機械加工のビビりを抑える完全対策ガイド|原因から最新技術まで徹底解説!
1. 機械加工のビビりとは?発生メカニズムと問題点
機械加工において「ビビり(振動)」は、多くの現場で頭を悩ませる問題の一つです。ビビりが発生すると、加工面の仕上げが荒くなり、寸法精度が確保できなくなります。また、工具やワークに過剰な負荷がかかることで、工具寿命の短縮や機械トラブルの原因にもなりかねません。今回は、ビビりの基本的な発生メカニズムと、それが加工に与える影響について解説します。
1-1. ビビりとは?基本的な定義
「ビビり」とは、加工中に発生する不要な振動のことで、特に切削工具やワークが周期的に揺れ動く現象を指します。機械加工では、工具がワークに接触して材料を削る際に、微細な振動が発生します。この振動が一定の周期を持って増幅されると、目に見えるほどのビビりとして現れるのです。
ビビりには大きく分けて 「強制振動」 と 「自励振動」 の2種類があります。
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- 1.強制振動(Forced Vibration)
- ・外部からの影響で発生する振動
- ・主にスピンドルやモーターの回転ムラ、ベアリングの摩耗、ギアの振動、外部環境要因(床振動など)によって発生
- ・周波数が機械や工具の固有振動数と異なるため、ある程度コントロール可能
- 1.強制振動(Forced Vibration)
- 2.自励振動(Self-Excited Vibration)
- ・工具とワークの相互作用によって発生し、増幅される振動
- ・「チャタリング(chatter)」とも呼ばれ、機械加工で問題となる主なビビりの原因
- ・工具の剛性不足や切削条件の不適切さが影響し、時間とともに振動が大きくなる
特に問題になるのは 自励振動 で、放置すると加工精度の低下や工具破損を引き起こすため、対策が必要です。
1-2. ビビりが発生する主な原因
ビビりが発生する原因はさまざまですが、代表的な要因として以下が挙げられます。
① 工具の剛性不足
工具が細長い場合や、過度に突き出しが長い場合、加工時にたわみやすくなりビビりの発生確率が高まります。特に、エンドミルやボーリングバーなどは、突出し長さが長くなるほど剛性が低下し、振動しやすくなります。
② 機械の剛性不足
機械本体やスピンドル、テーブルなどの剛性が不足していると、加工時の振動を十分に吸収できず、ビビりが発生しやすくなります。特に、長期間使用した工作機械では、部品の摩耗による剛性低下が影響することもあります。
③ ワークの固定不良
ワークがしっかりとクランプされていないと、加工中に微小な動きが発生し、振動が増幅されることがあります。特に、薄板や細長いワークは固定が難しく、ビビりが発生しやすい傾向があります。
④ 切削条件の不適切さ
切削速度や送り量、切り込み量が適切でない場合、ビビりが発生する可能性があります。例えば、切削速度が速すぎると共振を引き起こしやすくなり、逆に遅すぎると加工面に不規則な負荷がかかり、振動が発生することがあります。
⑤ 共振の発生
機械や工具、ワークの固有振動数と、切削時に発生する振動の周波数が一致すると「共振」が起こり、ビビりが増幅されます。共振が発生すると、振動の振幅が大きくなり、加工面が大きく乱れたり、工具が破損するリスクが高まります。
1-3. ビビりが加工に及ぼす影響
ビビりが発生すると、加工品質や生産効率に大きな悪影響を及ぼします。以下のような問題が発生するため、早期に対策を講じることが重要です。
① 加工面の粗さが増加
ビビりが発生すると、工具の動きが不規則になり、加工面にムラが生じます。これにより、仕上げ工程が増えたり、表面処理を追加する必要が出てくるため、コスト増加につながります。
② 寸法精度の低下
振動によって工具が予定よりも大きく動いたり、逆に切削負荷が不均一になったりするため、狙い通りの寸法精度を確保するのが難しくなります。特に、精密部品の加工では致命的な問題となります。
③ 工具寿命の短縮
