精密機械加工は、精密な公差仕上げを維持しながらワークピースから材料を除去するプロセスです。精密機械にはフライス加工や旋削加工、放電加工などさまざまな種類があります。今日の精密機械は、一般的にコンピューター数値制御 (CNC) を使用して制御されます。
プラスチックや木材などの他の多くの材料と同様に、ほぼすべての金属製品には精密機械加工が使用されています。これらの機械は、訓練を受けた専門の機械工によって操作されます。切削工具がその機能を果たすためには、正しい切削を行うために指定された方向に切削工具を移動する必要があります。この一次運動を「切削速度」といいます。「送り」の二次動作として知られるワークピースの移動も可能です。これらの動きと切削工具の鋭さによって、精密機械の動作が可能になります。
高品質の精密加工には、AutoCAD や TurboCAD などの CAD (コンピュータ支援設計) または CAM (コンピュータ支援製造) プログラムによって作成された非常に特殊な設計図に従う能力が必要です。このソフトウェアは、ツール、機械、または物体の製造に必要な複雑な 3 次元の図や輪郭を作成するのに役立ちます。製品の完全性を確保するには、これらの設計図を詳細に遵守する必要があります。ほとんどの精密加工会社は何らかの形の CAD/CAM プログラムを使用していますが、設計の初期段階では依然として手描きのスケッチを使用することがよくあります。
精密機械加工は、いくつか例を挙げると、鋼、青銅、グラファイト、ガラス、プラスチックなどの多くの材料に使用されます。プロジェクトの規模や使用する材料に応じて、さまざまな精密加工ツールが使用されます。旋盤、フライス盤、ボール盤、鋸、研削盤、さらには高速ロボットを組み合わせて使用することもできます。航空宇宙産業では高速機械加工が使用される場合がありますが、木工工具製造産業では光化学エッチングおよびフライス加工プロセスが使用される場合があります。ランの大量生産、つまり特定のアイテムの特定の数量は、数千個になる場合もあれば、ほんの数個になる場合もあります。精密機械加工では、多くの場合、CNC デバイスのプログラミングが必要になります。これは、デバイスがコンピュータで数値制御されることを意味します。CNC デバイスを使用すると、製品の実行全体を通じて正確な寸法を追跡できます。
フライス加工は、回転カッターを使用して、カッターをワークピース内に特定の方向に前進（または送り込み）することにより、ワークピースから材料を除去する加工プロセスです。カッターは、工具の軸に対してある角度で保持されてもよい。フライス加工は、小さな個々の部品から大型の強力な集合フライス加工までの規模で、さまざまな作業と機械をカバーします。これは、カスタム部品を正確な公差に合わせて加工するために最も一般的に使用されるプロセスの 1 つです。
フライス加工はさまざまな工作機械で行うことができます。フライス加工用の工作機械の元のクラスはフライス盤 (しばしばミルと呼ばれます) でした。コンピュータ数値制御 (CNC) の出現後、フライス盤はマシニング センターに進化しました。フライス盤には、自動工具交換装置、ツール マガジンまたはカルーセル、CNC 機能、冷却システム、エンクロージャが追加されました。フライス センタは一般に、立形マシニング センタ (VMC) または横形マシニング センタ (HMC) に分類されます。
フライス加工と旋削環境の統合、またはその逆の統合は、旋盤用のライブ ツーリングと旋削加工用のミルの時折の使用から始まりました。これにより、同じ作業範囲内でフライス加工と旋削加工を容易にする専用に設計された、新しいクラスの工作機械であるマルチタスク機 (MTM) が誕生しました。
