CNC加工とは？

金型や電子部品、自動車部品などを製作する時は、高度な加工技術が必要とされます。近年では、工業製品の複雑化・多様化が進んでおり、従来からあるフライス盤や旋盤では大量生産や精密加工に適さないという課題がありました。そこで、数値制御により精密加工を可能にしたものがCNC加工になります。

しかし、CNCは工作機械の扱い方やソフトの利用など専門性の高い分野であり、一般にはあまり使い方が知られていません。本記事では、CNC加工の基本的な知識から開発・普及に至るまでの歴史、3DCAD/CAMなどについて解説します。

CNCとは

CNCとはコンピューター数値制御の意味で、Computer Numerical Controlの略語です。ドリルやバイトといった工具や工作物の移動量、回転速度などを数値によって制御することを指します。

従来から使用している旋盤やフライス盤などの汎用工作機械は、作業員が手動で操作して加工を行います。
100分の1ミリ、1000分の1ミリ単位の精密さが求められる旋盤・フライス盤は職人の領域のため、経験の浅い人では満足のいく製品を作れない課題がありました。

しかし、コンピューター制御装置を搭載したCNC工作機械の場合、工作物や工具の移動量をX・Y・Z方向という座標値に置き換えてプログラム入力すれば、あとは機械が自動的に加工を行います。経験がものを言うこれまでの機械加工と違い、CNC工作機械は誰でも同じような寸法精度で加工できるのが特長です。

人手不足や大量生産に対応するためにも、多くの製造現場でCNCを用いた機械加工が一般的になっています。コンピューター支援製造は、CADでパーツを設計した後に、CADの形状データを基にCAMで加工内容を生成する仕組みです。
具体的には、切削工具がたどる動作経路をコード化したツールパスや加工条件を生成します。

CNC加工のメリット、デメリット

機械加工の分野ではCNC加工は非常に普及している技術ですが、果たしてどのようなメリットがあるのでしょうか。なお、部品のCNC加工を業者に依頼する場合には、メリットとともにデメリットについても理解し、業者の選定に気をつけなければなりません。ここでは、基本的なメリット・デメリットについて解説します。

CNC加工のメリット

メリットとして主に以下のことが挙げられます。

安定した製品品質

CNC加工の代表的なメリットは、安定した製品品質が確保できることです。一般的な汎用工作機械では、加工をハンドル操作などの手作業で行わなければなりません。100分の1ミリ単位の高精度の製品を加工するには、相応の熟練度が必要となるほか、手作業では操作ミスや作業員によって仕上がり具合に差異が生まれてしまいます。

しかし、数値制御により自動的に加工してくれるCNC加工なら、作業員によって加工精度が異なることはなく、一定の品質を確保したまま機械加工ができるようになります。

処理効率が高い

CNC工作機械は自動的に加工するため、量産体制に対応できるのもメリットの一つです。旋盤やフライス盤では、バイトやエンドミルなどの工具の取り替えなども手作業で行わなければなりませんが、CNC工作機械は自動的に工具の取り替えもします。

そのため、一人の作業員で複数の機械を同時に管理することができ、人員不足解消やコスト削減にも貢献できます。

高い安全性

工作機械は工具や工作物を回転させて、加工を行う仕組みです。したがって汎用工作機械では、加工中に作業員が回転部分に巻き込まれて事故に遭うといった労働災害が起きていました。しかし、CNC工作機械は堅牢なカバーの内側で機械が自動的に加工するので、作業員が加工中に近づいて事故に遭う危険性は少なくなります。

CNC加工のデメリット

デメリットとして以下のことが挙げられます。

高額なイニシャルコスト

CNCを搭載した工作機械は一般的に、汎用工作機械に比べて高価になりがちです。しかも、CADやCAMなどのソフトウェアや周辺機器も導入しなければならないため、イニシャルコストについては高額になりやすいデメリットがあります。

プログラムの専門知識が必要

CNC加工は高精度で加工できるのがメリットですが、NCコードと呼ばれるプログラムで数値制御をするため、プログラムに対する専門知識は欠かせません。平面図から仕上がりのイメージを想像できない人が、一からプログラミングすると加工ミスが起きることもあります。

また、数値にミスがあったり、工作物と工具との相性が悪かったりしても、機械は入力内容通りに加工することしかせず、人間のように加工中に調整はしてくれません。したがって定期的にプログラムの確認が必要であり、寸法精度の見直しもする必要があります。

CNC加工の種類と特徴

数値制御によるCNC加工では、様々な加工を行うことができます。主な加工方法には、穴あけ加工とフライス加工、旋盤加工があります。ここではそれぞれの特徴について解説します。

穴あけ加工

穴あけ加工とは、工作物に回転した工具をあてて穴を開ける加工のことです。穴あけ加工を行う機械は古くからあるボール盤のほか、フライス盤やNCコードを使用するマシニングセンタなどがあります。

穴あけの種類としては、軸受け用の穴やネジ穴のほか、位置決め用の穴などがあり、それぞれに使用する工具の種類も異なるのが特徴です。
穴あけ加工として最も一般的に使われているのは、工作物に貫通する穴をあけるという加工方法です。その穴を仕上げる目的で使われるのがリーマ加工と呼ばれるもので、穴の内径や寸法精度を整えてドリルの穴を滑らかにしていきます。

