適切なCNC工作機械はどのように選べばよいでしょうか？

代表的な被加工物を定義する

CNC型機械にはさまざまな種類があり、それぞれ特定の用途範囲において最高の性能を発揮します。したがって、機械を購入する際の第一歩は、その機械が処理しなければならない代表的なワークピースと加工工程を明確にすることです。.

自社の近代化計画または生産開発計画に基づき、どの工程をCNC装置に移行させるかを特定し、グループ分けの手法を用いて対象となる部品を分類します。部品のサイズや総作業量は大きく異なる可能性があるため、実用的な代表的なワークピースのセットが確立されるまで、グループ分けを精緻化してください。.

機械の形式ごとに、それぞれ特徴的な用途があります。横型マシニングセンターは、ハウジング、ポンプ本体、バルブ本体、シェルなどの加工に適しているのに対し、縦型マシニングセンターは、主に片面から加工されるカバー、プレート、シェル、フラットカムなどの加工に適しています。横型センター用のワークを縦型センターで加工する場合、治具や基準点の変更が必要となり、効率や精度が低下する可能性があります。 一方、立形マシニングセンター用のワークを横形マシニングセンターで加工する場合、アングルプレート治具が必要となり、システムの剛性が低下する可能性があります。同等のサイズの横形マシニングセンターは、80%から100%ほど高価であり、運用コストも高くなりますが、 しかし、その幅広い加工範囲により、工場内の機械構成は概ね60%～70%の水平型マシニングセンターと、30%～40%の垂直型マシニングセンターという割合になることが多い。.

機械のサイズと容量を選択してください

工作機械のサイズを決定する主な基準は、制御軸の移動範囲と主軸モーターの出力である。.

X軸、Y軸、Z軸の移動範囲によって、加工可能な領域が決まります。通常、ワークピースはこの範囲内に収まる必要があります。450 × 450 × 450 mmのハウジングの場合、500 × 500 mmのテーブルを備えたマシニングセンターであれば、治具を設置するスペースを確保できます。 このテーブルサイズの機械では、通常、X軸の移動範囲が700～800 mm、Y軸が550～700 mm、Z軸が500～600 mmとなります。.

必要な加工領域が許容範囲内にある場合でも、部品が軸の移動範囲を超えることがある場合があります。購入者は、テーブルの積載量、工具交換のためのクリアランス、および回転中のワークピースと機械のガードや付属品との干渉について、必ず確認する必要があります。.

主軸出力は切削能力、ひいては切削剛性を示す指標となります。最新の加工センターでは、高出力の可変速ACまたはDCモーターが採用されていますが、回転数が低下するとモーターの出力も低下するため、低速域での利用可能なトルクは制限される場合があります。したがって、大径加工や大量の切削、特に中ぐり加工を行う場合は、低速時のトルクを確認する必要があります。 高速・軽負荷型のCNC旋盤と、同じ公称サイズの従来型旋盤とでは、スピンドル出力が数倍も異なる場合があります。選定にあたっては、ブランク余裕、必要な切削速度、目標精度、および利用可能な工具を考慮する必要があります。.

少数の特殊な部品について、3つの直線軸では加工が完了できない場合、回転軸A、B、またはC、あるいは補助軸U、V、またはWが必要となるため、特殊な機械の注文が必要になることがあります。.

必要な機械の精度を選択してください

代表的な部品の重要寸法に基づいて、精度クラスを選択してください。マシニングセンターは、一般的に標準クラスと精密クラスに分類されます。.

位置決め精度と繰り返し精度は、各軸の可動部品による誤差が複合して生じます。繰り返し精度は、軸がその全可動範囲にわたって任意の位置に一貫して戻ることができるかどうかを示すため、特に重要です。CNC制御装置では、多くの場合、ピッチ誤差およびバックラッシュの補正機能が備わっています。 これらの機能により、安定した系統誤差は補正できますが、駆動のデッドゾーン、クリアランス、弾性変形、接触剛性の変化、テーブルの荷重、移動距離、または位置決め速度によって生じるランダムな誤差を完全に補正することはできません。したがって、高い再現性を実現するには、依然として堅実な機械設計と調整が不可欠です。.

