複雑な形状の場合、CNC 加工の方が安価ですか Ultimate guide 2022

本記事では、機械加工の基本を踏まえた上で、機械設計初心者が陥りがちなコストパフォーマンスの高い機械加工部品のポイントを紹介します。

CNCフライス加工パンチング

カットで安くできる部分を教えてください。機械加工というと、工業製品の無機質な部品ばかりをイメージするかもしれませんが、実際には曲面をねじるなど、さまざまな形状を作り出すことができます。

CNC加工部品

今回は、現在のコンピューター制御で複雑な形状を切削することで実現するプロセスを紹介しながら、さまざまな「素敵な形」をご紹介します。

NC加工とは？

何度も言いますが、カットとは、回転する刃物を一定の軌道に沿って素材に押し当て、不要な部分を削り取っていく工程です。

　では、「設定された軌道に沿って」とはどういう意味ですか?

ここまで漠然とした表現をしてしまいましたが、カットのとても重要な部分なのでもう少し詳しく説明します。

汎用フライスなど「手動」の汎用工作機械はひとまず脇に置いて、NCフライスやマシニングセンタなど、いわゆる「自動」NC工作機械の話にしましょう。

このような機械では、材料を切断する刃がコマンド言語によって機械に移動します。「エンドミルをこの位置に移動」というコマンドを機械に入力すると、コマンドに従って機械が自動的に移動します。エンドミルの位置はX、Y、Zの各数値で表され、これらの数値を動かしながら加工を進めていきます。​​プログラムによると。

NCフライスとは？

NCフライスの違い

NCフライスの「NC」は「数値制御」の略です。「X」は「横方向」、「Y」は「前後方向」、「Z」は「縦方向」です。「次に移動する位置」を連続入力することで、滑らかな曲線や複雑な軌跡を描いてエンドミルを移動させることが可能

逆に言えば、マシンは入力された指示に従って動作するだけです。最終的な形状は、入力した NC プログラムによって異なります。コンピュータが発達する前は、NCプログラムを専用の紙テープに打ち込み、機械に通して読み取っていたようです。これが、ベテラン職人がNCプログラムを「テープ」と呼ぶ理由のようです。

特殊紙テープのNCプログラム

現在、NCプログラムはコンピュータのデータとして扱っています。NCプログラムは機械のメモリにデータとして保存され、1行ずつ命令として読み込んでいきながら、命令の内容に従って動作します。

NCプログラムの構成

NCプログラムは、基本的にどの工作機械でも共通の構成になっています。主軸を回転させたり、移動速度を変化させたりする「Gコード」や「Mコード」などの「機械の動きを司る部分」と、X、Y、Z座標値としての「エンドミル先端位置」。指令値を与える部分の組み合わせで構成されています。

コンピューターを使用した最新のカッティング: CAD/CAM

「穴をあけるだけ」「刃をまっすぐ動かすだけ」といった単純なNCプログラムは簡単に作成できますが、「曲面を削る」といった複雑なNCプログラムは技術者の頭脳を必要とします。手で考えて入力するレベルを超えています。

そんな時に活躍するのが、いわゆるCAD/CAMシステムです。」CAD/CAM」は「Computer Aided Design」と「Computer Aided Manufacturing」のことで、基本的には「コンピュータを使った設計・製造」の総称です。

現在、狭義のCADはコンピューター上で図面や3Dモデルを作成するソフトウェアを指し、CAMは作成するソフトウェアを指します。NCプログラムCADデータを使用。複雑な NC プログラムを作成する場合でも、コンピュータの支援が必要です。CADとCAMの両方の機能を持つソフトウェアもあれば、独立した機能を持つソフトウェアもあります。

機械加工の適切なプロセスを決定する

CADについてはいろいろなサイトで詳しく取り上げられているので、ここでは設計者があまり意識していないCAMについてもう少し詳しく説明します。CAMによるNCプログラム作成工程では、ワークの材質や形状から適切な工程やエンドミルの種類、加工条件を判断し、情報として入力する必要があります。

