最初の CNC マシンの発明の歴史は 17 世紀に遡りますが、エンジニアがコンピューター数値制御 (CNC) テクノロジーを広く検討し、適用し始めたのは 1940 年代になってからです。技術の急速な発展に伴い、次のような革新的な技術が登場したにもかかわらず、 3D印刷, CNC 加工は、依然としてオンデマンドで商品を生産する最も経済的な方法の 1 つです。現在、CNC 加工に注目する企業が増えており、生産効率の向上とコスト削減の重要な要素であると考えられています。
しかし、CNC 加工に関しては、コストが多くの企業にとって依然として大きな課題となっています。原材料の選択から加工プロセスの最適化、その後の保守管理に至るまで、各段階が CNC 加工の総コストに影響を与える可能性があります。したがって、CNC 加工のコストを効果的に制御して削減することが、企業が取り組む必要のある緊急の課題となっています。
この記事では、CNC 加工のコストに影響を与えるさまざまな要因を詳しく掘り下げ、設計段階でコストを削減するための一連の効果的なテクニックを共有します。設計と加工戦略を最適化することで、CNC 加工コストの大幅な削減を達成できます。
CNC加工コストに影響する要因
CNC 加工のコストは一定ではなく、さまざまな要因によって影響されます。企業にとって、コストに影響を与えるこれらの主要な要因を深く理解して把握することは、業務の最適化、生産効率の向上、効果的なコスト管理の実現にとって極めて重要です。
CNC 加工コストに影響を与える主な要因:
- デザインの複雑さ
- 原材料費
- 加工部品数
- 人件費
- 事後処理費用
- 使用される CNC マシンの種類
- 機械稼働時間
16 のデザインのヒント 縮小 CNC加工費
CNC 加工コストに影響を与えるさまざまな要因を深く理解した後、ターゲットを絞ったコスト削減設計措置を実装して、CNC 加工費用を効果的に削減できます。ここでは、企業が製品の品質を確保しながら CNC 加工コストを削減するのに役立つ、実用的で影響力のある 16 の設計テクニックを紹介します。
#1 デザインのヒント: 垂直の角の内側を丸くする
CNC 加工では、工具の形状は通常円筒形であるため、特に垂直面の接合部にスロットを加工する場合、工具の形状と同じサイズのコーナーが自然に形成されます。このコーナーは機械加工プロセスでは避けられない部分ですが、そのサイズは製品設計によって制御できます。
製品を設計する際、垂直面の接合部のコーナーが小さすぎる場合は、より小さな工具を使用して加工する必要があります。工具が小さいと、加工効率が比較的低いだけでなく、加工時間や工具交換の時間が長くなり、全体の加工時間とコストが増加する可能性があります。
加工コストを効果的に削減するために、いくつかの重要な設計提案を以下に示します。
適度に設定されたコーナーサイズ
コーナーのサイズはスロットの深さの少なくとも 1/3 である必要があり、実際には通常、コーナーが大きいほど機械加工に有利です。コーナを大きくすると加工時の工具負荷が軽減され、加工効率が向上します。たとえば、スロットの深さが 12 mm の場合、コーナーのデザインは 5 mm 以上が適切な選択となります。
均一なコーナーサイズ
加工プロセスを簡素化し、効率を向上させるには、すべてのコーナーのサイズを一定に保つことをお勧めします。このようにして、加工プロセス全体で同じ工具を使用できるため、工具交換の回数と加工セットアップ時間が削減されます。
スロットの根元のデザイン
スロットの根元では、より小さなコーナー (0.5 mm または 1 mm など) を設計するか、丸めないことを選択することを検討してください。これは主に、スロットの構造強度を維持し、特定の設計要件を満たすためです。
ツールの角を合わせる
理想的なコーナー サイズは、工具の半径よりわずかに大きい必要があります。これにより、加工中に工具がよりスムーズにスライドできるようになり、摩擦と抵抗が軽減され、加工コストがさらに削減されます。たとえば、直径 8 mm (半径 4 mm) の工具の場合、5 mm 以上のコーナーデザインが適切です。
特殊なケースの処理
特定の設計要件により、垂直面の接合部の角を丸くすることができない場合 (たとえば、ここで別の正方形のパーツとぴったり合わせる必要がある場合)、角が小さくなるのを避けるために、次の設計を実装できます。
#2 設計のヒント: スロットの深さを減らす
スロットの形成には大量の材料の除去が含まれるため、加工時間の大幅な増加に直接つながります。
