CNC工作機械とは何ですか？
CNC工作機械とは、コンピュータプログラムによって制御される工作機械のことです。あらかじめ設定された加工プログラムに従って、様々な複雑な加工作業を自動的に完了させることができます。CNCは「Computer Numerical Control（コンピュータ数値制御）」の略で、コンピュータ数値制御を意味します。
CNC加工は、コンピュータ制御の工作機械を用いて被加工材を除去し、部品を製造する切削加工の一種です。通常、CNC工作機械は3次元CADモデルに基づいて加工経路を自動的に計画し、その経路に沿って工具を制御して切削することで、部品の形状を実現します。
この記事では、さまざまな種類のCNC工作機械とその動作原理について紹介します。
1.ルーターCNCマシン
ルーターCNCマシンはCNCフライス盤に似ていますが、一般的に柔らかい材料の加工に使用され、通常はCNCフライス盤よりも精度が劣ります。CNCルーターは、コンピュータ数値制御を使用してスピンドルと工作機械の経路をルーティングし、木材、鋼鉄、発泡体、複合材、アルミニウム、プラスチックなどの材料を設計および成形できることで知られています。
CNCルーターは通常、ステッピングモーター、ステッピングドライバー、機械ベース、スピンドル、コントローラー、電源で構成されています。CNCルーターは、無駄を削減し、生産性と精度を高め、製品をより迅速に生産するのに役立ちます。
2. ドリル加工用CNCマシン
ドリル加工用CNCマシンは、ワークピースに円筒形の穴をドリル加工によって開ける加工工程に使用されます。回転するドリルビットを使用し、その設計により、穴あけ加工中に切削屑と呼ばれる金属くずがワークピースから排出されるようになっています。
ドリル加工用CNCマシンで使用できるドリルビットには、いくつかの一般的な種類があり、それぞれ異なる用途に適しています。種類としては、穴あけ開始用の位置決めドリル、深穴加工用のペックドリル、精密な穴あけ用のスクリューマシン用ドリル、そして穴を所望のサイズに仕上げるためのチャッキングリーマなどがあります。
他のCNC工作機械と同様に、穴あけCNC工作機械はコンピュータ数値制御（CNC）を用いて穴あけ加工を自動化します。プログラムされたツールパスに従ってドリルビットの位置と動作パターンを制御し、ワークピースに複数の穴を高精度かつ再現性高く開けることができます。穴あけCNC工作機械は、自動穴あけ加工によって同一の穴パターンやサイズの部品を大量生産する必要がある場合に特に有効です。
3. 旋盤CNCマシン
旋盤CNCマシンは、回転するワークピースを旋削または成形する加工プロセスに使用されます。荒削り、仕上げ、正面削り、ねじ切り、成形、アンダーカット、切断、溝加工など、特定の旋削用途に応じて設計が異なる単刃切削工具を使用します。
旋盤CNCマシンは、コンピュータ数値制御によって旋削加工を自動化します。プログラムされたツールパスに従って切削工具の位置と動きを制御し、円筒形のワークピースから複雑な形状や幾何学的形状を高精度かつ再現性高く加工することを可能にします。
CNC旋盤には、さまざまな用途に適した多様な種類があります。一般的な種類としては、自動工具交換機能を備え大量生産に適したタレット旋盤、汎用旋削加工用のエンジン旋盤、特定の形状や材料の加工用に設計された特殊用途旋盤などがあります。
CNC旋削加工は、無人運転と複数の部品を正確な仕様で生産できるため、手動旋盤に比べて生産性が向上します。旋盤CNCマシンは、多数の旋削部品を正確かつ効率的に加工する必要がある自動車、航空宇宙、精密製造業界で特に有用です。
4. 5軸CNCマシン
5軸CNCマシンは、従来の3軸フライス盤に2つの回転軸を追加することで、その機能を強化し、1回のクランプで複雑な形状の加工を可能にします。
切削工具の位置決めを行うための3つの直線軸（X、Y、Z）に加えて、5軸CNC工作機械は、切削スピンドルに2つの回転軸を追加するか、傾斜／回転テーブルを備えています。これにより、ワークピースの位置決めにおいてさらに2つの自由度が得られます。
ワーク保持治具（トラニオンテーブル）を傾けたり回転させたりすることで、5軸加工機は、加工工程の合間にワークを再配置することなく、角柱状のワークピースの5つの面を90度の角度で切削加工することを可能にする。
