CNCフライス盤の完全ガイド

航空宇宙分野や医療業界、あるいは電子産業で働いている方、あるいは単に複雑な金属部品の製造プロセスに興味をお持ちの方なら、CNCフライス加工という言葉を耳にしたことがあるかもしれません。

金属成形工具には多種多様な種類があり、用途も様々であるため、CNCフライス加工について適切な理解を持つことは非常に困難です。このような状況により、CNCフライス盤の選定が難しくなるだけでなく、その動作原理を理解することも困難になります。

これはCNCフライス盤に関する完全ガイドです。この記事では、このテーマに関連するあらゆるよくある質問への回答が得られます。

CNCフライス盤とは何ですか？

コンピュータ数値制御（CNC）は、その略称としてCNCと呼ばれるため、金属部品を高精度で切削するためのコンピュータ制御機械は、CNCフライス盤またはマシニングセンターと定義される。

この機械は、用意された材料を用いて、商業用および工業用の部品を製造するために使用されます。部品は金属製、プラスチック製、セラミック製、あるいは複合材料製のものがあります。

機械部品の製造に使用できるCNCフライス盤。これらの部品は軸方向から見ると非対称であり、特定の部品の独特な曲率や表面形状に応じて、穴あけ、タップ加工、溝切り、切り欠き、およびその他の加工要素の組み合わせが必要となる場合がある。

CNCフライス盤は、さまざまな素材の複雑な部品を大量生産する際に広く利用されています。

CNCフライス盤はどのように動作するのでしょうか？

材料の切削そのもの、すなわちCNCフライス盤の加工工程は、事前プログラミングと部品準備の2つの要素から成り立っている。

事前プログラミング

CNCフライス加工において、フライス盤に接続されたコンピュータにインストールされた事前プログラミング済みのCADソフトウェアは、機械の軸の動きを決定する役割を果たします。これを実行するためには、GコードおよびMコードを用いたプログラミングによってフライス盤への指令を記述することが不可欠です。

CNC工作機械を直接制御するために使用されるこのソフトウェアのプログラミング言語はGコードであり、その記述方法は論理的であり、幾何学的形状を変更するコマンドを指示する役割を担っています。つまり、Gコードによって機械は軸の幾何学的座標を変更することができるのです。

Mコードは、逆に言えば、非幾何学的機械機能を担っており、その中には主軸の回転開始・停止、パレットの交換、クーラントのオン・オフなどが含まれる可能性があります。MコードはGコードに比べて、より高いカスタマイズ性を備えています。

適切にプログラミングされたソフトウェアがなければ、CNCフライス盤を正しく操作することは不可能であり、これは部品の準備にも関わる。

切削加工はCNCフライス盤の主要な機能であり、高精度な部品の製造を目的としています。

円筒形の切削工具が複数の軸に沿って回転する。この動作は、フライス加工の一般的な原理を説明するものであり、これによりワークピースに溝や穴、細部を形成し、最終的にワークピースを専用部品へと加工することができる。

工具を取り付けた「主軸」と呼ばれる部分は、CNCフライス盤の可動部であり、垂直方向または水平方向に位置決めが可能です。このような構成により、切削工具はワークの任意のXYZ位置に到達し、切削や成形を行うことができます。

ワークピースを固定するか、作業台に取り付けるか、あるいは工具を直線方向に動かして主軸の位置に合わせ、ワークピースを保持します。この工程を実行することで、ワークピースから材料を除去し、所望の形状を得ることができます。

事前プログラミングにより、CNC工作機械のその後の操作が可能となり、その結果、完成した部品が得られる。

CNCフライス加工と手動フライス加工は同じものですか？

CNCフライス加工が発明される以前は、部品の成形は手動のフライス工具に頼るしかありませんでした。コンピュータ制御によるフライス加工が普及した現在でも、一部のメーカーでは依然として手作業によるフライス加工を採用しています。以下の2つの手法の比較をご覧ください。CNCフライス加工。

コンピュータ数値制御（CNC）機械を用いた、人の介入をほとんど必要としない金属ワークピースの部品加工手法である「CNCフライス加工」は、非常に先進的な技術です。また、CNCフライス加工には以下の顕著な特徴があります：

高精度。CNCフライス加工により、可能な限り高い精度で部品を製造することができます。

一貫性。CNC工作機械は、同一の寸法を持つ部品を繰り返し製造することができます。

コンピュータ制御の機械は、稼働中に人の介入を必要としないため、従業員の安全を全面的に確保でき、したがって安全性が高い。

コスト効率の面では、CNCフライス盤の購入と設置には多額の初期投資が必要ですが、手動式フライス盤ほど多くの作業員を必要とせず、またコンピュータ制御のこの機械は廃棄物の発生も少ないため、長期的にはよりコスト効率に優れています。

