5軸CNC加工マスターガイド：精密製造のエキスパート解説

5軸CNC加工の導入

マルチ軸CNC加工や複数軸加工について語るとき、5軸CNC加工は常に先進的な製造手法として言及されます。フル5軸CNC加工とは、工作機械が工具またはワークピースを5つの異なる軸で同時に動かす加工能力を意味します。5軸CNC加工は、CNC加工プロセスのより進化し洗練されたバージョンと見なされています。

5軸CNCマシンとは？

ご存知の通り、5軸CNC加工は5軸CNCマシンによって実現されます。現在、5軸CNCマシンは複雑な形状の創造とより良い表面仕上げにおいて非常に優れていると考えられています。5軸CNCマシンがCNC機械加工ショップでどのように動作するかを理解すれば、5軸CNC加工について多くを学べます。

5軸加工プロセスでは、X、Y、Z軸に加えて2つの追加軸があります。この2つの追加軸はAとB、AとC、またはBとC軸のいずれかです。これらは高度に複雑な形状の加工プロセスを完了するために関与します。では、他の2軸は5軸CNC加工プロセスでどのように展開されるのでしょうか？

追加の2軸は、工作材料が固定されているテーブルの移動によって利用されます。したがって、テーブルは切削工具を中心にどちらの方向にも360度回転でき、サイドカッティングへのアクセスを機械に与えます。一方、A、B、Cのいずれか単一軸の動きを考慮すると、回転は180度に制限されます。5軸加工プロセスでは、工具ヘッドが静止した工作材料に対して旋回するか、またはテーブルが角度を持って回転・移動し、傾斜位置を取ります。必要な形状に応じて、テーブルはさまざまな角度で傾斜し、複雑な形状を実現します。製造対象製品に要求される対象物のサイズと重量に応じて、工具ヘッドの旋回かテーブルの傾斜のどちらを選択するかが決まります。工作物が重い場合は旋回が、そうでなければテーブル傾斜で必要な加工プロセスを実行します。5軸CNCマシンの種類によって、5軸加工にもさまざまなバリエーションがあります。

5軸CNCマシンの種類

市場の多様なニーズに応えるため、CNC工作機械メーカーはさまざまなタイプの5軸CNCマシンを提供しています。主な違いは、テーブル回転または切削工具の動きの柔軟性、異なる方向への動きにあります。主に以下の5種類の5軸CNCマシンに分類されます。

1. ダブルピボットスピンドルヘッドタイプ

このタイプでは、2つの回転座標が工具軸の方向を直接制御します。

2. ピッチングスイングヘッドタイプ

2つの座標軸が工具の上部にありますが、回転軸は直線軸に垂直ではありません。

3. ダブルロータリーテーブルタイプ

このタイプの5軸加工では、2つの回転座標が空間の回転を直接制御します。

4. ピッチングワークテーブルタイプ

2つの座標軸がワークテーブル上にありますが、回転軸は直線軸に垂直ではありません。

5. ロータリーテーブル＋ピボッティングスピンドルヘッドタイプ

このタイプでは、2つの回転座標が異なる場所で作用します。1つは工具に、もう1つはワークピースに作用します。

5軸CNC加工 vs 3+2加工 vs 4+1加工

5軸加工 = 5面加工？

長年CNC加工業界に携わっていても、5軸CNC加工と5面加工を区別できない人が多くいます。これらを混同したり、5軸CNC加工が5面加工を指すと考えたりすることさえあります。実際にはこれらは異なります。このセクションでは、その違いを詳しく説明します。

3+2軸CNC加工

3+2 CNC加工とは、マシニングセンターの3軸に加えて、1つの回転軸と1つの傾斜軸を持つことを意味します。3+2 CNC加工は5面加工としても知られています。単一セットアップで部品の5面を加工できることを意味します。

このバージョンのCNC加工プロセスでは、3軸が同時に使用され、他の2軸は製造対象の工作物の再配置に使用されます。例えば、X、Y、C軸を同時に制御している場合、Z軸とA軸が位置決めのために使用されます。

4+1軸CNC加工

4+1 CNC加工とは、5軸マシン構造を使用しながら、回転軸または傾斜軸のいずれか1つを固定したものです。4+1加工は3+2 CNC加工より高性能ですが、それでも真のフル5軸CNC加工ではありません。

この加工プロセスでは、4軸が同時に動作し、残りの1軸が位置決め機能のために静止していることが明確です。例えば、X、Y、B、C軸を同時に動かしながら、Z軸を材料の位置設定に使用できます。

フル5軸CNC加工

フル5軸加工とは、マシンのすべての5軸が同時に動くことを指します（3つの直線軸、1つの回転軸、1つの傾斜軸）。非常に複雑な部品の製造が可能です。これは5軸連動加工です。

