精密製造におけるCNCマシンの仕組み

あらゆる規模の企業にとってシンプルで簡単にご利用いただけるよう設計された専用サービスにより、業務効率の改善、コストの最適化、ブランド・エンゲージメントの向上を実現します。

人々はいつも私に尋ねる CNCマシンの仕組みそして正直なところ、それは想像以上に簡単だ。CNCマシンは、基本的にコンピューター制御の工作機械で、指示に従って部品を切削します。機械工がクランクを回したりハンドルを動かしたりする代わりに、コンピューターがすべての位置決め作業を行う。

数値制御機械のコンセプトは、1950年代に誰かが紙テープに穴を開けて機械に指示を出すことを発見したことから始まった。最近では、タッチスクリーンやワイヤレス接続を備えた高度なCNCシステムを使用しているが、基本的な考え方はあまり変わっていない。

ほとんどの人は、身の回りの多くのものがCNCマシンで作られていることに気づいていない。車のエンジンも、ラップトップのフレームも、医療用インプラントも、すべてCNCマシンで作られている。

CNCマシンの種類

近代的な機械工場に足を踏み入れると、さまざまなタイプのCNCマシンを目にすることができる。 CNCマシンの仕組み

CNCミル操作

機械加工といえば、多くの人が思い浮かべるのはCNCフライスだろう。ワークがテーブルの上に静止している間、切削工具は数千RPMで回転する。これらのCNCフライス盤は、左右、前後、上下の3つの基本方向に動くことができます。

フェースミル加工は平らな面を作成し、エンドミル加工はスロット、ポケット、複雑な形状を切削します。シンプルな3軸ミルを持っている店もあれば、部品のほとんどすべての角度に対応できる5軸CNCシステムに投資している店もある。

CNC旋盤加工

旋盤は、フライス盤とはまったく違う働きをする。固定された切削工具で形を整えながら、部品は回転する。シャフト、ボルト、パイプ継手などの丸い部品を作るのに最適です。ほとんどのCNC旋盤は、基本的な旋盤加工ができるが、高級なものでは、穴を開けたり、平らな面をフライス加工したりできるライブツーリングがある。

CNC旋盤加工は、見たこともないような滑らかな表面仕上げを生み出します。優れたCNCオペレーターは、旋盤をダイヤル操作して、ガラスのような感触の部品を作ることができます。

CNCルーターシステム

CNCルーターは、木材、プラスチック、アルミニウムなどの素材に最適です。複雑なパターンを自動で彫ることができるため、家具メーカーはこれらの機械を愛用している。手作業で行うよりもはるかに速く、どの部品も同じように仕上がります。

これらの機械は、趣味で使う卓上型から、4×8フィートのシートを扱う巨大な工業用ルーターまで、あらゆるサイズがある。

特殊CNC装置

CNCレーザーシステム - 物理的な工具の代わりに、集束したレーザービームで切断。薄い素材や複雑な形状に最適。

CNC研削盤 - 鏡面仕上げと非常に厳しい公差が必要な場合。

放電加工機 - 電気火花を利用して硬い素材を加工する。スピードは遅いが、従来の工具では不可能な形状を作ることができる。

CNCボール盤 - たくさんの穴を素早く正確に開けることに特化している。

CNC加工プロセスの実際

コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して3Dモデルを作成することから、CNC機械加工プロセスが始まります。エンジニアが新製品を設計する場合もあれば、機械工が古い部品をリバースエンジニアリングする場合もあります。

CADファイルを入手したら、カムソフトウェアがパーツを分析し、それを加工する最善の方法を見つけ出す。このソフトウェアはGコードを作成します。基本的には、機械がどこに移動し、何をすべきかを正確に指示する命令のリストです。

典型的なGコードはこんな感じだ：

G01 X2.5 Y1.0 F20（毎分20インチでX=2.5、Y=1.0の位置へ移動）
M03 S1500 (start spindle at 1500 RPM) は、様々なタイプのCNCマシンで使用される一般的なCNCコマンドである。
G00 Z0.1（0.1インチ上への高速移動）

CNCコントローラーは、このコードを一行ずつ読み取り、サーボモーターに信号を送り、すべてを正確に位置決めする。

加工準備

機械加工を始める前に、誰かがジョブをセットアップしなければならない。つまり

CNC加工を効果的に行うには、適切な切削工具を設置することが重要です。 - フライス加工用エンドミル、穴あけ用ドリルビット、旋盤加工用ターニングツール
材料の積載 - 切断中にワークが動かないよう、しっかりとクランプする。
作業座標の設定 - 機械に部品の位置を知らせる
テストの実行 - まずプログラムをゆっくり動かして問題がないかチェックするのが常に賢明である。

