5軸CNC加工の完全ガイド：仕組み・メリット・機種選定のポイント

5軸CNC加工についてもっと知りたいですか？ 5軸CNC工作機械がいかに製造能力を飛躍させるか、気になりませんか？

5軸CNC工作機械の仕組み、メリット、利用可能な機種タイプを網羅したこの必読ガイドをお読みください。

航空宇宙、医療、防衛、ロボティクス、自動車製造など、ますます高度化する先進産業のニーズに応えるべく開発された多軸CNC工作機械は、製造業に革命をもたらしました。

大きなマイルストーンの一つは5軸CNC工作機械の開発です。5軸マシニングセンタとも呼ばれ、その能力と柔軟性は、標準的な3軸マシニングセンタを大きく凌駕しています。

5軸CNC工作機械が貴社の生産に適しているか判断するため、本記事ではこの技術に関するよくある疑問を以下の構成で解説します。

• 5軸CNC加工とは？
• 5軸CNC工作機械が必要になるのはいつ？
• 5軸CNC加工のメリットは？
• 5軸CNC工作機械選定のチェックポイント
• Hwacheonが提供する5軸CNC工作機械の種類

#1 5軸CNC加工とは？

5軸CNC加工技術は、CNCマシニングセンタを用いてワークを5つの異なる軸で位置決め・同期させ、切削工具が容易に到達できるようにします。これにより、X、Y、Zの3つの一次軸に加え、2つの追加回転軸（AとC、またはBと C）でワークを加工できます。

以下の図で仕組みをご確認ください。

ワークを複数軸で移動制御することで、切削工具に多方向への柔軟性が生まれます。これにより、負の角度を含むほぼあらゆる角度に到達でき、標準的な切削工具をより幅広い形状・寸法で活用できます。

3+2軸バージョン

3+2軸バージョンでは、5軸のうち任意の3軸を同時制御し、残り2軸でワークを位置決めします。

具体的には以下のように機能します。

• X、Z、C軸を同時制御し、Y、A軸で位置決め
• Y、Z、A軸を同時制御し、X、C軸で位置決め

4+1軸バージョン

4+1軸バージョンでは、任意の4軸を同時制御し、残り1軸で位置決めします。

具体的には以下のように機能します。

• X、Z、A、C軸を同時制御し、Y軸で位置決め
• X、Y、Z、A軸を同時制御し、C軸で位置決め

フル5軸バージョン

最後にフル5軸バージョンでは、3軸（直線）と2軸（回転）のすべてを同時制御できます。

このバージョンでは、通常X、Y、Zと呼ばれる3つの直線軸と、通常A、Cと呼ばれる2つの回転軸で構成されます。A軸は傾斜軸、C軸は回転軸です。この構成では通常、ワークを載せるテーブル面があります。

回転軸

トラニオンテーブルを備えた5軸CNC工作機械では、テーブルが工具に2つの回転軸を提供します。

• A軸 ― テーブル面のスイベル（傾斜）。オペレーター側へ向けて傾けるか、反対側へ傾けるか（例：Hwacheon M2-5AX、M3-5AX、M4-5AX。D2-5AXの場合、オペレーター視点でテーブル面が左右に傾斜）

機種により広範な傾斜角度が実現可能です。一般的に、±120°の広い傾斜範囲を持つ機種（M3-5AX、M4-5AXなど）は例外的で、このようなテーブル設計と可動範囲により、さらに複雑な角度へのアクセスが可能になります。

D2-5AXのような機種では、オペレーター視点でテーブルが長手方向にマウントされ、右側へ+30°、左側へ-110°の傾斜範囲を提供します。

• C軸 ― テーブル上面（ワーク取付面）が左（時計回り）または右（反時計回り）に回転。最大360°の完全な円運動が可能で、ゼロポジションに戻ることなく任意の回転位置にワークを配置できます。3つの直線軸が必要な位置への直線移動を、傾斜軸が必要な傾斜位置への角度を提供します。

5軸マシンの3直線軸（X、Y、Z）と回転A軸・C軸が連携することで、加工対象ワークを切削に最適な角度・位置へ自在に操作・移動できます。

#2 5軸CNC工作機械が必要になるのはいつ？

優れた柔軟性と適応性を持つ5軸工作機械は、複数業界の幅広い加工オペレーション、特定の加工ニーズに有用です。

最も一般的な7つの用途を紹介します。

1) 全5面への切削・穴あけ・タップ加工が特定角度で必要な場合

5軸加工は、航空宇宙、医療、自動車、一般部品、金型、石油・ガス産業などで最も普及しています。これらの部品は異形状、複雑な輪郭・面、特定角度を持つ面・位置・場所を有する傾向があります。航空機・船舶用タービン、インペラ、ステアリングナックルなど、全5面と追加の特定角度での加工が必要な部品が含まれます。

