3 軸 vs 4 軸 vs 5 軸 CNC 加工: あなたの部品にはどれが適していますか?

3 軸、4 軸、5 軸 CNC 加工の選択は、部品の複雑さ、セットアップ要件、加工効率、表面品質、リードタイム、および全体のコストに直接影響します。

しかし、軸が増えれば自動的に加工が改善されるわけではありません。

比較的単純なブラケット、ハウジング、プレート、または固定具の場合、3 軸 CNC 加工が最も効率的で経済的なソリューションを提供する可能性があります。複数の側面または円筒形フィーチャーの周囲で機械加工が必要な部品の場合、4 軸機械加工により位置変更が減り、生産が簡素化されます。角度のある表面、複合曲線、深い空洞、または複数のフィーチャ間の重要な関係を備えた非常に複雑なコンポーネントの場合、5 軸 CNC 加工が大きな利点をもたらす可能性があります。

このガイドでは、 3 軸、4 軸、5 軸 CNC 加工を比較し 、部品の形状、公差要件、生産量、表面仕上げ、予算に基づいて適切な加工方法を選択する方法を説明します。

簡単な比較: 3 軸、4 軸、5 軸 CNC 加工

3 軸、4 軸、5 軸 CNC 加工の主な違いは、加工中に切削工具またはワークピースが何方向に移動または回転できるかです。

3 軸機械は、X、Y、Z 直線軸に沿って動作します。 4 軸加工機では回転軸が 1 つ追加され、5 軸加工機では回転軸が 2 つ追加され、より多くの方向から切削工具がワークピースにアプローチできるようになります。

簡単に言うと:

• 選択します。 3 軸 CNC 加工を 部品の形状が比較的単純で、ほとんどのフィーチャにいくつかの方向からアクセスできる場合は、

• 選択してください。 4 軸 CNC 加工を 部品に複数の側面の加工が必要な場合、または回転機能が含まれる場合は、

• 選択してください。 5 軸 CNC 加工を 複雑な形状、角度のある形状、複数の加工方向、またはセットアップ関連の精度によって従来の加工が非効率になる場合は、

通常、正しいプロセスとは、 必要な形状、公差、表面品質、生産効率を確実に達成できる最も単純な加工方法です。.

CNC 加工軸が部品製造に与える影響

CNC 軸を理解すると、さまざまな種類の部品にさまざまな機械が適している理由がわかりやすくなります。

3 つの基本的な直線軸は次のとおりです。

• X軸: 左から右への移動

• Y軸: 前後の動き

• Z軸： 上下移動

これら 3 つの動作は、従来の 3 軸 CNC フライス加工の基礎を形成します。

多軸機械は、これらの 1 つ以上の直線軸の周りに回転運動を導入します。回転軸は、機械の構成に応じて、一般に A、B、および C として識別されます。

回転動作を追加すると、切削工具が表面にアクセスできるようになります。これがなければ、オペレータは加工を停止し、ワークピースを除去または再配置し、新しいセットアップを確立して、加工を続行する必要があります。

これは、多軸 CNC 加工の最も重要な利点の 1 つです。

繰り返しのセットアップを減らすと、ハンドリング時間が短縮され、複雑な精密部品の場合にはさらに重要なことに、作業の合間にワークピースの位置を変更するときに発生するエラーが減少します。 Haas と Autodesk はどちらも、段取りの削減が多軸および 5 軸加工の大きな利点であると認識しています。

ただし、軸の追加は、より洗練されたマシン、プログラミング、ツール戦略、およびプロセス計画を意味します。

そのため、5 軸加工機がすべての部品にとって自動的に最もコスト効率の高い選択肢になるわけではありません。

3 軸、4 軸、5 軸 CNC 加工について理解する

3軸CNC加工とは何ですか?

3 軸 CNC 加工では、X、Y、Z 軸に沿った動きを使用して、静止したワークピースから材料を除去します。

これは最も広く使用されている CNC フライス加工法の 1 つであり、アクセス可能な上面フィーチャ、ポケット、穴、スロット、平面、輪郭、および比較的単純な形状を持つ部品に非常に効果的です。

一般的な 3 軸 CNC 機械加工部品には次のものがあります。

• ブラケット

• プレート

• 備品

• エンクロージャ

• ハウジング

• 部品の取り付け

• 簡易型

• メカニカルブロック

3 軸加工の主な利点は効率です。

大規模な多面加工や複雑な工具方向を必要としない部品の場合、3 軸加工機はプログラミング時間の短縮、取り付けの簡素化、および競争力のある加工コストを実現できます。

フィーチャが複数の側面または難しい角度に配置されている場合、その制限が現れます。部品の位置を手動で変更し、複数のセットアップで機械加工する必要がある場合があります。

だからといって、3 軸加工では精密部品を製造できないというわけではありません。精度は、単に軸の数だけではなく、機械、プロセス制御、ツーリング、ワーク保持、検査、形状、および必要な公差によって決まります。

4軸CNC加工とは何ですか?

