4 軸と 5 軸の CNC 加工: 実際に追加の軸が必要になるのはどのような場合ですか?

毎月、誰かが私に尋ねます: 「ファニー、5 軸加工機を購入したほうがいいですか?」 私の最初の質問はいつも同じです: 「部品の図面を見せてください」。 2013 年以来 SZGHTECH を運営してきた私の経験からすると、これらの問い合わせの約 80% は同じ正直な答えで終わります。つまり、回転テーブルを備えた 3 軸 VMC が、数分の一のコストでその仕事をしてくれます。

軸を理解する: 3、4、5 の実際の意味

3 軸 CNC マシンは 、X (左/右)、Y (前/後)、Z (上/下) の 3 つの直線軸に沿って切削工具を動かします。一度に一方向からアクセスできるフィーチャのみを加工できるため、複雑な部品には通常複数のセットアップが必要です。 4 軸加工機では 、回転軸 (通常は A 軸 (X を中心とした回転)) が追加され、加工中にワークピースの割り出しや回転が可能になります。スピンドルは引き続き 3 つの直線方向に移動しますが、部品はさまざまな角度で表示できます。 5 軸加工機には 2 番目の回転軸 (通常は B 軸または C 軸) が追加されます。重要な点は、これら 2 つの回転軸が3 つの直線軸と 同時に移動できる ため、切削工具が 1 回のセットアップでほぼあらゆる方向からワークピースにアプローチできるようになります。

ほとんどのお客様が間違っているのは、「5 軸」が自動的に同時多軸輪郭加工を意味すると思い込んでいることです。そうではありません。そして、その違いは、次のセクションで説明しますが、購入の意思決定全体を変えます。

真の同時 5 軸 vs 3+2 (位置 5 軸): 重要な違い

真の5軸同時加工

本格的な 5 軸同時加工では、X、Y、Z、および 2 つの回転軸の 5 軸すべてがリアルタイムで補間および調整されます。切削工具は、複雑な表面輪郭に沿って傾き、回転し続けます。これは、航空宇宙メーカーが、最適な接触角を維持するために工具ベクトルを常に変化させる必要があるインペラブレード、タービンコンポーネント、および有機自由曲面を切断するために使用するものです。 CAM プログラミングは複雑で、ツールパスは計算量が多く、精密な回転テーブル、バックラッシュ補正、および動的剛性要件を備えた機械自体は、大幅な価格割増を要求します。

3+2 位置決め 5 軸 (インデックス付き 5 軸)

3+2 加工では、2 つの回転軸を使用してワークピース (またはヘッド) を特定の角度に傾けて回転させ、その後 ロックします。次に、機械はその固定方向で標準の 3 軸ツールパスを実行します。その結果、同時に多軸輪郭加工を行うことなく、1 回のクランプで部品の 5 つの面にアクセスできるようになります。プログラミングははるかに簡単で、事実上すべての最新の 3 軸 VMC コントローラは回転テーブルアタッチメントを使用して処理でき、機械コストは劇的に低くなります。

これが私の業界での正直な観察です。5 軸加工について問い合わせて私に電話してくる顧客の 90% は、実際には 3+2 の位置決め機能を必要としています。真の同時輪郭加工ではありません。 区別を示し、実際の部品図を一緒に見れば、答えは明らかです。

3 軸 VMC に 4 番目の軸 (回転テーブル) が追加されること

A 軸回転テーブルを 3 軸 VMC に追加することは、機械工場が利用できる最もコスト効率の高い機能アップグレードの 1 つです。それが可能にするものは次のとおりです。

• 再クランプなしの多面加工: 部品を 4 つ以上の面にインデックスし、各面を 1 回のセットアップで加工します。これにより、再クランプ エラーがなくなり、サイクル タイムが短縮されます。

• らせん状の溝と円筒形のカム機能: A 軸は連続的に回転し、X 軸は直線的に移動し、真のらせん状の経路を生成します。これはカム ローブ、らせん状の溝、ウォーム ギア ブランクに最適です。

• インデックス付き分割作業: ボルト円、スプライン スロット、歯車の歯の形状などの等分割フィーチャーは、ある程度正確なインデックス付けによって正確に処理されます。

• 角度のある穴あけとポケット加工: A 軸を任意の角度でロックし、標準の 3 軸動作を使用して複合角の穴をあけたり、傾斜したポケットをフライス加工したりできます。

率直に言います。アルミニウム ハウジング、ボルト サークル付きのフランジ、または角柱部品の 4 つの側面に到達する必要があるものを加工している場合は、 SZGH-540/650 4/5 軸 ソリューションをお勧めします。 4 軸回転テーブルは、フル 5 軸機械の約 80% の能力を 30 ～ 40% のコストで実現します。また、一般的なエンジニアリング作業の大部分では、精度は同等です。

