4軸 vs 5軸CNC加工：原理、違い、適切な選び方

CNC加工に関連する製品製造において、CNC加工軸について知るべきことはたくさんあります。これは、その重要性と、最新のCNC工作機械の多くが4軸および5軸CNC加工で動作する傾向にあるという事実によるものです。

本記事では、4軸と5軸CNC加工について理解を深めていただきます。これには、基本原理の紹介、両者の違い、そしてあなたの機械加工プロジェクトでどちらを選ぶべきかが含まれます。

3軸CNC加工とは？

4軸と5軸CNC加工の作動メカニズムを理解するには、今日でも最も広く使用されているCNC加工形態である3軸加工を明確に把握する必要があります。

典型的な3軸CNC加工プロセスでは、部品作成に3つのメカニズムが関与します。一つは主軸の上下動、他は左右動と前後動です。

3軸CNC加工の限界

3軸CNC加工はXYZの3軸で動作します。これは適切な作業方法ですが、いくつかの深刻な限界があります。

一つは、切削工具の角度が一定のままであるため、工作物の手の届きにくい部分の材料を削り取るのが難しくなります。また、1つの部品に対して複数回のセットアップ変更が必要になる場合があり、生産性が大幅に低下します。これらの限界が、4軸と5軸CNC加工のより一般的な使用につながっています。

4軸CNC加工とは？

上述の3軸の限界に基づき、4軸と5軸CNC加工がより普及しました。4軸CNC加工プロセスは、同じ作動メカニズムを包含します。しかし、その名の通り、追加の軸が含まれています。

4軸CNC工作機械では、主軸が3軸（上下、左右、前後）で移動し、工作物は機械テーブル上で静止したままです。さらに、4軸CNC加工ではX軸（A軸とも呼ばれる）周りに回転が加わります。この追加軸により、4軸CNC加工は穴あけや切り抜きといった状況で機能します。

一般的に、4軸CNC加工は、生産プロセスの速度と精度を向上させるため、3軸CNC加工よりも好まれます。

5軸CNC加工とは？

5軸CNC加工プロセスも、3軸CNC加工プロセスとよく似ています。しかし、非常に重要な特徴があり、それが2つの追加軸と、はるかに大きな切削柔軟性を提供します。

5軸CNC加工では、主軸と切削工具が3軸で移動します。しかし、X軸（A軸と呼ばれる）、Y軸（B軸と呼ばれる）、Z軸（C軸と呼ばれる）周りの回転が追加されます。5軸工作機械は、その構成に応じて、これらの回転軸の任意の2つを利用できます。

5軸CNC加工は、この特徴に基づいてさまざまな用途で採用されています。フライス加工、旋削加工などを実行できます。したがって、単一の機械で複数の部品を加工できます。

・ 3+2軸CNC加工

3+2軸加工プロセスは、5軸加工プロセスのサブタイプであり、その名の通り、3軸と5軸の中間的な位置づけです。それでも、高速かつ高効率な5軸加工の一形態です。これは「ポジショナル5軸加工」とも呼ばれます。

3+2軸加工では、主軸またはテーブルが2つの追加軸周りで回転しても、切削工具の角度は変わりません。その結果、切削工具が常に部品に対して垂直とは限らず、完全な切削が常にできるわけではありません。

しかし、「インデックス付き3+2軸加工」と呼ばれる形態があります。この形態では、切削工具の角度を切削の間に手動で調整できます。

・ 同時5軸CNC加工

5軸加工において、切削工具が常に部品に対して垂直に保たれる場合、連続または同時5軸加工と呼びます。このプロセスは優れた表面仕上げを提供し、手の届きにくい領域へのアクセスを可能にします。しかし、3+2軸加工よりは低速です。

