多軸加工の探求：複雑な部品の鍵

多軸加工は、業界が複雑な部品を作成する方法を変革した最新の製造プロセスです。この記事では、多軸加工とは何か、時間の経過とともにどのように進化してきたか、多軸加工のさまざまなタイプ、これらのシステムの仕組み、およびそれらを使用することによる利点と課題について説明します。

多軸加工とは？

多軸加工とは、機械が工具またはワークピースを 4 軸以上に沿って動かすプロセスです。機械は一度に複数の方向に動作できるため、複雑な部品を高精度で作成できます。このプロセスは、工具を正確な経路に沿って動かすコンピューター制御の動きに基づいています。

多軸加工は、従来の 3 軸マシンから進化しました。3 軸マシンは、切削工具を 3 直線方向 (左から右、前から後ろ、上下) に移動します。エンジニアは、3 軸システムの制限を克服するために多軸マシンを設計しました。これらのシステムでは、ワークピースを再配置することなく、パーツのより多くの側面を加工できます。4 方向、5 方向、またはそれ以上の方向に移動するマシンは、より単純なマシンでは実現できない速度と精度を提供するため、多くの製造環境で人気が高まっています。

ノミで彫刻するのと、 3Dプリンタ従来の方法では、常に位置を変更する必要がありましたが、多軸マシンは停止することなく複数の角度から作業します。

多軸 CNC マシンの主なコンポーネント:

1. スピンドル: 加工時に切削工具を保持し移動させます。
2. マシンコントロールユニット(MCU): プログラミングコマンドをマシンの動作に変換します。
3. フィードバックシステム: 機械の動きを確認し、調整信号を送信します。
4. チャック: 加工中にワークをしっかりと固定します。
5. ドライブシステムツール、スピンドル、その他の動きを制御して動きを生み出すモーター。
6. ベッド: ワークピースが取り付けられ、回転または移動できる領域。
7. テールストック: 長い円筒形のワークを支え、加工中の動きを防止します。
8. フレーム: サポートと剛性を提供し、機械を固定します。
9. 入力デバイス: オペレーターがデータを入力し、マシンと対話するために使用します。
10. ディスプレイ: 監視用のマシン設定とエラー メッセージが表示されます。
11. クーラントシステム: 機械を冷却して安全な動作温度を維持します。
12. スピンドルボックス: スピンドルを回転させるためのベアリング、メインドライブユニット、ギアが含まれています。
13. 足踏みペダル: テールストックの起動や停止などの補助機能を有効にします。
14. 工作機械: 切削工具を使用して部品を加工します。

多軸工作機械の種類

多軸マシンの複雑さは、軸の構成によって異なります。簡単に説明すると次のようになります。

3軸加工

3 軸マシンは最もシンプルなタイプです。マシンは X、Y、Z の 3 方向に移動します。切削工具はこれら XNUMX つの軸に沿って移動します。ワークピースはテーブル上に固定されたままです。マシンは一度に XNUMX 面しか切削できません。この方法は、シンプルなパーツに適しています。多くの工場では、複雑な形状を必要としない作業に XNUMX 軸マシンを使用しています。ただし、パーツに面が多い場合は、マシンに多くのセットアップが必要になる場合があります。この必要性により、生産時間とコストが増加します。

また、お読みください。 3軸、4軸、5軸CNC加工とは

4軸加工

4 軸マシンは 3 軸マシンの 4 段階上のマシンです。XNUMX 番目の動きが追加されます。追加された軸は回転軸です。ワークピースはこの軸上で回転します。回転により、ツールはパーツの位置を変更せずに、より多くの面を切削できます。マシンは引き続き X、Y、Z 方向に移動します。回転動作により効率が向上します。多くのメーカーは、複数の面で作業する必要がある場合に XNUMX 軸マシンを使用します。この方法により、時間が節約され、エラーが減ります。

5軸加工

5 軸マシンは非常に人気があります。マシンは 5 方向に動きます。XNUMX つの直線運動と XNUMX つの回転運動があります。追加の軸により、ツールがワークピースのすべての部分に到達しやすくなります。マシンは XNUMX 回のセットアップで複雑な形状をカットできます。多くの業界では、XNUMX 軸マシンを使用して細かい部品を製造しています。このプロセスにより、追加のセットアップの必要性が最小限に抑えられます。また、人為的エラーの可能性も減ります。

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高軸加工: 6軸、7軸、8軸、9軸、12軸

より高いレベルの精度と複雑さが必要な場合、一部のメーカーでは 5 軸を超えるマシンを使用します。

6 軸加工では、5 軸システムにさらに 6 つの回転動作が追加されます。エンジニアは、非常に厳しい許容誤差と細かい作業を必要とする部品に XNUMX 軸マシンを使用します。

7 軸加工では、回転可能な旋回アームを介してさらに別の動きが追加されることがよくあります。メーカーは、防衛や航空宇宙などの業界の非常に特殊な部品にこれらの機械を使用します。