素材や素材の形状、セットアップの順番などによって、とれる選択肢は無数にあり、どのような設定を行うかはエンジニアの経験とセンスに大きく左右されます。

たとえば、マテリアルを修正するには多くの方法があります。精密メカバイスでのクランプ、治具での直接固定、ネジでの固定など、形状や工程により様々なオプションがあります。エンドミルのすべての段取りと種類に応じて設定し、NC プログラムに変換する必要があります。

曲面加工におけるエンドミルの応用

エンドミルには、先端が丸くなった曲面の切削に適したボールエンドミル、真っ直ぐな平面の切削に適したフラットエンドミル、穴あけ用のドリルなど、さまざまな種類があります。

各種エンドミル

各タイプは、直径、ブレードの数、ブレードの有効長など、さまざまな形状に分けられます。どのような加工方法で、どのような加工を行うかを設定します。機械加工各エンドミルの使用条件。

エンドミルも1段取りに1種類というわけではありません。むしろ、何十種類も使うことも珍しくありません。そうすると設定するパラメータが膨大になります。

より安価な複雑な部品を製造するための加工条件は?

加工条件には、主軸の回転数、移動速度、削り代などがあります。エンドミルの形状、材質、材質によって最適な組み合わせがあります。問題は、いかに最適な組み合わせを導き出し、エンドミルの磨耗を防ぎ、加工時間を短縮するかです。

優秀なNC加工技術者が、ビビリが発生する切削条件で最短時間でNCプログラムを作成。刃物メーカーの推奨条件と自分の過去の経験を参考にしながら、加工状態のイメージを頭の中に入れました。

頭の中で彫る音や振動を想像しながら、「この調子じゃ速すぎる」とか「もう少し深く削れないかな」とか想像してしまいます。まさにプロフェッショナリズムの一部です。このプロセスと NC プログラムの組み合わせにより、加工時間を半分または 4 分の 1 に短縮できます。

それでは、CAD/CAM では不可能な NC プログラムの作成や、想像以上に複雑な形状の作成が、CAD/CAM を使用してどのように作成できるかについて、いくつかの例を見てみましょう。

5軸加工の代表：インペラー

いわゆる同時5軸加工でしかできない部品の代表例が、自動車のターボチャージャーに使われる「インペラー」です。

CAD/CAM がなければ、このインペラの複雑な部分を切削する NC プログラムは不可能です。アンダーカットの塊のような形をしているからです。

同時5軸加工は、素材を載せるテーブル面（A軸、B軸）とエンドミル（X、Y、Z）が連動して複雑に動くことでしか実現できません。

現代彫刻：3Dモデリング

3Dモデルさえあれば、CAMで形状を切削するためのNCデータを半自動生成できます。そのため、彫像やフィギュアなどの彫刻をはじめ、あらゆる立体形状を実現することが可能です。もちろん、これまで紹介してきたコーナーRやアンダーカットも考慮する必要があります。

3Dモデルに忠実に形状を再現できます。お客様の中には有名キャラクターをマシニングで切り出し、超高級品として販売したいとお考えの方もいらっしゃいます。

切断作業をもっと身近に！

加工品は用途によって様々な形状がありますが、どんなに複雑な形状でもコーナRとアンダーカットさえ守れば加工可能です。

より複雑な形状を大量生産するには鋳造が最適だと思われるかもしれませんが、機械加工には多くの利点があります。鋳造で問題になりがちな気孔率を回避でき、金型を製作する必要がないため、イニシャルコストを抑え、納期を短縮できます。

まとめ

量産加工部品でも切削加工を心がけていただけると幸いです。トータルコストも驚くほど安く、設計変更にも柔軟に対応できるメリットもあります。

この記事が機械加工をより身近に感じ、設計の視野を広げるのに役立つことを願っています。