CNC ツールの加工深さは、主にツールの構造、材質、機械の性能に影響されます。一般に、溝深さが工具直径の 2 ～ 3 倍である場合、工具の加工性能は最も理想的となり、加工効率と工具の耐久性の両方が最適なレベルに達します。たとえば、直径 12 mm のエンドミルの場合、スロットを加工するための最大安全深さは 25 mm です。
もちろん、特殊な状況では、部品の機能要件を満たすために、最大深さが工具の直径の 4 倍を超えないように、より深いスロットを加工する必要がある場合がありますが、特に多軸 CNC で加工する場合、コストが増加します。機械。
CNC 加工コストを削減するために、メーカーは次の戦略を採用できます。
- スロットの深さは長さの 4 倍以内にしてください。
- 不必要な材料の除去と加工時間を短縮するために、過度に深いスロットの設計はできる限り避けてください。
- 可能な限り薄い壁または小さなスロットを使用して、部品の設計を最適化します。
#3 設計のヒント: 薄い壁を避ける
CNC 加工における薄肉設計は、加工コストの増加につながる可能性があります。特別な要件がない限り、通常は薄肉設計を避けることをお勧めします。
薄肉コンポーネントは非常に壊れやすいため、加工にはさらに時間がかかります。振動したり変形しやすいため、正確な公差を維持するのは難しく、ひどい場合には破損する可能性もあります。処理速度の遅さ、特殊な技術、および高いスクラップ率が、これらの薄肉コンポーネントのコスト増加の原因となっています。
厚肉コンポーネントの加工は、より安定し、コスト効率が高くなります。加工コストを低く抑えるために、薄肉のデザインは避けてください。金属コンポーネントの壁の厚さは 0.8 mm 以上、プラスチック コンポーネントの場合は 1.5 mm 以上である必要があります。
さらに、部品の端に穴 (貫通穴やネジ穴を含む) やスロットを設計する場合、薄壁が特に発生しやすくなります。このような場合、部品の構造的完全性と加工効率の両方を確保するために、上記の設計ガイドラインに従うよう特別な注意を払う必要があります。
#4 設計のヒント: ねじの深さを減らす
不要 番手 深さが深すぎると、加工の難易度が上がるだけでなく、コストも大幅に上昇します。これは、過度に深いねじ山を加工するには、特別に設計された工具が必要になるためです。特殊な工具は高価なだけでなく、加工効率も比較的低くなります。
多くのエンジニアや設計者は、ネジの深さを増やすと接続強度が向上すると誤って信じていることが多いことを強調しておく価値があります。しかし実際には、ネジの深さが長すぎる（穴径の 3 倍を超える）と接続強度は向上しません。
CNC 加工コストを削減するには、ねじを設計するときに次の原則に従うことをお勧めします。
- ねじの深さはねじ穴の直径の 3 倍以内に制御する必要があります。
- 止り穴タップの場合は、穴の底にねじ径の少なくとも 1/2 の長さを追加することをお勧めします。これは、機械加工プロセス中の破損や損傷を回避するのに役立ちます。
#5 設計のヒント: 標準サイズの穴を設計する
標準ドリルビットを使用すると、工具の交換や調整の頻度を減らしながら、迅速かつ高精度の穴加工が可能になります。対照的に、エンドミルを使用して規格外のサイズの穴を加工すると、工具コストが増加します。
通常、穴の深さは直径の 10 倍を超えてはなりません。穴が深すぎると、より長い工具とより複雑な加工パスが必要になるため、加工の難易度が上がり、コストが増加します。深い穴（直径の最大 XNUMX 倍）は技術的には可能ですが、加工コストと時間が大幅に増加するため、可能な限り避けるべきです。
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CNC加工コストを削減するには、 設計では次の原則に従うことをお勧めします。
- 標準サイズの穴を優先して選択してください。
- 標準以外のサイズの穴の使用を最小限に抑えます。
- 穴の深さを制御します。
- 適切な寸法と深さの穴を設計します。
#6 設計のヒント: 厳しい公差要件を回避する
CNC 加工における厳しい公差要件により、多くの場合、コストが高くなり、加工プロセスがより複雑になります。部品の寸法公差を定義する場合は、慎重に対応し、任意の公差の注釈を避けることが重要です。公差は本当に必要な場合にのみ指定する必要があり、過度に厳密な精度公差は最小限に抑える必要があります。
