5軸CNC工作機械を理解する：機能・メリット・動作原理

20世紀初頭の機械技師が、部品や構造物を製造するのにどれほど苦労していたか想像してみてください。当時利用できた最高の工作機械は、ノミ、ハンマー、手動旋盤でした。しかし、1952年にRichard Keggが最初のコンピュータ数値制御（CNC）工作機械を開発したことで、すべてが変わりました。

それ以来、CNC加工技術は進化を続け、パンチカードで制御される単純な3軸機械から、より洗練された5軸CNC工作機械へと進化しました。

5軸CNC工作機械は、部品のサイズと形状に関して無限の可能性を提供する加工技術です。高精度・高精密を実現し、一流の機械加工業者があなたの考案するほぼあらゆる設計を製造するために大きく依存しています。

この記事では、5軸CNC工作機械の基礎を解説します。5軸CNC工作機械とは何か、どう動作するかを説明した後、従来型CNC工作機械に対する利点について議論します。

5軸CNC工作機械とは？

5軸工作機械を理解するために、まずCNC加工における軸数の意味を説明しましょう。

加工軸数とは、CNC切削工具（またはワークピース）が望ましい加工部品を生成するために移動できる方向の数を表します。例えば、従来型CNC工作機械は通常3軸であり、切削工具がX軸、Y軸、Z軸方向に移動できることを意味します。すなわち、X軸方向に横に、Y軸方向に垂直に、Z軸方向に前後へ移動できます（図1参照）。

5軸CNC工作機械は、これら3つの直線軸に加え、ワークピースを保持するテーブルを傾斜（および回転）させることができます。図1に示す通り、この2つの新しい回転軸は通常、A軸（テーブル傾斜軸）とC軸（テーブル回転軸）と呼ばれ、3軸CNC工作機械よりも複雑な形状の加工を可能にします。

図1. 典型的な5軸CNCフライス盤の5軸

5軸CNC工作機械はどう動作するか？

他のすべてのCNC工作機械と同様に、5軸CNC工作機械はコンピュータ指示に依存して、切削工具（およびワークピース）の動きを制御し、望ましい部品を製造します。

5軸CNC加工プロセスは、設計者がSolidWorksやAutodesk InventorなどのCADツールを使用して、望ましい部品の3D CAD（コンピュータ支援設計）モデルを作成することから始まります。次に、機械技師がこのCADモデルをCAM（コンピュータ支援製造）ソフトウェアにエクスポートし、図面をコンピュータプログラム（Gコードとも呼ばれる）に変換します。

Gコードには、直線軸（X、Y、Z軸）に沿った切削工具の動きと、回転軸（A軸とC軸）に沿ったワークテーブルの動きを制御する命令セットが含まれ、望ましい部品を生成します。

5軸の起源

すべてはフランスの哲学者であり数学者でもあったルネ・デカルトに帰着します。この物語は、ニュートンのリンゴの物語とよく似ています。ある日、デカルトがベッドで横になっていると、一匹のハエに気づきました。それを見ているとき、彼はハエの部屋の中での位置を、X、Y、Zという変数で表される3つの数字で記述できることに気づきました。これは現在デカルト座標系と呼ばれ、デカルトの没後300年以上経った今日でも使用されています。

では、他の2つの軸はどこから来たのでしょうか。ハエの空間内での位置を記述することに加え、その向きを記述することも可能です。X軸周りのハエの回転が第4軸、Y軸周りの回転が第5軸となります。Z軸周りの回転を第6軸とする見方もあります。

5軸の可能な構成

5軸CNCフライス盤で選択する構成によって、3つの回転軸のうちどれが使用されるかが決まります。主に2つの構成があります。トライニオン型工作機械とスイベル・ローテート型工作機械です。

トライニオン型5軸CNCフライス盤は、X軸周りのA軸回転とZ軸周りのC軸回転を使用します。一方、スイベル・ローテート型5軸CNCフライス盤は、Y軸周りのB軸回転とZ軸周りのC軸回転を使用します。