部品調達に依存している設計エンジニア、研究開発チーム、メーカーにとって、高精度 CNC 機械加工により、追加の加工を行わずに複雑な部品を作成できます。実際、精密 CNC 機械加工により、完成部品を 1 台の機械で作成できることがよくあります。
機械加工プロセスでは、材料を除去し、さまざまな切削工具を使用して、最終的な、多くの場合非常に複雑な部品の設計を作成します。工作機械の制御を自動化するために使用されるコンピューター数値制御 (CNC) の使用により、精度のレベルが向上します。
精密加工における「CNC」の役割
コード化されたプログラミング命令を使用する高精度 CNC 加工により、機械オペレーターによる手動介入なしで、仕様に合わせてワークピースを切断し、成形することができます。
顧客から提供されたコンピューター支援設計 (CAD) モデルを基に、専門の機械工がコンピューター支援製造ソフトウェア (CAM) を使用して部品を加工するための指示を作成します。CAD モデルに基づいて、ソフトウェアは必要なツール パスを決定し、機械に次のことを指示するプログラミング コードを生成します。
■ 正しい回転数と送り速度とは
■ 工具やワークをいつ、どこに移動するか
■どのくらいの深さに切るか
■クーラントを塗布する時期
■ 速度、送り速度、調整に関連するその他の要素
次に、CNC コントローラーがプログラミング コードを使用して、機械の動きを制御、自動化、監視します。
現在、CNC は旋盤、フライス盤、ルーターからワイヤー EDM (放電加工)、レーザー、プラズマ切断機に至るまで、幅広い機器に組み込まれています。CNC は、機械加工プロセスを自動化し、精度を向上させるだけでなく、手作業を排除し、機械工が同時に稼働する複数の機械を監視できるようにします。
さらに、ツール パスを設計し、機械をプログラムしたら、何度でも部品を実行できます。これにより、高レベルの精度と再現性が提供され、プロセスのコスト効率と拡張性が非常に高くなります。
機械加工される材料
一般に機械加工される金属には、アルミニウム、真鍮、青銅、銅、鋼、チタン、亜鉛などがあります。さらに、木材、フォーム、グラスファイバー、ポリプロピレンなどのプラスチックも機械加工できます。
実際、精密 CNC 加工では、ほぼすべての材料を使用できます。もちろん、用途とその要件に応じて異なります。
精密CNC加工の利点
幅広い製造製品に使用される小型部品やコンポーネントの多くでは、精密 CNC 機械加工が製造方法として選択されることがよくあります。
事実上すべての切断および機械加工方法に当てはまることですが、材料が異なれば動作も異なり、コンポーネントのサイズと形状もプロセスに大きな影響を与えます。ただし、一般に、精密 CNC 加工プロセスには他の加工方法よりも利点があります。
それは、CNC 加工が次のことを実現できるからです。
■ 部品の高度な複雑さ
■ 厳しい公差、通常は ±0.0002 インチ (±0.00508 mm) ～ ±0.0005 インチ (±0.0127 mm) の範囲
■ カスタム仕上げを含む、非常に滑らかな表面仕上げ
■ 大音量でも再現性
熟練した機械工は手動旋盤を使用して高品質の部品を 10 個または 100 個の量で作成できますが、1,000 個の部品が必要な場合はどうなるでしょうか?10,000パーツ？10万部品ですか、それとも100万部品ですか?
