主軸が揺動する5軸加工機とテーブルが揺動する5軸加工機の違いは何ですか？

5軸加工機5軸は、一般的に3つの直線軸と2つの回転軸で構成されていますが、その構造には大きな違いがあります。構造形式が異なると、工作機械の剛性、動的性能、および精度の安定性などの面で、いくつかの差異が生じます。本稿では、主に立型主軸のスイング構造を採用した5軸工作機械と、立型主軸が固定され、ワークテーブルがスイングする（クレードル式）構造の5軸工作機械について、分析と比較を行います。その目的は、ユーザーがこれらの構造形式を十分に理解し、自社の製品の特徴や経済力に基づいて、適切な工作機械を選定できるようにすることです。

1. 工作機械の主軸剛性の比較

ヘッドスイング型工作機械は、加工工程において主軸が揺動するため、主軸の剛性が比較的劣ります。一方、テーブルスイング型工作機械は、テーブルが揺動するため、主軸の剛性には何の影響も及ぼしません。

2. 工作機械による加工効率の比較

回転点に違いがあるため、刃先が同じ変位量に達した時点で、スイングヘッド式工作機械の主軸はより大きな角度で振れる必要があります。これはてこの原理に似ており、そのため同じ部品を加工する場合、スイングヘッド式工作機械の効率は低くなります。

3. 工具の長さが工作機械の加工精度に及ぼす影響

振れ誤差は、振れアームの長さに振れ角を乗じた値に等しい。ヘッドスイング式工作機械の場合、工具の長さは振れアームの一部となる。つまり、ヘッドスイングの場合、工具の長さが振れアームの長さに影響を与え、ひいては誤差を増大させる。すなわち、誤差は工具の長さが長くなるにつれて大きくなる。一方、クレードル式テーブルのスイング工作機械においては、工具の長さとスイングアームの長さには関連性がない。

4. 位置誤差と形状誤差

どちらの工作機械も、スイング動作を行う際に位置誤差が生じますが、ヘッドスイング式工作機械ではこれに加えて形状誤差も生じます。一方、テーブルスイング式工作機械では、スイング動作を行っても形状誤差は生じません。ヘッドスイング式工作機械では、工具が回転することで位置誤差が生じる。同時に、穴加工の送り方向と工具の回転中心がずれるため、位置誤差に加え形状誤差も生じ、くさび穴が形成される。

テーブル揺動式工作機械には位置誤差が存在するが、この誤差はテーブルの揺動に起因するものである。主軸の送り方向と工具の回転中心は常に一致しているため、形状誤差が追加で生じることはない。これは、クレードル式テーブル揺動がヘッド揺動と比較して持つ、もう一つの顕著な利点である。

5. 5軸加工の加工範囲の比較

ヘッドスイング型工作機械では、主軸がスイングするため、ワークの直径方向の加工範囲が狭まります。これは、主軸がスイングする角度分だけストロークが消費されることを意味し、その結果、5軸加工で加工可能な最大ワーク直径の範囲は、3軸加工に比べて小さくなります。一方、テーブルスイング式工作機械のテーブルのスイングは、ワークの水平方向の寸法に何の影響も与えないため、この点においては、5軸加工と3軸加工におけるワークのサイズ範囲は同じとなる。ただし、5軸加工におけるワークの最大範囲については、工作機械の構造に起因する干渉も考慮する必要があり、ユーザーは工作機械メーカーに対し、5軸加工の干渉図の提供を求め、分析・比較を行うべきである。通常、同じストロークの場合、クレードル式テーブルスイング構造を採用した工作機械は、ヘッドスイング式工作機械に比べて、5軸加工範囲がやや広くなります。

したがって、ワークテーブルが揺りかご式に揺れるタイプの工作機械は、主軸の剛性が高く、加工時の効率が優れています。この工作機械では、工具の長さが加工精度に影響を与えることはありません。また、この工作機械で加工を行う場合、形状上の誤差が生じることもありません。同じストローク条件下において、この工作機械の5軸加工の適用範囲は、ヘッドスイング式工作機械に比べてより広くなります。

振り出し式工作機械の主軸は、剛性が比較的低い状態にあるため、処理効率この点に関しては、比較的低い傾向が見られる。また、切削工具の長さが長くなるにつれて加工精度が低下する傾向がある。さらに、加工を行う際に形状上の誤差が生じる。主軸に振れが生じるとストロークが消費されるため、その結果、加工可能なワークの最大サイズが小さくなってしまう。

なお、補足として、テーブルスイング式工作機械については、ワークの自重を克服する必要があるため、ワークが重い場合は治具に対する要求がより高くなります。また、大型・重量級の部品を加工する場合、工作機械上でテーブルスイングを行うことができないため、ヘッドスイング方式を採用せざるを得ません。