4 軸 CNC 加工により、従来の X、Y、Z 直線軸に 1 つの回転軸が追加されます。

この回転運動により、ワークピースの割り出しや回転が可能になり、手動で部品を繰り返し取り外したり位置を変更したりすることなく、追加の表面を加工できるようになります。

オートデスクは、4 軸加工は、円筒に近い部品、回転フィーチャー、およびワークピースの複数の側面へのアクセスに特に便利であると述べています。

一般的な 4 軸アプリケーションには次のようなものがあります。

• シャフト

• 円筒形ハウジング

• バルブコンポーネント

• 放射状の穴のある部品

• 複数の側面に機能を備えたコンポーネント

• 回転治具

• 複雑な括弧

• 多面機械部品

4 軸加工にはさまざまなアプローチがあります。

インデックス加工または 3+1 加工では、従来の 3 軸切削が行われている間、回転軸がワークピースを特定の角度に配置して所定の位置にロックします。

同時4軸加工では、回転軸を移動させながら切削を行うことができます。

多くの多面部品の場合、4 軸加工は従来の 3 軸加工とより高度な 5 軸加工の間の便利な中間点となります。

5軸CNC加工とは何ですか?

5 軸 CNC 加工では、3 つの直線軸と 2 つの回転軸を組み合わせます。

これにより、工具やワークピースの向きを調整できるため、難しい表面、角度のある形状、深い領域、複雑な形状に少ないセットアップでアクセスできるようになります。

一般的なアプローチは次の 2 つです。

3+2 位置加工:
回転軸がワークピースまたは工具を指定の角度に位置決めし、所定の位置にロックすると、3 軸加工が行われます。

同時 5 軸加工:
制御された 5 つの軸はすべて、切削中に一緒に動くことができるため、工具は複雑な表面に追従し、適切な方向を継続的に維持できます。

オートデスクは、同時 5 軸加工は複雑な形状に特に適しており、3+2 加工は少ないセットアップで角度のある穴や多面フィーチャーに便利であると説明しています。

一般的な 5 軸 CNC 機械加工コンポーネントには次のものがあります。

• 航空宇宙構造部品

• インペラ

• タービン関連部品

• 医療機器

• 複雑なロボットコンポーネント

• 精密金型

• 複合角のある部品

• 深いキャビティを持つコンポーネント

• 複雑なプロトタイプ

その最大の利点は単に「軸が多い」ということではありません。

本当の利点は、フィーチャ間のより一貫した関係を維持しながら、より少ない再配置操作で複雑なフィーチャを製造できることです。

3 軸 vs 4 軸 vs 5 軸 CNC 加工: 主な違い

部品の形状と複雑さ

通常、部品の形状は、CNC 加工方法を選択する際の最初の考慮事項の 1 つです。

3軸

ほとんどの加工フィーチャーが直接的な方向から到達できる、比較的単純な形状または中程度に複雑な形状に最適です。

例としては次のものが挙げられます。

• 平面

• ポケット

• スロット

• 縦穴

• 基本的な輪郭

• 簡易筐体

4軸

パーツの円周に沿って、または複数の側面にわたってフィーチャーを加工する必要がある場合に、より適しています。

例としては次のものが挙げられます。

• ラジアル穴

• 円筒形の特徴

• 複数の側面

• 回転パターン

5軸

通常、ジオメトリに複数のツール アプローチ角度が必要な場合に価値があり、そうでなければ多くの個別のセットアップが必要になります。

例としては次のものが挙げられます。

• 複合表面

• 斜めの穴

• 深い空洞

• 彫刻された表面

• 複数の交差する角度のあるフィーチャ

• 複雑な航空宇宙または医療の幾何学形状

便利なルールは次のとおりです。

固定工具方向からフィーチャーにアクセスするのが難しくなるほど、多軸加工の価値が高まります。

セットアップ数

段取りの削減は、3 軸 CNC 加工と多軸 CNC 加工の実質的な最大の違いの 1 つです。

5 つの異なる面での機械加工が必要なコンポーネントを想像してください。

従来の 3 軸加工では、オペレータは次のことを行う必要がある場合があります。

1. 最初の方向を機械加工します

2. 機械を停止してください

3. パーツを削除または再配置する

4. 別のデータムまたは治具の位置を確立します

5. 次の方向を加工します

6. すべての機能が完了するまで繰り返します

セットアップを追加するたびに処理時間が追加され、位置決めのバリエーションがさらに増える可能性があります。

