CNC工作機械の種類とカテゴリーを徹底解説：包括的ガイド

CNC工作機械は、今日の製造業界において最も重要な機械の一つです。現在市場には多くの種類のCNC工作機械があり、それらは動作モード、切削工具、材料、同時切削可能な軸数において異なります。

この記事では、CNC工作機械の定義、様々な種類のCNC工作機械、最適なCNC工作機械の選び方を紹介します。この貴重な情報を得るために、ぜひお読みください。

CNC工作機械とは？

CNC工作機械は、部品と製品の製造を容易にするコンピュータ制御デバイスです。CNCという略語は、Computer Numerical Control（コンピュータ数値制御）から来ています。この機械は、金属、木材、プラスチック、その他の材料を用いて、部品の作成や修正を容易にします。また、駆動/運動システム、フィードバックシステム、コマンド機能という3つの主要コンポーネントを持つ自動化システムです。

CNC工作機械は、CADおよびCAMソフトウェアによって作成されたデジタル指示に依存して最適に機能します。CADソフトウェアが設計を行い、CAMがCNC設計をCNC工作機械が読み取れるGコードに変換します。

さらに、それらの自動化された処理システムは、手動工作機械よりも部品製造をより速く、より正確にすることがよくあります。

CNC工作機械システムの基本要素

以下は、CNC工作機械システムに一般的に見られる要素または部品です。

• 情報入出力デバイス：ディスクドライブ、特殊情報デバイス、キーボード、コンピュータなど
• インターネット接続：Ethernet、HSSB（高速データ伝送ポート）、処理LAN、RS 232Cポート、その他のネットワークなど
• 外部機械軸制御ユニット：交換ベンチ、積み降ろしロボット、ツールマガジンの駆動軸など
• フィードサーボドライブとモーターユニット
• スピンドルモーターとドライブユニット
• CNC制御ユニット（数値制御部）
• PMCコントローラ
• 工作機械のフィードバックと位置測定ユニット
• 工作機械の動力キャビネットの制御信号の入出力ユニット

様々な種類のCNC工作機械

フライス、研削、穴あけからプラズマ切削まで、様々なCNC工作機械タイプがあります。このセクションでは、CNC工作機械のタイプと用途、およびそれらの応用と制限のリストを検証します。

1. フライス盤CNC工作機械

CNCフライス盤は、高速切削工具を使用してワークから材料を除去し、必要な仕様に精密に成形します。さらに、フライス盤カッタータイプは多種多様で、様々な機能を果たします。一般的な例として、エンドミル、リーマ、フェイスミル、タップ、ドリルなどがあります。

ただし、加工可能なサイズは、工作機械を収容するエンクロージャのサイズと、切削工具が移動できる最大距離に依存します。

2. 旋盤CNC工作機械

CNC旋盤の動作原理は、ワーク材料を主軸を中心に回転させることです。旋盤切削工具はワークから材料を除去し、必要に応じて成形します。

CNC旋盤は、スイス型加工、穴あけ、ナーリング、旋削、サンディングなど、様々な作業に最適です。このカテゴリのCNC工作機械は、自動車部品、カムシャフト、クランクシャフト、楽器、銃身、野球のバット、家具の製造に応用されています。

しかし、この工作機械の製造方法の特性上、対称的な部品の製造に適しています。

3. 穴あけCNC工作機械

穴あけ盤は、ほとんどのCNC工作機械工場で見られる最も一般的なCNC工作機械の一つです。さらに、穴あけCNC工作機械は、ドリルビットと呼ばれる特殊な切削工具を使用します。ネジ止め、美観上の要件、二次組立目的で材料に穴を開けるのに最適です。

穴あけCNC工作機械は、自動車製造、航空宇宙、造船、金型製造、工作機械、家具製造、その他の木工に応用されています。

この工作機械の主要な制限の一つは、作成できる穴の寸法です。専用ドリルビットなしで、十分に深いまたは大きな穴を作成するのは困難です。

4. 研削盤CNC工作機械

この工作機械は、砥石を使用してワークから材料を除去します。研削盤タイプは、主にサンディング、研磨、仕上げのために機能します。砥石の製造材料は、セラミックブレンドまたはダイヤモンドです。ただし、ダイヤモンド砥石は高品質な二次仕上げを提供することが多いことを知っておくべきです。