この場合、すべての5軸が同時に働き、ハイエンドな結果を達成します。従来のX、Y、Z軸などの3軸が並進運動に展開され、他の2軸（一般にB軸とC軸と呼ばれる）が、CNCマシンの特徴に応じて工具または工作物の傾斜または完全回転に利用されます。

5軸CNC加工は、曲面加工、異形状加工、中空加工、斜め穴加工などに適しています。一方、5面加工は3軸加工に似ていますがより高性能です。5面のみを加工でき、特殊な加工を単一セットアップで達成することはできません。

5軸CNCマシンのプログラミング手順は、従来の3軸CNCマシンと非常に似ています。まずユーザーが目的製品のCADモデルを作成し、ソフトウェアが部品モデルに応じてGコードを生成します。しかし、5軸CNCマシンでは軸値に加えて角度値が関与するため、Gコードがより複雑になります。角度は、5軸CNCマシンのテーブルとヘッドの構成に依存して定義されます。

5軸マシンで使用される工具も、その幾何形状と形状の面でアップグレードされています。より迅速な形状と切削工具の幾何形状が、最終製品の公差と嵌合においてより良い結果をもたらします。しかし、材料の種類は従来の方法と同様で、切削材料の強度に依存します。

補足：

1. 5軸加工または五軸加工は、単に「5X CNC加工」と略されることがあります。
2. 実際の受注生産では、5軸マシンで行われる作業の90%は実際には5面加工（位置決めのみ）です。なぜかご存知ですか？ 部品の構造と実際の要求により、五軸連動の機能が発揮されていないからです。それが5軸CNC加工と5面加工が混同される理由です。

5軸CNCマシンの価格

5軸CNCマシンの価格は一般的に非常に高く、機能とマシンの種類によって大きく異なります。価格は1万ドルから50万ドルまで、さまざまな要因で変動します。しかし、製造能力の低い小規模産業では、時間単価でこのような革新的技術のサービスを利用できます。5軸CNCマシンを製造する企業は一般的に、5軸CNC加工に関するこのようなカスタマイズされたソリューションを提供しています。

5軸マシニングセンターの構成タイプ

テーブル・テーブル、ヘッド・テーブル、ヘッド・ヘッドは、一般的な5軸CNCマシンの組み合わせ例です。

最初の構成はテーブル・テーブル構成で、トラニオンテーブルマシンとも呼ばれます。両方の回転軸がトラニオンテーブルに含まれ、ヘッドは常に静止し、テーブル上のワークピースを回転させます。このセットアップは標準的な3軸CNCマシンをベースにし、2つの回転軸を使用してワークピースを所望の向きに位置決めします。トラニオンCNCマシンは、より優れたアンダーカット能力、より大きな作業容積、より良い速度と耐久性を提供します。スイベルまたはアーティキュレーティングヘッドマシンは、ヘッド・ヘッドまたはヘッド・テーブル構成で利用可能で、2番目の5軸マシン構成です。

トラニオンタイプとは異なり、ヘッド・ヘッドマシンではヘッドがすべての回転を行い、テーブルは静止しています。一方、ヘッド・テーブルマシンは傾斜ヘッドと回転テーブルで構成され、より短いまたは標準的な長さの工具が使用可能です。スイベルヘッドマシンは工具ヘッドをブロック周りに動かして狭いスペースにフィットさせられます。スピンドルをスイベルさせることで回転軸がセットアップされ、重い材料を5軸CNCマシンで容易に加工・成形できます。

なぜ5軸CNC加工を選ぶのか？

5軸CNCマシンのメリットは広大です。これらのマシンは、非常に滑らかで複雑な形状を必要とする医療機器、高度な表面仕上げと滑らかな端面を必要とする航空宇宙機器、厳しい公差と大量生産を必要とするその他の分野など、さまざまな製造グループで使用されています。

5軸加工プロセスの基本的なニーズの1つは、従来の3軸CNC加工では非常に困難な複雑な幾何形状を、除去プロセスで実現する機敏さです。例えば、異なる角度で材料の異なる面で切削、穴あけ、タッピング操作を同時に行う必要がある場合、シンプルなCNCマシンでは多大な労力を要します。ユーザーはシンプルなCNC加工プロセスを選択した場合、切削プロセス全体を通じて角度を作るために工作物の位置を変更しなければなりません。これには多くの時間と労力がかかります。ここで5軸CNCマシンが効率的に仕事を完了させます。