精密 CNC 加工により、この種の大量生産に必要な拡張性と速度を得ることができます。さらに、精密 CNC 加工の高い再現性により、生産する部品の数に関係なく、最初から最後まですべて同じ部品が得られます。
CNC 加工には、ワイヤー EDM (放電加工)、付加加工、3D レーザー印刷など、非常に特殊な方法がいくつかあります。たとえば、ワイヤ EDM では、導電性材料 (通常は金属) と放電を使用して、ワークピースを複雑な形状に侵食します。
ただし、ここではフライス加工と旋削加工に焦点を当てます。この 2 つのサブトラクティブ手法は広く利用可能であり、精密 CNC 加工に頻繁に使用されます。
フライス加工と旋削加工
フライス加工は、回転する円筒状の切削工具を使用して材料を除去し、形状を作成する機械加工プロセスです。ミルまたはマシニング センターとして知られるフライス加工装置は、金属を機械加工した最大の物体の一部に複雑な部品形状を実現します。
フライス加工の重要な特徴は、切削工具が回転している間、ワークピースが静止したままであることです。言い換えれば、フライス盤では、回転する切削工具がワークピースの周りを移動し、ワークピースはベッド上の所定の位置に固定されたままになります。
旋削は、旋盤と呼ばれる装置でワークピースを切断または成形するプロセスです。通常、旋盤はワークピースを垂直軸または水平軸上で回転させ、固定切削工具 (回転している場合と回転していない場合があります) がプログラムされた軸に沿って移動します。
工具は物理的に部品の周りを回ることができません。材料が回転し、ツールがプログラムされた操作を実行できるようになります。(旋盤の一部には、工具がスプールから送られるワイヤの周りを回転するものもありますが、ここでは取り上げません。)
旋削加工では、フライス加工とは異なり、ワークピースが回転します。部品ストックが旋盤のスピンドルで回転し、切削工具がワークピースに接触します。
手動加工と CNC 加工の比較
フライス盤と旋盤はどちらも手動モデルで利用できますが、CNC マシンは小型部品の製造目的により適しており、公差の厳しい部品の大量生産が必要な用途に拡張性と再現性を提供します。
精密 CNC 装置には、工具が X 軸と Z 軸に移動する単純な 2 軸加工機のほかに、ワークも移動できる多軸モデルもあります。これは、ワークピースが回転することに限定され、工具が移動して目的の形状を作成する旋盤とは対照的です。
これらの多軸構成により、機械オペレーターによる追加の作業を必要とせずに、1 回の操作でより複雑な形状を作成できます。これにより、複雑な部品の製造が容易になるだけでなく、オペレーターによるミスの可能性が軽減または排除されます。
また、精密CNC加工による高圧クーラントの採用により、主軸縦型の機械でもワークへの切り粉の侵入を防ぎます。
CNCミル
フライス盤は、サイズ、軸構成、送り速度、切削速度、フライス送り方向、その他の特性が異なります。
ただし、一般的に、CNC ミルはすべて回転スピンドルを利用して不要な材料を切り取ります。スチールやチタンなどの超硬金属の切断に使用されますが、プラスチックやアルミニウムなどの材料にも使用できます。
CNC ミルは再現性を重視して構築されており、プロトタイピングから大量生産まであらゆる用途に使用できます。ハイエンドの精密 CNC ミルは、微細な金型や金型のフライス加工など、公差が厳しい作業によく使用されます。
CNC フライス加工では短納期を実現できますが、フライス加工のままの仕上げでは、工具跡が目に見える部品が作成されます。また、鋭利なエッジやバリのある部品が生成される場合があるため、エッジやバリがそれらの特徴に許容できない場合は、追加のプロセスが必要になる場合があります。
もちろん、シーケンスにプログラムされたバリ取りツールはバリ取りを行いますが、通常は完成要件の最大 90% を達成し、最終的な手作業仕上げのためのいくつかの機能を残します。
表面仕上げに関しては、満足のいく表面仕上げだけでなく、加工物の一部を鏡面仕上げにするツールもあります。
CNCミルの種類
フライス盤の 2 つの基本的なタイプは、立型マシニング センターと横型マシニング センターとして知られており、主な違いは機械のスピンドルの向きにあります。
立形マシニングセンタは主軸軸がZ軸方向にあるフライスです。これらの縦型マシンはさらに 2 つのタイプに分類できます。
■主軸が自身の軸に対して平行に移動し、テーブルが主軸の軸に対して直角に移動するベッドミル