しかし、このCNC研削盤は、ワークから材料を非常に遅い速度で除去します。これが、主に仕上げや平滑化工作機械として使用される理由です。

5. レーザー切断CNC工作機械

このCNC工作機械は、高度に集束されたレーザービームを使用して製品や部品を成形します。レーザービームは、材料の導電性に関係なく切断し、望ましい製品や形状を作成します。また、レーザー切断CNC工作機械は、航空宇宙、自動車、医療の3つの主要業界で応用されています。

しかし、レーザー切断CNC工作機械の制限の一つは、これで切断できる材料の最大厚さが2.75インチ（約70mm）であることです。

6. プラズマ切断CNC工作機械

CNCプラズマ切断装置は、非常に精密な切断を生み出します。空気をイオン化し、電気アーク（プラズマトーチに類似）を使用してその経路の材料を溶かします。この手順は電気アークを伴うため、電気伝導性のある材料でのみ機能します。

プラズマ切断は、大規模産業とホビーストアの両方で人気のある工作機械です。産業建設、自動車修理とレストア、スクラップ作業を支援します。

しかし、これらの工作機械は材料を溶かして切断するため、膨大な熱を発生させます。この熱は切断材料の表面仕上げに影響を与えることが多く、熱影響部を生じさせます。

もう一つの制限は、この工作機械が切断できる材料の範囲が限定的であることです。金属とその他の導電性合金のみを切断できます。

7. ウォータージェット切断CNC工作機械

この工作機械は、細い水流を使用して材料を切断します。CNCウォータージェット切断は、あらゆる材料を切断できる能力により、最も適応性の高いプロセスの一つです。

ウォータージェット切断機は非常に汎用性が高く、ゴム、皮革、ガラス繊維、おむつ、基板、発泡体、紙、セラミック、ガラス、石、板金を成形できます。

最大の欠点の一つは、ウォータージェット切断速度が他の切断代替案より遅いことです。この遅い速度は、特に曲線切断とコーナーで顕著です。

8. 放電加工機 (EDM)

EDMは、電気アークを使用してワークから材料を除去します。プラズマカッターと同様に機能します。また、この工作機械は非接触プロセスで部品を製造し、硬度に関係なく材料を加工します。

しかしながら、この工作機械はプラズマ切断と同様に導電性材料でのみ機能します。つまり、セラミック、木材、プラスチック、電気を通さないその他の材料の加工には使用できません。

9. CNCルーター工作機械

CNCルーターは、あらゆる材料の平らな表面に様々な形状とパターンを切削できます。CNCルーター工作機械は、楽器、看板、ドア彫刻、モールディング、内外装飾の製造に使用されます。

しかし、CNCルーター工作機械の全体的な動作は、その様々なコンポーネントによりかなり騒音が大きくなる可能性があります。

10. 多軸CNC工作機械

このCNC工作機械は、4つ以上の方向または軸で移動できます。2軸または3軸工作機械と比較して、多軸加工はより複雑で、より精密な部品を生産します。また、機械技師により大きな加工柔軟性を提供します。このカテゴリの工作機械は、4軸から最大12軸まであります。

このカテゴリの工作機械は、2軸および3軸工作機械とは大きく異なり、最適に機能させるには専門家の専門知識が必要になることがよくあります。

11. 3Dプリンター

3Dプリンターは、デジタルファイルを使用して3D立体オブジェクトを作成します。この記事で議論された他のプロセスとは異なり、3Dプリントは積層造形プロセスです。材料を連続的に積み重ねて製品を作成するプロセスです。

しかし、このCNC設備の調達コストと、このプロセスを使用した部品製造コストはかなり高額です。また、3Dプリント速度は遅く、特に大量生産プロセスで使用する場合に顕著です。

