微細加工:極小精密部品を調達するための発注ガイド
微細加工とは、非常に小さな部品、または大きな部品の非常に小さな形状を、その寸法に合わせた切削加工で作ることです。発注者にとっての実用的な定義は単純で、部品の全体がおよそ10 mm以下であるか、1 mm未満の穴、溝、壁がある場合は、一般的なCNC加工の町工場とは異なる機械、工具、ゲージを使うメーカーが必要になります。このガイドでは、それが何を指すのか、どのような公差を期待できるのか、そして比較しやすい見積を得るためにメーカーへどう依頼するかを説明します。
微細加工部品とは何か
微細加工にISOの定義はありません。技術者や発注者は、次の2種類の仕事にこの言葉を使います。
- 小さな部品。 部品全体が10 mmの立方体に収まり、もっと小さいこともあります。コネクタピン、時計のピニオン、骨ネジ、光ファイバフェルールのホルダ、センサハウジングなどです。
- 通常サイズの部品にある微細形状。 0.3 mmのオリフィスを持つ40 mmのマニホールド、0.2 mmの壁を持つレンズ鏡筒、0.1 mmのリブを持つ金型入れ子などです。
どちらにも同じ問題があります。切削工具が細くしなりやすくなり、公差が形状サイズに占める割合が大きくなり、部品の保持、洗浄、測定が難しくなります。そのため、大きさだけではメーカーが対応できるかどうかは分かりません。重要なのは、公差と形状サイズの比です。
| 部品の例 | 一般的なサイズ | 最小の形状 | 一般的に最も厳しい公差 |
|---|---|---|---|
| コネクタ接触ピン | ⌀0.8 x 6 mm | ⌀0.4 mmの先端 | 直径で±0.005 mm |
| 整形外科用マイクロスクリュー | ⌀1.5 x 8 mm | ねじピッチ0.25 mm | ±0.01 mm |
| 光ファイバ位置合わせハウジング | 6 x 6 x 10 mm | ⌀0.13 mmの穴 | 穴で±0.002 mm(専門メーカー) |
| 時計部品 | ⌀4 x 1.2 mm | 0.3 mmの溝 | ±0.005 mm |
| 内視鏡先端部品 | ⌀3 x 5 mm | 0.15 mmの壁 | ±0.01 mm |
数値は目安となる一般的な例であり、仕様ではありません。
微細部品の大半を支える4つの加工方法
微細部品の多くは、4つの加工方法のうち1つ以上で作られます。どれを使うかは、材料よりも部品の形状で決まります。各加工の詳細は微細加工プロセスの概要をご覧ください。
スイス型自動旋盤。 主軸台が移動するこの旋盤は、棒材をガイドブッシュに通して送り出すため、常に支持部のすぐ横で切削できます。そのため、ピン、シャフト、カニューレなど、長さと直径の比が10:1以上の細長い旋削部品を作れます。最近のスイス型は回転工具を備えており、横穴、平面、溝も同じサイクルで加工できます。微細加工での一般的な棒材径は⌀0.5〜12 mmです。
5軸微細ミーリング。 30,000〜60,000 rpm以上の高速スピンドルで、0.1 mmほどの小径エンドミルを回します。5軸なら1回の段取りで複数の面に届くため、再クランプのたびに生じる数ミクロンの誤差を減らせます。ハウジング、インプラント、流体チップ、光学マウントがここに入ります。
微細穴あけ。 ドリルは専門メーカーでは⌀0.05 mm程度から、量産での実用的な下限は⌀0.2 mmが一般的です。切りくずを排出するため、短いステップで穴をあけます。深さはコストが急に上がる前の、直径のおよそ10倍までが目安です。
ワイヤ放電加工と形彫り放電加工。 放電加工は火花で材料を除去するため、切削力が働きません。エンドミルが届かない鋭い内角、薄い溝、焼入れ鋼の形状を作れます。ワイヤ径は0.03〜0.1 mmが一般的です。
一般的な公差と形状サイズ
以下は、微細加工メーカーが量産で一般的に保てる数値です。図面を作る際の出発点であり、保証ではありません。ISO 286の等級を含む完全な表は公差と材料のリファレンスにあります。
| 項目 | 一般的な対応範囲 |