4 軸または 5 軸加工では、部品を同じワーク保持配置に保ちながら、より多くの表面に到達できます。

複雑な部品の場合、これにより、セットアップ操作と生産処理を軽減しながら、フィーチャー間の一貫性が向上します。

ただし、単純な部品の場合、段取りの削減による経済的利点はほとんどない可能性があります。

精度と公差の管理

よくある誤解は次のとおりです。

「5 軸 CNC 加工は常に 3 軸加工よりも正確です。」

それは必ずしも真実ではありません。

適切に制御された 3 軸 CNC 加工プロセスにより、高精度の部品を製造できます。

多軸加工の本当の利点は、そうでなければ複雑な部品に複数の独立したセットアップが必要となる場合に、より明らかになります。

部品の位置が変更されるたびに、位置決め、クランプ、データムの確立、または治具の状態の小さな変化がフィーチャー間の関係に影響を与える可能性があります。

5 軸加工は、1 つのセットアップでより多くのフィーチャを加工することで、セットアップに関連した位置の変動を減らすのに役立ちます。

したがって：

• 簡易精密部品： 3軸でも全然大丈夫です。

• 多面精密部品: 4 軸により効率と一貫性が向上します。

• 複雑なマルチアングル精密部品: 5 軸は、セットアップと位置に大きな利点をもたらします。

必要なプロセスは、軸が多いほど自動的に品質が高くなるという仮定ではなく、常に実際の描画公差とジオメトリによって決定される必要があります。

表面仕上げ

工具の方向も表面仕上げに影響を与える可能性があります。

比較的単純な平面やポケットの場合、3 軸加工により優れた仕上げを実現できます。

複雑な曲面や急勾配の表面では、工具の向きが固定されているため、次のことが必要となる場合があるため、課題はより顕著になります。

• 長い切削工具

• 小さなステップオーバー

• 複数の加工方向

• 追加のセットアップ

• さらに二次研磨

5 軸加工により、工具は複雑な表面に対してより好ましい方向を維持できます。

これにより、より短くてより剛性の高い工具を使用できるようになり、振動が軽減され、難しい形状の表面品質が向上します。オートデスクは、複雑なコンポーネントに対する 5 軸加工の利点として、特に表面仕上げと短くてより剛性の高い工具に注目しています。

したがって、この利点は 複雑な表面で最も顕著であり、必ずしもすべての CNC 機械加工部品で得られるわけではありません。

生産効率

加工効率には切削速度だけではありません。

総製造時間には次のものが含まれる場合があります。

• CAMプログラミング

• 工具の準備

• 治具の準備

• 機械のセットアップ

• カット時間

• 再配置

• 工程内検査

• 最終検査

• 二次的な操作

3 軸加工機は時間当たりの稼働コストが低い可能性がありますが、6 回のセットアップを必要とする複雑な部品の場合、最終的には製造に時間がかかる可能性があります。

5 軸加工機の時給は高くなる可能性がありますが、同じ部品を大幅に少ないセットアップで完成させることができれば、全体的な製造効率が向上する可能性があります。

そのため、CNC プロセスの選択では、機械の速度だけでなく、 総生産時間を考慮する必要があります。

CNC加工コスト

一般に、機械の複雑さが増すと、時間あたりの加工コストとプログラミング要件が増加する可能性があります。

ただし、CNC 加工コストは軸数以外にも大きく影響されます。

重要なコスト要因には次のようなものがあります。

• 部品の形状

• 材料

• 許容範囲

• セットアップ数

• プログラミングの複雑さ

• サイクルタイム

• 切削工具

• ワークホールディング

• 表面仕上げ

• 検査要件

• 生産量

単純なアルミニウム ブラケットの場合、5 軸加工を使用しても経済的なメリットはほとんどない可能性があります。

ただし、多くの角度の付いたフィーチャを必要とする複雑な航空宇宙コンポーネントの場合、5 軸加工により、高い機械加工率を相殺するのに十分なほど、治具、セットアップ、手作業、および再加工のリスクが軽減される可能性があります。

したがって、正しい質問は次のとおりではありません。

「時給が一番安い機械はどれですか？」

それは次のとおりです。

「最も低い総製造コストで必要な部品を最も確実に生産できる加工戦略はどれですか?」

3 軸 CNC 加工を選択するのはどのような場合ですか?