振動が工具に過度な負荷を与えることで、摩耗が早まり、工具の寿命が短くなります。特に、超硬工具などはビビりによるチッピング(欠け)を起こしやすく、工具交換頻度が増える要因になります。
④ 加工時間の増加
ビビりが発生すると、仕上げ工程が増えたり、工具の破損で段取り変更が必要になったりと、加工時間が長くなる傾向があります。これにより、全体の生産性が低下し、コストアップにつながります。
1-4. まとめ:ビビりの原因を理解し、適切な対策を講じる
ビビりは、加工精度や生産性に大きな影響を及ぼす重要な課題です。その原因は、工具やワークの剛性不足、切削条件の不適切さ、共振など多岐にわたります。ビビりを抑えるためには、まずその発生メカニズムを理解し、どの要因が影響しているのかを特定することが大切です。
次章では、ビビりを抑えるために今すぐ実践できる具体的な対策について詳しく解説します。適切な工具の選定や加工条件の調整方法を知ることで、より高精度・高効率な加工を実現しましょう。
2. ビビりを抑える基本対策(今すぐ試せる方法)
機械加工のビビりを抑えるためには、まず基本的な対策を徹底することが重要です。ビビりは、工具の剛性やワークの固定方法、切削条件のわずかな違いによって大きく左右されるため、適切な調整を行うことで改善できるケースが多くあります。ここでは、すぐに試せるビビり対策として、工具選定、加工条件の見直し、ワークや工具の保持方法の改善 について詳しく解説します。
2-1. 工具選定の見直し(刃数・剛性・コーティングなど)
① 工具の剛性を高める
工具が細くて長いほど、加工中にたわみやすくなり、ビビりが発生しやすくなります。そのため、できるだけ短く、太い工具を使用する のが基本です。特にエンドミルやボーリングバーを使用する場合は、突出し長さを最小限に抑えることで、振動を軽減できます。
また、ハイス鋼(HSS)よりも超硬(Carbide)工具の方が剛性が高いため、振動を抑えやすくなります。さらに、超硬ソリッド工具は、一体構造になっているため、スローアウェイ式の工具よりも振動を抑える効果が期待できます。
② 刃数を増やすことで振動を抑える
エンドミルの刃数を増やすと、1刃あたりの切削負荷が減るため、ビビりの発生リスクを軽減できます。例えば、2枚刃エンドミルよりも4枚刃や6枚刃のエンドミルを選択することで、振動を抑えつつ、加工精度を向上させることが可能です。ただし、溝の深い加工では、切りくず排出性とのバランスを考える必要があります。
③ コーティング工具を活用する
TiAlNやDLCコーティングが施された工具は、表面硬度が高く、耐摩耗性に優れているため、ビビりの抑制に効果があります。特に、乾式加工や高速加工では、コーティング工具を使用することで、振動の影響を軽減できる可能性があります。
2-2. 加工条件の最適化(切削速度、送り量、切り込み量)
切削条件が不適切な場合、ビビりの発生リスクが高まります。以下のポイントを調整することで、振動を抑えることができます。
① 切削速度(Vc)の適正化
切削速度が高すぎると共振しやすくなり、逆に低すぎると工具の負荷が増えて振動が発生しやすくなります。一般的に、ビビりが発生している場合は、まず切削速度を10~20%下げてみる と改善されることが多いです。また、工具メーカーの推奨する適正速度を確認し、それに基づいて設定することも重要です。
② 送り量(F)の調整
送り量が少なすぎると、工具がワークに接触している時間が長くなり、不規則な力がかかるため、ビビりが発生しやすくなります。適切な送り量を確保することで、切削時の安定性が向上し、振動を抑えることが可能です。
③ 切り込み量(ap, ae)の最適化
切り込み量が大きすぎると、工具にかかる負荷が増加し、振動が発生しやすくなります。特に、側面切削(ae:横方向の切り込み量)が大きすぎる場合、ビビりの原因になることが多いです。そのため、aeを小さくし、送り速度を上げることで振動を抑える 方法が有効です。
2-3. ワークや工具の保持方法の改善
① ワークの固定を強化する
ワークのクランプが不十分だと、加工中に微妙に動いてしまい、振動が発生しやすくなります。以下の対策を行うことで、ワークの固定強度を向上させることができます。
- 剛性の高いバイスやチャックを使用する