タイの当社の顧客は、従来の 3 軸 VMC で 4 つの別々のセットアップにまたがるポンプ ハウジングを製造していました。異なる設定で加工されたボア間の慢性的な同心度の問題は、品質チームを何ヶ月も悩ませていました。 4 軸回転アプローチに移行すると、プロセスが 2 つのセットアップに削減され、同心度の問題が完全に解消されました。彼らが選んだマシンはハイエンドの 5 軸ではありませんでした。それは、信頼性の高い A 軸テーブルと適切なワークホールディングを備えた、適切に構成された VMC でした。

本格的に5軸同時加工が必要な場合

真の同時 5 軸が贅沢品ではなく、必須である実際のアプリケーションがあります。間違った部品のために真の 5 軸機械を購入することは高価な間違いであるため、これらのアプリケーションが実際にどのようなものであるかについて正直に説明したいと思います。

航空宇宙用インペラおよびタービンブレード

ねじれたスイーププロファイルを備えた遠心インペラとタービンブレードは、真の 5 軸同時加工の教科書的なケースです。ブレード表面は複数の平面で連続的に湾曲しており、隣接するブレード間のルート フィレットは深くて緊密であり、工具はツールパスに沿ったすべての点で表面法線に対して正確な傾斜角を維持する必要があります。 3+2 のインデックス付きパスでこれを近似しようとすると、スカラップマークが残り、翼形のプロファイルが損なわれ、航空宇宙の寸法公差を満たさない可能性があります。真の同時 5 軸が唯一の実行可能なアプローチです。

深いアンダーカットを持つ複雑な金型表面

深いキャビティ、急な壁、大きなアンダーカットを備えた複雑性の高い射出成形金型やダイカスト工具では、多くの場合、切削工具を表面に傾ける必要があります。これは、隣接する壁のえぐりを避けるため、または垂直方向のスピンドル方向からはアクセスできない形状に到達するために、工具軸を傾けることです。同時 5 軸ツールパスにより、キャビティ表面に沿って工具を段階的に傾けることができるため、より短く、より剛性の高いカッター (表面仕上げが向上し、たわみが軽減されます) が可能になり、3+2 インデックス付きパスでは単純にアクセスできない形状に到達することができます。

自由形状の医療用インプラント

整形外科用インプラント (股関節ステム、寛骨臼カップ、複雑な格子構造を備えた脊椎ケージ)、および複合湾曲機能を備えた外科用器具では、5 軸アプリケーションがますます一般的になっています。関連する有機的な形状と生体医療コンポーネントの精度要件を組み合わせることで、同時 5 軸加工が適切なプロセスとなります。さらに、セットアップを最小限に抑えることで、重要な解剖学的インターフェイスで方向エラーが発生するリスクが軽減されます。

複角フィーチャーを使用したプロトタイプ作業

プロトタイプの開発中、特に航空宇宙工学や自動車工学では、部品には複合角ボス フィーチャー、角度のあるデータム インターフェイス、および従来の機械加工用にまだ最適化されていない自由曲面が含まれることがよくあります。真の 5 軸同時機能により、試作工場は、3 軸または 3+2 アプローチに必要な製造性を考慮した設計を犠牲にすることなく、CAD から直接「設計通り」の形状を機械加工することができます。高価値で少量のプロトタイプ プログラムの場合、柔軟性によりマシンへの投資が正当化されます。

4 軸 (3+2) で十分な場合 - そしてコストを節約

一般エンジニアリング、自動車、エネルギー、産業機器製造における精密機械加工部品の大部分は、連続 5 軸輪郭加工を必要としません。ここでは、4 軸回転テーブルのセットアップ (または 5 軸機械での 3+2 位置決め) で完全に十分なアプリケーション カテゴリを示します。

複数の面に特徴を備えた角柱部品

アルミニウム ハウジング、ギアボックス ケーシング、バルブ本体、油圧マニホールド、モーター エンド キャップはすべて、共通の特徴を持っています。つまり、それらのフィーチャーは平面または円筒形であり、複数の面からアクセスする必要があるだけです。回転テーブルを使用すると、機械工は標準の 3 軸動作で各面に割り出し、ロックし、加工することができます。結果として得られる精度は優れており、プログラミングは簡単で、サイクル タイムは他のアプローチと比較しても遜色ありません。これは、当社の SZGH-540/650 および SZGH-850 4/5 軸機械にとって最大の単一アプリケーション カテゴリです。

ギヤブランク、スプラインシャフト、割出分割ワーク

正確な回転分割を必要とするあらゆるワーク（歯車の切断（機械が分割ヘッドとして機能する）、スプラインシャフト、多角形のプロファイル、大きなフランジ上の等間隔のボルトパターンなど）は、4 軸割出加工に自然に適合します。 A 軸回転テーブルは、高い再現性である程度正確な位置決めを実現し、3 軸スピンドルが実際の材料の除去を処理します。 5 軸を同時に動かす必要はありません。インデックス、一時停止、マシンのサイクルは正確であり、生産性も高くなります。

