3軸・4軸・5軸CNC加工の違いを徹底解説

コンピュータ数値制御（CNC）により工作機械を制御して製品や部品を製造・加工することをCNC加工と呼びます。CNC加工とは、CNC工作機械によって材料を自動的に削り取り、ワークピースを所定の形状・寸法に仕上げる減法製造プロセスです。一般的にプラスチックや金属が使用され、削り取りが完了すると完成品が得られます。

このプロセスは「削り出し製造（サブトラクティブ・マニュファクチャリング）」とも呼ばれます。工作機械の動きを制御するために、通常はコンピュータ・アプリケーション（CAMソフトウェアなど）が必要です。

代表的なCNC工作機械の種類

CNC加工プロセスには、最も一般的なCNCフライス加工とCNC旋盤加工があり、そのほか研削加工、放電加工などがあります。

CNCフライス加工

CNCフライス加工は、回転する工具をワークピースの表面に当て、3軸、4軸、または5軸に沿って移動させながら切削・トリミングを行う加工です。金属や熱可塑性プラスチックから、複雑な形状や高精度な部品を短時間で製造できます。

CNCフライス盤は汎用フライス盤をベースに開発された自動加工装置で、加工技術や構造は汎用機と似ています。CNCフライス盤は「工具マガジンなし」と「工具マガジンあり」の2種類に大別され、後者は「マシニングセンタ」とも呼ばれます。

CNC旋盤加工

CNC旋盤加工は、旋盤を用いて円筒形状の特徴を持つ部品を製造する方法です。ワークピースが主軸上で回転し、精密なバイト（旋削工具）が接触することで、丸みを帯びたエッジ、径方向・軸方向の穴、溝などを形成します。

CNC加工のメリット

従来の手動加工と比較して、CNC加工は格段に効率的です。コンピュータ・プログラミング（NCプログラム）が正確で設計通りであれば、仕上げ寸法の精度が高く、誤差が極めて小さくなります。

CNC製造は試作（ラピッド・プロトタイピング）に最適な製造方法です。最終製品やコンポーネントの製造にも使用できますが、通常は少量・短納期の生産においてコスト・パフォーマンスに優れます。

多軸CNC加工

CNC加工では回転工具を用いて材料を除去します。ワークピースは固定されたまま工具が移動するか、またはワークピースが所定の角度で機械内に送り込まれます。機械が持つ運動軸が多いほど、成形プロセスはより高速かつ複雑になります。

3軸CNC加工

3軸CNC加工は、最も普及し広く使用されている加工プロセスの一つです。3軸加工ではワークピースが固定され、回転工具がX軸、Y軸、Z軸に沿って切削します。比較的シンプルなCNC加工であり、シンプルな構造の製品製造に適しています。複雑な形状や複雑な構成部品の加工には不向きです。

3軸のみで切削するため、4軸や5軸CNCに比べて加工速度が遅くなる場合があります。所望の形状を得るために、ワークピースを手動で再セットアップ（段取り替え）する必要が生じることもあります。

4軸CNC加工

4軸CNC加工では、切削工具の運動に第4軸が加わり、X軸周りの回転（A軸）が可能になります。これによりX軸、Y軸、Z軸、A軸（X軸回りの回転）の4軸で制御できます。ほとんどの4軸CNC機ではワークピース側の回転（B軸）も可能で、フライス盤と旋盤の両方の機能を兼ね備えることができます。

より正確には、4軸CNC加工とは「4軸同時制御（4軸連動）」を指します。まず工作機械が4つの制御可能な軸を持ち、それら4軸が同時に補間運動制御を行えることが前提です。つまり、4軸が同時に連動制御できることを意味します。

この同時連動の移動速度は合成速度であり、各軸の個別の速度制御ではありません。空間上の一点が4軸の同時移動によって別の一点へ到達し、始点から終点まで同時に動き、同時に停止します。各軸の速度は、コントローラの動き補間アルゴリズムによってプログラムされた速度に基づき内部で合成されます。

4軸マシニングセンタの場合、X、Y、Z軸に回転軸A（またはB軸、C軸）を加えた構成となります。A、B、C軸の定義はそれぞれX、Y、Z軸周りの回転に対応します。一般的に第4軸は、X軸周りの回転であるA軸、またはY軸周りの回転であるB軸となり、これは実際の機械への取り付け位置によります。この第4軸は独立して動くだけでなく、他の1軸、2軸、あるいは4軸全てと同時に連動させることも可能です。

一部の工作機械は4軸を持っていても独立動作のみ（インデックス軸としてのみ使用）で、4軸3連動に留まります。同様に、4軸連動機であっても総軸数は5軸以上ある場合がありますが、最大連動軸数は4軸です。

円筒部品の側面に穴あけが必要な場合など、4軸CNC加工が最適です。これにより加工プロセスが大幅に高速化し、加工精度も高まります。

5軸CNC加工

5軸CNC加工は、4軸CNCにさらにもう1軸の回転軸が加わったものです。第5軸はY軸周りの回転（B軸）です。機種によってはワークピース側が回転し、これをB軸またはC軸と呼ぶこともあります。

5軸CNC加工は汎用性が非常に高く、複雑な精密部品の製造に使用できます。義肢や骨などの医療部品、石油・ガス機械部品、航空宇宙部品、軍事関連製品などが代表的です。

3軸・4軸・5軸CNC加工、どう選ぶべきか？

3軸、4軸、5軸CNC加工を単純に比較・優劣をつけることはできません。たとえば家族で車を購入する際、スーパースポーツカーが良いのか、大型トラックが良いのか、普通の乗用車が良いのか。予算、用途、走行環境など多角的に検討するのと同じです。

同様に、3軸と4軸にはそれぞれ得意分野があります。部品によっては3軸で経済的に加工でき、またある部品は4軸でなければ加工不可能で、3軸では対応できません。しかし、実際の状況に応じて分析することは可能です。現実には、ほとんどの部品は3軸CNC加工で対応可能です。また、4軸工作機械は一般的に3軸機より高価です。まずは3軸機を導入してコストを抑えるのも一案です。もちろん、4軸機を導入すれば3軸加工も4軸加工も一台でこなせるという考え方もあります。

どちらにせよ、JTRが提供するプロフェッショナルなCNC加工サービスをご利用いただければ、どの機械を選ぶべきか悩む必要はありません。お客様のご要望をお聞かせいただければ、最適な生産を実現するお手伝いをいたします。JTRのCNC加工サービスについて詳しく知りたい方は、ぜひお問い合わせください。