製造業者はしばしば複雑な部品の問題に直面する。その多くは、より厳しい公差とより早いリードタイムを必要とします。標準的な旋盤では、あらゆる形状や角度に対応できません。複雑な部品を短時間で製作する必要がある場合、5軸旋盤がその解決策となります。これらの機械は、1回のセットアップで複数の角度から材料を切削し、時間を節約し、エラーを減らします。
より良い結果を得るために、多くのショップが5軸旋盤に切り替えている。これらの機械がどのように機能し、何ができるのか興味がありますか？このガイドは、あなたが始めるのに役立ちます。
5軸旋盤とは？
5軸旋盤は、5つの軸に沿って切削工具を回転・移動させるCNC機械である。これらには、通常のX、Y、Zの直線軸に加え、A、BまたはB、Cと表示されることが多い2つの回転軸が含まれる。
この機械は、ワークをチャックから取り出すことなく、複雑な形状を旋削加工することができます。これにより、再位置決めによる誤差が減少し、全体的な精度が向上します。3軸や4軸のセットアップでは、複数の操作や治具が必要になることが多いのですが、これは大きな進歩です。
つまり、旋盤加工とフライス加工を1台の機械に統合したものである。そのため、曲線やアンダーカット、多面的な形状を持つ部品によく使用される。
多軸加工技術の進化
手動旋盤から多軸CNC加工機への移行は、数十年かけて行われた。初期のCNCマシンは2軸または3軸を使用し、複雑な部品には複数のセットアップが必要だった。これらのセットアップは生産を遅らせ、エラーを増加させた。
より厳しい公差とより速い生産への要求が高まるにつれ、メーカーは4軸および5軸システムを開発した。これらの機械は、より自由な動きを可能にし、手作業を減らした。
今日、5軸旋盤はかつてないほど入手しやすく、手頃な価格になっています。航空宇宙から医療機器まで、精度と効率が重要な多くの産業で使用されています。
5軸旋盤の動作原理
5軸旋盤は旋盤加工とフライス加工を組み合わせたものです。複雑な形状を作成するために、5つの制御された経路に沿って工具や部品を動かします。
回転軸と直線軸を理解する
5軸旋盤は、X、Y、Zの3つの直線方向に動く。
- X軸は工具を左右に動かす。
- Y軸は前後に動かす。
- Z軸は上下に動かす。
これらに加えて、2軸（セットアップによってA軸、B軸、C軸）の周りを回転する。これらの回転により、工具やパーツを傾けたり回転させたりすることができるため、3軸加工機では不可能な角度に工具を到達させることができる。
この余分な自由度により、機械はパーツの位置を変えることなく、パーツの全面にフィーチャーをカットすることができる。
同時5軸加工と割り出し5軸加工
5軸加工機には、同時加工とインデックス加工の2つの方法がある。
同時5軸加工は、5軸すべてを同時に動かします。これは、タービンブレードや医療用インプラントのような非常に複雑な形状に使用されます。滑らかな曲線や詳細な形状を1パスで加工することができます。
インデックス5軸加工では、まずパーツを固定位置に移動させ、その後3軸移動で切削します。よりシンプルですが、セットアップの手間が省けます。これは、複数の角度から切削する必要があるパーツに有効です。
どちらの方法も効率を向上させる。どちらを選ぶかは、部品の複雑さによる。
オペレーション中のマシンの動きは？
加工中、工具やパーツはプログラムされた経路に基づいて回転し、移動する。旋盤はワークピースを回転させ、ミリングヘッドは傾いて様々な角度で切削します。
例えば、主軸は部品を回転させ、タレットは側面の形状を切削します。回転軸は工具を傾けて角度のある面を切削します。コントローラーがすべての動きを同期させます。
この調整により、5軸旋盤はカーブ、傾斜、異形穴のあるパーツを、すべて1回のセットアップで作成できる。
セットアップと操作のワークフロー
5軸旋盤の運転には、計画、セットアップ、慎重な制御が必要です。各ステップが部品の精度と加工速度に影響します。
ワークと工具の準備
適切な原材料を選ぶことから始める。ブランクは、加工に十分な大きさが必要だが、大きすぎないようにする。チャックや固定具にしっかりと固定する。クランプが不十分だと、振動や動きの原因になります。
次に、旋削用とミーリング用の工具を選ぶ。機械の主軸と刃物台に合ったツールホルダーを使用する。工具の長さとチップの状態を再確認する。磨耗した工具は精度を低下させ、切削中に不具合が発生する可能性を高める。
工具のオフセットは正確に設定してください。誤ったオフセットは、衝突やスクラップの原因となります。
CAMソフトウェアによるプログラミング