両者の主な違いは、回転軸がどのように表現されるかです。トライニオン型ではテーブルの移動を通じて、スイベル・ローテート型では主軸のスイベル（傾斜）を通じて実現されます。両方とも独自の利点があるため、どちらを使用するかは、何をする必要があるかに大きく依存します。

5軸CNC工作機械の利点は？

CNCで製造される部品の半分以上が五面加工を必要とするため、ますます多くのメーカーがこの技術をサービスに取り入れています。さらに、5軸CNC加工は、例えば3軸加工と比較して多くの利点を提供します。例えば：

利点 #1 ワンセットアップ

5軸があるため、5軸CNC工作機械ではワークピースを一度セットアップするだけで、望ましい部品を作るために必要なすべての加工操作を機械が処理します。これは、複雑な形状を製造するために複数の機械セットアップが必要となる従来の3軸工作機械とは大きく異なります。

5軸CNC工作機械のワンセットアップの性質により、複雑な部品を迅速に加工でき、コストを削減し、従来型CNC工作機械で蔓延するエラーを軽減できます。

利点 #2 短い切削工具とより良い表面仕上げ

5軸CNC工作機械の第4軸と第5軸により、ワークピースを切削工具に近づけることができます。これにより、より短い切削工具を使用でき、振動の影響を受けにくく、より良い表面仕上げが実現できます。

利点 #3 より高い精度

動きの柔軟性により、5軸CNC工作機械は3軸工作機械よりもはるかに高精度です。これが、より滑らかな部品を生産できるだけでなく、3軸工作機械では複雑すぎる部品も製造できる理由です。

利点 #4 より多くのビジネス機会

5軸CNC加工は、3軸加工では単純に不適切な多くの部品の製造に使用できます。

5軸CNC加工にはさらに多くの利点がありますが、これらが最も重要なものです。

関連記事: CNC工作機械で品質精密部品を作るために使用される9種類の工具

5軸CNC加工の一般的な用途

5軸CNC加工は、その効率性と複雑な形状の製造能力により、さまざまな業界で使用される部品の製造に活用できます。この技術を最も一般的に活用している業界のいくつかを挙げます：

• 航空宇宙 - 形状が非常に複雑でユニークなため、非常に精密な工作機械が必要とされます。
• 医療 - 医療機器メーカーが、医療基準（当然ながら厳格）を満たすために、デバイス、インプラント、その他の機器をより高い精度で製造するのを支援します。
• 軍事 - 必要な部品を製造するために5軸CNC加工を使用するもう一つの業界。潜水艦部品、高性能エンジン部品、タービン・コンプレッサーブレード、スマート兵器、センサー、ステルス用途、場合によっては核兵器などが考えられます。
• エネルギー機器 - 加工が難しい材料を使用することが多いエネルギー機器部品の製造。5軸CNC加工なら、プロセス全体をより簡単かつ効率的にできます。

5軸CNC加工：Gensunがサポート

5軸CNC加工について一定の理解を得た今、5軸CNC工作機械を使用して、あなたが考案するほぼあらゆる設計を製造できる、と思われたでしょうか？決してそうではありません！

疑いなく、5軸CNC工作機械は複雑な部品の製造をシンプルにします。しかし、すべての設計が5軸工作機械で作る価値があるわけではありません。例えば、高精度な穴、切り抜き、キャビティの製造には、3軸または4軸CNC工作機械の方が適している場合があります。だからこそ、製造に踏み切る前に、CNC加工の専門家と相談することを常に推奨しています。

Gensun Precision Machiningは、アジアおよび世界中でトップティアのCNC加工サービスプロバイダーです。CNC加工の専門家とエンジニアを擁するだけでなく、3軸、4軸、5軸CNC工作機械を含む幅広い先進CNC加工技術を保有しています。

あなたのプロジェクトについてお聞かせください。どの加工技術があなたのニーズに最も適しているか、判断のお手伝いをさせていただきます。