切削型製造は、精密製造において最も一般的かつ広く用いられている手法の一つです。具体的には、切削型製造では3Dプリンティングとは対照的に、まず材料の塊または構造物から始め、機械を用いて所望の形状になるまで切り抜きます。これは彫刻家が行うのと似ていますが、切削型製造では彫刻を機械またはロボットアームに置き換えます。
CNC旋盤 の三脚と CNCフライス盤 切削加工において最も一般的な製造形態です。一般的には互換的に使用されることもありますが、実際にはそれぞれ異なるものであり、それぞれに長所、短所、用途があります。以下では、CNC工作機械の使用に関する最も基本的な入門情報を提供し、今後のプロジェクトのステップにも役立てていただければ幸いです。
CNCターニングとは何ですか？
CNC旋削加工とは、材料の棒をチャックに保持し、一定の速度で回転させながら、旋削工具を所望の形状に沿って送り込み、材料から削り出す加工方法です。この加工は様々な特徴を持ちますが、特に工具が切削される際にワークが回転するという動作が特徴的です。この加工では、切削工具は一定の位置に留まりながら、回転しながら他の軸に沿って移動します。
CNC旋削加工は、旋盤またはターニングセンターと呼ばれる機械で行われます。材料が主軸上で回転するため、CNC旋削加工は円筒形または管状の部品を作成するために使用されます。基本的なシャフト、テーブルの装飾的な脚、または航空宇宙工学用の複雑なコネクタを製造する必要がある場合、旋削加工が主に好まれる加工方法です。
CNC 旋削プロセス
旋削加工を始めるには、まず丸棒を使用します。この丸棒は旋盤の主軸に取り付けられます。主軸は旋盤の主要部品であり、必要な回転運動を提供します。
まず、スピンドルに通電し、ワークピースを毎分数千回転（RPM）で回転させます。タレットに取り付けられた工具をワークピースの表面に当てます。スピンドルが切削している間、工具はシリンダと平行に直線的に移動して、ワークピースから切りくずを削り取ります。
工具が常に切削接触しているため、加工は非常に高速で、非常にきれいな切削面が得られます。これが、CNC旋削加工が効率性と優れた表面仕上げで高く評価されている理由です。
CNC旋盤操作の種類
「旋削」という用語は、CNC 旋盤のすべての操作を説明するために使用できますが、ツールとマシンの動作パターンに応じて、いくつかの操作を実行できます。
- 面削り：この加工は、工具がワークピースの端面を削り、回転軸に垂直な面を作成するために使用されます。この面は通常、寸法が既知の部分に対して後続の加工を行うために必要となります。
- 外径旋削: 工具がワークピースの長さに沿って移動し、直径を縮小して主な円筒形を取得します。
- ボーリング: 特定の内径寸法を取得するために、工具がワークピース内を軸方向に移動し、以前にドリルで開けた穴を拡大します。
- ねじ切り: この機能では、工作機械がスピンドルの回転速度に基づいて計算された特定の送り速度でワークピースの外部または内部を移動して切断し、ワークピースにねじ山を切ります。
- 溝切り: このワークピースでは、工作機械がワークピースの側面の一部を放射状に切断して除去し、チャネルまたは溝を作成します。
- ローレット加工: 材料を削り取らず、ワークピースの表面をよりしっかりと固定するために、ワークピースに表面パターン (通常はダイヤモンド型または直線型のデザイン) を押し付ける特殊な工具。
CNC旋削に適した材料
CNC旋削は、様々な材料を加工できます。CNC旋削では、回転する物体と剛性のある切削工具を使用します。軟質プラスチックから硬化超合金まで、CNC旋削で加工できます。
使用できる金属には、アルミニウム (6061、7075)、真鍮、低炭素鋼、ステンレス鋼 (303、304、316)、チタン、マグネシウムなどがあります。
使用できるプラスチックには、ABS、ナイロン、ポリカーボネート、PEEK、PTFE（テフロン）、アクリルなどがあります。
通常、切削速度と使用する工具の種類は、選択する材料によって決まります。軟質アルミニウムを使用すると、旋削速度が速くなり、工具の摩耗も少なくなります。これは、熱処理されたステンレス鋼の旋削とは異なります。
旋削加工のメリットとデメリット
メリット：
- その２：シャフトスピード（回転数）：円筒形の部品の場合、連続的な切削動作によって材料が急速に除去されるため、旋削はフライス加工よりも大幅に高速になります。
- 表面仕上げ：連続回転により、フライス加工でよく見られる目に見える工具跡がなく、非常に滑らかで高品質な仕上がりを実現します。
- 費用対効果の高い円形部品の場合、一般的に、複雑なフライス加工機よりも旋盤の方が操作とセットアップのコストが安価です。
- 位置精度：直径と同心度の厳しい公差を達成するのに最適です。
