4軸加工：精密部品をカスタマイズ

多軸加工技術は、今日のCNC加工工場で広く用いられています。4軸加工は、多軸加工技術の一つです。しかし、あなたの部品はどのような場合にこの技術に適しているのでしょうか？結局のところ、様々な多軸加工技術は加工コストに直接影響を与えます。このガイドを読んで、4軸加工、関連機械について理解を深め、あなたの部品に4軸加工が適しているかどうかを学びましょう。

4軸加工とは何ですか?

4軸加工は、高度なCNC加工方式です。X軸を中心に回転する追加の回転軸を備えています。4軸加工機では、工具がA軸に沿って回転しながら3次元空間を自由に移動できます。これにより、複数の方向から加工を行うことができます。4軸加工では頻繁な手動による位置調整が不要なため、位置ずれを最小限に抑えることができます。そのため、曲面、角度のついた形状、溝、スロットなどを1回のセットアップで容易に加工できます。また、4軸加工は軸対称形状の加工にも最適です。

CNCマシンには何軸ありますか？

最も一般的なCNCマシンは3軸のみです。しかし、高度なCNCマシンはより多くの軸を備えています。例えば、4軸マシンは4つの軸を備えています。以前のガイドでは、3軸加工と5軸加工の違いを紹介しました。ここでは、4軸加工と比較してみましょう。

構造別に見た4軸CNCマシンの種類とは？

4軸CNCマシンにはいくつかの種類があります。その分類は、構造と向きに基づいています。各タイプにはそれぞれ独自の用途があります。CNCメーカーは、予算、設置スペース、設計の複雑さに基づいてマシンタイプを選択します。

垂直型4軸CNCフライス盤

垂直型4軸CNCマシンは最も広く使用されているタイプです。コンパクトで価格も手頃です。垂直スピンドルと回転テーブルが特徴で、以下のような特徴を持つ角柱状部品の加工によく使用されます。

• 平らな面
• 外形
• ポケット
• 横穴

これは、回転する第4軸によってワークピースを回転させ、異なる面を加工できるためです。

水平4軸CNCフライス盤

垂直型4軸CNCマシンと同様に、水平型は水平スピンドルと回転テーブルを備えています。その配置により、水平型4軸CNCマシンはより大きなワークピースに対応できます。以下の特徴を持つ部品の加工に適しています。

• 複数の機械加工面
• 深い空洞
• 大量の材料を除去する必要がある

垂直型4軸CNCフライス盤と比較して、このCNCフライス盤は深い空洞からの切削屑除去により適している。

4軸CNC旋盤

4軸旋盤は、旋削加工とフライス加工を1台の機械で行います。追加された4軸目により、シャフト、継手、バルブ、コネクタなどの軸対称部品の加工が可能になります。この4軸加工技術では、段取り回数を最小限に抑えることができるため、生産時間を大幅に短縮できます。1回の段取りで複数の加工を行うことができます。

プログラミングによる4軸加工機の種類

4軸加工機は、プログラミングの種類によっても分類できる。

インデックス式4軸加工機

インデックス付き4軸加工機は、3+1加工機とも呼ばれます。X、Y、Z軸に沿った座標によって、ツールパスに従って工具が位置決めされます。4軸目は回転してワークピースを位置決めします。

しかし、この回転は切削加工と同時には発生しません。インデックス式4軸加工機は、連続式4軸加工機ほど複雑な部品には対応できません。しかし、低コストとプログラミングの簡便さから、主に好まれています。4軸は依然として多くの利便性を提供します。クランプと調整のために加工を完全に中断する代わりに、4軸はそれを容易に行います。

連続4軸加工機

連続4軸加工機は、高度な加工能力を提供します。回転テーブルにより、切削工具と同期した連続回転が可能になります。その結果、らせん状の溝、カム、タービン部品、円筒面といった複雑な形状も容易に加工できます。しかし、連続4軸加工には高度なプログラミング技術が求められます。また、インデックス式4軸加工機よりもコストが高くなります。

ハイブリッドプログラミングによる4軸加工機

ハイブリッドプログラミング4軸加工機は、インデックス式加工機と連続式加工機の利点を兼ね備えています。単純な形状の場合は、プログラミングが容易なインデックス式オプションを使用できます。複雑な曲面の場合は、計算コストの高い連続式オプションを使用できます。ハイブリッドプログラミング4軸加工機は、生産性、プログラミングの複雑さ、加工能力のバランスを取り、サイクルタイムを最適化します。

