5 軸 CNC マシンと 3 軸 CNC マシン: 精度と効率の主な違い

精度の違い #1: セットアップの数

寸法変動の最大の原因の 1 つは、繰り返しセットアップです。上面のポケット、側面の穴、傾斜した取り付け面、後部の隙間スロットを備えた 180 mm × 120 mm × 80 mm のアルミニウム航空宇宙用ブラケットを考えてみましょう。 3 軸マシンでは、オペレータは 4 つの個別のセットアップを実行できます。

このワークフローでは、上面のクランプ、上部フィーチャーの加工、ワークピースの回転、側面の再クランプ、ワーク座標系の再確立、側面穴の加工が必要です。{0}{1}セットアップごとにアライメントの変化が生じます。治具の再現性が ±0.02 mm 以内であっても、複数回の操作で累積誤差が増加する可能性があります。

5軸加工機がワークを自動的に回転させます。オペレータはコンポーネントを一度クランプし、すべての加工操作を同じ座標系内で実行します。ワークピースは固定されたままであるため、機械は幾何学的関係を維持します。

精度の違い #2: 工具のたわみ

工具のたわみは、材料の除去中に切削力によって工具が曲がるときに発生します。工具オーバーハングが増加すると、たわみ量も増加します。たとえば、深さ 120 mm のキャビティには 3 軸加工機の長いエンドミルが必要になる場合があります。長い工具は負荷がかかると曲がり、振動が発生し、テーパー壁が生成されます。ステンレス鋼 316 または Ti-6Al-4V チタン合金を加工する場合、切削抵抗はアルミニウムの場合よりも大幅に高くなります。

5 軸機械はワークピースを回転させ、工具へのアクセスを改善します。工具をキャビティ内に 120 mm 伸ばす代わりに、機械はワークピースを傾けて、より短いカッターが同じ形状に到達できるようにします。短い工具は曲がりに強く、寸法の一貫性を維持します。この構造上の利点により、壁の真直度と輪郭の精度が目に見えて向上します。

精度の違い #3: 表面仕上げの一貫性

表面仕上げは工具のかみ合い角度と切削の安定性によって決まります。 3 軸加工機で曲面を加工する場合、カッターは工具半径に沿って常に変化する位置で材料に接触することがあります。これにより、不均一なスカラップマーク、表面の波打ちが生じ、追加の研磨が必要になる場合があります。

5 軸機械は工具の方向を継続的に調整し、材料を除去しながら制御された接触角を維持します。自由曲面の金型キャビティの場合、3 軸加工では小さなステップオーバー値でのボールノーズ仕上げが必要になることがよくありますが、5 軸加工では工具を傾けて最適な噛み合いを維持できます。-これにより表面の凹凸が軽減され、仕上げ作業が軽減されます。

精度の違い #4: 複雑なフィーチャの幾何学的精度

多くの産業用コンポーネントには、タービンブレード、インペラ、医療用インプラント、金型インサートなど、交差するフィーチャーが含まれています。これらのコンポーネントには、正確な位置関係を維持する必要がある複数の表面が含まれています。 3 軸マシンでは、各フィーチャに個別のセットアップが必要な場合があり、セットアップ数が増えると幾何学的関係を維持することが困難になります。

5 軸機械は、加工全体にわたって単一の座標参照を維持し、1 つの同期モーション システム内ですべてのフィーチャの位置を制御します。これにより、蓄積された位置変動が減少します。複合角や曲線形状を含むコンポーネントの場合、大幅な改善が見られる可能性があります。

効率の違い #1: セットアップ時間

生産効率は主軸速度だけで決まるわけではありません。多くの場合、セットアップ時間は総製造時間の大部分を占めます。 -各インサートに 4 つの治具、3 つのアライメント、および複数のプロービング サイクルが必要な、20 個の金型インサートの小規模バッチ生産を考えてみましょう。 3 軸機械は、実際に金属を切断するよりもワークピースの準備に多くの時間を費やす場合があります。 5軸加工機により段取り作業が軽減されます。機械がワークピースを自動的に回転させるため、オペレータは治具の取り付け、ワークピースの位置合わせ、座標系の確立に費やす時間が短縮されます。この削減は、プロトタイプの生産や多品種少量生産においてますます重要になっています。{8}

効率の違い #2: 治具の要件

フィクスチャはコストと複雑さを追加します。 3 軸機械では、多くの場合、さまざまなワークピース表面を露出させるために、トゥームストーン固定具、アングル プレート、カスタム クランプ システムなどのカスタム固定具が必要になります。各治具はワークピースをサポートし、切削力に抵抗し、位置合わせを維持する必要があります。 5 軸マシンにより、治具の複雑さが軽減されます。多くのアプリケーションでは、単一の治具ですべての加工操作がサポートされます。これにより、治具の製造コスト、保管要件、およびメンテナンスの作業負荷が軽減されます。調達エンジニアは、設備への投資を機械の総所有コストの一部として考慮する必要があります。

効率の違い #3: サイクルタイム

サイクルタイムは、セットアップ時間、工具交換時間、切削時間、検査時間で構成されます。 3 軸機械は材料の除去を迅速に完了できますが、それでも追加の操作が必要です。たとえば、6 つの斜めの穴を含む部品には、個別の治具の変更、手動での位置変更、および追加の穴あけ操作が必要になる場合があります。 5 軸加工機は、加工サイクルを中断することなく、これらのフィーチャーを穴あけ加工します。部品の複雑さが増すにつれて、特に航空宇宙および医療部品の製造においては、サイクルタイムの差がより顕著になります。

効率の違い #4: ツールの使用率

ツールの使用状況は、生産性とツールのコストの両方に影響します。 3 軸機械で深いキャビティを加工する場合、多くの場合長いカッターが必要となり、送り速度の低下、切込み深さの低減、および追加の仕上げパスが必要になります。 5 軸加工機により工具へのアクセスが向上します。工具が短いと、より積極的に材料を除去し、切削の安定性を維持し、振動を減らすことができます。工具の屈曲によるエネルギー損失が少なくなるため、機械は利用可能な主軸動力をより効果的に利用します。

アルミニウム部品 (6061、7075)

どちらのマシンタイプでも、許容可能な寸法公差を達成できます。複数の表面を加工する場合、生産性の違いが顕著になります。複雑な航空宇宙用ブラケットは通常 5 軸加工の恩恵を受けますが、単純なプレートやハウジングは 3 軸装置でも経済的であることがよくあります。

ステンレス鋼部品 (304、316)

材料はより高い切削抵抗を生成するため、工具のたわみが重要な要素になります。 5 軸加工機の工具オーバーハングを削減できる機能により、寸法安定性が大幅に向上します。

チタン部品（Ti-6Al-4V）

チタン合金は刃先付近に熱が集中するため、安定した切削条件が重要です。 5 軸位置決めによって可能になる工具の短縮は、振動と切削負荷の制御に役立ち、工具の摩耗を軽減し、長い加工サイクル中の一貫性を向上させます。

部品に次のものが含まれる場合は 3 軸機械を選択してください。

• 平面
• 垂直の壁
• 標準穴
• 側面加工が限定される

例:ベース プレート、取り付けブラケット、および標準ハウジング。

部品に次のものが含まれる場合は、5 軸機械を選択してください。

• 複角
• 自由曲面
• 深い空洞
• アンダーカット
• 多面加工の要件

例:航空宇宙用インペラ、タービンブレード、医療用インプラント、射出成形コア、ロボットジョイントコンポーネント。