|---|---|
| 最小の形状(溝、リブ、ボス) | 0.3 mm |
| あけられる穴 | ⌀0.2 mm以上 |
| 壁の厚さ | 0.15 mm以上(材料による) |
| 寸法公差(一般) | ±0.01 mm |
| 寸法公差(選定した形状での最良値) | ±0.005 mm |
| 穴と軸のはめあい | H6とh5(軸はIT5) |
| 平面度 | 0.005〜0.05 mm |
| 旋削径の振れ | 0.01 mm |
| 表面粗さ | Ra 1.6 μmが一般的、Ra 0.8 μmが最良 |
個々の数値よりも大切な点が2つあります。
1つ目は、厳しい公差には測定の時間がかかることです。2 mmの部品の±0.005 mmの形状は、ノギスや標準のマイクロメータでは確信を持って測れません。小径スタイラスを備えた三次元測定機、画像測定機、専用ゲージが必要で、部品もISO 1の基準温度20 °Cかその近くにある必要があります。厳しい形状を1つ増やすたびに、抜き取った部品すべてでその形状を測る手間が増えます。
2つ目は、公差が形状に見合っている必要があることです。0.3 mmの溝に±0.01 mmを指定すると、形状サイズの約3パーセントになります。30 mmの長さに同じ公差を指定した場合は0.03パーセントです。メーカーはこの比率で考えますので、図面もそうあるべきです。
小さくても加工しやすい材料
加工できる材料であれば、ほとんどのものは微細加工が可能ですが、作業が格段に楽になる材料があります。
| 材料 | 微細加工での被削性 | 一般的な用途 |
|---|---|---|
| 真鍮 C36000 | 優れている、切りくずが短い | コネクタ、時計部品、計器用ピン |
| ステンレス 303 | 良好、快削 | 一般的な小物部品、継手 |
| ステンレス 316L | 普通、粘りがありバリが出る | 医療用、食品接触部品 |
| チタン Grade 5 | 普通、熱と工具摩耗に注意 | インプラント、航空宇宙用ファスナ |
| アルミニウム 6061 / 7075 | 良好、バリに注意 | 半導体・光学用ハウジング |
| PEEK | 良好、他の樹脂より寸法が安定 | 医療、絶縁部品 |
| PTFE | 厳しい公差には不向き、クリープする | シール、低摩擦部品 |
評価は一般的なメーカーの経験に基づくもので、規格ではありません。
機能が許すなら、快削の材料を選べば1個ごとにコストを抑えられます。生体適合性のために図面で316LやTi-6Al-4Vを指定している場合は、そのまま残し、バリ取りと工具摩耗がメーカーの見積に含まれることを見込んでください。
微細部品の価格を決める要因
材料費が主なコストになることはほとんどありません。3 mmのチタン部品に含まれる金属は、数円分にすぎません。見積を左右するのは次の項目です。
- 段取りとプログラミング。 スイス型の段取りには1日かかることもあります。10個の試作では、段取りが単価の大半を占めます。
- サイクルタイム。 微細工具は切り込みを非常に小さくして切削するため、高速スピンドルでも材料の除去は遅くなります。
- 工具摩耗と折損。 ⌀0.2 mmのドリルが折れると、部品が廃棄になることが多くあります。メーカーはこのリスクを価格に含めます。
- 検査。 公差の厳しい微細部品では、測定に加工と同じ時間がかかることもあります。抜き取り計画や初品検査報告書がさらに加わります。
- バリ取り、洗浄、梱包。 微細部品のバリは、顕微鏡下の手作業、砥粒流動、電解法などで除去します。部品はトレイに1個ずつ梱包されることも多くあります。
仮の例を挙げます。発注者が、⌀1.2 x 9 mmの316L製ピンを20個、⌀0.3 mmの横穴と、2か所の直径に±0.005 mmを指定して試作依頼したとします。あるメーカーは段取りの長いスイス型自動旋盤で見積り、別のメーカーはミーリング機能付きのCNC旋盤で見積ります。後者は20個では安くなり、20,000個では大幅に高くなる可能性があります。実際の数量をRFQに書くべき理由はここにあります。