一般的なエンジニアリング: ボルトサークル付きフランジ、カムローブ、ブラケット

パイプ フランジ、取り付けブラケット、工業用カム アセンブリ、ポンプ ハウジング、アクチュエータ本体など、日常的に使用される幅広い精密部品がこのカテゴリに分類されます。これらの部分の複雑さは、真の自由曲面ジオメトリからではなく、フィーチャの数と複数の方向に到達する必要性から生じます。適切に構成された 4 軸 VMC は、この作業を効率的かつ確実に、資本コストを抑えて処理するため、ジョブショップと専用の生産ラインの両方に経済性をもたらします。

SZGHTECH 4/5 軸ソリューション: 実際に推奨するもの

率直に言っておきたいのですが、私は真の 5 軸同時加工機を必要としないお客様にはお勧めしません。これは顧客にとって正しい結果ではありません。率直に言って、アプリケーションの複雑なマシンでは、よりシンプルで信頼性の高いソリューションに比べて何の価値も追加されず、サポートの両面で頭痛の種が生じます。以下は、当社の正直な製品推奨ロジックです。

航空宇宙用インペラ、複雑なタービン構造、ハイエンドの金型表面など、真の真の 5 軸同時要件を持つお客様向けに、カスタム プロジェクトのコンサルティングを提供します。直接お問い合わせいただければ、適切なソリューションを一緒に検討させていただきます。

すべての SZGHTECH マシンは CE および ISO 9001 認定を受けています。納期は注文確認から 20 ～ 35 営業日で、12 か月の保証が付いています。

コストの現実: 4 軸投資と 5 軸投資

4 軸 VMC 構成と真の 5 軸同時マシンの価格差はわずかではありません。多くの場合、その価格差はかなり大きく、CAM ソフトウェア、オペレーターのトレーニング、およびメンテナンスの複雑さを考慮すると、総所有コストの差はさらに大きくなります。

当社の SZGH-540/650 または SZGH-850 構成など、高品質の A 軸回転テーブルを備えた適切に仕様化された 3 軸 VMC のコストは、通常、同等の能力の真の 5 軸マシンの 30 ～ 40% です。一般的なエンジニアリング用途の大部分では、切削自体が依然として 3 軸であるため、精度と表面仕上げの結果は 5 軸アプローチと区別できません。ワークの向きのみが変わります。

真の 5 軸同時投資の ROI のケースは、次の場合に説得力があります。(1) 部品の組み合わせにインペラ、タービン ブレード、または深キャビティの自由曲面金型表面が一貫して含まれている。 (2) プログラミングとセットアップへの投資が多くの部分で償却されるのに十分な量を実行している。または (3) 顧客ベースでは、5 軸機能が認定基準となる航空宇宙または医療の認定を必要としています。これらのシナリオを除けば、5 軸機械に導入された資本は、追加の 4 軸能力、ツーリング、またはワークホールディング システムに振り向けられた場合、ほとんどの場合、より良い利益をもたらします。

当社の 4 軸構成と 5 軸構成の両方に共通するシングル クランプの利点は、個別に強調する価値があります。部品を再クランプするたびに、位置決め誤差が生じます。穴間の同心性、面の直角度、またはデータム フィーチャ間の関係が重要な精密コンポーネントの場合、セットアップを最小限に抑えることで寸法の一貫性が直接向上します。これは 4 軸回転テーブル ソリューションで得られる利点です。この利点を得るために完全な 5 軸マシンは必要ありません。

よくある質問

Q1: 4 軸と 5 軸 CNC 加工の違いは何ですか?

4 軸 CNC マシンは、標準の 3 軸 X/Y/Z 構成に 1 つの回転軸 (通常は X を中心に回転する A 軸) を追加します。これにより、ワークピースの割り出しや回転が可能になり、再クランプすることなく複数の面にフィーチャを加工できます。 5 軸加工機は 2 番目の回転軸を追加し、複合角度で部品を位置決めする (3+2 位置) か、切削中に 5 つの軸すべてを同時に移動する (真の 5 軸同時) ことにより、切削工具が事実上あらゆる方向からワークピースにアプローチできるようにします。 3+2 と真の同時の区別は、5 軸カテゴリの最も重要であり、最も誤解されやすい側面です。

Q2: 5 軸 CNC マシンは小規模な作業工場にとって追加コストを支払う価値がありますか?