すべてを機能させる機械部品

どのCNCマシンも基本的な機械部品は同じだが、メーカーによって見た目が異なることがある。

コンポーネント	何をするのか	なぜ必要なのか
CNCコントローラー	Gコードを読み、すべてをコントロールする	脳 - それなしでは何も機能しない
サーボモーター	軸を正確な位置に移動	CNCを特別なものにする精度を提供する
スピンドル	切削工具や工作物を回転させる	実際のカット／シェイピングは？
工作機械の構造	裁断中、すべての剛性を保持	表面仕上げを損なう振動を防止

コントローラーボックス

CNCコントローラーは、基本的に専用のコンピューターである。最近のものはカラータッチスクリーンを搭載し、ショップのネットワークに接続できる。機械メーカーの中には、コントローラーの中に完全なWindowsコンピューターを搭載しているところもあります。

これらのコントローラーでは、さまざまなCNCプログラムが動作します。シンプルな機械ではGコードを直接実行するだけかもしれませんが、高度なシステムではCAMソフトウェアやシミュレーション機能が組み込まれています。

駆動システム

サーボモーターは、信じられないほどの精度で機械の軸を動かします。通常のモーターとは違い、数万分の1インチ以内の位置決めが可能で、大きな切削力がかかってもその位置を保持します。

各軸には独自のモーターとフィードバックシステムがあり、これはさまざまなタイプのCNCマシンで一般的である。機械は各軸の位置を常に正確に把握し、1秒間に数千回の補正を自動化することができます。

知っておくべきCNC加工オペレーション

さまざまなCNC機械加工は、特定の目的に役立ちます。ほとんどのショップでは、いくつかの種類の作業にCNCを使用しています。

フライス作業

フライス盤と旋盤では扱う仕事が異なりますが、フライス盤の方が汎用性が高いでしょう。できること

平らな面と角度のある面をカット
ポケットとスロットを作る
正確な位置に穴を開ける
複雑な3Dサーフェスの作成
ねじと歯車の歯

優れたCNCミルは、軟質プラスチックから高硬度工具鋼まで、幅広い材料を扱うことができる。

旋盤作業

CNC旋盤加工は、円形部品を効率的に作成します。一般的な加工には次のようなものがあります：

バルク材を除去するための荒回転
最終寸法の仕上げ旋盤加工は、CNC加工の重要なステップである。
Oリングシートを作るための溝加工
ボルトとスクリューのねじ切り
完成した部品の売却

CNCマシンはコンピューター制御で作動するので、何千個もの同じ部品をばらつきなく作ることができる。

掘削とボーリング

CNCボール盤は、手作業よりも速く正確に穴を開けます。穴あけ加工は、ベアリングやブッシュの精密な内径を作ります。

最近の機械には、20種類、40種類、あるいは100種類の工具を収納できる自動工具交換装置が付属している。ひとつのプログラムで、穴あけ、ねじ切り、ザグリ加工をすべて自動で行うことができる。

これらのマシンをプログラミングする

かつてCNCプログラミングは、一行ずつ手作業でGコードを書く必要がありました。今でも簡単な仕事ではそうですが、今ではほとんどの店がカムソフトを使っています。

このソフトウェアは、あなたのCADモデルを見て、自動的に効率的なツールパスを生成します。使用する工具、切削速度、特別な要件があれば、それを指示します。すると、すぐに実行できるGコードファイルが出力されます。

Gコードの学習

自動プログラミングであっても、賢いマシニストは基本的なGコードを学ぶ。何か問題が起きたとき、機械が何をしようとしているのかを理解する必要がある。

一般的なコードは以下の通り：

G00：ラピッドポジショニング（高速移動、切断なし）
G01: 直線補間（直線カット）
G02/G03: 円弧・曲線補間
M03/M04：スピンドル始動（時計回り/反時計回り）
M05：スピンドルストップ

CAMソフトウェアオプション

異なるカムソフトウェアパッケージは、特にCNC工程を自動化する場合、異なる仕事により良く機能する。Mastercamは多くのショップで支配的ですが、Fusion 360、SolidCAM、その他にも強みがあります。

重要なのは、既存のCADシステムとうまく連動し、特定のマシンに対して信頼性の高いコードを生成するソフトウェアを見つけることです。

CNC技術を使用する産業

CNC産業は最近、事実上すべての製造業に貢献している。

航空宇宙用途

航空機部品には、驚異的な精度とエキゾチックな素材が必要です。チタン製エンジン部品、アルミニウム製構造部品、複合材積層ツールなど、すべてにCNC加工技術が必要です。

多くの航空宇宙部品は、従来の方法では必要な公差を保持できないため、CNCを使用しています。部品が完璧に組み合わされるかどうかで人々の命が左右される場合、CNCが唯一の選択肢となることがよくあります。

自動車製造

自動車会社は、CNCマシンが試作と生産の両方に効果的に使用されていることを発見した。エンジンブロック、トランスミッションケース、ブレーキ部品など、何百万もの同じ部品がCNC装置で作られています。