円形補正精度は、サーボ追従性能とCNC補正を合わせて評価するものです。 小型または中型の工作機械では、通常直径200～300 mmの標準的な円筒形試験片を仕上げ用エンドミルで加工し、真円度測定器で測定します。最大および最小のエンベロープ円間の半径方向の差が、円形精度を表します。.

全ストロークにわたる一連の位置決め誤差が、全ストロークの位置決め誤差エンベロープを形成し、位置決め精度を決定づける。.

工作機械の位置決め精度は、関連する部品の精度を推定するために利用できます。例えば、1軸の動作によって加工される2つの穴の中心間距離の精度は、プロセス要因も影響しますが、単軸の位置決め精度の1.5倍から2倍程度になる場合があります。 一般的なマシニングセンターでは、通常、グレード8の部品をロット生産できますが、精密マシニングセンターでは、グレード6からグレード7の部品を生産することができます。.

一般的な CNC フィードドライブの多くはセミクローズドループ制御を採用しており、ボールねじの熱膨張を直接検出することはできません。ボールねじの線膨張係数は約 11.2 × 10^-8/Kの場合、連続運転中に局所的な温度が1°C～2°C上昇すると、機械の原点およびワーク座標系がずれる可能性があります。ワーク原点がボールねじの固定端から約400 mm離れている場合、2°Cの上昇により約8.9 µmのドリフトが生じます。 両端の穴を加工するためにハウジングを180°ずつ回転させる水平センターでは、これにより同軸度誤差が2倍になる可能性があります。ボールねじに予張力をかけることで熱誤差を低減し、駆動剛性を高めることはできますが、コストは上昇します。機械の精度だけでは不十分であり、適切な工程計画も必要です。.

CNCシステムを選択してください

CNCは、機械および用途に適合している必要があります。.

制御装置を機械の種類に合わせて選択してください

制御システムは、旋削、フライス加工、中ぐり、研削、パンチング、その他の加工工程に対応するように構成されています。お使いの機械の種類に適したバージョンをお選びください。.

設計目標に合わせた性能を実現する

利用可能な制御装置は、性能や価格において大きく異なります。歴史的な例を挙げると、FANUC 15制御装置では、1 µmの指令増分において最大240 m/minの切削送り速度を実現できたのに対し、FANUC 0制御装置では24 m/minにとどまっていました。 20 m/minしか必要としない一般的な工作機械の場合、より高価なシステムを導入してもメリットはほとんどありません。単に最新のものや最高スペックのものを選ぶのではなく、性能とコストを総合的に評価してください。.

その機械に必要な機能のみを選択する

選択したシステムには基本機能が含まれていますが、オプション機能は追加費用がかかります。機械の実際の性能要件に基づいてオプションを選択してください。同時に、初期発注時に必要な機能をすべて指定してください。 ピッチ補正や工具オフセット機能を省略した場合、試運転中に修正することが不可能になるか、あるいは多額の費用がかかる可能性があります。また、工場にすでに導入されているのと同じ制御モデルを使用することで、操作、プログラミング、およびメンテナンスも簡素化されます。.

機械の機能と付属品を選択する

フィードサーボモーター

一般的な送り駆動装置には、ステッピングモーター、DCサーボモーター、ACサーボモーターなどがあります。ステッピングモーターは安価ですが、最高速度が約6～8 m/min、最小分解能が約0.01 mmと性能に制限があり、低速時に振動しやすいという特徴があります。主に経済的な開ループシステムで使用されています。 DCサーボは広く使用されており、ACサーボよりもコストが低いですが、応答性が劣り、ブラシや整流子があるため故障リスクが高くなります。現在、CNCの用途ではACサーボが主流となっています。.

