CNC加工を徹底解説：主要プロセス、操作、メリット

現代の製品製造では、設計の複雑化に伴い、精度と正確性を確保するプロセスと技術が求められています。その結果、製造技術の開発と革新が急速に進み、特に自動化の導入が加速しています。

自動化により、CNC加工は高精度、高正確性、複雑な製品設計への対応力で知られる一般的な製造プロセスとなりました。本記事では、CNC加工の基礎、プロセス、応用、メリットについて解説します。

コンピュータ数値制御（CNC）とは？

コンピュータ数値制御（CNC）は、工作機械に取り付けられたマイクロコンピュータを使用して機械を制御する仕組みです。マイクロコンピュータは、GコードとMコードと呼ばれるプログラミング言語に応答し、送り速度、主軸回転数、切削工具、クーラント流量などの加工パラメータに関する指示を含みます。

マイクロコンピュータはこれらの指示を工作機械に伝達します。したがって、CNC加工には手動操作が不要で、製品設計の複雑さに関係なく、エラーのない部品製造に適しています。

CNC加工とは？

CNC加工は、CADモデルからの指示に基づいて工作物から材料を除去し、製品を作る減法製造プロセスです。CNC工作機械は、CADモデルから得られたコード（GコードとMコード）に従い、旋削、穴あけ、フライス加工などの機械加工操作によって工作物の一部を除去します。これらのコードには加工パラメータに関する指示が含まれています。

CNC加工プロセスは、多くの金属、プラスチック、木材、複合材料と互換性があります。3Dプリントや射出成形などの付加製造や成形製造プロセスと並んで、部品製造の定番プロセスとなっています。しかし、CNC加工には高い公差など、これらの方法に対する利点があります。詳細を見ていきましょう。

CNC加工プロセスの4つの主要ステップ

CNC加工プロセスには、使用する加工方法に関わらず、4つの基本ステップがあります。一般的な機能手順は以下の通りです：

ステップ1：CADモデルの準備

これは製品の2Dまたは3Dモデル設計を作成する工程です。AutoCADやSolidWorksなど、多くの適切なソフトウェアがあります。さらに、製品要件に応じて2D設計を3D設計に変換することも可能です。

一部の製品設計はシンプルですが、複雑な製品設計のCADモデル作成には高度な知識が必要になる場合があります。

CADモデルは適切に設計され、公差、構築線、ネジ、その他のパラメータなどの重要な特徴がオペレーターに明確に示されるべきです。これにより効果的な加工操作が可能になります。

ステップ2：CNC互換フォーマットへの変換

CNC工作機械はCADモデルを理解できません。したがって、工作機械が解釈できるCNC互換フォーマットにCADモデルを変換する必要があります。このステップでは、AutoCAD、Fusion 360、その他のオンラインソフトウェアサービスなどのCAMソフトウェアを使用します。

これらのソフトウェアはCNC互換フォーマットへの変換が可能で、回転・直線移動、切削順序、工具パス、工作物、工作機械速度など、加工操作に関連するパラメータについて工作機械に指示します。

ステップ3：セットアップと実行

これは適切なタイプのCNC工作機械を選択し、加工操作開始前に特定の操作を設定する工程です。適切な工作機械の選択は、工作物、製品設計の複雑さ、コストに依存します。その後、工作物を工作機械に取り付けます。

ステップ4：部品の加工

オペレーターは必要な切削工具を取り付け、プロセスを開始します。プロセスは自動化されており、コンピュータプログラムが完了と判断するまで実行されます。加工中および加工後、機械技師は品質保証のために複数レベルの検査を行います。

CNC加工における機械技師の重要な役割

CNC加工プロセスは自動化されていますが、想定内外の故障に対応するCNC機械技師が必要です。以下はCNC機械技師の重要な役割です：

• 製品仕様の確認
• 図面、スケッチ、CAD/CAMファイルの読み取り
• CAEモデルの作成
• 切削工具とその他の機械材料の調整・位置合わせ
• CNC工作機械工具の設置、使用、分解
• 工作機械の速度監視
• 完成品の欠陥検査とテスト
• 部品がCADモデルと整合しているかの確認

CNC工作機械の種類

各CNC加工プロセスには専用の工作機械があります。例えば、CNCフライス加工用はCNCフライス盤、CNC旋削加工用はCNC旋盤と呼ばれます。しかし、CNC工作機械の種類は、移動・回転可能な軸数によって分類されることが多いです。部品製造でよく使用される一般的なタイプは以下の通りです：