- クランプ位置を増やし、均等に力がかかるようにする
- 薄板加工の場合は、真空チャックや吸着パッドを活用する
特に、薄肉ワークの場合は、裏面に支持材を入れるなどの工夫をすると効果的 です。
② 工具の保持剛性を向上させる
工具ホルダーの選定も、ビビりの抑制には重要な要素です。剛性の高いホルダーを選ぶことで、工具の振れやたわみを抑えることができます。以下のようなホルダーが有効です。
- ・熱収縮ホルダー(Shrink Fit Holder):工具とホルダーの一体感が強く、振動を抑えるのに効果的
- ・ハイドロチャック(Hydraulic Chuck):振動吸収性が高く、高精度加工に適している
- ・高剛性コレットチャック:一般的なコレットホルダーよりも振れが少なく、ビビりを軽減できる
工具の突出しを短くするだけでも、剛性が向上し、振動の抑制につながります。
2-4. ビビり対策を試す際のポイント
ビビり対策を講じる際には、一度にすべての変更を加えるのではなく、一つずつ試しながら効果を確認する ことが重要です。例えば、以下のようなステップで調整を行うと、最適な加工条件を見つけやすくなります。
- ・工具の突出しを短くする(最も簡単な対策)
- ・切削速度を10~20%変更する(上げる or 下げる)
- ・送り量を適正値に調整する(少なすぎる場合は増やす)
- ・ワークの固定方法を見直す(クランプ位置や方法の改善)
- ・ホルダーを高剛性タイプに変更する
これらを順番に試しながら、加工品質の変化をチェックすることで、最適な条件を見つけることができます。
2-5. まとめ:まずは基本対策から実践しよう
ビビりを抑えるためには、まず 工具の剛性を高める、適切な加工条件を設定する、ワークや工具の固定方法を見直す ことが重要です。これらの基本対策を実施するだけで、多くのビビり問題は改善できます。
次章では、さらに高度なビビり対策として、最新の制振技術や専用ツールの活用方法 について解説します。より精度の高い加工を実現するために、ぜひ活用してください。
3. より効果的なビビり対策(最新技術と設備投資)
前章では、基本的なビビり対策として、工具選定、加工条件の調整、ワークや工具の保持方法の見直しについて解説しました。しかし、これらの方法だけでは十分にビビりを抑えられない場合もあります。特に、高精度加工や難削材の加工では、さらなる対策が必要になることがあります。
ここでは、最新の制振技術や専用ツールを活用した高度なビビり対策 について詳しく解説します。設備投資が必要なものもありますが、導入コストに見合う効果が得られるケースが多いため、ぜひ検討してみてください。
3-1. 制振工具・高剛性ホルダーの活用
① 制振エンドミルの導入
通常のエンドミルでは、切削中の振動が増幅されやすく、ビビりが発生しやすくなります。そのため、制振機構を備えたエンドミル を使用すると、振動を効果的に抑えられます。
主な特徴として、以下のような技術が採用されています。
- ・不等ピッチ・不等リード設計:刃のピッチや角度を不均一にすることで、共振を抑制
- ・特殊ダンパー内蔵型エンドミル:内部に振動吸収材を備え、ビビりを軽減
- ・超硬一体型エンドミル:剛性を高め、たわみを抑制
特に、不等ピッチ・不等リードエンドミル は、通常のエンドミルと比較して大幅にビビりを低減できるため、加工現場で広く採用されています。
② 高剛性ホルダーの使用
工具だけでなく、ホルダーの剛性を向上させることで、振動を抑えることができます。以下のホルダーがビビり対策に有効です。
- ・熱収縮ホルダー(Shrink Fit Holder)
- 工具とホルダーの一体化が強く、振動を最小限に抑えられる
- 高速回転にも適応し、精度の高い加工が可能
- ・ハイドロチャック(Hydraulic Chuck)
- 内部の油圧機構により、振動吸収性が高い
- 高精度な仕上げ加工に適している
- ・ミーリングチャック(Milling Chuck)
- 強力な把握力を持ち、高負荷の切削にも対応
- 剛性が高く、振動を抑えやすい
特に、高速加工や微細加工を行う場合は、熱収縮ホルダーやハイドロチャックの使用が推奨されます。
