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CNC 加工はコンピューター数値制御の略で、基本的にはコントローラーからの一連のコマンドによって機械が制御されることを意味します。このコードは通常、G コードとして知られる座標のリストの形式で提供されます。フライス盤、旋盤、さらにはプラズマ カッターなど、このコードで制御されるあらゆる機械を CNC 機械と呼ぶことができます。この記事では、さまざまな種類の CNC ミル、旋盤、およびこれらの組み合わせに焦点を当てます。CNC マシンの動きは軸によって定義できます。これらは、より高度なマシン用の A、B、C 軸を備えた X、Y、Z です。X、Y、Z 軸は主デカルト ベクトルを指し、A、B、C 軸はこれらの軸を中心とした回転を指します。CNC マシンは通常、最大 5 軸で動作します。代表的な CNC マシンを以下に示します。
CNC旋盤 – 旋盤は、旋盤のチャック内で材料を回転させることによって機能します。次に、工具を 2 軸でワーク内に移動させて、円筒状の部品を切り出します。CNC 旋盤では、手動旋盤では不可能ではないにしても困難な曲面を作成できます。工具は通常回転しませんが、ライブツーリングの場合のように移動することもできます。
CNCミル – 通常、CNC ミルは平らな部品の製造に使用されますが、より自由度の高い複雑な機械を使用すると、複雑な形状を作成できます。材料は静止して保持され、スピンドルは工具とともに回転し、工具は 3 軸に沿って移動して材料に切り込みます。場合によっては、スピンドルが静止していて、材料がスピンドル内を移動することがあります。
CNCドリル – これらの機械は CNC ミルに似ていますが、1 つの軸に沿ってのみ切断するように特別に設計されています。つまり、ドリルは材料内で Z 軸に沿ってのみ移動し、X 軸と Y 軸に沿って切断することはありません。
CNCグラインダー – これらの機械は研削砥石を材料に移動させて、高品質の表面仕上げを作成します。それらは硬化金属上の少量の物質を除去するように設計されています。したがって、それらは仕上げ操作として使用されます。
CNC 加工では、サブトラクティブ マニュファクチャリングを通じて部品を作成します。これは基本的に、固体ビレットから材料を除去して、最終的に望ましい形状を得るプロセスです。これは、フライス加工、旋削、研削、穴あけなどの前述の方法のいずれかを使用して行うことができます。積層造形はその逆のプロセスで、たとえば 3D プリンターを使用して、何もないところから材料を追加して部品を作成します。
工具はすべての切断作業を行います。工具は通常、工具ホルダーに取り付けられ、必要に応じてスピンドルにロードされます。完全な部品を作成するには、さまざまな種類の工具が必要です。製造には「万能の」アプローチはありません。一般的な機械加工セットアップで使用される最も一般的なツールを以下に示します。
エンドミル – エンドミルは最も一般的なタイプの工具で、通常は 3 方向に切削できます。いくつか例を挙げると、フラット、コーナーラジアス、ラフィング、ボール、テーパーなどのさまざまなスタイルがあります。刃数、ねじれ角、母材、コーティング材によって特徴が異なります。
フェイスミル – フェースミルは、大きな表面積を切削するように設計されています。つまり、面削りです。その切れ刃は通常工具の端にあり、歯は通常超硬インサートです。
スレッドミル – スレッドミルはねじを作成するように設計されており、シャンクの周りを螺旋状に回転させてねじの形状に切り込みます。
スロッティングカッター – これらのタイプのカッターは、部品の長さに沿って T スロットを作成するために使用されます。形状により、工具は材料の開いた側から出入りする必要があります。
CNC 加工は、手動で操作する機械を使用するよりも単純に効率が良いため、徐々に製造業界に浸透してきました。CNC マシンの長所と短所のいくつかを以下に示します。
