多軸CNC加工において、適切な機械の種類を選択することは最も重要な決定事項の一つです。これは、プロセス全体の能力、可能な設計、そして全体的なコストを左右します。3軸、4軸、5軸CNC加工のどれを選ぶかはよく議論される問題であり、適切な答えはプロジェクトの要件によって異なります。
このガイドでは、多軸 CNC 加工の基本を説明し、3 軸、4 軸、5 軸 CNC 加工を比較して、適切な選択を行うのに役立ちます。
3軸加工入門
スピンドルはX、Y、Z方向に直線的に移動するため、ワークピースを一平面で保持するための治具が必要です。現代の工作機械では、複数の平面で動作させるオプションが可能です。しかし、そのためには特殊な治具が必要となり、製作コストがやや高く、時間もかかります。
しかし、3軸CNCにも限界があります。3軸CNCの相対的な価格にもかかわらず、多くの機能は経済的に実現不可能であるか、あるいは単に不可能です。例えば、3軸加工機では、角度のある形状やXYZ座標系上の形状を作成することはできません。
対照的に、3軸加工機はアンダーカット形状を作成できます。ただし、いくつかの前提条件と、Tスロットカッターやダブテールカッターなどの特殊なカッターが必要です。これらの要件を満たすには、価格が急騰することがあり、4軸または5軸CNCフライス加工ソリューションを選択する方が現実的になる場合もあります。
4軸加工入門
4軸加工は3軸加工よりも高度です。切削工具をXYZ平面で動かすだけでなく、ワークをZ軸上で回転させることもできます。そのため、4軸フライス加工では、特殊な治具や切削工具などの特別な要件を必要とせずに、最大4面の加工が可能です。
前述の通り、これらの機械に追加された軸は、3軸加工機で加工できるものの特殊な要件がある場合、より経済的に実現可能となります。3軸加工機で適切な治具や切削工具を製作するために必要な追加コストは、4軸加工機と3軸加工機の全体的なコスト差を上回ります。そのため、一部のプロジェクトでは、3軸加工機はより現実的な選択肢となります。
さらに、4軸フライス加工のもう一つの重要な側面は、全体的な品質です。これらの機械は一度に4面を加工できるため、治具上でワークの位置を変更する必要がありません。これにより、人為的ミスの可能性を最小限に抑え、全体的な精度を向上させることができます。
現在、4 軸 CNC 加工には連続とインデックスの 2 種類があります。
連続加工では、切削工具とワークピースが同時に移動できます。つまり、機械は回転しながら材料を切削できるということです。これにより、複雑な円弧や螺旋などの形状の加工が非常に容易になります。
一方、インデックス加工は段階的に加工を行います。ワークがZ平面の周りを回転し始めると、切削工具は停止します。つまり、インデックス加工機は複雑な円弧や形状を作成できないため、3軸加工機と同様の機能を備えていません。唯一の利点は、3軸加工機に不可欠な特別な治具を必要とせずに、ワークの4つの異なる面を加工できることです。
5軸加工入門
5軸加工はさらに一歩進み、2つの平面上での回転を可能にします。この多軸回転と、切削工具の3方向への移動能力は、これらの機械が最も複雑な作業に対応できるようにする2つの不可欠な特性です。
市場には2種類の5軸CNC加工機があります。3+2軸加工機と連続5軸加工機です。どちらもあらゆる平面で動作しますが、前者はインデックス式4軸加工機と同じ制限と動作原理を持ちます。
3軸+2軸CNC加工では、回転は互いに独立して行えますが、両方の座標面を同時に使用することは制限されます。一方、連続5軸加工ではそのような制限はありません。そのため、優れた制御性と、最も複雑な形状を容易に加工することが可能です。
3軸、4軸、5軸CNC加工の主な違い
CNC 加工の種類の複雑さと制限を理解することは、プロセスのコスト、時間、品質の最適なバランスを確保する上で不可欠です。
前述の通り、多くのプロジェクトでは、治具や工程の複雑さから、本来は経済的な3軸フライス加工でもコストがかさんでしまいます。同様に、すべてのプロジェクトに5軸フライス加工を選択するのは、ゴキブリを機関銃で撃ち殺すのと同じようなものです。効果的とは思えませんよね？
だからこそ、3軸加工、4軸加工、5軸加工の主な違いを理解することが不可欠です。そうすることで、重要な品質パラメータに妥協することなく、特定のプロジェクトに最適な機械を選択できるようになります。
CNC 加工の種類間の 5 つの主な違いは次のとおりです。
動作原理