3-2. ダンパーや防振装置の導入
① 制振ダンパー付きボーリングバー
ボーリング加工では、突出しが長くなるほど振動が発生しやすくなります。これを抑えるために、内部に制振機構を備えたボーリングバー(制振ボーリングバー) を使用すると、効果的にビビりを軽減できます。
- 振動吸収材(タングステン合金やポリマー)を内蔵し、共振を防ぐ
- 特に、L/D(工具長さ/径比)が大きい加工で効果を発揮
② マシンスタビライザーの活用
工作機械自体の振動を抑えるために、マシンスタビライザー を設置する方法もあります。これは、機械のフレームやテーブルに取り付けることで、振動を吸収し、加工精度を向上させる装置です。
- 特に、薄肉ワークや高精度な仕上げ加工に有効
- 既存の機械にも後付けが可能
また、制振パッド(振動吸収ゴム) を機械の設置面に敷くことで、外部振動の影響を軽減することもできます。
3-3. CNC機械の剛性向上と最新機能の活用
① 高剛性マシニングセンターの導入
ビビり対策の根本的な解決策として、工作機械自体の剛性を向上させることが挙げられます。例えば、以下のような特徴を持つマシニングセンターを選定すると、振動を大幅に抑えることが可能です。
- ・高剛性スピンドルを搭載 した機械(ベアリング径が大きいもの)
- ・リニアガイドではなくボックスガイドを採用 した機械(剛性が高く、振動を抑えやすい)
- ・機械本体の重量が重い もの(軽量な機械よりも振動が少ない)
② CNCの最適制御機能を活用
最近のCNC工作機械には、ビビりを抑えるための最適制御機能が搭載されています。例えば、以下のような機能があります。
- ・アダプティブコントロール(適応制御):加工時の負荷をリアルタイムで検出し、自動で切削条件を調整
- ・スピンドルスピードオシレーション(Spindle Speed Variation, SSV):スピンドル回転数を微妙に変化させ、共振を防ぐ
特に、SSV機能を活用すると、切削時の周波数が一定にならないため、共振によるビビりを大幅に抑えることが可能 です。
3-4. 最新技術を活用するメリットと導入コストの考え方
【メリット】
- ・加工精度の向上:仕上げ面の品質が向上し、追加の研磨や仕上げ加工が不要になる
- ・工具寿命の延長:振動による摩耗や欠けを抑え、工具コストを削減できる
- ・加工時間の短縮:安定した切削が可能になり、高速加工でも品質を維持できる
【デメリット(導入コスト)】
- ・制振工具や高剛性ホルダーは価格が高い(通常の工具より1.5〜2倍のコスト)
- ・CNC機械のアップグレードには高額な投資が必要
しかし、長期的に見ると、工具寿命の延長や加工精度の向上によるコスト削減効果 が期待できるため、投資対効果を考慮しながら導入を検討するのが賢明です。
3-5. まとめ:最新技術を活用し、さらなるビビり対策を
ビビりを根本的に抑えるためには、制振工具・高剛性ホルダーの活用、制振装置の導入、CNC機械の最適制御機能の活用 など、最新技術を積極的に取り入れることが重要です。
次章では、加工材質や条件によるビビりの発生リスクとその最適化 について詳しく解説します。難削材や特殊材の加工時にビビりを抑えるためのポイントを知り、さらに高精度な加工を実現しましょう。
4. 加工材質と条件によるビビり発生リスクのコントロール
機械加工におけるビビりは、工具や加工条件だけでなく、ワークの材質 によっても大きく影響を受けます。特に、硬い材料や柔らかい材料、難削材 などは、それぞれ異なる原因でビビりが発生しやすいため、適切な対策を講じる必要があります。
本章では、材質ごとのビビり発生リスクと、それに応じた最適な加工条件の設定方法 について詳しく解説します。
4-1. 軟材(アルミ・銅・樹脂)におけるビビりの原因と対策
軟材(アルミニウム、銅、樹脂など) は、比較的加工しやすい材料ですが、剛性が低いため、特有のビビりが発生することがあります。
① 軟材加工でのビビりの主な原因
- ・材料の剛性が低いため、ワーク自体が振動しやすい
- ・切削抵抗が小さく、工具がワークを削る際に引っかかる(スリップする)
