CNC機械加工完全ガイド：現代製造における基礎から応用まで

 

Computer Numerical Control（CNC）機械加工は製造業でますます一般的になっています。CNC技術は、高品質部品の大量生産を実現する汎用性の高い自動化手段を提供します。CNC機械加工プロセスが提供する高い精度と再現性は、ほとんどの製造業者にとって理想的なツールとなっています。

CNC機械加工とは

一般的に、CNC機械加工とは、ワークピースから材料を除去して設計を実現する多くの減法プロセスの一つを指します。CNCプロセスは、コンピュータ制御を用いて機械加工プロセス全体を開始から終了まで制御し、最終的に一貫して精密な部品を生産します。CNC工作機械は、同一の指示セットを繰り返し実行でき、同一ピースの小ロットから大量生産まで対応可能です。

CNC工作機械には複数の種類と複雑さレベルがあります。一部の機械は複数の工具を同時に保持できたり、X、Y、Z軸に沿って動作して、あらゆる側面や角度から余分な材料を除去できたりします。

CNC機械加工は、ほぼすべての業界と用途向けの部品・コンポーネント製造に使用されます。これには、大型部品の機械加工を必要とする航空宇宙産業などの高度に複雑な業界も含まれます。製造業者はこのプロセスを以下のような基材に使用できます：

• 複合材料
• 発泡体
• ガラス
• 金属
• プラスチック
• 木材

CNC機械加工は、その自動化機能により特に有利です。自動化により、機械が自律的に動作し、精密な部品製造に必要な人的労働を削減できます。熟練機械技師と労働者の慢性的不足が、近年のCNC技術進歩の主要な要因となっています。

3つの製造プロセス

一般的に、製造プロセスには3つのタイプがあります：

• 減法（サブトラクティブ）。 機械加工のような減法プロセスは、ワークピースから材料を除去して設計を作成します。
• 加法（アディティブ）。 加法製造プロセスは、異なる要素を組み合わせたり積層したりして完成品を作成します。3Dプリントが最も一般的な加法製造です。
• 成形（フォーマティブ）。 成形製造は、基材を曲げたりその他の方法で形状を変えたりして設計要件に合わせます。成形製造には、基材を溶かして金型でプレスし特定形状を保持する射出成形などが含まれます。また、曲げや圧延など多くの金属成形プロセスも含まれます。

CNC機械加工プロセス概要

CNC機械加工の前身である数値制御（NC）機械加工は、パンチテープカードと初歩的なコマンドを使用していました。CNC機械加工はより複雑なコマンドに従い、より多様な制御を使用します。これらのシステムは両方とも切削・成形工具を指示しますが、CNC機械加工装置は、複雑なCADまたはCAM設計から生成される複雑でカスタマイズされた指示セットに従うことができます。

異なるCNC機械加工装置は、異なる工具、能力、オペレーションを扱えます。CNC機械加工プロセスは一般的に以下のステップを含みます：

1. CADモデルの設計

CNC機械加工プロセス開始前に、製造業者は製品設計を作成する必要があります。コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して、詳細な二次元（2D）または三次元（3D）モデルを作成できます。これらの設計ファイルには、部品のジオメトリ、寸法、その他の技術仕様などの詳細が含まれます。CADソフトウェアは、機械加工プロセスの制約と選択材料の特性を考慮します。

例えば、設計に円筒工具で形成される穴が含まれる場合、CADソフトウェアは、所与の基材に対して設計が複雑すぎる場合や、選択プロセスの制約による潜在的問題を設計エンジニアに通知できます。これらの自動チェックにより、CAD/CAM設計サービスとエンジニアはレンダリングプロセス中の多くの潜在的エラーを回避でき、プロトタイピング段階がより効率的になります。

2. CADファイルを使用可能なCNC指示に変換

設計完了後、設計仕様をCNC工作機械が追従可能な指示に変換する必要があります。CADファイルはコンピュータ支援製造（CAM）ソフトウェアを通じて処理されます。これらのプログラムは、製造プロセス中に工具を指示するためにCNC工作機械が使用するプログラミングコードを生成します。このソフトウェアは、オペレータが初期ワークピースの適切な寸法と向きを確認するために使用できるパーツジオメトリ情報も抽出します。

これらのCNC互換指示セットは、一般的にSTEPまたはIGESの2つのファイルタイプのいずれかです。GコードとMコードなどのプログラミング言語が含まれ、それぞれ工作機械の特定機能領域を制御します。Gコード操作は、工具の実際の動作——速度、移動方向、移動距離——に焦点を当てます。Mコード操作は、電源オン/オフやその他の補助機能など、雑多な操作に焦点を当てます。

3. CNC工作機械の準備

人的オペレータの役割は手動製造より自動製造でかなり小さくなりますが、機械が管理できない重要な操作をまだ担当します。これには以下が含まれます：

• CNCプログラムファイルを工作機械にロード
• ワークピースを工作機械のスピンドルやバイスに取り付け、工作機械がワークピースを操作できるようにする
• 指定された機械加工工具を取り付け
• 作業エリア、工作機械、ワークピースを検査