2) より柔軟なエンジニアリングソリューションが必要な場合

同時5軸加工オペレーションは、金型・ダイおよび航空宇宙部品製造業界で一般的です。ワークを様々な軸で位置決め・移動できるため、5軸工作機械は設計エンジニアに、最も難易度の高い形状・形態を設計する自由度を与えます。その結果、実質的にすべての業界で、より優れたエンジニアリングソリューションが可能になります。

3) 多品種少量生産が必要な場合

少量ながら繰り返し生産されるワークが増えています。近年の産業は大量受注を避け、必要に応じてジャストインタイムで繰り返せる小ロットを好む傾向があります。メーカーは生産の迅速な切り替えに対応できる高い柔軟性が求められます。これにより、不必要な在庫コストを回避し、価格設定の柔軟性を高められます。

4) 複雑形状ワークの受注がある場合

5軸加工は、航空宇宙、医療、自動車、石油・ガス、半導体、電子産業など、高度に複雑で精密なワークを必要とする企業に最適です。これらの分野のメーカーは、精度と持続的な性能を両立する部品を生産するため、適切なノウハウと設備の両方を必要とします。

適切なマシン、優れたCAD/CAM、工具、訓練されたオペレーター/プログラマーがあれば、標準的な製造企業との差別化を図りながら、収益性の高い生産が可能です。

5) リードタイム短縮と効率向上を図りたい場合

標準的でより少ないクランプ治具で最も複雑な部品さえ製造できるため、5軸CNC工作機械は、ワークを複数の工作機械間で移動させる必要を、たった1台のマシンで置き換えます。ロットサイズが縮小しながら部品が複雑化する中、ワンチャッキング加工のメリットは極めて大きいです。

6) 部品の品質と精度を向上させたい場合

複数の工作機械での複数セットアップが不要になることで、人的・機械的エラーが削減されます。ワンチャッキングで5面・5軸加工機能を活用すれば、加工部品の精度が向上します。また、標準工具が使用可能となり、特殊工具（超長尺工具や成形工具など）が不要になるため、明確なコスト削減につながります。

7) より高い柔軟性、生産速度、精度を求める場合

3+2軸構成の工作機械でも標準的な3軸・4軸マシンより改善されますが、4+1軸設計のマシンはさらに優れた柔軟性を提供します。4+1軸マシンは、あらゆる業界で必要とされる部品の約85%を生産できると推定されています。あらゆる種類の仕事に対応せざるを得ない部品メーカーにとって大きな利点です。3+2軸マシン（通常、標準3軸マシニングセンタにオプションの2軸テーブルを追加）は、新しい工具ごとにスタートポジションが必要で、部品サイズと加工複雑性に制約があります。フル5軸同時制御マシンは、タービンホイール、タイヤ金型セクション、人体スペアパーツなど、極めて複雑な形状に必要です。これらは必要とされる全部品の残り約15%をカバーすると推定され、つまり標準から複雑な加工ニーズの100%をカバーできます。

#3 5軸CNC工作機械のメリットは？

同時5軸加工により、よりシンプルな工作機械では困難または不可能な、極めて複雑な輪郭面を加工できます。ワンチャッキングで部品の5面を加工できるため、すべての面の加工を1回のセットアップで完結でき、準備時間、再クランプ、手間を大幅に削減できます。

さらに、ワークを複数のマシン間で移動させる必要がなくなるため、柔軟性と精度が向上し、様々なクランプ治具とセットアップの必要性がさらに減少します。

5軸マシニングセンタで享受できる主なメリットを紹介します。

1) セットアップの最小化

ワンチャッキングプロセス（通称「Done-in-One」）により、準備時間を大幅に短縮し、人的・機械的効率を両面から向上させます。また、各加工段階ごとの複数セットアップ作業から生じる人的・機械的エラーも削減されます。ワークを所定位置に固定するためのよりシンプルなクランプ装置も、時間・コストの節約と潜在的エラーの低減に貢献します。

2) 複雑な設計への対応

5軸加工なら、複雑な形状・設計を容易に扱えます。これには以下が含まれます：油圧システム部品、ウォーターポンプハウジング、ギアボックスハウジング、ギアホイール、射出金型、石油・ガス機器、医療・輸血機器など多数。

3) 加工精度の向上

必要な手動設定量を減らすことで、多軸加工は製品部品の総合精度向上に寄与します。

4) 仕上げ面品質の向上

Hwacheon M2-5AX、M3-5AX、M4-5AX、D2-5AXのような高い機械的品質で製造された5軸マシンは、振動低減、滑らかな高品質な面、安定した精度の基盤を提供します。ワークは加工サイクル全体を通じてクランプされたままなので、オペレーターが再クランプする必要がなく、仕上げ品質が大幅に向上します。