12. CNC自動工具交換装置 (ATC)

ATCとしても知られ、これは様々なタイプのCNC工作機械のバリエーションです。しかし、この工作機械の役割は、工作機械の切削工具を自動的に交換することです。これにより、生産速度が向上し、リードタイムが短縮されます。

ATCは、主に2つの理由でこの交換を行います：破損または摩耗した工具の交換、間違った工具を正しい工具と交換。

座標軸数によるCNC工作機械の種類

工作機械が移動する軸の数による、CNC工作機械の種類は以下の通りです。

2軸CNC工作機械

利用可能な最も基本的なCNCシステムは2軸CNC工作機械です。このカテゴリの工作機械は、X軸（水平）とY軸（垂直）で移動します。

通常、これらの工作機械は精密な直線切断、板材への穴あけ、またはワークを移動させずに単一のワーク表面のみを加工します。

3軸CNC工作機械

最も普及している種類のCNC工作機械は3軸工作機械です。2軸工作機械と同様に、このカテゴリの工作機械も固定されたワークで作業します。これらの工作機械は、基本的な部品を2.5次元で加工できます。3軸CNC工作機械は、従来のX軸とY軸に加え、深さ用の追加のZ軸で移動します。

4軸CNC工作機械

この工作機械は、回転軸として知られるA軸と、X、Y、Z軸を持っています。この軸により、切削工具のX軸周りの回転が可能になります。これらの工作機械は、切り抜きとアーク切削にも優れています。

5軸CNC工作機械

5軸CNCは、C軸と呼ばれる軸を中心に切削工具に枢動運動を与えます。C軸は、旋回と枢動が行われる軸です。

これらの工作機械は、ワーク表面が固定されたまま材料の5面を同時に加工できるため、複雑で精密な部品を製造できます。これらの工作機械は、その優れた精度により、医療業界で使用される機器の製造に非常に役立ちます。

7軸CNC工作機械

このカテゴリのCNC工作機械には、7つの軸があります：ワークの回転用の3つの従来の軸、切削工具の移動用の3つ、アームの回転用の1つ（E軸と呼ばれます）。

これらが作れる部品の複雑さから、これらの工作機械は航空、医療、軍事機器を頻繁に製造します。

9軸CNC工作機械

5軸フライス盤と4軸旋盤を組み合わせたCNCシステムが9軸CNC工作機械です。旋盤がワークの内部特徴を完成させ、フライス盤が表面を加工して必要な表面仕上げを達成します。

このため、9軸工作機械を使用すると、内部と外部の部品特徴をより容易に製造できます。歯科インプラント、医療機器、高度な航空機器などは、これらの装置で製造可能です。

12軸CNC工作機械

12軸工作機械には、X、Y、Z、A、B、C軸で移動できる2つの切削ヘッドがあります。これらの工作機械は、生産速度を向上させながら、桁違いに精度も高めます。

移動軌跡によるCNC工作機械の種類

以下は、移動軌跡によるCNC工作機械システムの種類です。

ポイント制御

ポイント制御システムでは、CNC工作機械の移動コンポーネントは、加工されることなく、一点から別の一点へ正確に制御されます。同時位置決めが不要な場合、この位置決めは、リベッティング、タッピング、スポット溶接、穴あけに使用できる最もコスト効率の良いシステムです。

直線制御

CNC工作機械の移動コンポーネントを一点から別の一点へ正確に配置することに加え、直線制御システムは、二つの接続された地点間の移動速度と軌道も制御します。

平行座標軸により、この制御は直線切削運動を保証します。これが、シンプルなCNCフライス盤と研削盤でよく応用される理由です。

輪郭制御

輪郭制御システムの制御下では、ワークがプログラムされた軌道と速度に従ってカッターに対して移動し、複数のフィード軸の動きを同時に調整します。これにより、移動中に連続切削が可能になります。