2つの追加回転軸（一般的にA軸とC軸と呼ばれる）により、複数のクランプや段取り作業が不要になるため、加工効率が大幅に向上します。5軸CNCマシンでは、彫刻のような複雑な形状も、一度のクランプで完全に加工できます。
複雑な部品が一般的である航空宇宙、金型、医療業界で幅広く活用されています。また、自由曲面加工が可能なため、5軸CNC加工は彫刻にもよく利用されています。
5. フライス加工CNCマシン
フライス加工用CNCマシンは、回転する多点切削工具を用いて、ワークピースを精密に成形・加工します。一般的なフライス工具には、エンドミル、ヘリカルミル、面取りミルなどがあり、加工用途に応じて水平方向または垂直方向に配置できます。
フライス加工用CNCマシンは、コンピュータ数値制御によってフライス加工プロセスを自動化します。プログラムされたツールパスに従って切削工具の位置と移動経路を制御します。これにより、原材料や鋳造品から複雑な形状や形状を高精度かつ再現性高く製造することが可能になります。
フライス加工用CNCマシンは、フライス盤またはミルとも呼ばれ、水平型と垂直型の両方があります。基本的なCNCフライス盤は3つの直線軸（X、Y、Z）を備えていますが、より高度なモデルでは、操作性を向上させるために回転軸が追加されています。
CNCフライス盤の一般的な種類としては、小型部品用の手動フライス盤、汎用加工用の平面フライス盤または立形フライス盤、様々な加工に適した汎用フライス盤、そして4軸または5軸で最大限の柔軟性を提供する全方位フライス盤などがある。
CNCフライス加工は、手動フライス加工に比べて生産性を向上させます。これにより、精密な公差で加工部品を無人かつ大量生産することが可能になります。CNCフライス加工機は、金属、プラスチック、木材、複合材料など、さまざまな素材から部品を加工するために、製造業で広く使用されています。
6. レーザー切断CNCマシン
レーザー切断CNCマシンは、高出力レーザーを用いて材料を溶融、燃焼、または蒸発させることで切断します。これにより、複雑な形状や輪郭を精密に切断することが可能です。
レーザー切断機で使用される主な産業用レーザーの種類は以下のとおりです。
CO2レーザー：二酸化炭素混合ガスを使用する最も一般的なガスレーザーの一つ。木材、プラスチック、繊維などの非金属の切断に適しています。軟鋼の一部も切断可能です。
固体レーザー：一般的には、活性元素としてネオジムを用いたイットリウムアルミニウムガーネット（YAG）レーザー。CO2レーザーよりも強力で、より厚く硬い金属を切断することができる。
・ファイバーレーザー：ビーム品質に優れた、比較的新しいタイプの固体レーザー。精密な金属切断用途に非常に効率的です。
レーザー切断用CNCマシンは、XYガントリーとCNC制御を用いて、プログラムされたツールパスに従ってレーザービームを照射します。一般的な加工サイズは、デスクトップサイズから大型マシンまで多岐にわたります。
レーザーは、高精度で熱影響部を最小限に抑えた、きれいな切断を実現します。幅広い材料の複雑な切断が可能で、製造業、試作、自動車・航空宇宙産業などで広く利用されています。
7. プラズマ切断CNCマシン
プラズマ切断CNCマシンは、プラズマトーチを用いて導電性材料を切断します。この装置は、酸素や空気などの高速ガスをノズルを通して送り込み、トーチの下で電気アークを発生させ、ガスをイオン化して導電性のプラズマ流を生成することで機能します。
プラズマ流は熱と電気を被加工材に伝達し、溶融と蒸発によって切断します。プラズマ切断機で切断される一般的な材料には、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、真鍮、銅などがあります。
CNCプラズマ切断機では、プラズマトーチはプログラムされたツールパスに従ってCNCシステムによって制御されます。これにより、金属から複雑な2Dおよび3D形状をコンピュータ制御で精密に切断することが可能になります。
プラズマ切断CNCマシンの主な特徴としては、厚板材の切断能力、熱影響部を最小限に抑えた優れた切断品質、そして高速切断速度が挙げられます。これらのマシンは、製造、保守、修理用途に最適です。