生産性が高く、CNCフライス盤は数千点規模の大量注文の生産に極めて適しています。この製造工程は自動化されており、作業にかかる時間が比較的短く済みます。

手動フライス加工

この「人力による」フライス加工は「手作業によるフライス加工」と呼ばれ、作業員自身が手作業で金属成形を行うために特別に設計された工具を使用することを意味します。この加工法には、以下のような極めて顕著な特徴があります：

コスト削減。手動機械とその部品は、CNC機械よりも安価です。

手動研磨機はメンテナンスが簡単で、操作も比較的簡単で複雑ではありません。しかし、その性能は操作者の技能に大きく左右され、また操作者の経験にも大きく依存します。

製造スピードが速く、短納期生産に適しています。手動フライス加工の場合、製造を開始する前に必要な準備作業はそれほど多くなく、プログラミングのような準備作業にも多大な労力を費やす必要がありません。そのため、小ロットの注文でも迅速に完了させることができます。

より先進的な材料切削方法であるCNCフライス加工は、人手による介入を最小限に抑えつつ、高品質な部品を大量生産することができる。一方、手作業によるフライス加工を基盤とする製造業者によって生産される部品は、精度は低いものの、所要時間は短くなります。これら2つの方法は技術的には同じ成形プロセスを採用していますが、互いに顕著な違いがあります。CNCフライス盤とCNC旋盤。

コンピュータ制御の工作機械には、CNCフライス盤とCNC旋盤があります。これらは同様の目的で用いられるため、その特徴が混同されがちです。以下を読み進め、これら2つの工作機械におけるCNC技術上の違いについて理解を深めてください。

CNCフライス盤

CNCフライス盤では、ワークは所定の位置に固定され、切削工具が材料の上部を移動します。高速CNCフライス盤では、回転する切削工具が徐々に材料を削り取り、ワークを成形します。CNCフライス加工の工具応用技術には、外径切削、穴あけ、面取り、内径切削、中空加工、および球面・円形成形が含まれます。CNCフライス盤は柔軟性が高く、非対称な設計にも対応可能です。また、CNC旋盤もあります。

「CNC旋盤」と呼ばれる機械があります。これは、ワークを軸上で回転させながら切削工具を用いて成形加工を行い、ワークを成形するものです。その目的は、様々な材料を用いてより長い部品を製造することにあり、この機械は軸対称の部品の加工に特に適しています。

CNC旋盤は、その工具を用いて研削、ヘミング、切断、ローレット加工、穴あけなどの加工を行うことができる技術です。Y軸やサブスピンドルなどの追加オプションを備えた旋盤は、CNC旋盤加工センターと呼ばれます。要するに、CNCフライス盤は固定されたワークピースに対して回転工具を使用するのに対し、CNC旋盤の加工は材料自体を回転させて行われます。CNCフライス盤と比較すると、CNC旋盤の汎用性は比較的低いと言えます。

CNCフライス盤の主な構成部品にはどのようなものがありますか？

CMCフライス盤は、多数の部品から構成される複雑な工作機械です。

CNCマシニングセンターの一部である主軸は、ワークを軸上で回転させる役割を果たします。これは、モーター、工具を保持するためのテーパー部、および軸本体で構成されており、CNCコントローラからの動作指令を受け取ります。

X、主要な回転軸はY軸とZ軸です。これらはCNCコントローラによって駆動され、Gコードを用いてプログラミングされます。

作業台は、ワークを固定する役割を果たす構成部品であり、堅固な土台となります。通常、T溝が設けられており、このT溝を利用して万力、治具、またはワークのクランプなどの装置を取り付けることができます。

エンドミルを正確かつしっかりと所定の位置に固定する部品は「ツールホルダー」と呼ばれ、クイックチェンジタップホルダー、特注ホルダー、テーパー工具などがその例として挙げられます。

治具とは、吊り具を固定する機構の一種であり、加工作業の際に部品や関連する固定装置を固定することができる。

機械インターフェース。コンピュータ制御のフライス加工センターは、その制御パネルによって操作されます。この制御パネルには主要な電子機器が搭載されており、プログラムに基づいて切削機能を実行します。CNC制御パネルには、モニターとプログラミング用ボタンが備わっています。

CNCフライス盤で使用される工具にはどのようなものがありますか

CNCフライス盤で使用される切削工具やフライス工具は、ワークピースから材料を除去するのを助ける装置であり、このプロセスは「せん断変形」と呼ばれます。鋭利な工具が高速で回転し、微細な粒子を切削して排出します。以下に挙げる各種切削工具は、CNCフライス盤の多機能性を実現するものです。

エンドミルと呼ばれる切削工具があります。これは最も広く使用されているタイプで、立型CNCフライス盤と組み合わせて使用されます。その先端と側面には、切削専用の刃が設けられています。

荒加工用のエンドミルは、鋸歯状の刃を持つエンドミルナットのような形状をしており、その目的は、それほど高い精度を求めずに、材料の大部分を削り取ることにある。

交換可能な刃先を備えた工具の一種として、「面フライス」と呼ばれるものがあり、その目的は、被削材の表面を平坦に仕上げることにある。

フライカッターは中実の形状をしており、内部に1本または2本の切削工具が組み込まれており、広範囲にわたる、所定の形状に切削された、滑らかな表面仕上げを実現することができます。