CAM（コンピュータ支援製造）ソフトウェアを使用してツールパスを作成します。このソフトウエアは、部品設計を機械への正確な指示に変換します。
5軸加工では、工具の方向がすべての点で部品表面に一致していなければなりません。そのためには、軸の回転角度と送り速度を正しく設定する必要があります。
CAMソフトウェアは、工具交換、スピンドル回転数、クーラント使用量も定義する。このステップは、複雑な部品にとって非常に重要です。ここでミスがあると、結果が悪くなったり、クラッシュしたりします。
ツールパスシミュレーションと衝突回避
機械にコードを送る前に、CAMソフトを使って完全なシミュレーションを行う。これにより、工具がどのように動き、何かにぶつかる可能性があるかどうかがわかります。
などの問題に注意すること：
- ツールホルダーと部品または機械本体の衝突
- 限界を超える急激な動き
- 向きが悪いために見逃した機能
必要に応じて、ツールパスや機械のリミットを調整します。優れたシミュレーションは、ダウンタイムや部品の不具合を引き起こす前に、問題を早期に発見するのに役立ちます。
モニタリングとリアルタイム調整
プログラムが実行されたら、動作を注意深く監視してください。異常な音、工具のたわみ、表面の仕上がりの悪さなどをチェックしてください。これらは、工具の摩耗やプログラミング・エラーの可能性があります。
現在、多くの機械には、荷重、温度、スピンドルの振動をチェックするセンサーが搭載されている。このデータを使って、速度や送りを微調整することができる。
ジョブが大量に実行される場合は、続行する前に最初の数パートを見直す。精度やスピードを改善するために、リアルタイムで小さな変更を加える。初回生産時に工程を安定させておくことで、次回以降のロットでの問題を減らすことができる。
5軸旋盤を使用するメリット
5軸旋盤は、精度、速度、柔軟性において明確な利点を提供します。これらの利点は、店舗が競争力を維持し、厳しい生産要求に応えるのに役立ちます。
精度と表面仕上げの向上
パーツが1つのセットアップに留まるため、再配置によるエラーの可能性が低くなります。工具は一度に複数のサーフェスに到達できるため、アライメントが改善され、公差が厳密に保たれます。また、5軸からのスムーズな工具の動きは、より良い表面仕上げを生み出します。
セットアップ時間と手作業による再配置を削減
従来の機械では、部品のすべての面に到達するために、何度もセットアップを行う必要がありました。再位置決めのたびに時間がかかり、ミスの可能性も高まります。5軸旋盤は、これらの余分なステップを削減または削除します。複雑な形状をワンパスで加工します。
より少ない操作でより複雑な部品
曲面、深いポケット、奇妙な角度は、標準的な工具では加工が難しい。しかし、5軸旋盤なら、これらを簡単に扱うことができます。別工程に分けることなく、より高度な形状のパーツを設計できます。
長期にわたる製造コストの削減
5軸加工機は初期費用は高くつくが、長期的にはコスト削減につながる。段取り回数が減れば、治具の数も減り、手作業も減ります。サイクルの高速化と歩留まりの向上により、スクラップ率が減少します。また、繰返し精度が高いため、検査や手直しのコストも削減できます。
課題と限界
多くの利点があっても、5軸旋盤には課題がある。ショップはワークフローに5軸旋盤を加える前に、慎重に計画を立てなければならない。
高い初期投資コスト
5軸旋盤は標準的な機械よりも高価である。コストには、機械本体、高度な制御装置、セットアップツールが含まれる。モデルによっては、特注の治具や付属品も必要になるため、予算が限られている小規模の店舗や新興企業にとっては難しい場合もある。
熟練オペレーターの要件
5軸旋盤の操作は単純ではない。CNCプログラミング、機械のセットアップ、部品検査の経験が必要です。すべての機械工がこのスキルセットを持っているわけではなく、資格のあるスタッフを見つけ、訓練するには時間と費用がかかります。
ソフトウェアとプログラミングの複雑さ
5軸加工のプログラミングは3軸加工よりも難しい。CAMソフトウェアは、工具の傾き、回転、マルチアングルパスを扱わなければなりません。角度や工具の長さの小さなミスがクラッシュの原因になります。ソフトウェアは高価で、シミュレーションを実行するには高速のコンピューターが必要です。
業界を超えたアプリケーション
5軸旋盤は多くの分野で使用されています。これらの機械は、より少ない工程で、厳しい公差と滑らかな仕上げを必要とする部品を作るのに役立ちます。
航空宇宙
航空宇宙部品には、曲面、複雑な輪郭、タイトフィットがよくあります。5軸旋盤は、セットアップ間で部品を移動させることなく、タービンブレード、ハウジング、構造部品を加工できます。これにより、誤差が減少し、バランスと強度が向上します。