4軸と5軸CNC加工の違い

4軸と5軸CNC加工の主な違いは、持っている追加軸に焦点を当てており、これがさらなる微妙な違いを生みます。

• 軸の違い

4軸CNC加工はA軸という1つの追加軸を持ち、5軸CNC加工は構成に応じてA軸、B軸、C軸のうち2つの追加軸を持ちます。

• 軸の回転

4軸CNC加工はA軸での回転を許容し、5軸では3軸（A軸、B軸、C軸）のうち2つでの回転を許容します。

• 柔軟性

5軸CNC加工は4軸CNC加工より1つ多くの追加軸を持ちます。単に追加なだけでなく、「非局所的」です。ここでの「局所的」とは、4軸CNC加工の追加軸が常にX軸上にあることを意味します。一方、5軸CNC加工ではXYZ軸のうち2つに配置できます。この追加かつ非局所的な特性により、5軸CNC加工は柔軟性において4軸CNC加工に優位性を持ちます。

• コスト

5軸CNC加工の機能と特長は、4軸CNC加工よりも高コストです。

それぞれの具体的な構成に関わらず、すべての4軸と5軸工作機械は、3軸工作機械よりも多様な方法で、より多くの角度から切削工具を動かせます。これにより、より複雑な機械加工オペレーションが可能になり、精度が向上し、複数回のセットアップ変更の必要性を排除できます。

・ 4軸と5軸CNC加工を使用するメリット

4軸と5軸CNC加工は、どちらを選ぶか決める際の判断材料となる多くのメリットを提供します。これには、精度向上、セットアップ時間短縮、より複雑な部品への対応可能性が含まれます。

その他の具体的なメリットは、機械構成や3+2軸・連続5軸の活用有無により異なります。

一般的に、3+2軸加工には以下のようなメリットがあります：

• 高速加工
• 簡単なセットアップ
• 工具干渉のリスクが低い

連続5軸加工には以下のようなメリットがあります：

• 優れた表面仕上げ
• より良い部品アクセス
• 工具摩耗の低減

4軸と5軸CNC加工の用途

4軸と5軸CNC加工は、製品製造に関連する多くのシナリオで重要です。選択に基づき、深いキャビティを持つ金型の作成、複雑な3D形状の作成、部品の傾斜面を精度を損なうことなく加工することに役立ちます。

2つのうち、5軸CNC加工はより幅広い部品に使用できます。例えば、3軸加工では不向きな輪郭面を持つインペラやタービンブレードのような部品の製造において、特に優位性を発揮しています。

4軸と5軸CNC加工の選び方

プロジェクトで4軸CNC加工と5軸CNC加工のどちらを選ぶかは、いくつかのポイントを理解することで決まります。選択時に考慮すべき3つの重要なポイントは以下の通りです：

・ 予算

予算の観点では、5軸 > 4軸 > 3軸の順でコストが高くなります。理由は、3→4→5と軸数が増えるにつれて、能力、機能、特長が増えるためです。

・ 要求仕様

複雑な部品の場合は5軸CNC加工を選ぶべきです。しかし、小型でシンプルな部品の製造を目的とするプロジェクトでは、3軸と4軸が適しています。

・ 操作手順

軸数が増えるほど、操作は複雑になります。簡単な操作手順が求められる状況では、3軸が最もシンプルで、次いで4軸CNC加工です。

結論

初心者として、4軸CNC加工と5軸CNC加工の違いを知ることは、適切な製品を作るための一歩です。これは、ほとんどのCNC工作機械が3軸、4軸、5軸CNC加工プロセスを利用しているためです。したがって、本記事ではこれら3つの違いについて説明しました。

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よくある質問

XYZ軸はCNC工作機械の移動方向を示します。X軸は左右、Y軸は前後、Z軸は上下の動きを表します。4軸と5軸CNC加工はこの軸をベースに、軸の回転効果を加えたものです。4軸CNC加工ではX軸で回転効果が見られ、5軸CNC加工では3軸のうち2つで回転効果が見られます。

6軸CNC加工プロセスも存在します。しかし、これは量産加工向けに設計されています。6軸CNC加工を使用すると、非常に効率的で、生産時間を大幅に短縮できます。