2軸CNC工作機械

2軸CNC工作機械は、X軸とZ軸（垂直と水平）のみで部品を加工できます。したがって、部品製造で使用される最もシンプルなCNC工作機械です。

3軸CNC工作機械

3軸CNC工作機械は、2軸からさらに進み、X、Y、Z軸で移動できます。CNC加工で最も一般的に使用される工作機械です。しかし、回転軸がないため、複雑な設計の部品加工には制限があります。

4軸CNC工作機械

4軸CNC工作機械は、主軸が3軸方向に移動できます。簡単に言えば、上下、左右、前後に加え、X軸とA軸を中心に回転できます。これらは工作物を動かさずに実行されます。速度、精度、正確性の高さから、複雑な部品の加工に最も一般的に使用されるCNC工作機械です。

5軸CNC工作機械

5軸CNC工作機械は、主軸と切削工具が4軸工作機械と同様に移動できます。しかし、4軸工作機械とは異なり、3軸のうち任意の2軸を中心に回転できます。加工中に工作物を手動で再配置することなく、あらゆる方向から工作物にアプローチできるため、最も完全な多軸CNC工作機械と見なされています。5軸CNC加工により、精密で複雑な部品の完璧な加工が可能になります。

CNC加工でよく使用される3つのサポートソフトウェア

CNC加工プロセスの要件に応じて、すべての加工で以下のソフトウェアの1つ以上を使用します：

1. CADソフトウェア

CADソフトウェアを使用すると、オペレーターは製品設計と製造で使用される物理コンポーネントの2Dおよび3Dモデルを作成できます。また、製造業者に設計データを提供する機能もあります。例として、AutoCAD（2Dおよび3D）、Inventor（3D）、Blender、SketchUpなどがあります。

2. CAMソフトウェア

CAMソフトウェアは、CNC工作機械を制御するためのCADモデルからGコードを作成するのに適しています。その結果、CNC工作機械の自動化が実現します。代表例として、Fusion 360、SolidWorks、AutoCADなどがあります。

3. CAEソフトウェア

CAEソフトウェアを使用すると、製品設計者は意図した製品の性能を模擬できます。その結果、製品設計を改良し、エンジニアがエンジニアリング関連の問題を解決するのに役立ちます。例として、有限要素解析、マルチボディダイナミクス、計算流体力学などがあります。

さまざまなタイプのCNC加工操作

CNC加工は、工作物の一部を除去して意図した製品を作るいくつかの技術で構成されます。ただし、除去のスタイルはプロセスによって異なります。部品製造で使用される一般的なCNC加工操作には以下が含まれます：

CNC穴あけ加工

CNC穴あけ加工は、回転切削工具を使用して固定された工作物に円筒形の穴を開ける加工です。部品組み立てが必要な製品の製造に使用される重要なCNC加工操作です。

CNCフライス加工

CNCフライス加工は、最も一般的な機械加工操作で、回転しながら軸に沿って移動する切削工具を使用して工作物から材料を除去します。切削の容易さはCNC工作機械の洗練度に依存します。

CNC旋削加工

CNC旋削加工は、製品を回転させながら切削工具に送り込み、機械加工部品を作る操作です。

その他の機械加工操作

• 研削
• ブローチ加工
• ラッピング
• 鋸切断
• ホーニング

CNC加工に対応可能な材料

金属：銅、ステンレス鋼合金、チタン、真鍮、アルミニウム合金、鋼、マグネシウムなど。

プラスチック：アセタール、PEEK、ポリカーボネート、ナイロン、アクリル、PVC、ポリプロピレンなど。

複合材料：エポキシ、フェノール、ガラス繊維、カーボンファイバー。

木材：堅木、合板。

発泡材：硬質発泡材、彫刻用発泡材。

CNC加工は多くの材料と互換性があります。しかし、CNC材料を選択する前に、以下を考慮してください：

• 硬度
• 機械的特性
• 部品機能
• 寸法公差
• 動作温度
• コスト

CNC加工のメリット

CNC加工は、いくつかの利点により、工業用部品製造で広く応用されています。以下は、他の製造操作に対するプロセスの主なメリットです。

精度と正確性

CNC加工は高精度で、製品製造業者が意図した設計通りに部品を製造できます。また、高い精度と公差を持つため、精度を落とすことなく製品の異なるバッチを製造できます。さらに、自動化プロセスであるため、加工中のエラーが減少します。

