最適な結果を得るための必須CNC加工設計ガイドライン

事実、CNC加工は汎用性が高いですが、全ての設計が可能なわけではありません。つまり、スムーズな加工を確実にするために認識しておく必要がある制約と制限があります。2つの主要なCNC設計制約は以下の通りです：

工具形状

ほとんどのCNC切削工具は切削長が限られています。また、全て円筒形の形状とジオメトリを持っています。ワークから材料を除去する際、これらの切削工具はその円筒形状をワークに転写します。これが、切削工具のサイズに関わらず、ワークの内部コーナーに常に半径（R）が生じる理由です。

工具アクセス

工具アクセスは、かなりの深さ/幅比を持つワークを加工する際の主要な懸念事項になります。この懸念は、CNC工作機械がワークの上方から切削工具を適用して切削するためです。

言い換えれば、上方からアクセスできないワークを加工するのは困難です。このルールの唯一の例外は、CNC加工部品のアンダーカット加工時に発生します。

部品やコンポーネントの特徴を6つの主要方向のいずれかに合わせることは、この工具アクセスの課題を緩和する一つの方法です。また、優れたワーク保持能力を持つ5軸CNC加工を使用すれば、工具アクセスはもはや制約されません。

CNC加工の世界には、一般的に受け入れられた標準セットは存在しません。これは主に、業界と使用される工作機械が常に進化しているためです。しかし、設計品質を最高レベルに保つのに役立つベストプラクティスと推奨事項があります。これらの推奨事項には以下が含まれます：

1. 内部エッジ

内部エッジを作成する際、垂直コーナー半径はキャビティ深さの少なくとも1/3以上であるべきです。指定されたコーナー半径を使用すれば、推奨キャビティ深さを持つ径の工具を使用できます。

推奨値よりわずかに大きいコーナー半径を使用すると、90度の角度ではなく円弧に沿って切削できるため、より高品質な表面仕上げが得られます。90度の角度が必要な場合、コーナー半径を減らす代わりにTボーンアンダーカットを採用することを推奨します。

2. 穴

穴を作成するために、機械技師はドリルビットやエンドミル工具を使用することがあります。設計時の穴径を決める際のガイドとして、ミリ単位またはインチ単位で測定される標準ドリルビットサイズを使用するのがベストです。

技術的には、1mmを超えるあらゆる寸法が可能です。機械オペレーターは、厳しい公差が必要な穴を仕上げるためにリーマーとボーリング工具を使用します。高精度が必要で20mm未満の穴には、標準径を使用するのがベストです。

CNC加工用部品を設計する際、任意の穴の最大推奨深さは公称径の4倍ですが、40倍まで可能です。公称径は通常、10倍の比率です。

3. ネジ

CNC加工品の開発時に使用される最小ネジサイズはM2ですが、M6以上が通常理想的です。機械技師は、CNCネジ切り機を使用してM6までの小さなネジを切削することで、タップ折損のリスクを制限できます。

最小ネジ長さは公称径の1.5倍、推奨長さは公称径の3倍です。M6未満のネジの場合、穴の底に公称径の1.5倍の非ネジ部を追加する必要があります。M6より大きいネジの場合、穴の全長にわたってネジを切るのがベストです。

4. キャビティとポケット

エンドミル工具には切削長の制限があるため、業界で推奨される設計上のキャビティ深さは幅の4倍です。より低い深さ/幅比は、より大きな切りくず排出、工具たわみ、振動を招きます。

あなたのCNC設計により大きな深さが必要ですか？この課題を解決する一つの方法は、可変キャビティ深さと特殊工具を使用することです。

5. 小さな文字や盛り上がった文字

部品番号や社名で部品をマークする必要がある場合があります。カスタムCNC設計では文字を追加すると非常にクールに見えますが、加工に時間がかかります。電解エッチングやレーザーマーキングの方が通常は優れています。

ベストプラクティスを維持し、CNC加工の基礎を知ることは、部品や製品の高品質を確保するのに役立ちます。それを念頭に置き、加工タイプに応じてCNC加工用部品を設計する際に留意すべきベストプラクティスをいくつか紹介します。

1. CNCフライス加工のための設計

CNCフライス加工は、丸いカッターを使用して原材料から材料を高速で除去し、所望の形状を得る加工技術です。フライス盤は、3軸から12軸まで多くの異なる設計があります。

1.1 一般的に入手可能な切削工具

CNCフライス加工で頻繁に利用可能な多くの工具、例えばエンドミルカッターを考慮しながら、あなたのCNC部品設計アイデアを作成してください。必要な特徴とジオメトリを一般的な工具で生成できれば、コストとリードタイムを大幅に削減できます。

また、設計作成時には工具標準サイズを考慮してください。標準より小さい半径の設計は、設計の複雑化とコスト増を招きます。

1.2 シャープな内部コーナーを避ける

フライス工具でシャープなコーナーを実現することは不可能です。理由は、ここで使用される切削工具が丸いからです。CNCフライス盤を使用するには、コーナーに半径が必要で、それを作成するカッターより大きくなければなりません。理想的には、切削工具の直径は、それが作る半径の2倍になります。