外径旋削加工 – 名前が示すように、このツールは部品の外径を切断するように設計されています。必要な形状に研削されたソリッド ツール、または超硬インサートのいずれかの形式をとることができます。
ID溝入れ・ねじ切り加工 – これらの工具は通常、部品の内部に到達して、穴あけ後に内径をくり抜いたり、内部にねじを入れたりできるように細長いです。
別れ – 他のすべての操作が完了した後、最終操作としてパーツを切断するためにパーティング ツールが使用されます。
掘削 – これらは部品の長手方向に穴を開けるために使用されますが、最終的な公差に達するには穴をリーマ加工するか中ぐり加工する必要があります。
さまざまなツール タイプをマテリアルに細分化できます。工具に通常使用される材料は次のとおりです。
高炭素鋼 – これらは最も安価なタイプの工作機械ですが、工具寿命は長くありません。また、200°付近で硬度が低下します。
ハイス鋼(HSS) – これらは炭素鋼工具よりも工具寿命が長く、600°C でのみ硬度が低下するため、より高速で切断できるため、より一般的です。
超硬インサート – 超硬工具はハイスよりも硬いですが、靭性は低く、正しく扱わないと破損する可能性があります。最大900°の温度に耐えることができます。
セラミックス – これらの切削工具は非常に硬いため、通常は非常に高温で硬い材料を切断するために使用されます。一般的なバリエーションとしては、アルミナと窒化ケイ素の 2 つがあります。
立方晶窒化ホウ素 – これらの工具は焼入れ鋼や超合金に最適で、優れた耐摩耗性と耐熱性を備えています。
CNC 加工は、手動で操作する機械を使用するよりも単純に効率が良いため、徐々に製造業界に浸透してきました。CNC マシンの長所と短所のいくつかを以下に示します。
長所 | 短所 |
手動よりも速い | 高い |
CNC マシンの速度、精度、精度に匹敵する人間はいません。高度な生産環境では、手動マシンを使用すると、単に経済的損失が発生します。 | CNC マシンは非常に高度な機器です。非常に高い公差と剛性を持って製造されています。これにより、何百万もの部品を製造しながらも高品質の結果を生み出すことができるようになります。この品質はコストに直接反映されます。機械が高度であればあるほど、コストは高くなります。 |
生産コストの削減 | より熟練したオペレーター |
CNC マシンは、材料や部品のロードとアンロードがさらに自動化されていれば、基本的にノンストップで稼働できます。これは、マシンが監視なしで一晩中稼働できることを意味します。また、1 人のオペレーターが複数の機械を稼働できるため、人件費の増加を相殺できます。 | CNC マシンは必要なオペレーターの数が少ないにもかかわらず、高度なスキルを持ったオペレーターを必要とするため、人件費が高くなります。 |
より高い効率 | メンテナンス費用の増加 |
CNC マシンは、ある操作から次の操作にほんの一瞬で移行できます。一部の機械には、多くの工具が事前に取り付けられたタレットや、必要に応じて新しい工具をスピンドルにロードする工具ライブラリが搭載されているため、工具の交換は非常に迅速に行うことができます。 | CNC マシンは複雑なため、手動マシンと比較するとメンテナンスのコストがはるかに高くなります。 |
安全性の向上
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立形マシニングセンター (VMC) – VMC のスピンドルは 1 つの位置に留まり、テーブルはその下を移動します。場合によっては、テーブルがスピンドルに合わせて上に移動したり、スピンドルが Z 軸上で上下に移動したりすることがあります。これらの機械は非常に剛性が高いため、高精度のコンポーネントを製造できます。作業領域が比較的狭いという欠点があります。VMC は 3 軸 (X、Y、Z)、4 軸 (X、Y、Z、A)、または 5 軸 (X、Y、Z、A、B) を持つことができます。