サーボの出力は、減衰および慣性負荷によって異なります。以下の点を確認してください：

1. 全回転数範囲にわたって、無負荷トルクは連続定格トルク範囲内に収まります。.
2. 最大負荷トルク、負荷サイクル、および過負荷時間は、モーターの許容特性の範囲内に収まります。.
3. 加速トルクおよび減速トルクは、間欠運転領域の範囲内に収まっている。.
4. 頻繁な始動・停止や周期的な負荷がかかっても、実効トルクは連続定格トルクを下回ります。.
5. 負荷慣性によって、モーターの感度やサーボの精度が損なわれることはありません。.

ローターの慣性モーメントを下回る負荷慣性モーメントの影響はほとんどありませんが、ローターの慣性モーメントの約3倍以上の慣性モーメントがあると、応答性が著しく低下し、サーボアンプが正常に制御できなくなる可能性があります。.

スピンドルモーター

スピンドルモーターの選定にあたっては、切削出力、切削速度、および最大低速トルクの要件を満たす必要があります。また、加速・減速時の出力を最大出力以下に抑え、頻繁な始動・停止時の平均出力を連続定格出力以下に保ち、定速切削出力と加速出力の合計が利用可能な出力の範囲内にとどまるようにする必要があります。.

実用的なアクセサリー

直ちに稼働させるために必要な安価な付属品を構成するとともに、実用的な場合は互換性のある装置を複数の機械間で共有する。対話型プログラミングやダイナミックグラフィックスといった高価な制御機能については、機械上でのプログラミングは生産時間を消費するため、機械外でのプログラミングによる代替案と比較検討する。 自動測定、タッチプローブ、および工具の摩耗・破損検知機能については、斬新さよりも、実績のある信頼性を重視して選定すべきである。.

冷却、保護、および切りくずの除去についても、多くの運転上の不具合がこれらのシステムに起因するため、細心の注意を払う必要があります。 マルチノズル式冷却液供給システムや密閉型ガードは、単純なパイプやシールドよりも、さまざまなサイズのワークや高速切削に対応できます。生産量に見合った容量を選択してください。周囲温度が38°Cから40°Cの場合、半導体製造を確実に稼働させるためには、電気キャビネット用エアコンが不可欠となる場合があります。.

CNC ツーリングシステムを選択してください

自動工具交換装置およびマガジン

自動工具交換装置（ATC）は、マシニングセンター、旋盤センター、および自動パンチ交換機能を備えたCNCパンチプレスにとって不可欠な装置です。機械投資額の30%から50%を占めることもあります。その主要な性能指標は、工具交換時間と故障率です。 現場での実績によると、マシニングセンターの故障の半数以上はATCに起因しているため、用途を満たす最もシンプルで信頼性の高い設計が、通常は最善の選択となります。.

マガジンの収容能力は、20本未満から40本、60本、あるいは100本までさまざまであり、一方、FMCの中央マガジンには1,000本近くを収納できる。 FMCやFMSに接続されないスタンドアロンのマシニングセンターの場合、コスト、複雑さ、故障率、管理負担がすべて増加するため、通常、不必要に大きなマガジンを搭載すべきではありません。.

マガジンの容量は、典型的な部品を1回完全にセットアップするために必要な工具数に、適度な余裕を加えた分を見積もります。立形センターでは約20本、横形センターでは約40本の工具で十分な場合が多いです。複雑な部品でも、熱処理、原点変更、あるいは荒加工と仕上げ加工の分離などを基準に、2つまたは3つのプログラムに分割することで、各プログラムの工具数を40本未満に抑えることが可能です。 年間生産量が数千個規模の場合は、専用の多刃複合工具を使用する方が経済的である場合があります。また、50本以上の工具を使用するプログラムでは、プログラミング、検証、治具設計、および修正作業が著しく困難になります。.

シンプルなCNC旋盤では4本の工具を装着できますが、高度な旋盤加工センターでは、固定工具や駆動式工具を数十本も装着可能です。駆動式工具は高価であり、必ずしも高い生産性を発揮するとは限らないため、単純な中・大量生産よりも、複雑で多品種・小ロットの加工に適しています。.

