技術コラム

バルブシャフトの切削加工

バルブシャフトとは

バルブシャフトとは、バルブ（弁）の開閉動作を制御・伝達するシャフトです。流体（液体・気体）の流量や方向を制御するバルブ機構において、ボールやスプールなどの可動部を操作する軸として機能します。

近年、EV（電気自動車）の普及に伴い、バルブシャフトの需要が急速に拡大しています。EVはエンジンを持たないため、バッテリーや電子部品を冷却・加熱する「熱マネジメントシステム」が不可欠です。冷却水や冷媒の流量を精密に制御するバルブの役割が、EV性能を左右する重要な要素となっています。当社でも、EV向け熱マネジメントシステムに使用されるバルブ関連部品の加工依頼が増加しています。

バルブシャフトの主な用途は以下の通りです。

• EV熱マネジメントシステム：バッテリーの冷却・加熱回路に使用される流量制御バルブの駆動軸
• 自動車の油圧・電動バルブ：AT（オートマチックトランスミッション）用の油圧制御、ブレーキシステム
• 産業用制御バルブ：工場の流体制御システム、化学・食品プラント向け

バルブシャフト加工の難所

Oリング溝の面粗度管理

バルブシャフトの最大の加工難所は、シール機能を担う「Oリング溝」の精度管理です。Oリングは溝の底面・側面に均一に密着することでシール性を発揮するため、面粗度がシール性能に直結します。

溝底面・側面の面粗度は一般にRa0.8〜Ra1.6程度が要求されますが、高圧・高温環境向けのバルブシャフトではRa0.4以下を指定されるケースもあります。切削速度・工具材種・切り込み量の最適化に加え、仕上げパスの設計が粗度の安定を左右します。

特に注意が必要なのは、溝加工後の「バリ」です。溝の角部に残ったバリがOリングを傷つけると、初期シール不良や組付け後の早期漏れの原因になります。当社では、溝加工後のバリ処理工程を工程設計に組み込み、安定したシール面品質を実現しています。

複合形状の一工程加工

バルブシャフトは、Oリング溝だけでなく、ピン穴・フラット面（Dカット）・ネジ部など、複数の加工要素が一本のシャフト上に集約されることが多い部品です。

これらを複数工程・複数機械で加工すると、工程間での再チャッキングが発生し、各加工要素の位置精度が低下します。当社の自動盤は、主軸のC軸制御と回転工具（ミーリング機能）を備えており、旋削・溝加工・穴あけ・フラット加工を1台の機械で連続して行うことができます。複合加工による工程集約が、バルブシャフトの高精度量産に最も有効なアプローチです。

SUS難削材への対応

バルブシャフトには、耐腐食性・耐熱性の観点からSUS303やSUS304が選ばれるケースが多くあります。しかしステンレス鋼は、アルミや鉄と比較して以下の点で加工が難しい難削材です。

• 加工硬化：切削時に表面が硬くなるため、工具摩耗が早く進行する
• 熱伝導性の低さ：切削熱が工具とワークに蓄積し、寸法変化や工具欠損を引き起こしやすい
• 切粉の連続性：切粉が分断されにくく、絡まりや傷の原因になる

当社では、SUS専用の工具選定・切削条件の最適化・高圧クーラントによる熱管理・振動切削による切粉細分化を組み合わせることで、SUSバルブシャフトの安定した量産加工を実現しています。

加工依頼の際のポイント

Oリング溝寸法は規格を基準に設定する 

Oリング溝の幅・深さ・コーナーRは、使用するOリングの線径と圧縮率から導出されます。メーカーの設計指針を参照し、溝寸法と公差を適切に設定することが重要です。Oリング溝を「おおよそ」で設計すると、シール不良の原因になります。

ピン穴・フラット面の位置精度要求は現実的な水準で 

C軸制御による複合加工では、ピン穴や平面の位置精度はおおよそ±0.02〜0.05mm程度が現実的な量産水準です。これ以上の高精度を求める場合は、加工コストと設備要件が大幅に変わるため、設計段階での要求値の根拠を明確にしておくことを推奨します。

段付きシャフトの切削加工

段付きシャフトとは

段付きシャフトとは、軸方向に沿って直径が異なる複数の「段」を持つシャフトです。各段はそれぞれ異なる役割を担い、軸受けの受け面、ギアやカラーの位置決め基準面、シール面など、機能的な意味を持つ構造です。