「ねじ切りフライス」と呼ばれるフライスがあり、これは硬質材料の切削や、非対称部品のめねじ、さらには非対称部品の雄ねじの切削に広く用いられています。

穴あけなどの切削作業に使用される工具は「ドリル」と呼ばれ、その中にはタペストリードリル、センタードリル、エジェクタドリルなどが含まれます。これらのドリルは、1つまたは複数の溝を備え、同時に1つの円錐形の切削刃を有しています。

「リーマー」と呼ばれる工具があり、これを使用することで既存の穴を拡大し、その内面加工を行うことができます。この穴を拡大する工程は、「リーマ加工」と呼ばれます。

逆さフライスに似た中空砥石で、完全な点を形成したり、半径を形成したりするために使用されます。

「サイドカッター」と呼ばれるこのフライスは、側面と周面の両方に刃が設けられており、溝や凹みなどの不均一な切削加工を行うことを目的としています。

スラブ工場。スラブ用フライスには側歯がなく、平面の切削に使用される。

多種多様なワークピースの成形に必要な加工を確実に行うため、切削工具のラインナップは、ワークピースの複雑さにかかわらず、あらゆる設計の加工プロセスに対応しています。

CNCフライス盤にはどのような種類がありますか？

現代の市場には、多種多様なCNCフライス盤が登場しています。これらのCNCフライス盤は、それぞれ異なる用途に適しており、以下にその一覧を示します。

横型フライス盤。これらのセンターは回転しながら、部品から材料を削り取ります。

立型フライス盤には、垂直方向への移動機構が備わっている。この移動は比較的単純で、3軸の垂直中心軸に沿って、重力方向に行われる。この種のフライス盤はCフレーム式機械とも呼ばれ、従来型の機械とみなされている。

追加の軸を備えた機械の中には、CNCマシンの能力を拡張する多軸フライス盤があり、4軸、5軸、6軸、さらには7軸といった機種も珍しくありません。また、こうした機械が極めて複雑な部品を効率的に加工できることは、広く知られています。

タレット型フライス盤に関しては、そのタレット式主軸には固定された主軸という特徴があり、これは、主軸が可動式あるいは固定式の立形フライス盤の主軸とは異なる点である。また、タレット式フライス盤のテーブルは、主軸の軸線に対して垂直方向に移動することで切削が可能となる一方で、主軸の軸線に対して平行方向に移動することでも切削が可能となる。

ベッド型フライス盤は、タレット型フライス盤よりも堅牢であると見なされており、そのテーブルは主軸に対して垂直に移動するのではなく、垂直とは対照的に平行に移動する。

移動し、コラム形状をしたフライス盤、つまりCNCフライス盤のことですが、そのワークテーブルやワークは静止したまま動かない状態にあります。一方、移動コラムは3方向の直線軸運動を行います。この移動コラムは、主軸と切削工具が一体となった構造になっています。

2軸フライス盤や多軸フライス盤といった、複数の主軸を備えた横型または縦型のフライス加工センターは、先進的なフライス盤の一種と見なされています。これらは通常、パレットチェンジャーを装備しており、その目的は、加工前の部品を加工センターへ搬入し、完成したワークを加工センターから取り出すことにあります。

製造する部品の種類に応じて、CNCフライス盤の機種を慎重に選択することが極めて重要です。

CNCフライス加工プログラムはどのように作成するのでしょうか？

CNC工作機械に不可欠なフライス加工プログラムや、そのプログラミングに使用されるCAD（コンピュータ支援設計）ソフトウェアについて、その目的、機能、および2つの構成要素を前述しました。CNCフライス加工プログラムを実際に作成する方法やGコードの記述に関するより高度な情報については、以下をお読みください。ただし、その前に基礎知識をしっかりと理解しておく必要があります。CNC工作機械の座標系には、X、Y、Zの3つの軸があります。CNCフライス盤の平面名は、下図の通りです。

Gコードを作成する必要があります。「G」の直後に数字が続く形式で、これは機械に形状を変更させるためのコマンドです。例えば、このコードは「-120.Y-5」のような形式になります。この例において、「G00」は高速かつ非切削移動を意味し、「G58」は作業座標系に属します。「X-120」はX軸上で-120mmの位置へ移動するコマンドであり、「Y-5」はY軸上で-5mmの位置を指します。Gコードはコマンド構造の一部であり、Mコードとは切り離されたものではなく、Mコードを記述する必要があります。

一連の補完的な機能があり、これらは材料の切削とは直接関係がなく、CNC工作機械によって実行されます。このような機能を実行するためのMコードは、通常のMコードと類似点があります。Mコードは、「M」と数字の組み合わせで構成されています。コマンドの例としては、「M00」はプログラムの停止、「M06」は工具交換、「M30」はプログラム終了（リセット）などを意味します。