医学
医療用部品は小さく、細かく、ステンレス鋼やチタンのような丈夫な材料で作られることが多い。5軸旋盤は、骨ネジ、手術器具、インプラントなどを高い精度で切削することができます。
自動車
自動車部品メーカーは、エンジン部品、トランスミッション部品、サスペンション部品に5軸旋盤を使用しています。これらの部品は、多くの場合、複数の角度からの加工を必要とします。段取り替えの回数が減ることで、ショップはリードタイムを短縮し、大量生産のニーズに応えることができます。
防衛とエネルギー
防衛やエネルギーの分野では、部品はしばしば過酷な環境に直面します。部品は強く、正確で、信頼できるものでなければなりません。例えば、ミサイル部品、燃料システム部品、コネクターなどがあります。5軸旋盤は、エキゾチックな材料を扱い、厳しい品質基準を満たす複雑な形状を製造します。
5軸旋盤と他のCNCマシンの比較
5軸旋盤が他の機械と比較してどのような位置づけにあるかを理解することで、ワークフローに最適な機械を決定することができます。
3軸フライス加工と5軸旋盤加工の比較
3軸フライス加工 は、X、Y、Z のリニアな動きで固定されたワークを切削します。平らな部品、溝、単純な輪郭に適しています。しかし、角度のある形状や複雑な形状の部品には不向きです。
5軸ターニングはフライス加工と 旋回.これは2つの回転軸を追加し、切削中に工具や部品を傾けることができます。これにより、1回のセットアップで部品のより多くの面にアクセスできるようになります。
3軸ミルには、以下のものが必要な場合がある。 備品5軸旋盤が1回の運転で処理できる量よりも多くの仕事を処理するために、複数の機械、または余分なセットアップが必要です。
多軸加工を選ぶとき？
次のような場合に5軸加工を選択する：
- 部品は複数の面に特徴がある
- 高い表面仕上げと精度が必要
- 再配置はリスクや時間を増やす
- 形状にはアンダーカットやカーブが含まれる。
- 生産速度と再現性が重要
単純で平坦な部品や低予算の場合は、3軸機でも十分機能します。しかし、部品がより複雑になると、5軸旋盤は時間を節約し、品質を向上させ、部品あたりのコストを削減します。
適切な5軸旋盤を選択するためのヒント
適切な機械を選ぶには、製造する部品の種類と現在のセットアップによります。以下は、あなたの決断の指針となる主な要素です。
部品の形状とサイズを考慮する
パーツの形状とサイズを調べることから始めましょう。部品に多面カット、深い空洞、角穴が必要な場合は、5軸旋盤が適している場合があります。
最大旋削径とミーリングリーチを確認する。機械は、軸の限界にぶつかることなく、最大のパーツを扱うことができなければなりません。
また、買いすぎも避けましょう。ほとんどの部品が小さくてシンプルであれば、コンパクトな5軸モデルの方が費用対効果が高いかもしれません。
公差と表面要求の評価
仕事によっては、厳しい公差と滑らかな仕上げが要求されます。高精度5軸旋盤は、少ないセットアップでこれらの仕様を満たすのに役立ちます。
機械の繰返し精度をチェックする。加工に必要であれば、高速スピンドル、サーマルコントロール、ツールモニタリングシステムなどのオプションにも注目してください。
マシンのコントロールと安定性が高ければ高いほど、目標精度を達成しやすくなる。
ショップフロアの能力とオペレーターのスキルを評価する
5軸加工機には、スペース、電源、クリーンな環境が必要です。設置スペース、ツールカート、クーラントシステムを確保しましょう。
また、オペレーターが5軸加工に慣れていない場合は、チームの経験を確認し、トレーニングの計画を立てましょう。ユーザーフレンドリーなインターフェースを持つ機械もありますが、CAMソフトウェアには知識と注意が必要です。
学習曲線は、あなたのチームが準備ができていない場合、生産を遅らせ、コストを上げる可能性があります。
結論
5軸旋盤は、旋盤加工とフライス加工を組み合わせて、複雑なパーツを少ない段取りで製作します。5つの軸に沿って移動し、異なる角度のフィーチャーを高精度で切削するため、手作業による再位置決めを減らし、生産時間を短縮し、仕上げ面精度を向上させます。
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ケビン・リー
レーザー切断、曲げ加工、溶接、表面処理技術を専門とし、板金加工において10年以上の実務経験があります。シェンゲンのテクニカルディレクターとして、複雑な製造上の課題を解決し、各プロジェクトにおける革新と品質の向上に尽力しています。