エンジニアは、複数のマシンを組み合わせて 8 軸または 9 軸システムを作成することがあります。たとえば、8 軸システムでは、8 台の 9 軸マシンを連携させて部品を加工します。5 軸マシンでは、4 軸フライス盤と 12 軸旋盤の機能を組み合わせることができます。最も複雑なシステムは 6 軸マシンで、XNUMX セットの XNUMX 軸マシンを連携させて使用します。これらのシステムは、コストが高く、セットアップが複雑なため、非常にまれです。

表1: さまざまなCNC加工軸とその用途の比較

軸	軸の数	軸構造	Advantages	デメリット	アプリケーション
3軸CNC	3	X、Y、Z	低コスト、シンプルなツール、優れた精度	複雑さが制限され、速度が遅く、複雑な部品には適していません	2Dおよび2.5Dパーツ、シンプルなプロジェクト
4軸CNC	4	X、Y、Z、A	角度のある特徴を加工可能、多用途	価格上昇に対して3軸よりあまり改善されていない	彫刻などの追加機能を備えた2Dパーツ
5軸CNC	5	Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ	同時動作、高精度、高速サイクルタイム	コストが高く、メンテナンスに費用がかかり、熟練したオペレーターが必要	複雑な3D部品、航空宇宙、医療、防衛
6軸CNC	6	Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃ	5軸を超える高速性と精度	大幅な値上げ	エンジンブロック、タービンブレードなどの特殊部品
7軸CNC	7	X、Y、Z、A、B、C、E	リードタイムの​​短縮、極めて高い精度	コストが非常に高く、中小企業には不向き	航空宇宙、軍事、複雑な形状の部品
8軸CNC	8	X、Y、Z、A、B、C、E	シングルセットアップ加工、高精度	高コスト、複雑なプログラミング	曲面、航空（例：スプロケット、カムシャフト）
9軸CNC	9	X、Y、Z、A、B、C、E	二次組立が不要で製造が高速化	複雑なプログラミング	医療（インプラント、歯科用機器）
12軸CNC	12	X、Y、Z、A、B、Cの2セット	生産スループットが2倍、精度が極めて高い	複雑なプログラミング、高価なセットアップ	大量生産、極めて高精度が求められる部品

一般的な多軸加工操作には次のものがあります。

1. フライス加工回転する切削工具はワークピースから材料を除去します。通常は、平らな表面、溝、または複雑な形状に使用されます。
2. ターニング: ワークピースが回転し、ツールが軸に沿って移動します。通常は円筒形の部品に使用されます。
3. 訓練: 回転するドリルビットがワークピースに穴を開けます。
4. 盗聴: タッピングツールを使用してワークピースにねじを作成します。
5. 研削: 研削ホイールはワークピースの表面から不要な材料を取り除き、精密仕上げによく使用されます。
6. EDM（放電加工）: 電気火花を利用して金属を切断・成形します。硬い材料に最適です。
7. レーザー切断高出力レーザービームが材料を切断し、複雑な形状に役立ちます。
8. 電気フライス加工: EDM とフライス加工技術を組み合わせたもので、複雑な金属部品によく使用されます。

これらの操作は、多軸 CNC マシンで同時に実行できるため、効率と精度が向上します。

多軸加工の仕組み

多軸加工は、コンピューターを使用して機械を制御することで機能します。コンピューターは簡単な指示を送信します。機械はこれらの指示に正確に従います。切削工具は、コンピューターが計画したパスに沿って移動します。機械はスピンドルを使用して工具を保持します。スピンドルは高速で回転します。ワークピースはテーブル上に保持されます。場合によっては、テーブルも回転します。機械は工具とワークピースを同時に移動できます。

このプロセスでは、特別なソフトウェアを使用します。ソフトウェアはツール パスを計画します。ツール パスとは、ツールがたどる経路のことです。ソフトウェアは衝突の有無をチェックします。コンピューターは、ツールが常に正しい位置にあることを確認します。このプロセスは安全かつ効率的です。マシンは、1 つのセットアップで中断することなく動作できます。この方法により、時間が節約されます。また、ミスの可能性も減ります。このプロセスでは、高精度で滑らかな表面の部品が製造されます。

多軸加工のメリット

多軸加工にはさまざまな利点があり、多くの製造現場で人気を博しています。

部品精度の向上

メーカーは、厳しい公差を満たす部品を作成するために多軸加工を使用します。機械はさまざまな角度から部品を加工できるため、誤差が減ります。コンピューター制御の動きにより、ツールは正確な形状を作成するために必要な正確な経路をたどることができます。エンジニアは、部品の精度が向上すると、不良品が減り、再加工の必要性が減ることを発見しました。

生産時間の短縮

機械は 1 回のセットアップで部品を切断できます。このプロセスでは、多くの一時停止は必要ありません。これにより、多くの時間を節約できます。生産が高速化されると、注文に迅速に対応できます。セットアップ時間の短縮により、生産コストを削減できます。多くの企業がこのプロセスを使用して、高い需要に対応しています。