タップ加工は、めねじを作ってネジ穴をあけるという加工方法です。タップ加工に使用するタップというドリルは加工中に折れてしまう恐れもあり、加工は慎重に行わなければなりません。また、ネジ穴に段差を付けて、ネジの締め付けをよくする座ぐり加工も工業製品にはよく使われています。

フライス加工についてとその特徴

フライス加工は、回転軸に付いたフライスやエンドミルといった切削工具を回転させて、テーブルに固定した工作物を切削する加工のことです。固定した工作物はX・Y軸方向に動かし、回転した工具はZ軸方向に移動させることにより、3軸で切削量を制御します。使用する工具には正面フライスや側面で削るエンドミルなどがあります。

フライス加工は工具を断続的にあてていくことで、工作物の表面を滑らかな平面にしたり、穴あけや溝削りをしたりなど、様々な加工ができます。汎用フライス盤は、移動量を手元にあるハンドル操作で行うため、熟練した技術が必要な反面、高品質な製品を作れるのが特徴です。

通常のフライス盤に、数値制御を取り入れたものがNCフライス盤と呼ばれる機械です。加工内容をパンチカードで読み込むNCフライス盤に、コンピューターで数値制御を行えるようにしたのがCNCフライス盤となります。

精密加工を必要とする金型製作などではマシニングセンタも使われています。マシニングセンタとは、CNCフライス盤にATCと呼ばれる「自動工具交換装置」が搭載されている機械です。通常は、フライス削り、穴あけ、ねじ立て、リーマ仕上げという加工内容ごとに使用する工具を取り替えなければなりませんが、ATCでは工具が機械に格納されており、加工内容に合わせて自動的に交換する優れものです。

旋盤加工についてとその特徴

フライス加工が主に角ばった工作物の加工に適しているのに対し、旋盤加工は円筒形の製品を加工するのに適しています。芯出しした工作物を回転させ、固定したバイトと呼ばれる工具をあてて外周を削ったり、テーパー加工にしたり、中ぐりや突切り加工をしたりできます。

旋盤には、主に汎用旋盤とNC旋盤があり、汎用旋盤は汎用フライス盤と同じようにハンドル操作で切削量を調整していく機械です。NC装置を搭載した旋盤はNC旋盤と呼ばれ、CNC旋盤はコンピューターによりNC制御を行う旋盤のことです。現在ではコンピューターで行うCNC旋盤が主流になり、製造現場ではCNC旋盤のことをNC旋盤とも呼んでいます。

CNC旋盤には、主軸の数によって種類があり、主軸が一つだけの単軸自動旋盤と主軸が多数ある多軸自動旋盤があります。多軸自動旋盤はワークを回転させながら加工が行うことができるため、刃物を効率良く使えるのがメリットです。

CNC加工の流れ

では、CNC加工ではどのような手順を踏んで、最終製品が出来上がるのでしょうか。NC加工の場合、作業員が図面を確認してNCコードと呼ばれるプログラムを作成していました。一方のCNC加工では、CAMがCADデータから自動的にNCプログラムを作成してくれます。

NCプログラムには、使用する工具から座標系、加工条件などがコード化されて書き込まれています。一般的なCNC加工の流れは以下の通りです。

ステップ1：CADで3Dモデルを作る

まず、3DCADで立体的な製品のモデリングを作成します。

ステップ2：CAMでデータを読み込む

次にCADで作成したデータをCAMに読み込み、プログラムを作成していきます。はじめに加工の起点となる原点を決めて、座標値で表示します。この際に確認しておくことが、最小Rと加工する高さがいくつになるかです。最小Rによって工具の直径が決まり、加工する高さにより突き出し量が決まるからです。

ステップ3：ツールパスを作成する

ツールパスとは工具の経路のことです。ツールパスと一緒に工具と加工条件も設定する必要がありますが、これは荒削りと仕上げの2種類が必要になります。ツールパスはCAMの中にツールパターンが入っており、その中から最適なパターンを選ぶことになります。

工具の種類はエンドミルやフライスにするか、また工具の直径や刃数、Rの大きさなどを選択。加工条件は工具の回転数や移動するときの速度のほか、切り込み量も調整していきます。

ステップ4：NCプログラムの出力

以上の設定をNCプログラムとして出力します。コンピューターから工作機械に転送するだけで簡単に出力することができます。工作機械に工作物と工具を設置すれば切削を開始できます。

CNC加工の注意点

CNCでは数値によって仕上がりが決まってしまうため、入力した数値にミスがあると目的としている製品が出来上がりません。また、CNCに頼るあまり、金属材料や工具に対する知識がないと、それぞれの相性を十分に理解できずに思うような精度を確保できないこともあります。

まとめ

CNC加工とは、コンピューターで数値制御する加工のことです。コンピューターによる自動制御のため、手動で操作する場合に比べて仕上がりの精度が安定しており、量産も可能です。現代の製造業ではCNC加工を使用した工作機械は重要な役割を担っており、高精度が要求される金型製作や航空機の部品製作などに活用されています。