4軸加工を採用する理由とは？

5軸加工技術はより高度な技術ですが、必ずしも部品に5軸加工が必要なわけではありません。部品のサイズが4軸加工で十分な場合は、4軸加工を選択する方がコスト効率が良い場合もあります。ここでは、4軸加工の利点について見ていきましょう。

セットアップ時間を短縮

4軸加工はサイクルタイムを大幅に短縮します。異なる面にアクセスするためにワークピースを手動で再クランプする代わりに、4軸加工機はワークピースを自動的に回転させることができ、部品を取り外すことなく複数の面を加工できます。この単一のセットアップ方式により大幅な時間短縮が可能になり、顧客は短期間で部品を受け取ることができます。

複雑な形状の加工が可能

4軸加工は、曲面、螺旋状の形状、不規則な溝など、複雑な形状を持つ部品に対して高度な加工を実現します。連続した形状を持つ円筒形の部品であれば、4軸加工は最適な選択肢です。

精度を向上させる

4軸加工では多くの作業を自動化できるため、手動位置決めに伴う誤差が最小限に抑えられます。クランプ位置を常に手動で調整する必要がある3軸加工とは異なり、4軸加工では再クランプ誤差が減少するため、精度が向上します。（4軸加工では、ワークピースの複数の面を一度に加工できます。）

生産性を高める

4軸加工は生産性を向上させます。サイクルタイムを短縮し、エラーを最小限に抑え、機械の稼働率を最大化します。その結果、生産量が増加し、人件費が削減され、納期が短縮されます。

4軸加工の仕組み

4軸CNCマシンの基本的な動作は、他のCNCマシンと大きく変わりません。CADデータに基づいて製品を製造し、すべて自動化されています。ツールパスはCAMソフトウェアによって作成されます。わずかな違いは、4軸目となる回転テーブルの存在です。しかし、このわずかな違いが生産性を大きく向上させます。

CNC制御ロータリーテーブル

CNC制御の回転テーブルは、4軸加工機の重要な構成要素です。この回転テーブルは、加工対象物を所定の角度位置に移動させます。これにより、1回の段取りで複数の面や円筒状の形状を加工することが可能になります。

ツールの移動と座標

4軸加工では、工具はCAMソフトウェアによって作成されたツールパスに沿って動作します。これは高度に協調された動きです。工具はX、Y、Z座標空間内で位置決めできます。回転テーブルは工具と同期して動きます。このようにして、複雑な形状でも短時間で高精度に加工することが可能になります。

典型的な機械加工ワークフロー

一般的に、4軸加工は以下の手順で行われます。

1. 部品設計
2. CAMプログラミング
3. ワークのセットアップ
4. 機械の校正
5. 自動回転位置決め
6. 連続加工
7. フィニッシング
8. 検査

4軸加工に必要な工具要件

4軸加工では、加工プロセス自体と同様に、工具に対する要求も非常に厳格です。独自の性能特性を持つため、4軸加工には剛性が高く、硬質で、長尺の工具が必要です。場合によっては、工具の形状も選択的に設計する必要があることもあります。

工具長

一般的に、4軸加工では複雑な形状や円周方向の加工が伴います。そのため、より長い工具リーチが求められます。実際には、加工可能な最短の工具を使用することが望ましいです。必要以上に長い工具は、たわみ、ビビリ振動、振動などの問題を引き起こすことがよくあります。したがって、長い工具が必要な場合、加工者は剛性が高く頑丈な工具を選択します。

ツールの種類と形状

4軸加工には、さまざまな種類の工具が用意されています。それぞれの工具には特定の機能があります。

例えば、ボールエンドミルは曲面や滑らかな輪郭の加工に使用されます。また、曲面半径エンドミルは複雑な形状の加工に使用されます。その他の一般的な工具の種類としては、フラットエンドミル、ボールエンドミル、コーナー半径エンドミル、ドリル、ねじ切りミルなどがあります。

一つだけ覚えておくべきことがあります。それは、適切な工具を使わないと、望ましい結果が得られないということです。切削効率、表面仕上げ、切りくず排出性、工具寿命といった重要なパラメータは、工具によって左右されます。

ツール材料

工具材料は、4軸加工の性能において非常に重要な役割を果たします。前述のように、4軸加工では、工具のリーチが長く、断続的な切削や切削方向の変化が伴います。重要な目標は、工具が剛性が高く、切れ味が良いことです。超硬合金は、4軸加工において広く用いられている工具材料です。HSS工具よりもはるかに優れた性能を発揮します。その他の選択肢としては、PCD、セラミック、サーメットなどがあります。