- ・切りくずが絡まりやすく、切削点での負荷が変動しやすい
② 軟材加工のビビり対策
・切削速度を上げる
- アルミや銅は熱伝導性が高く、熱による変形を起こしやすいため、高速加工が有効。
- 一般的に、アルミの切削速度は100〜1000m/min 程度が推奨される。
・ 工具の逃げ角を大きくする
- 刃先がワークに食い込みすぎないように、逃げ角を大きめに設定する。
- 特に樹脂加工では、切削抵抗を減らすためにポリッシュ刃を使用するのが有効。
・コーティング工具を使わない(またはDLCコーティングを選ぶ)
- 軟材はコーティングされた工具を使うと、切削点での摩擦が増え、ビビりの原因になることがある。
- DLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティングは、アルミの付着を防ぐために有効。
・切削液の適切な使用
- 軟材は切りくずが絡まりやすいため、エアブローや高圧クーラントを活用し、切りくず排出をスムーズにする。
4-2. 硬材(鋼・ステンレス・チタン)におけるビビりの原因と対策
鋼、ステンレス、チタンなどの硬い材料 は、切削抵抗が大きいため、工具への負荷が高く、ビビりが発生しやすい傾向があります。
① 硬材加工でのビビりの主な原因
- 切削抵抗が大きいため、工具のたわみや振動が発生しやすい
- 工具の摩耗が早く、摩耗した刃先がワークに食い込むことでビビりが発生
- チタンやステンレスは低熱伝導性のため、熱がこもりやすく、熱膨張によるビビりが起こる
② 硬材加工のビビり対策
・低速・高送りでの加工を行う
- 硬材では、低速(切削速度を下げる)かつ高送り(送り量を増やす) ことで、工具の安定性を確保しやすい。
- 例えば、ステンレスの切削速度は30〜150m/min が一般的。
・ 超硬・CBN・PCD工具を使用する
- 高硬度の材料では、通常のハイス工具では摩耗が激しいため、超硬(Carbide)、CBN(立方晶窒化ホウ素)、PCD(多結晶ダイヤモンド) などの高硬度工具を使用する。
- 特に、CBN工具は焼入れ鋼の加工に、PCD工具は非鉄金属やCFRPの加工に適している。
・切削油を適切に使用する
- ステンレスやチタンは熱伝導性が低いため、クーラントを適切に使用し、熱の影響を最小限に抑えることが重要。
- 高圧クーラントを利用すると、切りくず排出がスムーズになり、ビビりを抑えられる。
・ 振動抑制ホルダーを活用する
- 硬材加工では工具の剛性が重要なため、熱収縮ホルダーやハイドロチャック などの高剛性ホルダーを使用する。
- 特に、制振ボーリングバーを使用すると、長い突出しの加工でもビビりを軽減可能。
4-3. 難削材(インコネル・ハステロイ・CFRPなど)のビビり対策
難削材は、一般的な金属とは異なる特性を持ち、通常の加工方法ではビビりが発生しやすいです。
① 難削材加工でのビビりの主な原因
- インコネルやハステロイは加工硬化しやすく、加工途中で材料が硬くなってしまう
- CFRP(炭素繊維強化プラスチック)は層間剥離が発生しやすく、工具との相互作用でビビりが起こる
- 熱の影響を受けやすく、加工時の温度変化がビビりを誘発する
② 難削材加工のビビり対策
・専用工具を使用する
- インコネルやハステロイには耐熱超硬工具 を使用し、摩耗を最小限に抑える。
- CFRPには、ダイヤモンドコーティング工具 を使用し、層間剥離を防ぐ。
・ 小切り込み・高送りの加工を行う
- 難削材では、一度に深く削るのではなく、小さな切り込み量で高送りを設定 するのがポイント。
- これにより、加工硬化や熱の影響を抑えられる。
・超高圧クーラントを利用する
- 難削材は熱がこもりやすいため、超高圧クーラント(70MPa以上) を使用することで、切りくずを効率的に排出し、ビビりを防ぐ。
4-4. まとめ:材質ごとの特性を理解し、適切な対策を
ビビりは、ワークの材質によって発生要因が異なるため、材料特性に合わせた加工条件の最適化が重要 です。
次章では、ビビり対策の成功事例と注意点 について具体的な事例を交えて解説します。より実践的な改善策を学び、ビビりのない安定した加工を目指しましょう!
