5軸加工の主なメリット：3軸・4軸システムとの比較

5軸加工とは？

5軸加工はCNC加工の一形態です。現在一般的に使用されているマシニングセンタは一般的に3軸3連結マシニングセンタです。3軸とはマシニングセンタのX、Y、Z軸を指します。もちろん4軸マシニングセンタもあります。4軸マシニングセンタとはX軸、Y軸、Z軸とA軸を指し、ここでA軸はX軸周りの回転軸を指します。5軸マシニングセンタとは、X、Y、Z軸に加えてB軸があり、B軸はY軸周りの回転軸を指します。この技術は船舶、航空宇宙、自動車、軽工業、医療などの高精度機器製造分野で広く使用されています。

従来の金型加工では、3軸マシニングセンタと立形マシニングセンタが一般的にワークのフライス加工を完了するために使用されます。金型製造加工技術の発展に伴い、従来の金型加工で一般的に使用されるボールエンドミルには明確なメリットがありますが、立形マシニングセンタに適用すると底面速度がゼロになり、仕上げが悪いため、従来の金型加工の弱点が徐々に露見してきます。5軸加工では、ワークの機械上の位置を変えずにワークの異なる面を加工できるため、プリズマティック部品の加工効率を大幅に向上させられます。（CNC加工：3軸VS 4軸VS 5軸）

5軸加工のメリット

1. 加工時間の短縮

5軸加工では、フラットエンドミルを使用して複雑な金型加工面の垂直状態を維持でき、加工時間を大幅に短縮できます。5軸マシニングセンタの原理は、傾斜面での側面フライス加工にも適しており、ボールエンドミルによるリブ状ラインを排除し、金型表面品質をより理想的にし、金型表面の手作業清掃と手作業の負荷を減らせます。

2. 加工精度の向上

5軸加工技術により、複雑な角度でワークを再配置し、複数回デバッグする必要がある問題が解決され、時間短縮だけでなく誤差も大幅に減らせます。ワーク取付時の治具工具コストも大幅に削減され、従来法では不可能だった複雑な部品加工（複雑曲面へのドリル、テーパー加工、キャビティ凹部など）も機械で可能になります。

3. 高生産効率

5軸連結マシニングセンタは部品の加工時間と補助時間を効果的に短縮できます。広い主軸回転数範囲と送り範囲を持ち、大量切削による強力切削が可能です。5軸連結マシニングセンタは現在高速加工の時代に入り、可動部品の高速移動・位置決めと高速切削加工により、半完成品間のターンアラウンドタイムを短縮し、生産効率を向上させます。

5軸加工の金型加工における役割

1. 深いキャビティ金型の加工

金型製造プロセスで3軸マシニングセンタを用いて深いキャビティ金型を加工する場合、工具ホルダと切削工具を延長する必要があります。しかし、5軸マシニングセンタで比較的深く急峻なキャビティを加工する場合、ワークまたは主軸ヘッドの追加回転とスイングにより、より良い加工条件を作り出すために工具長を適切に短縮できます。これにより工具と工具ホルダのキャビティ壁との衝突を防ぎ、加工中の工具振動と損傷を減らし、工具寿命を延ばし、金型の表面品質と加工効率を大幅に向上させます。

2. 金型側壁の加工

金型側壁の加工では、3軸マシニングセンタの工具長は側壁の深さより大きくなり、工具長は側壁の深さによって決まります。工具長を増やすと強度が大幅に低下し、工具径が倍増する現象が発生し、ワーク品質の保証が困難になります。5軸マシニングセンタで金型側壁を加工する場合、主軸またはワークのスイングを利用して工具と金型側壁を垂直に見せかけられます。側壁フライス加工時に平底フライスカッターを使用でき、ワーク品質を向上させ工具寿命を延ばせます。

3. 金型平面の加工

金型平面加工時、3軸マシニングセンタではボールカッターで仕上げフライス加工を行って良好な表面品質を得る必要があります。この場合工具パスを増やす必要がありますが、ボールカッター工具の中心回転速度はほぼゼロです。金型加工では工具損傷度が大きく、工具寿命が短くなり、金型表面品質も悪化します。5軸マシニングセンタで比較的平坦な曲面を加工する場合、工具をワークに一定角度で配置してから加工できます。これによりワークとボールノーズ工具の相対線速度を高め、工具寿命の向上だけでなくワーク表面品質も大幅に改善されます。

4. 金型不規則曲面の加工

不規則曲面を持つ金型の加工では、従来3軸マシニングセンタで行われてきました。工具の金型切削方向は切削の全パスに沿って移動し、切削プロセスは変化しません。このとき工具先端の切削状態は完璧ではなく、金型の各部分の完璧な品質を保証できません。頻繁に曲率変化する金型や深い溝を持つ金型は、5軸マシニングセンタで加工できます。切削工具は常に切削状態を最適化でき、工具は全加工パスの方向を最大化でき、同時に工具は直線移動も可能で、金型表面のあらゆる部分がより完璧になります。

5. 金型の様々な幾何学的形状の加工

5軸マシニングセンタで3次元曲面を持つ金型を加工する場合、金型の切削は常に最良の作業状態で保護されます。工具角度は工作機械の任意の領域で変更でき、幾何学的金型加工を完了できます。

6. 金型傾斜面上の傾斜穴加工

金型傾斜面上の傾斜穴加工時、5軸マシニングセンタではスイングヘッド工作機械のスイング運動により主軸をワーク傾斜面の垂直側に配置し、正確な穴位置に位置決めできます。金型上の斜め穴を精密に加工するには、少なくとも2つの直線軸補間運動が必要で、このプロセスでは穴位置精度が大幅に低下します。ペンデュラムテーブル付き5軸マシニングセンタで斜め穴を加工する場合、工作機械のペンデュラムテーブルで金型の斜め面を主軸に垂直な位置に配置し、主軸の1つの直線軸で斜め穴加工を完了でき、穴精度が明確に向上します。

7. 方向変更のない直線フライス加工

方向変更のない直線をフライス加工する場合、工具先端に直線を描くだけで済みます。方向変更が必要なら工具先端は曲線を描きます。工具先端の方向変更は極めて重要で、5軸マシニングセンタで曲線補正を行う必要があります。制御システムが工具長を考慮しない場合、工具は軸中心を中心に回転し、工具先端を固定できず、現在の作業位置から外れる可能性が高いです。しかし、5軸マシニングセンタのシステムには5軸制御機能があります。金型加工操作で5軸制御システムを使用して工具方向を変更しても、工具先端位置を不変に保てます。この過程で、XYZ軸の必要な補償運動も自動計算されます。このとき加工精度は大幅に向上します。

まとめ

金型加工で5軸マシニングセンタを使用すると、工具干渉を回避でき、通常の3軸工作機械では難しい複雑な部品を加工できます。等高線面金型の加工には側面フライス一発成形技術が使用でき、品質が良く効率が高いです。3次元プロファイル、特に大規模な平面では、大径エンドミルで大規模面にアプローチでき、パス数が減り、残留高さが小さく、加工効率と表面品質を効果的に向上できます。金型の複数空間面を一回のクランプで多工程・多面加工でき、加工効率が向上し、各面の相互位置精度を効果的に改善できます。

5軸マシニングセンタで金型加工を行う場合、工具は常にワークに対して最も効果的な切削状態を維持できます。一部の加工分野では大型工具を使用して相互干渉を回避でき、この種の工具剛性が良いため、加工精度と効率を向上させられます。5軸マシニングセンタはハイテク手法であり、複雑ワークの機械化加工タスクを完了できるだけでなく、加工効率を迅速に向上させ、加工手順を短縮できます。