5軸CNCマシンは、このような形状と角度を一発で作れるため、時間と労力を削減し、精度と表面仕上げの品質を向上させます。さまざまな形状と幾何形状が実現され、リードタイムが短縮されることで、ミックス生産でも生産量が増加します。航空宇宙、自動車、医療など、製品に高い精度と正確なプロファイルを要求する産業では、5軸加工が最適です。加工プロセスにおける人的関与が減るため、5軸CNCマシンでは高い公差と基準が達成されます。適切なマシン、優れたCAD（コンピュータ支援設計）知識、材料選定があれば、会社での製造とは別に、誰でも5軸CNCマシンを活用して自社製品を作れます。

5軸CNC加工の利点

ここまで来れば、5軸CNCマシンの利点を以下のようにまとめられます：

1. リードタイムの短縮と生産速度の向上
2. 加工プロセスの精度と品質の向上
3. 複雑な幾何形状と形状を実現する機敏さ
4. 生産能力の拡大
5. さまざまな加工設備を単一の5軸CNCマシンで置き換え可能
6. 加工プロセスの各段階での潜在的エラーの削減
7. 自動工具選択と最適化された切削工具速度による工具寿命の延長
8. 5軸CNCマシンの振動が少ないため、ハイエンドな表面仕上げ

5軸CNCマシンのプログラミング

CNCマシン用Gコードの作成手順は、任意のモデリングソフトウェアで設計されたCADモデルから始まります。その後、CADモデルは一般的にアルゴリズム、すなわちスピンドル速度、送り、切削工具の軸移動など必要な情報を含むGコードに変換されます。5軸CNCマシンの高速切削工具を制御するアルゴリズムは、従来の3軸加工Gコードとそれほど変わりません。しかし、切削工具をさまざまな角度で動かしたり、テーブルの位置を傾斜させたりするには、前進角度と曲率パスの情報が必要です。

5軸でプログラミングする際、回転運動と位置を制御する2つの可能性があります。回転角度または工具ベクトルを使用してデータを出力できます。工具ベクトルは基本的に、X、Y、Z軸の末端に展開されるコマンドで、工具を特定の角度で回転または傾斜させる情報を与えます。このアプリケーションは、IJK工具ベクトルの使用により、各異なるマシンセットアップに固有です。マシンは、特定の軸呼び出し（A、B、またはC）を命令していないため、利用可能ないずれの軸も使用して、工具を指令された位置と傾斜角度に配置できます。この柔軟性により、同じ部品プログラムをショップ内の複数のマシンで、マシン構成に関係なく共有できます。

5軸CNCマシンに展開されるGコードを作成するために使用できる、さまざまなCNCプログラミングソフトウェアスイートがあります。Autodesk、Mastercam、Siemens NX、PowerMill、Edgecamなどが、5軸マシンのプログラミングに最も一般的に使用されるソフトウェアです。

5軸CNC加工プロセスで考慮すべきステップ

• CNCマシンの処理レートが、CNCマシンにアップロードされたGコードによって指令される切削工具のパスを制御するのに十分であることを確認する
• 完全に機能するCNC操作のために、NCマシンがより速く計算できるルックアヘッド機能も確認する
• 材料上にプロファイルを作成する際の工具の無振動運動を保証する、CNC加工プロセスに最適な工具ホルダーシステムを選択する
• 切削工具の耐久性を維持するために、条件下での送り速度を制御する。異なる材料での切削工具の速度制御は、切削工具の寿命を延ばす基本的な鍵
• もう1つの非常に重要な要因は、適切なクーラントを使用したスピンドル熱制御。したがって、さまざまな潤滑剤やウォータージェットシステムを使用して、切削工具先端の温度を低く保ち、切削工具位置から切りくずを除去する
• また、ワークピースを直接5軸CNCマシンで製造にかける前に、ツールパスシミュレーションを行い、正しいプロセスが正しい結果で実行されることを確認するのが良い

CNC加工プロセス用切削工具

5軸CNCマシンで工作物を切削・成形するための切削工具材料は、3軸CNCマシンのものと異なりません。しかし、工具保持ステーションはかなり異なり、5軸CNCの工具交換能力は大幅にアップグレードされています。自動ワークピース交換や自動パレットチェンジャーも含まれ、製造プロセス中の切削工具と材料への人的介入を減らします。この柔軟性により、ハイミックスまたはローボリューム生産も可能になり、製造会社の効率が向上します。5軸CNC加工では、自動工具交換マガジンに60〜120の工具ステーションがあります。より多くの工具ステーションにより、非常に複雑な設計への対応が可能になります。

切削工具材料の選択は、工具材料が工作材料より40〜60%強いこと、高い熱伝導率と低い摩擦係数を持つこと、切削工具材料の製造が容易で容易に入手できることなど、さまざまな要因に依存します。CNC加工で使用される切削材料の一部を以下に示します：