5. ビビり対策の成功事例と注意点
これまでの章で、機械加工におけるビビりの原因と基本対策、最新技術を活用した対策、さらに材質ごとの適切なアプローチについて解説しました。しかし、実際の加工現場では「理論通りにいかない」ことが多く、各現場に合った最適な対策を見つけることが重要です。
ここでは、実際に現場で成功したビビり対策の事例を紹介するとともに、対策を実施する際の注意点について解説します。
5-1. 成功事例①:エンドミル加工でのビビり抑制
【事例】アルミ加工におけるビビり発生
航空機部品の製造現場で、アルミニウム合金(A7075-T6)をエンドミルで加工する際、ビビりが発生し、加工面にムラが生じる問題が発生していました。
【発生原因】
- ・工具の突出しが長すぎた(L/D比が5以上)
- ・不等ピッチのエンドミルを使用していなかった
- ・切削速度が低すぎて工具の共振を誘発していた
【改善策】
- ・工具の突出し長さを短縮(L/D比を3以下に)
- ・不等ピッチ・不等リードのエンドミルに変更
- ・切削速度を500m/minから800m/minに引き上げ
【結果】
- ・加工面のビビりが大幅に低減し、表面粗さがRa1.6からRa0.8へ改善
- ・工具寿命が1.5倍に延長
- ・加工時間を約15%短縮
この事例から、エンドミルの選定と適切な切削速度の設定が、ビビり対策の鍵となることがわかります。
5-2. 成功事例②:ボーリング加工でのビビり抑制
【事例】金型加工におけるボーリング工程のトラブル
自動車部品の金型製造で、焼入れ鋼(HRC55)のボーリング加工を行った際、寸法精度が安定せず、加工後の公差が±0.02mmから±0.05mmに悪化していました。
【発生原因】
- ・工具の突出しが長く、剛性が不足していた
- ・一般的なボーリングバー(制振機能なし)を使用していた
- ・切り込み量が大きすぎた(ap=0.5mm)
【改善策】
- ・制振機構付きボーリングバーを導入
- ・切り込み量をap=0.5mmからap=0.2mmに変更
- ・低速・高送りの条件(Vc=80m/min、F=0.2mm/rev)で加工
【結果】
- ・寸法精度が±0.01mm以内に収まり、加工不良が激減
- ・工具寿命が約2倍に向上
- ・加工時間は増加したが、再加工の手間が減り、トータルの生産効率が向上
この事例では、制振機構付きの工具と切削条件の見直しがビビり低減につながったことがポイントです。
5-3. 成功事例③:チタン合金の旋盤加工での振動抑制
【事例】チタン合金(Ti-6Al-4V)の旋削加工における問題
医療機器の部品製造において、チタン合金を旋削加工する際、工具の先端が振動し、寸法精度が確保できない問題が発生していました。
【発生原因】
- ・工具ホルダーの剛性不足(一般的なコレットホルダーを使用)
- ・切削速度が不適切(Vc=150m/minと高すぎた)
- ・切削油が適切に供給されていなかった
【改善策】
- ・高剛性の熱収縮ホルダーに変更
- ・切削速度を150m/minから80m/minに調整
- ・高圧クーラント(70MPa)を適用し、切りくずの排出を促進
【結果】
- ・加工面のビビりが大幅に低減し、寸法精度が向上
- ・工具の摩耗が減り、寿命が1.8倍に延長
- ・チタン特有の加工熱による影響が抑えられた
この事例から、ホルダー剛性の向上と適切な切削油の使用が、ビビり抑制に重要であることがわかります。
5-4. ビビり対策を行う際の注意点
一度にすべてを変更しない
複数の条件を同時に変更すると、どの対策が効果を発揮したのかがわかりにくくなります。一つずつ試しながら、最適な条件を見つけることが重要です。
加工条件のバランスを考える
切削速度を下げすぎると加工時間が増え、工具摩耗が進む可能性があります。逆に、送りを増やしすぎると工具寿命が短くなることもあるため、適切なバランスを考えることが重要です。
設備投資のコストと効果を慎重に判断する
高価な制振工具やホルダーを導入すれば確実にビビりを抑えられますが、それがコストに見合うかどうかを検討することが必要です。ROI(投資対効果)を考慮しながら導入を決めるのが賢明です。
ビビりは、加工品質や生産性に大きな影響を与える問題ですが、適切な工具選定、加工条件の調整、高剛性ホルダーや制振技術の活用によって抑えることができます。
本記事で紹介した事例を参考に、実際の加工現場で試してみてください。