自動車産業は、機械が一晩中無人で稼働する消灯製造の開発を推し進めた。夕方に部品を積み込み、翌朝に完成した部品を見つける。

医療機器製造

医療用部品は、個々の患者に合わせたカスタム形状を必要とすることが多い。 CNC加工は、医療が要求する精度を備えた手術器具、インプラント、診断機器も製造できる。

CNCマシニングは、チタンや医療グレードのプラスチックのような生体適合材料を扱う製造プロセスであるため、医療機器メーカーにとって不可欠なものとなっている。

エレクトロニクス産業

小さなフィンを持つヒートシンクはどうやって作られるのだろう？あるいは、精密に加工された携帯電話のケース？従来の方法では、要求される精度と表面仕上げを達成することができないため、CNC機械加工がこれらの仕事を処理しているのです。

高度なCNC機能

最新のCNCシステムには、この技術の先駆者たちを驚かせるような機能がある。

多軸加工

基本的な3軸加工機では、パーツに上からアプローチすることしかできない。5軸CNCシステムは、パーツや切削工具を傾けたり回転させたりすることで、他の方法では加工不可能な表面に到達します。

複雑な航空宇宙部品では、工具のクリアランスを十分に確保しながらすべてのサーフェスに到達する他の方法がないため、5軸加工が必要になることがよくあります。

オートメーションの統合

多くの機械には、ロボット・ローディング・システム、オートマチック・ツール・チェンジャー、パーツ・キャッチャーが装備されている。機械が部品をセットし、切断し、寸法を検査し、完成品を自動的に積み重ねる。

アダプティブ・コントロール

スマートCNCマシンは切削力をモニターし、速度を自動的に調整する。工具が鈍り始めたり、材料の硬い場所に当たったりすると、機械は破損を防ぐために速度を落とすことができる。

製造方法の比較

方法	さまざまなタイプのCNCマシンとそのアプリケーションに最適です。	メリット	制限事項
CNC加工	複雑な部品、厳しい公差	精密で再現性が高く、硬い素材にも対応	高いセットアップコスト、材料の無駄
3Dプリンティング	プロトタイプ、CNC加工技術を含む複雑な内部機能。	金型が不要で、1回限りの生産が可能。	素材が限られ、表面仕上げが悪い
手動加工	簡単な部品、修理	低設定コスト、フレキシブル	遅い、オペレーターの技量による

プロフェッショナルCNCサービス

すべての企業が自社のCNCマシンを必要としているわけではありません。MYTマシニングのようなサービスショップは、プロトタイプから生産まで、あらゆるものを扱っています。

彼らは、中小企業が正当化できない高価な設備、熟練したプログラマー、品質システムを持っている。CNC加工が必要だが、自社の製造工程に投資したくない場合に良い選択肢となる。

MYTは、競争力のある価格と短納期で、精密フライス加工、旋盤加工、ラピッドプロトタイピングを専門としています。

CNC技術はどこへ向かうのか

CNCマシンは年々インテリジェントに動作するようになっている。人工知能が切削パラメータを自動的に最適化します。インターネット接続により、管理者はどこからでも機械を監視できます。

最大のトレンドは、CNC自動化を含む異なる製造工程間の統合である。CNC加工と3Dプリントを組み合わせたハイブリッドマシン。組立作業と機械加工作業を切り替えられるロボット。

今すぐCNCプロジェクトを始めれば、日進月歩で進化し続ける技術に触れることができます。

CNCマシンの仕組みについての結論

CNCマシンの仕組み コンピュータが正確な動きを制御し、部品を自動的に切断するのだ。1950年代にパンチングされた紙テープから始まったものが、現代の製造業の基幹となった。

これらの機械は、自動車部品から医療用インプラントまで、あらゆるものの製造方法を一変させた。品質が向上し、（初期投資を乗り越えれば）コストが下がり、手作業では不可能な形状を作ることができる。

技術も進歩し続けている。今日のCNCシステムは、50年前の機械工にとっては魔法のように思えるだろう。次の50年はCNC業界に何をもたらすのだろうかと考えさせられる。

よくある質問

CNCマシンの基本原理は何ですか？

CNCマシンは、切削工具を動かす場所を正確に指示するコンピューター命令（Gコード）を読み取る。機械はあらかじめ決められた経路をたどり、部品が元のコンピューター設計と一致するまで材料を削っていく。

この機械はどれほどの精度を出せるのか？

ほとんどのCNCマシンの公差は±0.005インチ程度で、かなり厳しい。航空宇宙産業で使用されるハイエンドの機器では、±0.001インチまたはそれ以上の公差を達成することができます。参考までに、人間の髪の毛の太さは約0.003インチです。

CNCマシンが理解できるプログラミング言語は？

Gコードは標準的な言語である。G01 X2.5 Y1.0 "のような単純な命令は、X=2.5、Y=1.0の位置に移動することを意味します。Mコードは、スピンドルの始動/停止などの機械機能を制御します。ほとんどの人は、このコードを手動で記述するのではなく、CAMソフトウェアを使用して自動的に生成します。