CNCシステムは、自動化された再現性の高い切断を実現し、無人運転を可能にします。プラズマ切断は、自動車、製造、造船、建設などの業界で、金属部品の切断、面取り、溝加工に広く使用されています。
8. 放電加工CNCマシン
放電加工機（EDM：放電加工機、またはスパークエロージョンCNCマシンとも呼ばれる）は、電気火花の熱電効果を利用して導電性材料を切削する。
この技術は、工具電極と被削材という2つの電極間の電圧差によって発生する電気火花を利用し、材料を溶融・蒸発させることで微量の材料を削り取る仕組みです。削りカスは脱イオン水で洗い流されます。
放電加工（EDM）CNCマシンでは、工具電極がCNCシステムに接続され、プログラムされたツールパスに従って正確に位置決めおよび制御されます。これにより、従来の方法では切削が困難な硬質金属や合金から複雑な3D形状を加工することが可能になります。
放電加工（EDM）対応のCNCマシンの主な利点としては、非常に硬い材料を加工できること、非常に高い精度と表面仕上げを持つ部品を製造できること、複雑な内部空洞や形状を切削できることなどが挙げられます。
非接触加工であり、加工対象物にかかる機械的力が最小限に抑えられるため、金型、ダイ、航空宇宙部品、外科用インプラントなどの用途に広く用いられています。EDM CNCマシンは、複雑な部品の少量生産に最適です。
9.研削CNCマシンに関する重要なポイントは以下のとおりです。
- 研削加工を行うCNCマシンは、回転する研磨ホイールを用いて、研磨という機械的プロセスによって金属部品を切削・成形します。
- 研磨砥石（通常はダイヤモンドまたはCBN（立方晶窒化ホウ素）製）は、加工対象物に接触すると、金属の微細な切屑を除去します。厳しい公差を実現するには、精密な制御が必要です。
- CNC研削盤では、研削砥石と加工対象物は、プログラムされたコードに従ってCNCシステムによって正確に位置決めされ、移動されます。これにより、複雑な3D形状を自動的に研削することが可能になります。
- 一般的な研削加工には、円筒研削（外面または内面）、平面研削（平面）、センタレス研削、プロファイル研削などがあります。
- 研削加工を施したCNCマシンで製造される部品は、非常に高い精度と表面仕上げが求められます。これらはカムシャフト、ボールベアリング、ギアなどの精密機械部品であることが多いです。
- CNC研削加工を利用する産業には、自動車、航空宇宙、医療、および厳しい公差が不可欠な一般製造業などがある。
- 従来の研削加工と比較した利点としては、再現性の高い精度、多軸制御、複雑な輪郭や形状を無人で研削できる能力などが挙げられます。
要約すると、研削CNCマシンは、コンピュータ数値制御システムによって制御される自動研磨ホイール加工によって、金属部品を精密に成形する装置である。
10．自動工具交換機能を備えたCNCマシンに関する重要なポイントは以下のとおりです。
- ・機械の作業スペースのすぐそばに、ドリル、フライス盤、ルーターなどの複数の工具を収納できる工具マガジン／回転式収納部を備えています。
- 自動工具交換装置により、CNC加工プロセス中に必要に応じて工具を迅速かつ自動的に交換することができ、手動による介入は不要です。
- ・手動による工具交換に比べて非切削時間を最小限に抑えることで、生産性を大幅に向上させます。複数の工具を必要とする複雑な部品も、工程を中断することなく加工できます。
- 工具は、CNC制御下の自動工具交換アームを使用して、マガジンからロボットによってピックアップ/交換され、スピンドルに取り付けられます。
- - これにより、機械の工具搭載能力が単一工具を超えて向上し、手動で工具を交換することなく、より複雑な部品の加工が可能になります。
- 破損または摩耗した工具は、生産全体を停止することなく、その場で交換できます。これにより、信頼性と稼働時間が向上します。
- ・工具交換ごとに幾何学的精度を確保するために、自動的な工具校正も可能となる場合があります。
- - これは、CNC加工をより効率的な無人生産へと導き、人間の介入を最小限に抑える。
つまり、要約すると、自動工具交換はCNC工作機械の柔軟性と生産性を向上させる。
投稿日時：2023年12月8日