炭素鋼

入手しやすさと低コストから、CNC加工で最も人気のある切削材料です。少量のマンガンとシリコン、0.6〜1.5%の炭素を含みます。

高速度鋼（HSS）

耐久性と高い耐摩耗性から、CNC加工で2番目に多く使用される材料です。タングステン、クロム、モリブデンに適量の炭素鋼を含みます。

超硬合金（セメンテッドカーバイド）

1000℃のような高温に耐えられる高い耐熱性があるため、超高速切削操作に使用されます。組成は主にタングステン、チタン、タンタルです。

セラミックス

化学的に不活性で腐食しないため、腐食性環境では金属切削工具より長持ちします。これらの工具はHSSの10倍の速度でも加工可能です。材料は主に窒化ケイ素と酸化アルミニウムで構成されます。

その他の切削工具材料には、ダイヤモンドチップ、立方晶窒化ホウ素（cBN）、サーメットがあります。

切削工具の幾何形状

5軸切削工具は、角度切削を受けるため、従来のものとはわずかに異なり、仕事を遂行するためにより柔軟な形状でなければなりません。

エンドミル： 材料を除去するために使用される回転切削工具で、特に5軸CNCマシンで活躍します。ドリルビットのように見えますが、より多目的な加工操作に使用されます。エンドミルは横方向に切削するラテラル切削工具で、あらゆる方向に切削できます。一方、ドリルビットは材料に対して軸方向にのみ切削できます。エンドミルのさまざまなカテゴリ：

ボールノーズエンドミル： 理想的な3D輪郭作用を持ち、トップレベルの曲面プロファイルを生成します。工具軸を傾斜させることで、フルートが材料を掴み、部品、カッター、部品表面に押し付けて積み上げるのではなく、部品から引き離す方向に働かせることが可能になります。

Vビット： これもエンドミルの一種で、一般的に90°または60°の2つのバリエーションがあり、製造中の材料に必要な凹みの深さに完全に依存します。

多刃エンドミル： 切削工具により多くの刃（フルート）が関与すると、加工プロセスでより高い速度と送りを維持できます。さらに、追加のフルートにより工具の切削面積が増え、工具寿命が延びます。これらの利点が合わさって、金属除去率の大幅な向上、より良い表面仕上げ、全体コストの管理につながります。

ツイストドリル： 2枚のフルートと2つの面で工作物から材料を除去する切削工具です。NC加工で最も一般的なタイプの切削工具です。他の切削工具と同様、シャンク、ボディ、切削刃の3つの主要部分を持ちます。

5軸CNCマシンの価格（再掲）

5軸CNCマシンの購入コストは大きく異なります。1千ドルから50万ドルまで変動します。価格はCNCマシンのサイズ、機能、タイプによって異なります。5軸CNCマシンの価格変動の重要な要因は以下の通り：

• 工作材料の種類（鋼、アルミニウム、チタン、その他）
• CNCマシンの設計（トラニオンタイプ、スイベルタイプなど）
• 軸のカテゴリ（3+2、4+1、フル5軸CNCマシン）
• マシンのサイズ、工具保持容量、スピンドル出力などのその他の機能

さまざまなタイプの5軸CNCマシンの簡単な比較：

• 3+2 5軸CNCフライス盤：35,000〜200,000ドル
• トラニオンタイプ5軸CNCフライス盤：約200,000〜500,000ドル
• スイベルヘッドタイプ5軸CNCフライス盤：約150,000〜500,000ドル
• ミニ5軸CNCフライス盤：3,000〜10,000ドル
• 3+2 5軸小型CNCフライス盤：25,000〜40,000ドル

一般的に5軸CNCマシンの価格はかなり高額ですが、5軸CNCマシンサービスを必要とする方は、時間単価でカスタマイズされたCNC製造サービスを受けることもできます。

カスタム設計5軸CNC加工サービス

滑らかな仕上げ、精密な公差、時間短縮により、5軸CNC加工の需要は世界中で高まっています。しかし、少量生産の場合、CNCマシンの購入コストが高く、十分な仕事がない、または長期間必要としない場合はマシンを最大限活用できません。そのため、大手企業やメーカーもCNC加工サービスを提供しています。サービスは時間単価で請求されます。5軸マシンの時間単価は再びCNCマシンの種類によって異なる場合があります。しかし、顧客はこれらのサービスを利用することで、カスタマイズされたソリューションとパーソナライズされた部品製造を得られます。5軸CNC加工サービスの価格は時間あたり50〜200ドルで、サービス提供会社と交渉・直接取引可能です。

結論

5軸CNC加工は実際には5面CNC加工とは異なります。5軸CNCマシンには5つの異なるタイプがあります。専門的な観点から見ると、3+2加工や4+1加工のようなマルチ軸加工は、いずれもフル5軸加工ではありません。それらができるのは5面加工です。しかし、4+1 CNC加工は3+2加工より高性能です。