横型マシニングセンター（HMC） – HMC は、スピンドルが垂直ではなく水平に配置されている機械です。これらのタイプのマシンは、マシンをビジー状態に保つのに十分な作業量があれば、VMC の最大 3 倍の量を加工できるため、長時間の生産稼働に最適です。HMC は VMC よりもはるかに高価です。別の部品の製造中に、材料のブロックを機械のベッドに固定することができます。これが、スピンドルが準備ができた次の材料ブロックに簡単に移動でき、交換が非常に迅速であるため、連続生産が可能である理由です。
CNC 旋盤は 1 つのチャックだけで 2 軸の加工が可能です。CNC旋盤には以下のような種類があります。
エンジン旋盤 – これは基本的には比較的汎用性の高い標準的な旋盤です。名前にある「エンジン」は、かつて旋盤が機械に搭載されていないエンジンのプーリーによって動力を供給されていた時代の名残です。エンジン旋盤は旋盤にモーターを搭載した旋盤になります。
タレット旋盤 – タレット旋盤では、必要な工具がすべて製造前にタレットにロードされるため、生産時間を大幅に短縮できます。新しいツールが必要な場合は、回転させて所定の位置に配置するだけです。
ツールルーム旋盤 – ツールルーム旋盤は、高精度、少量の作業に使用されます。名前が示すように、これらのスタイルの旋盤は工具や金型の作成に使用されます。汎用性も高く設定されています。
スピード旋盤 – このタイプの旋盤は主に軽作業に使用され、主軸台、心押し台、刃物台を備えたシンプルなセットアップを備えています。
CNCターニングセンター – これらのタイプの旋盤は非常に高度で、フライス加工、タレット刃物台、さらには 2 番目のスピンドルを含む幅広い機能を備えています。垂直方向と水平方向の両方のターニングセンターもあります。水平旋盤では、すべての切りくずが部品から離れてチップコンベアに落ちますが、垂直旋盤では、部品がチャックに装着されるときに重力が補助されます。横型旋盤は自動化が容易です。どちらのスタイルがより適切であるかを決定するのはアプリケーションです。
CNC マシンは、アルミニウムからインコネルのような超合金まで、幅広い材料を処理できます。各材料には独自の課題があり、特定のツール、速度、送りが必要です。
アルミニウムは非常に柔らかい素材であるため、切削工具にアルミニウムが付着する危険性があります。これはアルミニウムの融解温度が低いためです。アルミニウムのより硬い焼き戻しを使用して、機械加工性を向上させることができます。
鋼には多数の等級があるため、材料の全体的な機械加工性に寄与する要因は数多くあります。これらの要因には以下が含まれる可能性があります。冷間加工、化学組成、微細構造。一般に、鉛や錫などの元素は潤滑作用により切削速度を向上させ、硫黄は切りくずのひずみ硬化を軽減します。
チタンにはさまざまな合金があり、それぞれに独自の課題があります。理想的には、ある領域で停止すると摩擦、熱の蓄積、加工硬化、工具の摩耗が発生するため、工具を材料に係合させたままにしておく必要があります。純チタンはアルミニウムとよく似た性質を持ち、切削工具を傷める可能性がありますが、その合金は通常より硬く、熱の蓄積や工具の摩耗を引き起こす可能性があります。回転数が低くなり、切りくず負荷が高くなると、温度が低下するため工具寿命が長くなります。
超合金は高温で非常に高い強度を持つように設計されているため、機械加工が非常に困難です。これらの材料を加工するには、より高出力の機械も必要です。超合金は加工硬化が非常に早くなる傾向があり、将来の機械加工がより困難になります。通常は、より低い切断速度が推奨されます。
銅は、その可鍛性と、切断ではなく工具の周囲に流れる傾向があるため、機械加工が難しいことで知られています。主に、高い伝導率と熱伝達率を必要とする電気部品や熱交換器部品に使用されます。高速およびフィードは純銅でうまく機能する傾向があります。銅合金は純銅よりも機械加工がはるかに簡単です。