5) 材料除去の高速化

最も硬い材料であっても迅速かつ効率的に除去するよう特別に設計された4+1またはフル5軸CNCマシニングセンタは、手作業の負担を大幅に軽減します。これにより、加工の効率性と安定性が向上します。

6) 大幅な時間短縮

人件費の高騰、熟練労働者不足、工場生産性向上の必要性を鑑みると、運用コストと人件費の見直しはますます重要になっています。このような工作機械のオールインワン設定により、オペレーターは次の工程のためにワークを再クランプして他のマシンへ移動させる必要がなくなります。代わりに、追加のマシンを管理することに注力できるため、生産性が向上します。

7) 工場キャパシティと生産柔軟性の拡大

部品メーカーや受託製造メーカーにとって、5軸マシニングセンタへの投資は、生産の柔軟性と機敏性を高めます。多用途に対応できるこのような工作機械により、大規模・小規模を問わず製造受注の両方でマシンを最大限に活用できます。このような能力は、明確に限定された能力しか持たない低コストの標準マシンでは実現できない場合があります。

要するに、5軸CNC工作機械は生産性と収益性を大幅に向上させ、競合他社との差別化を可能にします。

#4 5軸CNC工作機械選定のチェックポイント

5軸工作機械のメリットを理解したところで、次の疑問は「いかに適切な5軸CNC工作機械を選ぶか」です。

選定のお手伝いができるよう、便利なチェックリストを用意しました。

1) 十分なCNC処理能力

CNC制御装置の処理能力が、同時に使用する軸数を計算・制御するのに十分高いか確認してください。

2) ルックアヘッド機能とマシンタイプの適合

4+1軸マシンのルックアヘッド機能は最低200ブロック必要です。より複雑な4軸加工シーケンスには400ブロックが望ましいです。フル5軸同時制御オペレーションには、より高速な演算が可能なCNC制御装置が必要です。例えばFanuc 31i B5のHAI 600ブロック標準、またはオプションの1000ブロックルックアヘッド機能なら、非常に高速な演算が可能です。

3) スピンドルの十分な出力と剛性

スピンドルの十分な出力と剛性は重要な要素ですが、しばしば見落とされがちです。しかし、高出力スピンドルには、さらに剛性の高い機械設計が必要です。滑らかでエラーのない切削を実現するには、5軸マシニングセンタの心臓部であるスピンドルが、加工時に課される応力と荷重を処理できるだけでなく、限界まで十分な余力を持つ必要があります。加工材料にもよりますが、11〜15kWの出力で最大トルク100Nm未満のスピンドルでは、マシンの能力が制限される可能性があります。このようなマシンは短期的には安価でも、長期的視点ではそうとは言えません。

（Hwacheonの新型4+1/5軸マシニングセンタD2-5AXは、当初から37kW・310Nmトルクのスピンドルを搭載できるよう機械的に設計されています。初期コストは高くなりますが、幅広い用途と長期的なコスト削減効果により、よりコスト効率に優れます。すべてのHwacheonスピンドルはベルトレスのダイレクトドライブシステムで、社内設計・製造です。）

4) 適切なツールホルダーシステム

ツールホルダーシステムがBBTまたはHSK規格であるか確認し、振動を排除してください。これらは、あらゆる加工条件下でスピンドルとツールホルダーの最良の接続を常に提供すべきです。

5) 切削送り速度と条件への適応能力

加工ニーズにより、一定の切削送り速度を維持するか、様々な切削条件で変化させるかが異なります。この文脈では、各状況をより良く制御し、切削送り速度を最適化できるマシンが必要です。

（これを実現するため、HwacheonはHECC（Hwacheon効率輪郭制御）、HTLD（Hwacheon工具負荷検知）、OPTIMA（Hwacheon切削送り最適化システム）を開発しました。この加工ソフトウェアパッケージは、すべてのHwacheonマシニングセンタに標準搭載されています。）

6) 高い機械公差と耐久性

マシンが高い公差と耐久性を発揮することを保証するには、その構造と設計を検討すべきです。

通常、以下の2段階があります。

• 機械設計と機械的構造・製造
• 最適化と校正のための電子システムの活用
  注意： 機械設計の機械的側面を削減・節約し、電子システムで弱点を補おうとする低コスト工具メーカーには注意してください。

（Hwacheonは剛性の高い機械設計と製造工法に投資しています。より多くの鋳造部品を採用し、マシンの機械的優位性を確保することで、より高い耐久性と公差を実現しています。）

7) スピンドルの熱制御と冷却管理

あらゆるCNCマシン、特に5軸CNC工作機械の心臓部であるスピンドルとフレームの熱制御管理は重要です。これはこの重要機構の寿命を延ばすだけでなく、部品の品質と精度を向上させます。スピンドルの過熱を防ぐには、スピンドルハウジングとスピンドルノーズの両方を効果的に冷却することが不可欠です。高速・長時間の加工サイクル時にモーターとベアリングから発生する熱を低減・制御するため、集中的な加工作業中の発熱対策が必要です。