工具ホルダーおよび切削工具

工作機械とATCを選定した後、標準化されたツールホルダーと切削工具を選定します。マシニングセンターのシステムは高度に標準化されており、一般的にISOの要件に準拠しています。ツールホルダーは、多種多様な切削工具をスピンドル、マガジン、およびハンドリング機構に接続する役割を果たします。.

次の3つの点を考えてみましょう：

1. ほとんどのホルダーは刃先のないアダプターであり、ドリル、エンドミル、ボーリング工具、タップ、コレット、チャック、および適切なレンチが必要となります。.
2. メーカー各社は、機能的に重複する多くのシステムを提供しています。代表的な部品のプロセスシートから選択し、サプライヤーを比較検討し、経験豊富な専門家の助言を求め、必要に応じて段階的に購入を進めてください。ツールホルダーのリードタイムは通常2～3ヶ月で、工作機械本体よりも短くなっています。.
3. ツールホルダーは、主に一体型、モジュール型、またはこれらを組み合わせた設計となっています。一体型およびモジュール型システムは標準化されていますが、組み合わせ型ホルダーは用途に応じて特別に設計されています。.

1台の機械で2つのホルダーシリーズを混在させることは、経済的ではなく、管理も困難です。モジュラー式工具は初期費用は高くなりますが、システムとして購入すれば、より高い柔軟性が得られます。例えば、従来のØ60ボーリングバーの価格は約120米ドルですが、シャンク、エクステンション、切削ヘッドからなるモジュラー式アセンブリの価格は200米ドルを超える場合があります。 しかし、30本収容のツールマガジンであれば、30本のモジュラーシャンク、50～60本のエクステンション、70～80個の切削ヘッドで、100個の一体型アセンブリに取って代わることができ、コンピュータによる管理も簡素化されます。 ドリルチャックホルダーなど、再組み立てせずに繰り返し使用される単純な工具は、一体型ユニットの方が経済的な場合が多い。.

年間数千個から数万個の部品を繰り返し生産する場合、標準的なホルダーよりも3倍から10倍高価な複合工具であっても、3～5本の工具を置き換え、複数の工程を1つに統合できるのであれば、その導入は依然として妥当であると言える。.

工具プリセッター

工具の半径方向および軸方向の測定は、セットアップに高価なスピンドル時間を費やさないよう、可能な限り機械外で行うべきです。プリセッターには、光学式、グレーティング式、または誘導式の測定システムが用いられます。コンピュータ制御型の機種では、工具管理ソフトウェアと、ホルダーに装着されたエンコーダ付きキャリアを組み合わせています。.

CNCマシンのスピンドルテーパーと一致する旋削工具、マシニングセンター、またはユニバーサルプリセッターを選択してください。これにより、測定されたオフセット値を直接入力することができます。プリセッターには標準グレードと精密グレードがあり、ハイエンド機種では測定精度が0.001 mmに迫ります。 この静的精度が、必ずしも同じ加工サイズを保証するわけではありません。穴の加工サイズは、刃先の状態や材料によっては、プリセット値より0.01～0.02 mm小さくなる場合があり、通常のスピンドル負荷による繰り返し誤差がさらに0.005～0.008 mm加わる可能性があります。 0.01 mm前後の穴の公差であっても、試切削や機械上での調整が必要になる場合があります。実用的な範囲であれば、1台のプリセッターで複数の機械に対応できるはずです。.

テクニカルサポートの評価

優れた機械があるだけでは、技術的あるいは経済的な成功は保証されません。新規ユーザーには、訓練を受けたオペレーター、プログラマー、そして機械・電気の保守担当者も必要です。.

機械メーカーは、代表的なワークの工程分析、実現可能性試験、工具設計、プログラミング、据付、試運転、テスト切削、生産開始など、販売前および販売後のサポートをますます提供しています。特に、保守担当者、プログラマー、オペレーターに対するトレーニングや実地指導は重要です。 CNC装置を効果的に活用するためには、スタッフの能力向上への投資が不可欠です。.