高速で効率的

CNC加工部品を数日で入手できます。したがって、生産効率が高いです。ただし、速度と効率はCNC工作機械のタイプと製品の複雑さに依存します。

コスト効率

CNC加工は初期投資コストが高いですが、運用コストは低いです。また、高い生産性、人的エラーの排除、低い生産コストがコスト効率を高めています。さらに、ほとんどの加工操作では訓練が少なくて済み、オンラインで訓練が受けられます。

優れた能力

ほとんどのCNC工作機械は、さまざまな目的のために多くの工具を搭載できます。また、異なる製品や複雑な工作物で作業できる洗練されたソフトウェアを備えています。したがって、さまざまなサイズ、形状、テクスチャの工作物に対応する強化された能力と互換性を持っています。

幅広い対応材料

機械加工操作は、広範な材料ベースと互換性があります。一般的な例は金属、プラスチック、複合材料です。

CNC加工の代替製造プロセス

CNC加工は、部品および製品製造で広く受け入れられている汎用性の高いプロセスです。しかし、場合によっては最適な方法ではないこともあります。検討すべき代替方法をいくつか紹介します：

3Dプリント

3Dプリントは、CADまたはデジタル3Dモデルからの指示を使用して、材料を溶解、堆積、固化する付加製造プロセスです。CNC加工と同様に自動化されています。しかし、CNC加工とは異なり、シンプルな設計により適しています。

射出成形

射出成形は、材料を溶かして準備された金型に注入し、固化させるプラスチック製造プロセスです。ブロー成形、オーバーモールディング、インサート成形などの他の製造プロセスと同じメカニズムで動作します。製品の大量製造において重要な役割を果たします。

ダイカスト

ダイカストは射出成形に似ていますが、アルミニウムなどの金属に適しています。金属を溶かして準備された金型に注入します。注入方法は、製品の品質に応じて低圧または高圧のいずれかです。

CNC加工の簡単な歴史

電子時代以前、設計者は手作業または手動操作の工作機械で部品を作成していました。この段階で使用されていた製造プロセスは、精度、正確性、複雑な製品への適性、そして何より製品の大量生産という点で制限がありました。その結果、新しい製造プロセスの導入に向けた研究開発が行われました。

数値制御の最初の萌芽は、1940年代にジョン・T・パーソンズがMITと協力して、米国空軍の部品製造で数値制御工作機械を開発したときです。これらの工作機械により、製造業者はパンチカードからの指示を使用して一連の工具を制御できるようになりました。しかし、完全な自動化にはまだ至っていませんでした。したがって、オペレーターが常駐して使用されていました。

より高速なコンピュータの発明により、CNC工作機械はパンチカードの代わりにデジタルコードを使用して工作機械工具を制御するようになりました。CNC加工は、以前の加工システムよりも速く、正確に部品を製造できるようになりました。

結論

CNC加工は、その精度、正確性、公差の高さにより、部品および製品製造で広く受け入れられている一連のプロセスです。したがって、製品設計者と製造業者がさまざまな複雑さの製品を容易に作成できます。

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よくある質問（FAQ）

MコードとGコードとは何ですか？

一方で、GコードはCNC工作機械の動きを指示する一連のコードです。他方で、Mコードは工作機械の非切削操作を実行します。

CNC加工の主な課題は何ですか？

CNC加工ではカスタマイズが特に容易ではありません。機械技師は、完成品の微調整のために初期段階でCADファイルを修正する必要があります。また、技術の進歩により、プログラムを書けるのは熟練オペレーターのみとなっています。

CNC加工が使用されている業界は？

CNC加工は多くの製造業界で応用されています。この製造プロセスを採用している一般的な業界には、自動車、航空宇宙、軍事、防衛、海洋、医療があります。

CNC加工の用語は？

CNC加工の一般的な用語には以下が含まれます：

-CAD: コンピュータ支援設計
-CAM: コンピュータ支援製造
-CAE: コンピュータ支援エンジニアリング
-DNC: 分散数値制御
-Gコード: 幾何学コード
-Mコード: 雑多な機械コード

CNC加工業界のトレンドは？

CNC加工業界のトレンドには、手順の完全自動化、CNC工作機械への軸の追加、簡単なカスタマイズのための機能開発などが含まれます。