ビルトインスピンドルではモーターがスピンドルハウジング内で動作します。したがって、スピンドルハウジング（スピンドルノーズを含む）をセグメントごとに効果的に冷却することが必須です。Hwacheonの冷却システムはセグメントごとに定義されているため、冷却媒体が「熱くなる」ことはありません。これにより、常時制御された温度を維持できます。第2に、そして最も重要なのは、Hwacheonがオイルジェットベアリング潤滑・冷却システムを採用していることです。

これはベアリングの過熱を防ぐだけでなく、常に新鮮なオイルをシステムへ供給し続けます。対照的に、一部メーカーが採用するグリースパックやエアオイル潤滑スピンドルでは、ベアリングに安定した温度条件を提供できません。

#5 Hwacheonが提供する5軸CNC工作機械の種類

ご覧の通り、5軸加工には加工手法から機種タイプまで多くの検討要素があります。初めて購入される方にとっては選択肢が多すぎて戸惑うかもしれません。韓国でCNC工作機械製造のパイオニアとして約70年の経験を持つHwacheonは、最高の5軸CNC工作機械の設計・テスト・改良に強みを集中させてきました。

VESTA-1000+ 立形マシニングセンタ ― 3+1軸または4+1軸

モジュラーで柔軟なVESTA-1000+立形マシニングセンタは、NCロータリーテーブルを装着することで3+1軸同時制御オペレーションが可能です。2軸テーブルを追加すれば、VESTA-1000+で4+1軸生産が可能になります。

（使用テーブルやオプションにより）より小型の複雑部品を効果的に生産できるVESTA-1000+は、工場の4+1加工ジョブを支援します。ただし、これは設計・製造された4+1軸マシンや同時5軸マシニングセンタの代替ではありません。

D2-5AX ― 5軸マシニングセンタ

コンパクトに設計されたD2-5AXは、容易に自動化可能な中型5軸マシニングセンタで、「多品種・少量生産」に最適です。

D2-5AXの主なメリット：

• B軸が左右にスイベル（マシン前面のオペレーター視点で）
• テーブル面が水平位置のときに真の0°を実現
• テーブル可動範囲：-30°（テーブル面が右を向く）〜 +110°（テーブル面が左を向く）
• 回転C軸は360°の完全な円運動が可能

M2-5AX / M3-5AX / M4-5AX ― 5軸マシニングセンタ

Hwacheonのフル5軸マシニングセンタシリーズは、最も複雑な形状・設計の生産向けに設計されています。金型・ダイ製造の高い基準や、極めて複雑な形状・輪郭の要求、航空宇宙・海洋産業で使用される部品製造に対応します。

最上位モデルM4-5AXは特殊用途向けに設計され、インコネル、チタン、耐熱ステンレス鋼などの難削材の効果的な加工に対応します。最大55kWのビルトインスピンドルにより、最大1009Nmトルクと8,000rpmを実現、12,000rpm/420Nmのオプションも用意されています。

マシンのZ軸はソリッドボックスガイドウェイ設計で、最も厳しい切削条件下でもスピンドルパワーを制御下に置きます。Hwacheon設計・製造の2軸トラニオンテーブルは、A軸+C軸に大型ローラーギアドライブを採用。総重量最大28,500kgのM4-5AXは、市場では容易には入手できない加工パワーハウスです。

SIRIUS 2500-5AX ― 5軸門形マシニングセンタ

このモデルでは、加工ワークがテーブル（X軸）にクランプされ、マシンヘッドがY軸・Z軸およびA軸・B軸を提供します。門形マシニングセンタであるHwacheon SIRIUS 2500-5AXは、主に大型部品や金型に使用されます。このような用途では、トラニオンテーブル搭載マシンは大型化・高コスト化しすぎてしまいます。

一定サイズ・重量以上の大型ワークを加工する場合は、2軸ミリングヘッド搭載マシンの使用を推奨します。

結論

5軸加工とそのための工作機械について網羅的に解説した本記事がお役に立てば幸いです。

5軸CNC工作機械は、これまで対応できなかったジョブを請け負う機会を工場にもたらします。現在3軸加工を採用されているメーカーにとって、4+1軸やフル5軸マシンへの移行は、生産と投資計画における次の論理的ステップとなるでしょう。

しかし、このようなマシンは高額であるため、どのプロセスが貴社の特定の生産ニーズに最適かを十分に理解することが推奨されます。また、適切なCNC工作機械を選定し、生産の効率性と収益性を最大限に引き出す必要があります。

5軸加工についてさらに知りたい場合は、お気軽にお問い合わせください。貴社の生産ニーズと目標に最適な技術をアドバイスいたします。