ほとんどの小規模な作業工場では、正直な答えは「ノー」です。主な作業が角柱部品、多面ハウジング、フランジ、および一般的なエンジニアリング コンポーネントに関係する場合はそうではありません。 4 軸 VMC 構成は、実際の 5 軸機械の資本コストの 30 ～ 40% でジョブショップが必要とするものの 80% を処理し、CAM ソフトウェアのコストが低くなり、オペレータの学習曲線も短くなります。小規模ショップには、まず明確に指定された 4 軸セットアップに投資し、ワークロードを構築し、特定の顧客要件 (インペラ、複雑な金型加工、医療用インプラント) によって投資が正当化される場合にのみ真の 5 軸に移行することをお勧めします。

Q3: 真の5軸と3+2(位置5軸)の違いは何ですか?

真の 5 軸同時加工では、5 つの軸すべてがリアルタイムで移動および補間され、複雑な表面に追従しながら切削工具が連続的に傾斜および回転します。 3+2 位置加工では、2 つの回転軸がワークピースを一定の角度に傾けてロックし、その方向で標準の 3 軸切削が行われます。真の同時性は、ねじれたブレード プロファイル、有機的な自由曲面、および工具ベクトルが連続的に変化する必要があるフィーチャーに必要です。他のほとんどの多面または複合角の作業では、3+2 を使用すると、大幅に低いコストとプログラミングの複雑さで同等の結果が得られます。

Q4: 既存の 3 軸 VMC に回転 4 軸を追加できますか?

はい、多くの場合、そうです。高品質の A 軸回転テーブルは、互換性のある 3 軸 VMC のワークテーブルに取り付けることができ、4 軸の動作は機械の CNC コントローラ (4 軸補間をサポートする必要がある) を通じて制御されます。実現可能かどうかは、既存の機械のコントローラの能力、テーブルのサイズ、スピンドルのクリアランスによって異なります。新品を購入する場合、当社の SZGH-540/650 および SZGH-850 4/5 軸構成は、この統合を目的として設計されています。回転テーブル、コントローラ、および機械の形状は工場出荷時に一致しているため、アフターマーケットの改造で発生する互換性の問題が回避されます。

Q5: 真の5軸同時加工が本当に必要な部品は何ですか?

明らかなケースは次のとおりです。ねじれたプロファイルを持つ遠心インペラと軸流タービンブレード (航空宇宙および産業用ガスタービン)。深いキャビティの射出成形金型や、表面接触を維持するために工具の傾斜が必要な大きなアンダーカットのあるダイカスト工具。有機的な自由形状の整形外科用医療インプラント。複合角データム インターフェイスと自由曲面スキン サーフェスを備えた複雑な航空宇宙構造コンポーネント。部品がこれらのカテゴリのいずれにも当てはまらない場合は、4 軸 VMC 構成で実現可能な 3+2 位置加工でほぼ確実に十分です。

Q6: SZGHTECH 4/5 軸機械の再現性はどの程度ですか?

当社の SZGH-540/650 および SZGH-850 4/5 軸機械は、標準的な VMC 精度仕様に基づいて構築されており、A 軸ロータリー テーブルにより、高い再現性を備えた度精度の角度インデックスが提供されます。すべての機械は ISO 9001 認定の品質管理システムに基づいて製造および検査され、CE 認定を取得しています。お客様のアプリケーションに関連する特定の精度と再現性データについては、部品図面を添えて当社の技術チームに問い合わせることをお勧めします。詳細な仕様を提供し、必要に応じて、同様のアプリケーションからのお客様の結果を参照することもできます。

Q7: 4/5 軸機械でのシングルクランプは部品の精度をどのように向上させますか?

部品を治具から取り外し、新しい向きで再度クランプするたびに、治具の再現性、データム表面の状態、クランプ力の変動、オペレータのテクニックなどにより、位置決め誤差が生じます。重要なフィーチャーが相互に正確に関連している必要がある部品 (穴の同心度、面の直角度、フィーチャーとデータムの関係) では、複数のクランプにわたってセットアップ誤差が蓄積すると、最終的な部品の精度が低下します。 4 軸回転テーブル上で 1 回のクランプで複数の面を加工することにより、すべてのフィーチャーが同じデータム基準を基準にして切断され、セットアップ間の位置決め誤差が排除されます。これは、精密工学用途における 4 軸加工の最も過小評価されている利点の 1 つです。

Q8: SZGHTECH 4/5 軸マシンのリードタイムはどれくらいですか?

当社の SZGH-540/650 および SZGH-850 4/5 軸マシンの標準リードタイムは、注文確認および入金受領から 20 ～ 35 営業日です。これには、製造、組み立て、品質検査、出荷前テストが含まれます。緊急の要件または特定の構成をお持ちのお客様は、当社に直接お問い合わせください。在庫状況についてアドバイスさせていただきます。すべてのマシンには、完全なドキュメント、設置ガイド、および 12 か月の保証が付属して出荷されます。

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