■主軸を固定し、切削加工中常に主軸軸に対して垂直および平行となるようにテーブルを移動させるタレットミル。
横型マシニングセンタでは、ミルの主軸軸が Y 軸方向に揃っています。水平構造は、これらの工場が機械工場のフロアでより多くのスペースを占める傾向があることを意味します。また、一般に縦型マシンよりも重量が重く、強力です。
水平ミルは、より良い表面仕上げが必要な場合によく使用されます。スピンドルの向きによって切粉が自然に落ち、簡単に除去できるからです。(追加の利点として、効率的な切りくず除去により工具寿命が延長されます。)
一般に、立形マシニング センターは横形マシニング センターと同じくらい強力で、非常に小さな部品を処理できるため、より普及しています。さらに、立型センターは横型マシニング センターよりも設置面積が小さくなります。
多軸CNCミル
複数の軸を備えた精密 CNC ミル センターが利用可能です。3 軸ミルは、X、Y、Z 軸を使用してさまざまな作業に使用します。4 軸ミルを使用すると、機械は垂直軸と水平軸を中心に回転し、ワークピースを移動できるため、より連続した加工が可能になります。
5 軸ミルには、従来の 3 つの軸と追加の 2 つの回転軸があり、主軸ヘッドがワークピースの周囲を移動するときにワークピースを回転させることができます。これにより、ワークを取り外したり機械をリセットしたりすることなく、ワークの 5 つの側面を加工することができます。
CNC旋盤
旋盤 (ターニング センターとも呼ばれる) には、1 つ以上のスピンドルと X 軸と Z 軸があります。この機械は、ワークピースをその軸を中心に回転させてさまざまな切断や成形作業を実行し、ワークピースにさまざまな工具を適用するために使用されます。
CNC 旋盤は実写ツーリング旋盤とも呼ばれ、対称の円筒形または球形の部品を作成するのに最適です。CNC ミルと同様に、CNC 旋盤はプロトタイピングなどの小規模な作業を処理できますが、高い再現性を実現するようにセットアップして大量生産をサポートすることもできます。
CNC 旋盤は、比較的ハンズフリーで生産できるように設定できるため、自動車、エレクトロニクス、航空宇宙、ロボット工学、医療機器業界で広く使用されています。
CNC旋盤の仕組み
CNC 旋盤では、ストック材料のブランクバーが旋盤のスピンドルのチャックにロードされます。このチャックは、スピンドルが回転している間、ワークピースを所定の位置に保持します。スピンドルが必要な速度に達すると、固定切削工具がワークピースに接触して材料を除去し、正しい形状を実現します。
CNC 旋盤は、穴あけ、ねじ切り、ボーリング、リーミング、フェーシング、テーパー旋削などのさまざまな操作を実行できます。操作によってはツールの変更が必要となり、コストとセットアップ時間が増加する可能性があります。
必要な機械加工操作がすべて完了すると、必要に応じてさらなる加工のためにストックから部品が切り出されます。CNC 旋盤は、通常、間に追加のセットアップ時間をほとんどまたはまったく必要とせずに、操作を繰り返す準備が整います。
CNC 旋盤は、さまざまな自動棒材供給装置にも対応できるため、手動による原材料の取り扱いが減り、次のような利点が得られます。
■ 機械オペレーターの時間と労力を軽減します。
■ バーストックをサポートして、精度に悪影響を及ぼす可能性のある振動を低減します。
■ 工作機械が最適な主軸速度で動作できるようにする
■ 切り替え時間を最小限に抑える
■材料廃棄物の削減
CNC旋盤の種類
旋盤にはさまざまな種類がありますが、最も一般的なのは 2 軸 CNC 旋盤と中国式自動旋盤です。
ほとんどの CNC 中国旋盤は 1 つまたは 2 つのメイン スピンドルと 1 つまたは 2 つのバック (またはセカンダリ) スピンドルを使用し、前者はロータリー トランスファーを担当します。主軸は、ガイド ブッシュの助けを借りて、一次加工操作を実行します。
さらに、一部の中国式旋盤には、CNC ミルとして動作する 2 番目のツールヘッドが装備されています。
CNC 中国式自動旋盤では、素材がスライディング ヘッド スピンドルを通ってガイド ブッシュに供給されます。これにより、工具が材料をサポートする点の近くで材料を切断できるため、チャイナ機械は細長い旋削部品や微細加工に特に有益です。
多軸 CNC ターニング センターと中国式旋盤は、1 台の機械を使用して複数の機械加工を実行できます。これにより、従来の CNC ミルなどの機器を使用して複数の機械やツールの交換が必要となる複雑な形状に対して、費用対効果の高いオプションとなります。