プラスチックには、熱硬化性プラスチックから通常の熱可塑性プラスチックまで、何千もの異なる形状があります。また、信じられないほど幅広い硬度と機械的特性があります。硬質プラスチックのみが良好に加工され、公差内に保持できますが、より柔らかいプラスチックは切削工具を超えて変形する傾向があり、部品の寸法が仕様どおりではありません。プラスチックは絶縁体であるため刃先に熱がこもりやすく、注意しないとプラスチックが溶けてしまいます。
CNC マシンは幅広い用途と機能を実現できるにもかかわらず、リスクが伴います。CNC 加工でよくある間違いのいくつかを以下に示します。
CNC クラッシュ – CNC マシンは何も考えていません。彼らは言われたことだけをやります。正しくプログラムされていない場合、機械はミリ秒以内に切削工具を打ち込んでしまう可能性があります。通常、機械は衝突を検出して停止しますが、損傷はすでに発生している可能性があります。このリスクを軽減できるさまざまなソフトウェア ツールがあります。コードがマシンにアップロードされる前に、ツールパスをシミュレートできます。より複雑な 5 軸機械は、標準のコンピュータ支援製造 (CAM) ソフトウェアを使用してシミュレーションするのが非常に難しく、CAM コーディングと機械へのコードのロードの間に追加のソフトウェアが必要です。
間違った速度と送り – 高品質の機械加工コンポーネントを作成するには、速度と送りが重要です。間違った設定を使用すると、工具の摩耗が加速され、表面仕上げと公差が標準以下になります。各材料とその合金には理想的なカットのための設定が異なるため、これは複雑なトピックです。完璧なセットアップに到達するには、多くの場合、数回の反復が必要です。
メンテナンスの欠如 – 他の複雑な機械と同様、メンテナンスを怠るとすぐに壊れてしまう可能性があります。機械は清潔に保たれ、OEM メンテナンス計画に厳密に従う必要があります。
コンポーネントの製造を必要とするあらゆる業界は、CNC 加工によって直接的または間接的に影響を受けます。主要産業とその CNC 加工の用途の一部を以下に示します。
航空宇宙 – 航空宇宙産業では、非常に高いレベルの精度と再現性を備えたコンポーネントが必要です。これには、エンジンのタービンブレード、他のコンポーネントの作成に使用される工具、さらにはロケットエンジンで使用される燃焼室も含まれます。
自動車および機械の製造 – 自動車産業では、エンジンブロックなどの鋳造部品やピストンなどの高公差部品の機械加工に使用される高精度の金型の製造が必要です。さらに大規模な場合、ガントリー型の機械は自動車の設計段階で使用される粘土の型を削り出すことができます。
軍隊 – 軍は、ミサイル部品から砲身まで、非常に高い公差を備えた高精度部品を使用しています。軍用のすべての機械加工部品は、CNC 機械の精度と速度の恩恵を受けることができます。
医学 – 医療用インプラントは多くの場合、非常に有機的な形状で設計されており、高度な合金で作られる必要があります。手動機械ではこれらの形状を作成できないため、CNC 機械は必須です。
エネルギー – エネルギー産業は、蒸気タービンから核融合などのより珍しい技術に至るまで、エンジニアリングのあらゆる領域をカバーしています。蒸気タービンはタービン内のバランスを維持するために高精度のブレードを必要とし、核融合における研究開発のプラズマ格納チャンバーには高度な材料の非常に複雑な形状があり、CNC 機械が必要となります。
近年の技術開発の加速に伴い、積層造形が CNC 機械加工を追い越すだろうとの認識がありましたが、より可能性の高いシナリオは、複数の技術を 1 台の機械に組み合わせた製造センターがますます出現することです。これらは、減法マシンと加算マシンの両方の長所を取り入れて、各部分の合計よりも優れた機能を備えたマシンを作成できます。これらのマシンの初期のバージョンのいくつかはすでに見つかっています。
さらに、第 4 次産業革命による自動化の絶え間ない進歩により、人間の介入を最小限に抑えて自己診断、自己最適化、実行できる自動化システムがさらに増えることになります。製品は個々の消費者の個人的な要件に基づいて作成できますが、これは CNC マシンが提供する柔軟性のレベルによって可能になります。