次の場合は 3 軸 CNC 加工を検討してください。

• パーツの形状は比較的単純です

• ほとんどの機能は 1 つまたはいくつかの方向からアクセスできます

• フィーチャーは角度を付けて工具を連続的に動かす必要がありません

• コスト効率が最優先です

• 必要に応じてパーツの位置を簡単に変更できます

• 生産量に応じて、シンプルで再現可能な治具が正当化されます

典型的な部品には次のようなものがあります。

• 取付金具

• プレート

• 機械設備

• 電子機器の筐体

• ヒートシンク

• カバー

• メカニカルブロック

• 単純なプロトタイプ

多くの場合、追加コストを正当化するのに十分なセットアップを削減せずに、軸を追加すると機械やプログラミングが複雑になる場合、3 軸加工が最良の選択となります。

4 軸 CNC 加工がより良い選択となるのはどのような場合ですか?

4 軸 CNC 加工は、部品が複数の側面の周りにアクセスする必要がある場合、または回転軸の周りに分散されたフィーチャが含まれる場合に魅力的になります。

次のような場合には 4 軸加工を検討してください。

• 円筒面の周囲に穴またはスロットが現れる

• 複数の側面に機械加工が必要です

• 手動で位置を変更するとセットアップ時間が長くなります

• 回転パターンを繰り返し加工する必要がある

• サイド間のフィーチャ間の位置合わせが重要です

• 完全な 5 軸プロセスは不要になる

典型的なアプリケーションには次のようなものがあります。

• ラジアル機能付きシャフト

• バルブコンポーネント

• 円筒形ハウジング

• 多面ブラケット

• 回転コンポーネント

• 複数の面の周囲に機械加工が必要な治具

多くのコンポーネントにおいて、4 軸 CNC 加工は、3 軸のシンプルさと 5 軸加工の柔軟性の間の効果的な妥協点を提供します。

5 軸 CNC 加工に追加コストがかかるのはどのような場合ですか?

5 軸加工は、単に「より優れた加工」を求めるのではなく、追加の工具アクセスが必要な形状の場合に最も価値があります。

部品に以下が含まれる場合は、5 軸 CNC 加工を検討してください。

• 複数の角度のある表面

• 複合曲線

• 深い空洞

• 難しい方向のフィーチャ

• 複雑な表面遷移

• 異なる面上のフィーチャー間の重要な関係

• 従来の装置では多くのセットアップが必要な形状

これは、複雑な航空宇宙、医療、自動車、ロボット工学、金型、および高性能産業用コンポーネントによく役立ちます。

ハース氏は、同時 5 軸加工により操作とセットアップを削減できると同時に、生産実行全体での適合性が向上すると指摘しています。

ただし、単純な部品を 5 軸機械に自動的に移動するべきではありません。

3 軸加工機が 1 つまたは 2 つの簡単なセットアップでコンポーネントを確実に製造できる場合、それがより経済的な選択肢である可能性があります。

5 軸加工は、セットアップの削減、アクセスの改善、治具の簡素化、または複雑な形状の加工により、追加の機械コストやプログラミング コストよりも大きな価値が生み出される場合、追加コストを支払う価値があります。

部品に適した CNC 加工方法を選択する方法

3 軸、4 軸、5 軸 CNC 加工の選択は、機械ではなく図面から始める必要があります。

次の 6 段階のプロセスを使用します。

ステップ 1 — 部品の形状を評価する

まずは全体の形を見てみましょう。

聞く：

• その部分はほとんど角柱ですか?

• 複数の側面が加工されていますか?

• 曲面や彫刻面はありますか?

• 斜めの穴はありますか？

• 深い虫歯はありますか？

• 垂直切削工具では到達するのが難しいフィーチャはありますか?