欠点：
- 幾何学的制限:回転対称のパーツに大きく制限されます。四角い箱や、中心軸のない複雑な有機的な形状を回転させることは非常に困難です。
- 工具の摩耗:継続的な接触により熱が蓄積される可能性があり、強力な冷却戦略が必要となり、硬い材料ではツールの摩耗が早まる可能性があります。
CNCフライス盤とは何ですか？
CNCフライス加工とは、旋削加工の逆の作業です。工作物は回転するのではなく、静止した状態で、切削工具が前後に動いて材料を削り取ります。
製造業において、フライス盤はまさに主力機械です。あらゆる平面を加工できるだけでなく、スロットポケット、穴、そして精緻な三次元ジグザグ形状も作成できます。工作物を円筒形に加工すると同時に、フライス盤は立方体や円形以外のあらゆる形状も加工します。ブラケット、ハウジング、そして型破りな形状も自在に加工できます。
フライス盤が移動できる軸の数も、フライス盤を分類する上で重要な要素です。
- 3軸フライス加工：3つの軸で、工具はX（左右）、Y（前後）、Z（上下）方向に移動できます。このタイプのフライス加工は、それほど複雑ではない部品の加工に標準的に使用されます。
- 5軸フライス加工：前述の3軸に加え、X軸とY軸の2軸に加え、本機は回転軸、または切削工具または加工テーブルに傾斜機構を備えています。この構成により、カッターはほぼあらゆる方向から部品にアプローチすることができ、タービンブレードや複雑な医療用インプラントなどの複雑な形状の加工が可能になります。
CNC フライス加工プロセス
CNCフライス加工では、まずブランクと呼ばれる原材料をバイスで機械のテーブルに固定します（右上の写真参照）。基本的な3軸フライス加工機では、材料は旋盤のようにしっかりと固定されます。
次に、円筒形のカッター（実質的にはドリルに似ていますが、横方向にも切断できます）が機械のスピンドル内で高速回転します。CNCコンピューターがスピンドルを指定された座標に制御します。工具は回転しながら材料に押し付け、材料の一部を切断します。
この加工工程は、断続的であるという点でも異なります。工具は複数の切れ刃で構成されており、各刃は切削可能ですが、スピンドルがワークの中心に合うようにスペースを確保するため、ワークから出なければなりません。旋盤では、この加工工程は1回の連続切削ですが、この工具では不可能です。
CNC フライス加工の種類
旋削と同様に、フライス加工も部品に特定の機能を提供するために実行できる一連の特定の操作を表します。
- フェイスミル加工：ワーク表面に対して垂直な軸上で回転する大径エンドミルがあります。主な目的は、部品の上面を平らにし、滑らかな仕上げにすることです。
- スラブフライス加工：このタイプのフライス加工では、カッターがワークに対して平行になります。大量の材料を素早く除去するために使用されます。
- 角度フライス加工: ツールはワークピースに対して特定の角度で面取り、溝、または蟻継ぎを作成します。
- フォームミリング: 希望する形状の正 (正の曲面半径など) である特殊なカッターを使用して、1 回のパスでさまざまな形状を切削します。
- ストラドルミリング: 2 つ以上のカッターが同じアーバーに取り付けられ、2 つの平行な面を同時に加工します。
- ギャングミリング: これはストラドルミリングに似ていますが、複数のカッターを使用して同時にいくつかの異なる操作を実行します。
CNCフライス加工に適した材料
フライス盤と旋盤で使用できる材料はほぼ同じです。ワークピースが固定されているため、旋盤では回転させるには危険すぎる、大きくて扱いにくい、あるいは重い物体でもフライス盤の方が安全かつ簡単に加工できます。
- 金属: 鋼およびその合金、工具鋼、アルミニウム、真鍮、銅、チタン、インコネル。
- プラスチック: デルリン、ナイロン、HDPE、UHMW、PVC。
- 複合材料: カーボンファイバーとグラスファイバー。ただし、これらは研磨性があるため、特殊なツールが必要になる可能性があります。
フライス加工のメリットとデメリット
メリット：
汎用性: あらゆる形状を作成できる能力。
多機能：1つのセットアップで、穴あけ、ボーリング、タッピングなど、多岐にわたる作業に対応できます。
スケーラビリティ: 大量の複製を作成し、簡単に新しいものに切り替えることができます。
欠点：
コスト：特に5軸工作機械は、購入費用と運用コストが高く、旋盤よりもプログラミング費用も高くなります。
廃棄物: 製材所では、スクラップの形で高価な材料廃棄物が大量に発生することがよくあります。
工具の跡: 切り込みが非常に目立つ場合があり、表面を滑らかにするために追加の処理が必要になることがあります。
主な違い：CNC旋削とCNCフライス加工