4. オペレーションの実行

装置の準備が完了しプログラムが開始されると、CNC機械加工装置はステップを実行し、ワークピースに対して機械加工オペレーションを行います。プログラムは、さらなるオペレータ入力なしで、必要な減法プロセスを開始から終了まで完了できます。指示が完了すると、パーツは仕上げと梱包プロセスに進みます。

CNC機械加工オペレーションの種類

CNC機械加工は、可能なオペレーションとプロセスの非常に広いカテゴリです。CNC機械加工オペレーションの中で、ドリリング、フライス加工、旋削が最も一般的です。

ドリリング

ドリリングプロセスは、所望穴径と同径のドリルビットを使用します。工作機械は回転ドリルビットをワークピースに垂直に挿入し、所定長さの穴を開けます。より複雑な装置では斜め穴も加工可能で、ドリリング工具には以下の機能があります：

• カウンターボア
• カウンターシンク
• リーマ
• タッピング

フライス加工

フライス加工プロセスは、ワークピースを回転切削刃に押し当てて材料を除去します。工具は複数の切削ポイントを持ち、各工具が回転して異なる長さと形状の鋭い切削面を提供します。ワークピースをフライス工具に押し当てると、既存エッジから薄いストリップやカットが除去されます。これにより浅いカット、広いカット、平底キャビティを作成しパーツを成形できます。ペリフェラルフライス加工プロセスでは、より深く切削してピースの一般形状にスロットやねじ山を作成できます。

旋削

旋削プロセスは、切削工具ではなくワークピースを回転させます。ボーリング、グルービング、フェイシングなどの切削プロセスを含みます。単点切削工具を回転ワークピースに精密に適用し、余分な材料を削り取ります。旋削により、指定直径の円筒形パーツが作成されます。旋削はパーツの内側と外側エッジの両方に直線的特徴を作成できます。これらの特徴には：

• スロット
• ねじ山
• テーパ

CNC機械加工の利点

多くの製造業者は、単一ワークピースから部品・コンポーネントを作成できるため機械加工プロセスを好みます。CNC機械加工にはいくつかの追加利点があります：

• 生産性向上。 CNC機械加工設備を持つ施設は24時間365日部品を生産可能。機械はほぼ無人的で連続稼働可能。手動機械加工セットアップやワークステーションより必要スペースが少なく、一定床面積でより多くの機械を同時稼働可能。
• 高精度。 CNC機械加工は高度に詳細なプログラミングオペレーションを使用。機械は不要な変動や人為的エラーを許さずこれらの指示に従う。パーツは高品質、精密、同一。複雑で精巧な設計のパーツも製造可能。
• プロジェクト完了の高速化。 すべてのCNC機械加工プロセスはCAD設計から始まるため、プロトタイピングプロセスが大幅に高速化。ソフトウェアが、異なる材料による多くの潜在的設計欠陥やリスクを検出・防止。プロトタイピングとテストプロセスが短縮されれば、製品を設計から生産へより速く移行可能。CNC機械加工指示は迅速に変更・置換可能で、生産ロット変更時の遅延が少ない。
• コスト効率。 CADファイル設計と製造エラーリスクの低減により、単位あたりの生産コストを削減。CNC機械加工は人的労働も少なく、製品製造コストをさらに削減。

Pro-Type ManufacturingのCNC機械加工

完全な製造ソリューションを求めるお客様に、Pro-Type Industries, Incorporatedは業界で比類のない価値とプロセス柔軟性を提供します。最新鋭のCNC機械加工システムを備えた最先端施設を運営しています。

これらは高トルク、高回転システムで、精度と生産性を両立したパッケージです。一例として、550mm Toyoda CNC 4軸横型フライス盤があります。この最先端システムは、30HPモータを介して最大15,000 RPMのスピンドル速度を実現。30インチワークキューブと分速2400インチの位置決め速度で、アルミニウム、スチール、プラスチックを高速かつ最大精度で加工可能。インコネル、インバー、モネル、各種超合金などの難削材加工にも対応します。

しかし、これは多数の精密機械加工システムの一つに過ぎません。ワークピース最大64インチ×32インチ×25インチに対応する4台のCNC立型フライス盤、複数パレット装備の2台の横型フライス盤、自動バー供給、サブスピンドル、回転工具付き高出力CNC旋盤も運用しています。熟練機械技師チームの手により、これらの高精度機械加工は±0.0005インチ以内の公差を実現できます。これらすべての能力とリソースは、全工具と治具の社内製作によりさらに強化され、生産性への更なる制御を実現しています。

約50年の製造業経験を通じて、プロジェクト要件が機械加工のみで構成されることは稀であることを学びました。サービス提供にさらなる価値を加えるため、以下のような付加価値サービスも提供しています：

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すべての業務は、組織のあらゆる部分に及ぶ堅牢なISO 9001品質管理システムと文化によって裏付けられています。

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