4軸加工における部品設計ガイドライン

設計ガイドラインを早期に遵守することで、後々の困難を回避できます。綿密に検討された設計は、機能性だけでなく、製造可能性も考慮に入れています。設計上の特徴は、4軸加工能力に適合している必要があります。

適切な形状

4軸加工は回転部品の製造に最適です。4軸加工では複数の側面から加工できるため、部品の円周に沿って分布する形状も容易に加工できます。複数の側面からの加工が必要な場合でも、4軸加工機なら1回の段取りで対応可能です。

不適切な形状

4軸加工は、1回の段取りで複雑な形状を作り出すことが可能です。しかし、それでもなお、製造が非常に難しい形状も存在します。以下にその例をいくつか示します。

1. 通常の方向からはアクセスできない深いアンダーカット
2. 複雑な自由曲面
3. 部品構造の裏に隠された機能
4. 多角度穴
5. 複数の方向からの同時加工

上記のようなシナリオでは、5軸加工機が必要になる可能性があります。そうでなければ、4軸加工では非常に慎重な制御と複数回の段取りが必要になるかもしれません。

多面加工のための設計のヒント

効率的な部品設計は、生産性を向上させながらコストを削減します。この点に関して、以下に挙げるヒントが役立つかもしれません。

1. 不必要な大金は避ける
2. 鋭い内半径を避ける
3. 同じ側​​にある機能をグループ化する
4. 回転軸の周りにフィーチャを配置する
5. 工具の移動のためのスペースを確保してください。
6. クランプするための十分な材料を残しておく

4軸加工の限界

総じて、4軸加工は多様な設計に対応できる優れた加工プロセスです。しかし、いくつかの制約があるため、4軸加工機の使用には限界があります。これらの欠点を理解することで、より適切な意思決定が可能になります。

ジオメトリの制限

特定の形状は、4軸加工において重大な問題を引き起こします。例えば、深いアンダーカット、隠れた空洞、逆角度、自由曲面などが挙げられます。これらの形状には、5軸加工機が必要となる場合があります。

ツールパスの制約

一部の加工では、リーチの長い工具が必要になります。理論的には問題ありませんが、実際には長い工具はたわみや振動を起こしやすいという欠点があります。また、手の届きにくい場所に工具をアクセスさせるのも難しい場合があります。さらに、工具経路のプログラミングは、3軸加工よりもやや複雑です。

ワークピースのサイズ制限

回転テーブルの容量によって、加工対象物のサイズが制限される場合があります。これは特に垂直軸加工機に当てはまります。水平軸加工機では多少の緩和が見られますが、初期投資額が高いため、場合によっては使用が制限される可能性があります。

十分な訓練を受けたオペレーターが必要

4軸加工機の追加機能には、高度なスキルが求められます。熟練したオペレーターだけが、すべての工程を円滑に進めることができます。そして、プログラミングという課題が立ちはだかります。3軸加工機と比較して、4軸加工における高度なプログラミングには、より高度なスキルが必要です。熟練したオペレーターの確保が、制約となる可能性もあります。

結論

4軸加工は、3軸加工のように何度も段取り替えを行うよりも効率的で、多面加工や回転加工が必要な部品においては、不必要な5軸加工よりもコスト効率に優れています。4軸加工は、並進運動と同期した回転運動を伴います。これにより、従来は複数回の段取り替えが必要だった部品を、1回の段取り替えで加工することが可能になります。結果として、加工サイクル時間の短縮、加工誤差の低減、生産性の向上につながります。

Tuofaでは、最良のソリューションが必ずしも最も先進的なものとは限らないと考えています。3軸、4軸、5軸のCNC加工能力を組み合わせることで、お客様が精度、効率、コストの最適なバランスを実現できるよう支援します。

FAQ

6軸CNCマシンは存在するのか？

それらは存在するが、非常に稀である。それらは極めて複雑な作業に使用される。

4軸CNCマシンとは何ですか？

これは、工具を3軸に沿って移動させることができるコンピュータ数値制御（CNC）機械です。回転テーブルは、ワークピースを4^番目の軸を中心に回転させます。

5軸CNC加工はより速いのか？

はい、4軸加工機よりも高速です。ただし、最初の部品のツールパス生成には多少時間がかかる場合があります。