改善された表面仕上げ

多くのメーカーは、これらの短いツールによって表面がより滑らかになることに気づいています。表面仕上げが改善されると、多くの場合、部品に追加の仕上げ作業が必要なくなります。この利点は、目立つ用途や重要な用途で使用される部品にとって重要です。

工具寿命の延長

機械は動的な動きを利用して切削工具を最適な位置に維持します。工具が最適な切削位置に維持されると、工具の摩耗が遅くなります。メーカーは多軸加工を使用することで工具交換コストを節約できます。

人件費の削減

多軸マシンは自動的に動作します。常に人間が介入する必要はありません。オペレーターが必要なのはセットアップとプログラミングのみです。自動化により人件費が削減されます。手動操作が減ることでミスの可能性も減ります。この利点により、プロセス全体がより効率的になります。

廃棄物の削減

製造業者は、廃棄物を削減するために多軸機械を使用しています。プロセスの精度が高いため、切断時に除去される余分な材料が少なくなります。この効率性により、企業は材料コストを削減し、環境への影響を改善できます。

量産能力

この機械は、同じ部品を同じ品質で何度も生産できます。この再現性は大量生産に最適です。このプロセスにより、すべての部品が同じ品質基準を満たすことが保証されます。製造業者はこのプロセスを使用して、生産の一貫性を維持します。

多軸加工の課題

多くの利点があるにもかかわらず、多軸加工にはいくつかの課題があります。

プログラミングの複雑さ

多軸マシンのプログラミングは簡単ではありません。コンピューターは一度に多くの方向を計算する必要があります。この作業は新しいユーザーにとっては難しい場合があります。エンジニアはソフトウェアの学習に余分な時間を費やします。

高い初期投資

多軸マシンは高価です。単純な 3 軸マシンよりもコストがかかります。企業は機器とソフトウェアに多額の費用を費やす必要があります。最初はコストが高くなる場合があります。初期コストが課題です。

メンテナンスとセットアップ

機械には可動部品が多数あります。良好な状態を保つには定期的なメンテナンスが必要です。技術者は頻繁に機械を点検する必要があります。機械のセットアップにも時間がかかります。企業は厳格なスケジュールに従ってメンテナンスを実施します。

オペレーターのスキル要件

多軸加工には熟練したオペレーターが必要です。このプロセスでは、コンピューター ソフトウェアの理解が必要です。オペレーターは新しい技術を習得する必要があります。多くの企業がスタッフのトレーニング プログラムに投資しています。熟練したオペレーターの必要性は課題です。

多軸加工の応用

多くの業界が多軸加工の恩恵を受けています。このプロセスは、さまざまな部品の製造に使用されています。

業種	アプリケーション	多軸加工の役割
航空宇宙および航空	タービンブレード、エンジン部品、フレームの製造	精度を高め、セットアップ時間を短縮します。
自動車	エンジン部品、ボディ部品、ギアボックスの製造	1 回のセットアップで複雑な形状を実現し、時間を節約します。
医療	手術器具、インプラント、医療機器の製造	厳しい許容誤差と高品質の仕上がりを保証します。
防衛	軍用車両および装備品の部品の製造	過酷な条件下でも耐久性のある部品を生産します。
ジュエリーと精密工芸	複雑なデザイン、カスタムピース、細かいディテールの制作	細かいディテールと滑らかな仕上がりを実現します。
家具と木工品	家具デザイン用の彫刻、モールディング、カスタム部品	一貫したカットと高品質の仕上がりを実現します。

適切な多軸CNCマシンの選択

メーカーは CNCマシン 彼らのニーズに合ったもの。

• 製造する部品を特定し、サイズ、許容差、材質などの詳細をリストし、3 軸、4 軸、または 5 軸のシステムが必要かどうかを決定して、プロジェクト要件を定義します。
• 機械、ツール、備品、ソフトウェアのコストを考慮し、メンテナンスとトレーニングを計画し、長期的な節約と初期投資を比較検討して予算を評価します。
• 正確なツールパスを設計し、衝突をチェックし、さまざまなオプションをテストして最適なものを見つけることができる、ユーザーフレンドリーなソフトウェアを選択します。
• 現在のスタッフの能力を評価し、必要に応じてトレーニング プログラムに投資することで、オペレーターのスキルを評価します。
• 潜在的な量の増加と複雑さを考慮して将来の生産ニーズを計画し、将来のアップグレードを可能にするマシンを選択します。

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まとめ

多軸加工により、メーカーが複雑な部品を製造する方法が変わりました。これらの機械によって精度が向上し、製造時間が短縮され、表面仕上げが改善されることで、すべてのメーカーが恩恵を受けています。すべての部品は綿密な計画に基づいて製造され、すべての動きは品質を保証するコンピューターによって制御されます。

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