部品の設計段階で、部品の設計図面に公差が定義されていない場合、部品は標準公差 (± 0.1 mm 以下) に従って機械加工されます。これは、ほとんどの重要でない寸法には十分であり、加工コストが大幅に削減されます。
部品内部の加工にも注意が必要です。内部で交差する穴や溝を加工する場合、力による変形などによりエッジにバリなどの小さな欠陥が発生しやすくなります。製品の品質を向上させるために、多くの企業では部品のバリ取りが必要です。ただし、バリ取りは多くの場合、時間とコストがかかるプロセスです。一部の特殊な構造物や手の届きにくい場所では、手作業での撤去が唯一の選択肢となることが多く、人件費が増加するだけでなく、かなりの時間がかかります。
コストを削減するには、次のような対策を講じることができます。
- 過度の精度の追求によるコストの増加を避けるため、精度公差は本当に必要な場合にのみ定義してください。
- すべての寸法注釈を標準化して、加工および検査プロセス中のエラーと複雑さを軽減します。
- 公差の小数点以下の桁数を厳密に管理します。小数点以下の桁数によって、精度の程度と使用される測定ツールが決まります。たとえば、小数点以下 2 桁はノギスを使用して測定できますが、小数点以下 3 桁の場合はより正確なマイクロメーターまたは座標測定機が必要です。
- 最適化された製品設計により、厳しい公差要件を回避します。たとえば、寸法チェーンを短くしたり、位置決め機能を使用したりして、部品の加工精度と安定性を向上させます。
- BoYi と協力してコストを削減します。部品加工後の後加工を当社が直接行うため、バリ取りなどの二次外注コストがかかりません。
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#7 設計のヒント: クランプ操作の回数を減らす
可能な限り、すべての加工プロセスを完了するためにクランプを 1 回だけ必要とするように部品を設計します。これにより、クランプに伴う時間の消費と誤差の蓄積が最小限に抑えられます。部品を複数の面で加工する必要がある場合、賢明な設計により、すべての加工要件を 1 つのクランプで確実に満たすことができます。
コストを削減するには:
- クランプ操作が 1 回だけ必要になるように部品を設計します。
- それが難しい場合は、複雑な部品を複数のコンポーネントに分割し、後続のプロセスを経て 1 つのユニットとして結合します。
#8 設計のヒント: CNC 加工では実現不可能な設計機能を避ける
すべての機能が CNC 加工で実現できるわけではありません。 CNC フライス工具は通常円筒形であるため、キャビティのエッジを切断するときに鋭角またはその他の角のあるコーナーではなく、丸いコーナーが得られるため、90° の内部コーナーが典型的な例です。
鋭いコーナーが必要な場合は、放電加工 (EDM) テクノロジーを使用するのが一般的です。ただし、EDM は CNC 機械加工に比べて高価で複雑な製造プロセスであるため、生産コストが大幅に増加する可能性があります。したがって、ほとんどの場合、設計者は設計に鋭い角を直接要求することを避ける必要があります。
組み立てやその他の機能要件により鋭いコーナーが避けられない場合は、フィレットコーナーを使用することをお勧めします。以下の図に示すように、フィレットコーナーは CNC 加工によって実現でき、鋭いコーナーの要件を部分的に満たすことができます。
#9 デザインのヒント: 小さなフォントや浮き彫りのテキストを避ける
担当者が必要とする場合があります テキストミリング 表面に部品番号、説明、または会社のロゴが記載されています。ただし、部品の表面にテキストや記号を追加すると、追加の加工操作が必要になり、より多くの加工時間がかかり、工具の摩耗が早まる可能性があるため、CNC 加工コストが大幅に増加します。
パーツ上のテキストや記号が必要な場合は、より低コストで他の方法を使用してそれらを実現することを検討できます。たとえば、シルク スクリーン印刷やスプレー塗装などの表面処理技術を使用して、テキストや記号を追加できます。あるいは、エンボス加工ではより多くの材料を除去する必要があるため、エンボス加工ではなく彫刻を選択します。
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デザイン ソフトウェアにカスタム彫刻フォントがない場合は、20 ポイントの San Serif フォントを使用することをお勧めします。これは、このフォントには各文字ストロークの終わりに余分な線 (セリフ) がないためであり、これにより加工コストが増加する可能性があります。さらに、サイズ 20 を使用することをお勧めします。これより小さいサイズは小さいフィーチャとみなされ、機械加工が難しくなり、コストが高くなるためです。