段付きシャフトは機械部品の中でも最も汎用性の高い形状の一つであり、以下のような用途で広く使われています。

• モーター・ソレノイドの駆動軸：各段が軸受け・コイルケース・カップリングの取付け基準になる
• センサー・計測機器の軸：各段の寸法精度が計測精度に直結する
• 精密機器の位置決め軸：段差面を突き当て基準として使用するため、直角度が重要

当社では、自動車部品向けのソレノイド部品やセンサー向けシャフトなど、段付きシャフトの量産加工実績を多数持っています。

段付きシャフト加工の難所

各段の同軸度と段差面の直角度

段付きシャフトで最も難しいのは、複数段にわたる同軸度の確保です。各段の中心軸が一致していないと、軸受けの組付け時に無理な力がかかり、振動・騒音・早期摩耗の原因になります。

さらに、軸受けやカラーが突き当たる段差面（フランジ面）の直角度も重要な精度項目です。段差面が軸に対して直角でないと、軸受けに偏荷重がかかり、機器の寿命を縮める原因になります。

当社では、段付きシャフトの全工程をワンチャッキング・背面主軸同期による一工程加工で完結させています。これにより、工程間の再チャッキングによる芯ズレを排除し、全段にわたる同軸度と段差直角度を安定して確保しています。

細長比（L/D）と加工安定性

段付きシャフトは、細径の段が存在するケースが多く、その部位で「細長比（L/D：軸長さ÷直径）」が大きくなると、加工中のたわみや振動（びびり）が発生しやすくなります。

自動盤はガイドブッシュという構造を備えており、加工点の直近でワークを支持することができます。これにより、細長比が高い部位のたわみを最小限に抑え、寸法精度と面粗度を安定させることが可能です。

ただし、段付き形状の場合はワークの直径が変化するため、ガイドブッシュが常に最適な状態でワークをサポートできるよう、「ワークの端から順に加工する」という工程順の設計が重要になります。

小径段部における剛性不足

段付きシャフトの中でも、特に細い段（例：φ3mm以下の細径段）の加工は、工具剛性とワーク剛性の両面で難易度が上がります。切削力に対してワーク自体が変形し、指定の寸法・形状に仕上げることが困難になるケースがあります

当社では、細径段部の加工に際して切削条件（切削速度・送り量・切り込み量）を細かく最適化し、加工中のワーク変形を最小化する工程設計を行っています。

加工依頼の際のポイント

逃げ溝（砥石逃げ・工具逃げ）の設計 段付きシャフトの段差部に逃げ溝（アンダーカット）がないと、工具コーナーが段差の隅に干渉し、正確な直角段差が加工できないケースがあります。後工程で研削が入る場合も、砥石の逃げがないと研削できません。量産コストを下げるためにも、逃げ溝の有無は設計段階で確認しておくことを推奨します。

各段の公差の使い分け 軸受けが嵌合する段（例：h6・k6・m6等の嵌め合い公差）と、工具等が通過するだけの非接触段とでは、要求公差がまったく異なります。全段に同じ厳しい公差を指定すると、加工コストが不必要に上がります。機能上必要な段にのみ厳しい公差を設定することがVA/VEの観点からも重要です。

当社の加工事例

➀センサー向けシャフト

こちらは二面巾のフライスにてテーパ加工を行った事例でございます。テーパ加工部に平行度を出す際に加工秒数短縮のために、主軸と背面主軸を同期制御することで加工バランスをとった加工をしています。

>>センサー向けシャフトの詳しい内容はこちら

②駆動系部品用シャフト

こちらは、駆動系 部品用シャフトの加工事例です。写真右部の先端ねじ部は、自動盤で刃物をテーパーにして、円弧補間で加工をしています。また、外径公差12μが求められたため、材料による影響を受けないよう背面加工で仕上げています。写真左部の先端ねじ部は、2面幅加工をフライス盤で行っています。

＞＞駆動系部品用シャフトの詳しい内容はこちら

まとめ

バルブシャフト・段付きシャフトは、いずれも「動力伝達・流体制御・位置決め」という重要な機能を担う部品でありながら、加工上の難所はそれぞれ異なります。

• バルブシャフト：Oリング溝の面粗度管理と複合形状の一工程加工
• 段付きシャフト：全段にわたる同軸度・段差直角度の確保と細長比への対処

量産自動盤加工.comでは、自動盤により、鉄・SUS・アルミなどの金属を月産1万個から100万個以上、量産加工を行っています。高品質の加工品を安定供給するための加工、検査、表面処理まで量産ラインにおける一貫体制を敷いており、品質管理体制も万全です。

バルブシャフト・段付きシャフトの量産加工でお困りの際は、ぜひ当社へご相談ください。

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