傾斜面またはドラフト面が垂直壁またはシャープなエッジと接する場合、フィレットも必要です。表面が工具に対して平らで垂直でない限り、スクエアまたはボールエンドミルは常に壁と下面の間に材料を残します。

1.3 深く狭いスロットを避ける

長い工具は往々にして振動し、たわみ、結果として表面仕上げが悪化します。したがって、エンドミルの最終切り込み深さは、プラスチック切削で直径の15倍、アルミニウム切削で10倍、鋼切削で5倍を超えないようにすべきです。

例えば、0.5インチのエンドミルで加工された鋼製品の0.55インチ幅のスロットは、2.75インチより深くすべきではありません。前のポイントの内部フィレット半径もこの場合工具径に依存するため、内部半径は0.25インチより大きくする必要があります。

1.4 可能な限り最大の内部半径で設計する

大きなカッターは単位時間あたりの材料除去量が多く、加工時間とコストを削減します。設計時には常に許容される最大の内部半径を使用してください。可能であれば、0.8mm未満の半径は避けてください。

また、フィレットをエンドミルの半径よりわずかに大きくしてください。例えば、0.125インチ（3.175mm）ではなく0.130インチ（3.3mm）の半径を使用します。フライス盤はより滑らかな経路をたどり、表面により細かな仕上げを与えます。

2. CNC旋削加工のための設計

CNC旋削加工は、旋盤上で軸対称と円筒形状を持つ部品を作成する加工プロセスです。プロセスは、ワークを回転チャックに保持し、切削工具が所望の形状に切削することを含みます。この加工プロセスは、より良い表面仕上げとより厳しい公差を実現します。

旋削工作機械を使用したCNC切削設計のためのヒントをいくつか紹介します：

2.2 シャープな内部および外部コーナーを避ける

CNC加工の設計時には、内部と外部の両方でシャープなコーナーを避けることが重要です。内部コーナーに半径を追加することは、工具がより大きな面を走らないようにする一つの方法です。シャープな内部コーナーを避けるもう一つの方法は、急な側壁をわずかに傾斜させることです。必要な工程が少なくなるため、単一の旋盤切削工具で輪郭を加工する方が簡単な場合があります。

2.3 長く細い部品を避ける

長く細い旋削部品は、不均一に回転し、工具に対してチャタリングを起こしやしいため避けてください。長い部品を作る場合、フリー端にセンタードリルの余地を残し、センターを使用して部品を真っ直ぐ回転させるようにしてください。また、一般的なガイドラインとして長さ/直径比を8:1以下に保ってください。

2.4 薄肉を避ける

フライス加工と同様に、過度な材料除去はコンポーネントに不必要な応力を与える可能性があります。薄すぎる肉厚も剛性を低下させます。しかし、薄肉は厳しい公差の維持を困難にします。これが、CNC加工の設計において旋削部の肉厚を0.5mm（0.02インチ）以上に保つのがベストな理由です。

2.5 特徴の対称性

旋削部品に追加されるほぼ全ての特徴は、一般的に旋削軸を中心に対称である必要があります。軸対称でないジオメトリや特徴を追加するには、より複雑な加工とセットアップが必要です。段差、テーパー、面取り、曲線は、旋削に優れた特徴です。

旋削部品に軸対称でない特徴を追加する必要が時折あり、それは別の工程を必要とする場合があります。それでも、ある程度の対称性を維持できます。

3. 穴あけ加工のための設計

これは、ワークに穴を作る操作に用いられる用語です。この操作で使用される工具は円錐形のチップを備え、加工中に材料の深くまで潜ることを可能にします。

CNC穴あけ加工を意図した設計を作成する際は、以下の提案を考慮してください。

3.1 適切な穴の深さ

穴あけは、最も近いビット径の12倍より深く行うべきではありません。理由は、これ以上長いドリルビットは剛性を失い、厳しい公差を維持する能力を失い、折損しやすくなるからです。より深く掘る必要がある場合は、穴径を大きくすることを検討してください。

しかし、深い穴が不可欠な場合、もう一つの選択肢は部品の両側から穴あけすることです。第二の加工セットアップが必要になるため、製造プロセスはより長く、より高価になることを念頭に置いてください。

3.2 部分的な穴を避ける

チップが彷徨う可能性が高いため、部分的な穴は避けるのがベストです。しかし、穴の一部のみが必要な場合、ドリル軸を材料上に保ち、部品が穴の大部分を保持するようにしてください。

3.3 ドリル軸を表面に垂直に保つ

ドリル軸は、チップの彷徨いを防ぐために表面に垂直でなければなりません。丸い物体の表面に浅い平底ポケットを加工することで、ドリルが部品表面に垂直に入ることがよく可能になります。この課題を解決するためにパイロットホールを使用するのがベストですが、この選択はCNC部品設計ではなく、CNC工作機械プログラミングの際に必要になります。

3.4 キャビティを貫通する穴あけを避ける

CNC設計アイデアで穴あけ位置を計画する際、部品に既存のキャビティがないことを確認してください。必要であれば、穴あけがキャビティとわずかに交差しても構いませんが、穴の中心軸が交差する場合に限ります。