輪郭制御は、平面曲線や空間曲面の加工を容易にします。CNC研削盤、フライス盤、旋盤で応用されます。

サーボシステムによるCNC工作機械の種類

以下は、サーボシステムによるCNC工作機械システムの種類です。

開ループ制御システム

開ループ制御システムには、検出とフィードバックデバイスがありません。駆動回路が電力を増幅し、CNCデバイスの指示信号が一方向に伝送され、ステッピングモーターを駆動して工作機械テーブルを動かします。

開ループ制御システムの利点の一つは、低価格で購入しやすいことです。欠点として、精度と安定性が低く、作業品質を低下させます。

半閉ループ制御システム

半閉ループ制御システムでは、サーボモーター軸またはボールネジの端に直接取り付けられた角度変位検出装置を使用して、工作機械テーブルの実際の変位を計算します。

このデバイスは、計算値を工作機械テーブルの元の指示変位値と比較し、その差を用いて制御します。このシステムの価格は中程度ですが、精度と安定性は高いです。

閉ループ制御システム

閉ループ制御システムは、工作機械の移動部品またはテーブルトップに取り付けられた直線変位検出装置を使用します。CNCデバイスの比較器が検出された実際の変位を受け取り、プログラム指示の値と比較します。

閉ループ制御CNC工作機械の安定性を制御するのはかなり困難です。しかし、この工作機械は高精度を保証します。

最適なCNC工作機械タイプの選び方

御社に最適なCNC工作機械を選択する際には、考慮すべき点が多数あります。お客様のニーズに適したCNC工作機械は、経営するビジネスの種類、作成する製品、生産量によって異なります。以下は、CNC工作機械を選択する際に考慮すべき要素です。

ビジネスの種類

ビジネスの種類によって、選択肢が絞られます。例えば、小さなCNC工作機械工場を経営している場合、わずかなCNCルーター工作機械だけで十分です。一方で、大規模な製造会社を経営している場合、より大型で多機能な工作機械が必要になるでしょう。

スペアパーツの入手性

CNC工作機械は、他の機械と同様に摩耗や故障の可能性があります。そのため、購入するブランドやモデルが専門家によって迅速に修理可能であり、交換用のスペアパーツが入手可能であることを確認してください。理由は、入手しやすいパーツが、生産を再開するまでの待ち時間を決定するからです。

製品要件

必要なCNC工作機械は、行う作業に大きく依存します。シンプルな製品であれば、CNC旋盤または3軸フライス盤で十分かもしれません。しかし、複雑さが増すにつれて、ほとんどの部品をワンセットアップで製造できる工作機械を持つ方が安価になります。この種の作業に最適な工作機械は5軸CNC工作機械です。

また、一部の製品カテゴリは専用CNC設備を必要とします。例えば、目的別のスイス型旋盤は、数千個の小さな複雑な円筒形部品の製造に最適です。

電力要件を知る

これらの工作機械は大量の電力を必要とし、最適に機能するために三相電力を頻繁に使用します。したがって、建物が新しい設備を稼働させるのに十分な電力を受け取っていることを確認することが重要です。現在の電力使用量を確認することも価値があります。現在の全工作機械が稼働しているとき、施設に十分な電力が供給されているかもしれませんが、新しいCNCを追加すると使用量が供給量を超える可能性があります。

加工する材料

処理される材料の種類は、CNC工作機械を選択する際の重要な考慮事項です。工作機械は、硬い合金から精密部品をフライス加工するのに十分な堅牢性が必要です。必要な公差を維持できる精密工作機械は、軟鋼などの柔らかい材料向けに検討できます。

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FAQ

CNC工作機械は高価ですか？

CNC工作機械は高額な投資です。しかし、その高精度と公差レベルによってコストが正当化されます。

CNC工作機械の主要コンポーネントは何ですか？

コンピュータ数値制御（CNC）システムは、加工装置（工作機械とも呼ばれる）、工作機械制御ユニット、CNCソフトウェア（指示の集合体）という3つの基本コンポーネントで構成されます。

最も一般的なCNC工作機械タイプは何ですか？

CNCフライス盤は、タッピングから旋削まで用途が幅広いため、最も一般的なCNC工作機械タイプの一つです。