使える見積を得るためのRFQの書き方
微細加工の見積がうまくいかない原因の多くは、RFQが不完全なことです。メーカーは見えない部分にマージンを上乗せするか、意図と違うものを見積ってしまいます。完全なRFQには次のものを含めます。
- STEPモデルとPDF図面。 メーカーはモデルからプログラムを作り、図面で公差を確認します。
- 材質、グレード、規格。 「ステンレス」では不十分です。「ASTM F138に準拠した316L」なら十分です。
- 最小の形状と最も厳しい公差を本文に明記。 メーカーが加工可否を判断するときに最初に確認する点です。
- エッジの状態。 たとえば「10倍で見てバリなし」や「エッジ面取り最大0.02 mm」です。これがないと、納品後にバリが争点になります。
- 表面仕上げと、コーティングや不動態化の有無。
- 数量。 試作、パイロット生産、年間の見込み数量を、概算でも構いませんので示します。
- 検査と書類。 初品検査報告書、材料証明書、適合証明書、重要形状の測定方法です。
- 納入条件と希望納期。 メーカー渡し(EXW)か、お客様の拠点までの関税込み持込渡し(DDP)かを示します。
どれか不明な点があっても、お手元の情報をそのまま送ってください。優れた微細加工メーカーなら、DFM(製造性設計)に関する質問を返してきます。その質問は、メーカーが仕事をどれだけ理解しているかを示す有用な手がかりです。
適したメーカーとのマッチング
メーカー探しは見た目より難しいものです。多くのメーカーがウェブサイトに「精密」「微細」と掲げながら、実際には標準的なマシニングセンタで加工しています。ホームページよりも、設備一覧、測定室、サンプル部品のほうが多くを語ります。
Micropartzは加工メーカーではなく、マッチングサービスです。図面、材質、数量、最も厳しい公差、希望する供給地域を記したRFQを1通お送りください。部品に必要な加工と測定を備えた最大3社のメーカーをマッチングし、24営業時間以内にご返信します。メーカーとは直接やり取りしていただき、手数料はかかりません。図面のご用意があれば、RFQを送信して、実際にこの仕事を手掛けているメーカーの見積を比較してください。
よくあるご質問
どのくらいのサイズの部品が微細加工に当たりますか。
正式な区切りはありません。調達の実務では、全体の大きさがおよそ10 mm以下の部品、または0.5 mm未満の穴、0.3 mmの溝、0.15 mmの壁のように、1 mm未満の形状を持つ大きめの部品を指します。
微細加工は通常のCNC加工より高くなりますか。
1個あたりでは、材料費はわずかでも、通常は高くなります。サイクルタイム、工具摩耗、段取り、取り扱い、とくに検査に、1個あたりより多くの手間がかかるためです。数量がまとまれば、スイス型自動旋盤で単価を大きく下げられます。
3Dモデルなしで微細部品のRFQを送れますか。
送ることはできますが、見積は遅く、精度も下がります。多くの微細加工メーカーはSTEPファイルからプログラムを作り、PDF図面で公差を確認します。両方ある場合は両方を送ってください。
微細部品が不合格になる最も多い理由は何ですか。
バリとエッジの状態です。次いで、発注者とメーカーが合意していない方法で測定された形状が挙げられます。どちらも、切削を始める前に図面とRFQで解決できます。
参照した規格・資料
- ISO 286-1:2010, Geometrical product specifications, ISO code system for tolerances on linear sizes
- ISO 1:2022, Standard reference temperature for geometrical product specification (20 °C)
- Wikipedia: Machining
このガイドの数値は、目安となる一般的な値です。実際の値は、図面、材料証明書、マッチングしたメーカーによって決まります。