフライス工具で金属部品のアンダーカット部を加工している様子。出典：Depositphotos

CNC旋削は、回転対称の軸の逃げ部やねじ逃げを効率よく加工するのに適しています。一方、側面の非回転対称形状や、傾斜方向からの接近が必要な形状では、フライス加工を検討します。加工方法は、形状、工具の接近性、必要な精度などに応じて選定します。

加工順序と工程を計画する

アンダーカットは、主要な粗加工によって工具の進入空間を確保してから加工することが一般的です。事前に周囲の材料を除去すると、後工程での接近制限を減らせます。ただし、必要なワーク剛性を維持し、仕上げ面への干渉や損傷も防げるよう、加工順序を計画する必要があります。

奥まった形状や工具が接近しにくい形状を持つCNC部品では、早期のDFMによって、不要な特殊工具や不安定な切削条件を避けやすくなります。JLCCNCでは、加工前にアンダーカットへの接近性、工具周囲のすきま、加工の安定性を確認し、複雑な部品の段取りリスクを検討します。

アンダーカット加工で起こりやすい不具合

アンダーカット加工の不具合は、工具の接近制限と切削の不安定さに起因することが多くあります。狭い内部で加工するため、段取りや切削負荷のわずかな変化が、最終的な形状品質に影響します。

加工が安定しないと、段取り確認の長期化、工具寿命の低下、検査費用の増加につながる可能性があります。

寸法のばらつき

切削中に工具のたわみが変わると、アンダーカットの幅や深さにも変動が生じます。突出し長さの大きい工具は荷重によって変形しやすく、切りくず負荷や工具摩耗のわずかな変化も、寸法に影響しやすくなります。

奥まった箇所のバリ・表面不良

アンダーカットのエッジには、バリが発生することがあります。また、排出されにくい切りくずが加工面に接触したり、再切削されたりすると、傷や面粗さの悪化につながります。内部は工具や仕上げ用具が届きにくいため、後処理によるバリ除去も難しくなる場合があります。

深い・狭い箇所での工具折損

深いアンダーカットでは、工具の突出し長さが増え、剛性が低下しやすくなります。切りくず詰まりや急激な切込みによって負荷が増すと、小径工具が折損する場合があります。ステンレス鋼や硬い合金では、切削抵抗が大きくなりやすいため、より慎重な条件設定が必要です。

薄肉部品・複雑形状部品の変形

アンダーカット付近の薄肉部は、局所的な切削力によって変位することがあります。支持のない壁面の近くで材料を除去すると剛性が低下し、曲がりや形状変化が生じやすくなります。長尺部品や中空部品に複数のくぼみを設ける場合は、特に注意が必要です。

工作機械の能力がアンダーカット加工に与える影響

アンダーカット加工では、切削中の機械の安定性と、工具がワークの周囲をどの程度自由に移動できるかが重要です。加工空間が限られるため、機械剛性、各軸の動作範囲、工具姿勢の制御能力を確認する必要があります。

3軸加工と5軸加工の対応範囲

• 3軸フライス加工でも、T溝カッタやロリポップカッタなどを使用し、工具の進入経路を確保できれば、単純なアンダーカットに対応できます。
• 5軸工作機械は、工具またはワークの姿勢を変えられるため、タービンハウジング、航空宇宙用ブラケット、複雑な医療機器部品などの接近しにくい面を加工する際に有効です。
• 回転軸を活用することで、再取付けを減らし、一度の段取りで関連形状を加工できる場合があります。

工具姿勢と到達距離の管理

• 工具姿勢によって、正面、側方、傾斜方向など、加工面への接近方法が変わります。
• 姿勢が適切でないと、過大な突出し長さが必要になり、たわみや干渉のリスクが増えます。
• 工具の切削可能な範囲と剛性を考慮した姿勢を選ぶことで、側面、底面、裏側の加工を安定させやすくなります。

ホルダのすきまと干渉

• 狭いアンダーカット部でも、切れ刃だけでなく、ホルダが通過する空間を確保する必要があります。
• 特に深い内部では、ホルダ周囲のすきま不足によって干渉が起こりやすくなります。
• 必要な剛性を保ちながら、ホルダ外形や突出し長さ、治具配置を最適化することで、干渉の可能性を減らせます。

奥まった箇所へのクーラント供給

• 加工箇所が内部に入るほど、外部から供給するクーラントが切れ刃に届きにくくなります。
• 切りくずやクーラントが円滑に排出されないと、熱が蓄積しやすくなります。
• 切削点へ適切に向けた供給によって、切りくず排出と切削の安定性を改善できます。

アンダーカット加工で重要なこと

アンダーカットの加工性は、図面上の寸法だけでなく、工具の接近性によって大きく左右されます。壁面の裏側や奥まった領域では、工具が物理的に届き、安定した状態で切削できることが前提です。

最終精度は、実際の切削挙動によって決まります。特に深い箇所や見えにくい箇所では、工具の到達距離、突出し長さ、保持状態、周囲のすきまが、寸法の安定性に影響します。

アンダーカットは加工可能な場合が多いものの、最初のCAD形状のままでは難しいこともあります。加工前のDFMでは、工具の接近性、切削の安定性、検査の実現性を確認することが重要です。

JLCCNCでは、奥まった形状や工具が接近しにくい形状を持つCNC部品について、見積もり時にアンダーカット形状を確認し、工具の制約や加工上のリスクを事前に検討します。

アンダーカット加工に関するよくある質問