通常、単純な形状では 3 軸加工が好まれます。

多面または回転ジオメトリでは 4 軸が優先される場合があります。

複雑な複数の角度のジオメトリでは 5 軸が正当化される場合があります。

ステップ 2 — 必要な加工方向を特定する

切削工具が部品に何方向からアプローチする必要があるかを考慮してください。

ほぼすべての機能に上部からアクセスできる場合は、3 軸で十分な場合があります。

部品の側面付近に繰り返しアクセスする必要がある場合、4 軸を使用すると手動での位置変更が不要になる場合があります。

さまざまな角度からフィーチャに到達する必要がある場合、5 軸がますます便利になります。

ステップ 3 — 許容要件の確認

個々の寸法公差だけを考慮しないでください。

次のような機能間の関係に特に注意してください。

• 位置

• 同心

• 直角度

• 角度関係

• データム関係

厳密に制御されたフィーチャが複数の異なる面に存在する場合、設定を減らすと位置関係を維持できる場合があります。

これが、多軸加工が複雑な精密部品にとって価値がある理由の 1 つです。

ステップ 4 — セットアップの削減を検討する

各加工戦略に必要なセットアップの数を見積もります。

例えば：

3 軸: 4 ～ 6 セットアップ
4 軸: 2 ～ 3 セットアップ
5 軸: 1 ～ 2 セットアップの可能性

これらの数値は単なる例であり、実際の結果は部品の形状と機械の構成に完全に依存します。

多軸加工に移行することで、いくつかの複雑な治具や位置変更作業が不要になれば、製造効率が大幅に向上する可能性があります。

ステップ 5 — 生産量とコストを比較する

1 回限りのプロトタイプの場合、プログラミングとセットアップのコストが総コストの大部分を占める可能性があります。

繰り返し生産では、サイクルタイム、治具の効率、自動化、再現性、プロセスの安定性がますます重要になります。

したがって、1 つのプロトタイプに最適なプロセスが、10,000 個の部品に最適なプロセスであるとは限りません。

生産戦略では、次の両方を考慮する必要があります。

初期設定コスト と 繰り返し生産効率.

ステップ 6 — 表面仕上げ要件の確認

複雑な表面は機械の選択に影響を与える可能性があります。

部品がブレンド マークを最小限に抑えた滑らかな複合曲線を必要とする場合、多軸ツールパスを使用すると、工具の向きがより適切になり、加工遷移が少なくなる可能性があります。

部品が主に平坦な機能面で構成されている場合は、従来の機械加工で完全に十分な場合があります。

実際の CNC 加工例

次の例は、部品の形状がプロセスの選択にどのように影響するかを示しています。

これらの推奨事項は、固定ルールではなく出発点として考慮される必要があります。

同じ種類の部品であっても、寸法、公差、材料、数量、フィーチャーへのアクセス可能性、および検査要件に応じて、異なる加工戦略が必要になる場合があります。

CNC 加工プロセスを選択する際のよくある間違い

軸が多いほど常に品質が向上すると仮定する

5 軸加工機はより柔軟ですが、柔軟性は自動精度と同じではありません。

単純な形状の場合、適切に制御された 3 軸プロセスにより、すべての寸法要件と表面要件を満たすことができます。

測定可能な製造上の利点が得られる場合は、追加の軸を選択します。

単純な部品には 5 軸加工を選択する

3 軸装置で効率的に生産できるコンポーネントに高度な装置を使用すると、プログラミングと機械のコストが不必要に増加する可能性があります。

目標は、単に入手可能な最先端のマシンを使用することではなく、常にプロセスの効率化である必要があります。

セットアップ関連の精度を無視する

複雑な部品は 3 軸機械でも技術的には可能ですが、いくつかのセットアップが必要です。

異なる面上のフィーチャに重要な位置関係がある場合、位置変更を繰り返すとプロセス制御がより困難になる可能性があります。

このような状況では、多軸加工がより大きな価値をもたらす可能性があります。

機械の時給のみに注目

時間当たりの機械料金が低いからといって、完成品のコストが自動的に下がるわけではありません。

比較する：

• セットアップ時間

• 器具の数

• サイクルタイム

• オペレーターの対応

• 検査

• ツーリング

• 手戻りリスク

• 総生産時間

最低の総プロセスコストは、最低のマシンレートよりも重要です。

将来の生産要件を無視する

5 つのプロトタイプに最適化された加工戦略は、5,000 個の生産部品には理想的ではない可能性があります。

設計が繰り返し製造に移行する場合は、プロトタイプの段階で拡張性を考慮してください。

これにより、プロトタイプから本番環境への移行がよりスムーズになります。