#10 設計のヒント: 材料の機械加工性を考慮する
材料の機械加工性は、機械加工の難しさと最終的なコストを直接決定します。
優れた機械加工性を備えた材料は、切断、研削、成形が容易であり、加工時間と工具の摩耗が軽減されます。例えば、黄銅C360は加工性に優れていることで知られており、高速加工に適しています。
ただし、すべての材料が優れた機械加工性を備えているわけではありません。鋼はその典型的な例であり、比較的被削性が低く、多くの場合、アルミニウム合金と比較して 2 倍以上の加工時間を必要とします。鋼の種類が異なれば、被削性のレベルも異なることに注意してください。例えば、 ステンレス鋼304 の被削性指数はわずか 45% ですが、ステンレス鋼 303 の被削性指数は 78% と高く、CNC 加工により適しています。
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プラスチック材料の機械加工性は、その剛性と熱特性によって決まります。プラスチックは高温で溶けたり変形しやすいため、CNC 加工中の加工温度と切削力の制御には特別な注意を払う必要があります。 POM は CNC 加工が最も容易なプラスチック材料の 1 つですが、ABS は若干劣ります。 PEEK やナイロンなどのエンジニアリング プラスチック材料は、その独特の物理的特性により、一般に機械加工が難しいと考えられています。
#11 設計のヒント: 原材料の価格とサイズを考慮する
次の表は、ビレット サイズ 150 x 150 x 25 mm の一般的な金属およびプラスチック原材料の価格を示しています。
| 原料 | 原材料価格 |
| アルミ6061 | $ 23 |
| アルミ7075 | $ 74 |
| ステンレス鋼304 | $ 84 |
| ステンレス鋼303 | $ 138 |
| 真ちゅうC360 | $ 146 |
| ABS | $ 15 |
| ナイロン | $ 28 |
| POM | $ 24 |
| asfasdf | $ 276 |
アルミニウム 6061 はコストパフォーマンスに優れています。切断、研削、成形が容易なため、試作に最適です。
ステンレス鋼 303 や黄銅 C360 は優れた被削性を示し、高い加工効率と短い加工時間を備え、高精度で高品位な加工の要求に応えます。ただし、これら XNUMX つの材料は価格が比較的高いため、大量生産に適しています。大量生産により、原材料の高コストは処理時間の短縮によってバランスがとれます。
ABS、ナイロン、POM などのプラスチック材料の価格はアルミニウム 6061 と同様ですが、CNC での機械加工は比較的困難です。 CNC 加工コストは比較的高価です。 PEEK は非常に高価な材料であり、その高コストの主な原因はその独特の物理的および化学的特性にあります。 PEEKは高温耐性や耐薬品性などに優れた特性を持っているため、一部の特殊な用途にのみ使用されています。
材料を無駄なく部品の寸法精度を確保するため、原材料を購入する際は、部品寸法よりも材料寸法が3mm以上大きいものをご購入ください。たとえば、外形寸法が 30x30x30mm の部品の場合、加工には 35x35x35mm の寸法のブランクを選択できます。また、外形寸法が 27x27x27mm の部品の場合は、材料コストを節約するために 30x30x30mm の寸法のブランクを選択できます。
あるいは、標準的なブランク サイズ仕様についてサプライヤーと相談し、原材料のサイズ仕様に近い部品を設計して、材料の無駄を最小限に抑えることもできます。
#12 設計のヒント: 曲面フィーチャーの使用を減らす
CNC 機械加工部品を設計する場合、コストと加工時間を最小限に抑えるために、複雑な曲面フィーチャの使用をできる限り減らすか避けることをお勧めします。
この目標は、いくつかの設計戦略を通じて達成できます。たとえば、外側のエッジを面取りする場合、条件が許せば、丸みを帯びた角の代わりに傾斜した面取りを使用する必要があります。内部の不要な溝や突起を最小限に抑え、部品の断面形状を簡素化し、過度にコンパクトなレイアウトを避けます。
#13 設計のヒント: 複数の表面仕上げを避ける