どちらもCNC切削加工の一種ですが、旋削とフライス加工には違いがあります。これらの違いを理解することで、生産ラインの効率向上に役立ちます。
1.ムーブメント
主な違いは、フライス盤のどの要素が動いているかです。
-旋削とは、部品が回転し、工作機械は静止したままであることを意味します。
-フライス加工とは、部品を静止させたまま機械が工具を回転させることを意味します。
この違いだけでも、お店の成果が変わるほどです。
2.ツーリング
-旋削加工では、単刃の切削工具を使用します。材料に接触するのは、研削された工具の先端の1つだけであることを覚えておいてください。これにより、滑らかで連続的な切削が可能になります。
-フライス加工では、複数の刃先を持つ切削工具を使用します。例えば、エンドミルやフェイスミルは、工具の溝に沿って刃先を持つ工具です。これにより、円筒形ではない素材を大量に削り取ることができます。
3.部品の形状
-旋削加工は、円筒、管、球など、回転対称性のある部品にのみ適用されます。両方の部品が回転軸のどの位置でも同じ断面形状であれば、旋削加工が可能です。
-フライス加工はその逆です。3Dブロック、プレート、その他の複雑な非対称形状が含まれます。部品に平面や様々なカットなどの2Dフィーチャーが多数含まれている場合は、フライス加工が適していると考えられます。
4.チップ形成
-旋削加工では、工具が常に噛み合うことで、連続した長い糸状の切りくずが発生します。多くの場合、これらの切りくずは工具に巻き付き、「バードネスティング」と呼ばれる現象が発生します。
-フライス加工：断続的な切削動作により、短く砕けた切りくずが生成されます。これらの切りくずは切削領域から容易に排出されます。
プロジェクトに適したプロセスを選択する
CNCフライス加工とCNC旋盤加工の選択は、必ずしも単純な二者択一ではありません。現代の工作機械のほとんどは、両方の機能を備えた「ミルターン」センターです。旋削加工のために部品を回転させながら、ライブツールホルダーを使用して平面をフライス加工したり、側面に穴を開けたりすることができます。
ただし、主要なプロセスについて決定を下す必要がある場合は、次の要素を念頭に置く必要があります。
部品の形状
設計を検討してください。形状は円形ですか、それとも丸形ですか？ネジ、ボルト、ピストンのような形状ですか？もしそうなら、旋削加工から始めましょう。部品が正方形、長方形、あるいはブラケット、マニホールド、カスタムカバーのような非対称形状の場合は、フライス加工から始めましょう。
生産量
円筒形部品を含む大量生産の場合、同程度の生産量であれば旋盤加工の方が高速でコストも抑えられます。スイス旋盤は、1時間で数千個の精密部品を加工できるターニングセンターの一種で、非常に特殊な用途に使用されます。フライス加工は大量生産であっても加工時間が長くなる傾向があり、より複雑な形状の加工には不可欠です。
財源
3軸、4軸、または5軸フライス盤のセットアップとプログラミングは、ターニングセンターよりも高価です。部品をフライス加工ではなく旋盤加工するように設計すれば、生産コストを節約できる可能性があります。
結論
CNC製造に関する知識があれば、より効率的な設計が可能になります。部品を特定の加工プロセスに合わせてカスタマイズすることで、無駄な生産を削減し、生産速度を向上させ、コストを削減できます。旋盤の回転精度とフライス盤の一般的な輪郭加工能力の違いを理解することで、作業に適した加工ツールを選択できるようになります。
試作に最適なプロセスがまだわからない場合は、迷うのはもう終わりにして、今すぐ行動を起こしましょう。製造性を考慮した設計に関するアドバイスについては、経験豊富な当社のチームにお問い合わせいただくか、CADファイルをお送りいただければお見積りを承ります。
よくある質問
Q: ミル補間旋削はありますか？
A: はい、補間旋削と呼ばれる方法があります。この方法では、速度がかなり遅く、精度も低くなりますが、ミルで旋盤を模倣できます。
Q: CNC旋削はコストが安くなりますか?
A: 一般的には、いいえ。予算内で適切な（円筒形の）部品のほとんどについては、旋削加工の方が効率的で費用も抑えられます。フライス加工は、旋削加工が不可能な部品にのみ適用されます。
Q: ミルターンマシンとは何ですか?
A: 旋削加工とフライス加工を1回のセットアップで実行できるハイブリッドマシニングセンターです。旋削加工ではワークピースを回転させ、さらに回転工具を供給して穴あけ加工やフライス加工を行うため、ワークピースを別の機械に移す必要がありません。
Q: どのプロセスが最も仕上がりが良いですか?
A: 旋削加工は切削が連続的であるため、円筒形の部品の仕上がりが良好です。フライス加工では、カッターが一定に回転する部分に工具痕が残ります。