すべてのCNC加工の動作原理は同じです。コンピュータ制御の切削工具がワークピースの周囲を回転し、材料を削り取ります。さらに、すべてのCNC工作機械は、MコードまたはGコードを使用して、ワークピースに対する工具の動きを読み取ります。
違いは、異なる平面を中心に回転できるという点にあります。4軸CNCフライス加工と5軸CNCフライス加工はどちらも異なる座標を中心に回転できるため、より複雑な形状を比較的容易に作成できます。
精度と正確さ
CNC加工は、その精度と低い公差で知られています。しかし、CNCの種類は製品の最終的な公差に影響を与えます。3軸CNCは非常に正確ですが、ワークピースの位置を常に変更する必要があるため、ランダムエラーが発生する可能性が高くなります。ほとんどの用途では、この誤差は無視できる程度です。しかし、航空宇宙や自動車といった繊細な用途では、わずかな偏差でも問題を引き起こす可能性があります。
4軸CNC加工と5軸CNC加工では、再位置決めが不要なため、この問題は発生しません。単一の治具で複数の平面を切削できます。さらに、3軸加工においても、これが品質のばらつきの唯一の要因であることに留意することが重要です。この点を除けば、精度と正確性という点における全体的な品質は変わりません。
アプリケーション
CNCの種類の違いは、業界全体にわたる用途ではなく、製品の性質に関係します。例えば、3軸、4軸、5軸フライス加工製品の違いは、業界自体ではなく、設計全体の複雑さに基づいて決まります。
航空宇宙分野のシンプルな部品は 3 軸マシンで開発できますが、他の分野の複雑な部品では 4 軸または 5 軸マシンの使用が必要になる場合があります。
費用
3軸、4軸、5軸CNCフライス加工機の主な違いの一つはコストです。3軸加工機は当然のことながら、購入と維持にかかる費用が比較的安価です。しかし、その使用費用は、治具やオペレーターの稼働状況といった要因に左右されます。オペレーターにかかる費用は4軸加工機と5軸加工機で変わりませんが、治具は依然として費用の大部分を占めます。
一方、4軸加工や5軸加工は技術的に高度で、より優れた機能を備えています。そのため、当然ながら高価です。しかし、多くの機能を備えており、多くの特殊なケースでは現実的な選択肢となります。例えば、3軸加工機で理論的に可能な設計でも、多くの専用治具が必要になるケースは、既に以前にも取り上げました。これにより全体的なコストが増加し、4軸加工や5軸加工がより現実的な選択肢となります。
リードタイム
全体的なリードタイムに関しては、連続5軸加工機が最も優れた結果をもたらします。停止がなく、ワンステップ加工であるため、最も複雑な形状でも最短時間で加工できます。
連続 4 軸マシンは、1 つの軸での回転が可能で、一度に平面の角度フィーチャーのみを処理できるため、その後に続きます。
最後に、3軸CNC工作機械は、切削が段階的に行われるため、リードタイムが最も長くなります。さらに、3軸工作機械の制約により、ワークピースの再配置が頻繁に発生し、プロジェクト全体のリードタイムが長くなる可能性があります。
3 軸フライス加工と 4 軸フライス加工と 5 軸フライス加工、どれが優れているのでしょうか?
製造業において、絶対的に優れた方法や万能の解決策などというものは存在しません。適切な選択は、プロジェクトの複雑さ、全体的な予算、時間、そして品質要件によって異なります。
3軸、4軸、5軸、それぞれに長所と短所があります。当然のことながら、5軸はより複雑な3D形状を作成でき、3軸はよりシンプルな部品を迅速かつ安定的に生産できます。
まとめると、どちらがより良い選択かという問いに答えはありません。コスト、時間、そして結果のバランスが完璧に取れる加工方法は、特定のプロジェクトにとって理想的な選択肢となるでしょう。
続きを読む: CNCフライス加工とCNC旋削加工：どちらを選ぶべきか
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結論
3軸、4軸、5軸CNCはそれぞれに特徴があり、それぞれ長所と短所があります。しかし、最適な選択は、プロジェクト固有の要件と要求事項によって決まります。製造業において、正しい選択というものは存在しません。正しいアプローチとは、品質、コスト、時間の最適な組み合わせを見つけることです。3種類のCNCはどれも、特定のプロジェクトの要件に基づいて、最適な結果をもたらすことができます。
投稿日時: 2023年11月29日