複数の表面仕上げは、加工時間と労力の投入を意味するだけでなく、追加のコストも発生します。これを軽減するための 1 つのアプローチは、さまざまな要件を満たすことができる表面処理技術を採用することにより、プロセスを削減し、コストを削減することです。
アルミニウムのような本質的に機械加工が容易で、最小限の表面研磨しか必要としない材料の場合、表面仕上げが必要な場合は必ず機械加工仕上げを利用する必要があります。これは、機械加工仕上げが通常、CNC 加工における最も低コストの仕上げオプションであるためです。追加の表面仕上げプロセスを必要とせず、切削工具を使用して目的の表面効果を直接生み出すことができます。
場合によっては、部品の品質を向上させたり、特定の性能要件を満たすために、特定の表面仕上げが必要になる場合があります。これらには、化学エッチング、サンドブラスト、電解研磨、陽極酸化処理などが含まれます。ただし、これらの表面仕上げ技術を使用する場合は、それらが実際に設計要件を満たしていることを確認し、必要な場合にのみ使用する必要があります。
#14 設計のヒント: 大量生産
CNC 加工では、部品の体積と CNC 加工コストの間に反比例の関係が存在します。つまり、部品の体積が大きくなるほど、CNC 加工コストは低くなります。この関係は、部品の体積が少ない場合に特に顕著であり、わずかな量の増加でも大幅なコスト削減につながる可能性があります。たとえば、部品の体積が 1 から 5 に増加すると、部品コストが 50% 以上削減される可能性があります。つまり、部品の数が 5、50、または 100 であっても、CAD 設計は同じです。
大量生産 複数の分散した注文の代わりに大量の注文を可能にすることでコストを削減します。
#15 設計のヒント: 軸対称の部品を設計する
軸対称の部品の加工プロセスは比較的単純で、旋盤やフライス盤などの装置を使用して効率的な加工を実現できます。これらの機械の加工時間率は、通常、3 軸または 5 軸マシニング センターよりもはるかに低くなります。
軸対称の設計により、加工ステップが簡素化されるだけでなく、必要な工具や治具の種類が減り、製造コストがさらに削減されます。
#16 設計のヒント: 代替ソリューションの使用
前述したように、CNC 加工コストは比較的高価です。
コストの最適化を追求しながら、私たちは考え方を広げ、CNC 機械加工に代わる他の適切な加工技術を積極的に模索し、使用する必要があります。
プロトタイプの製造中、3D プリントのコストは CNC 機械加工のコストよりも低くなります。大量生産では、射出成形のコストは CNC 機械加工のコストよりも低くなります。
次の表は、さまざまな数量の部品に対するプロセスの選択を示しています。
| 部品点数 | <10 | 10-100 | 100-1000 | > 1000 |
|---|---|---|---|---|
| 金属 | 3D プリンティングと CNC | CNC | CNC | ダイカスト |
| プラスチック | 3D印刷 | CNC および 3D プリンティング | CNC & 射出成形 | 射出成形 |
異なる加工技術を柔軟に適用することで、コスト削減、効率化、品質の向上を実現します。
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まとめ
要約すると、この記事では CNC 加工コストを削減するための一連のテクニックを説明します。これらの設計戦略を個別に使用することも、組み合わせて使用することもでき、CNC 加工費用を最小限に抑えることができます。さらに、特定の加工要件や条件に応じて柔軟に調整し、最適化することが不可欠です。
Q＆A
CNC 加工コストの計算には、材料費、機械のセットアップ時間、加工時間、人件費、諸経費、追加の後処理や仕上げ作業などのさまざまな要素を考慮する必要があります。
小規模 CNC 加工のコストは通常、6 時間あたり 11 ドルから 11 ドルの範囲です。 BoYi の機械加工サービスの場合、料金は 16 時間あたり 70 ドルから XNUMX ドルの範囲です。大規模なガントリー加工には XNUMX 時間あたり XNUMX ドルかかる場合があります。加工費は場所により異なります。
タグ： CNC加工ガイド
この記事は、BOYI チームのエンジニアによって執筆されました。Fuquan Chen は、ラピッドプロトタイピング、金型製造、プラスチック射出成形の分野で 20 年の経験を持つプロのエンジニア兼技術専門家です。
