CNC 加工で学んだ 12 の重要な教訓

CNC 加工の機能を最大限に活用するには、設計者は特定の製造ルールに従って設計する必要があります。ただし、特定の業界標準が存在しないため、これは困難な場合があります。この記事では、CNC 加工のベスト設計プラクティスに関する包括的なガイドをまとめました。私たちは最新の CNC システムの実現可能性を説明することに重点を置き、関連コストは無視しました。 CNC 用の部品をコスト効率よく設計するためのガイドについては、この記事を参照してください。

CNC加工

CNC 加工はサブトラクティブ製造技術です。 CNC では、CAD モデルに基づいて部品を作成するために、高速 (数千 RPM) で回転するさまざまな切削ツールを使用して固体ブロックから材料を除去します。 CNC を使用すると、金属とプラスチックの両方を機械加工できます。

CNC 加工は、大量生産と 1 回限りのジョブの両方に適した、高い寸法精度と厳しい公差を提供します。実際、3D プリンティングと比較した場合でも、金属プロトタイプを作成するための現時点で最もコスト効率の高い方法です。

CNC 設計の主な制限事項

CNC は設計の柔軟性に優れていますが、設計には特定の制限があります。これらの制限は、主に工具の形状と工具へのアクセスなど、切削プロセスの基本的な仕組みに関連しています。

1. 工具形状

エンドミルやドリルなどの最も一般的な CNC ツールは円筒形であり、切断長には制限があります。材料がワークピースから除去されると、工具の形状が機械加工された部品上に複製されます。
たとえば、これは、使用されるツールのサイズに関係なく、CNC 部品の内側のコーナーには常に半径があることを意味します。

2. ツールの呼び出し
材料を除去するとき、ツールはワークピースに真上からアプローチします。これは、後で説明するアンダーカットを除いて、CNC 加工では実行できません。

穴、空洞、垂直壁などのモデルのすべてのフィーチャを 6 つの基本方向のいずれかに揃えることは、設計上の良い習慣です。特に 5 軸 CNC システムは高度なワーク保持機能を備えているため、これは制限というより提案です。

アスペクト比が大きいフィーチャを備えた部品を加工する場合、ツーリングが問題となります。たとえば、深いキャビティの底に到達するには、長いシャフトを備えた特殊なツールが必要ですが、これによりエンドエフェクタの剛性が低下し、振動が増加し、達成可能な精度が低下する可能性があります。

CNC プロセスの設計ルール

CNC 加工用の部品を設計する際の課題の 1 つは、特定の業界標準が存在しないことです。これは、CNC 機械およびツールのメーカーが継続的に技術力を強化しており、達成できる範囲が広がっているためです。以下に、CNC 機械加工部品に見られる最も一般的な特徴の推奨値と実現可能な値をまとめた表を示します。

1. ポケットとくぼみ

次のテキストを覚えておいてください。「推奨されるポケットの深さ: ポケット幅の 4 倍。エンドミルの切断長には制限があり、通常は直径の 3 ～ 4 倍です。深さと幅の比率が小さい場合、工具のたわみ、切りくず排出、振動などの問題がより顕著になります。良好な結果を保証するには、キャビティの深さを幅の 4 倍に制限してください。」

さらに深さが必要な場合は、キャビティの深さが可変の部品の設計を検討するとよいでしょう (例として上の画像を参照)。深キャビティフライス加工では、その深さが使用する工具の直径の 6 倍を超える場合、そのキャビティは深キャビティとして分類されます。特別な工具を使用すると、直径 1 インチのエンドミルで最大 30 cm の深さを実現できます。これは、工具の直径とキャビティの深さの比が 30:1 に相当します。

2. インサイドエッジ
垂直コーナー半径: 1/3 x キャビティ深さ (またはそれ以上) を推奨

適切なサイズの工具を選択するには、推奨される内側コーナー半径値を使用し、推奨されるキャビティ深さのガイドラインに従うことが重要です。コーナー半径を推奨値よりわずかに大きくすると (たとえば 1 mm)、工具は 90° の角度ではなく円形のパスに沿って切削できるため、表面仕上げが向上します。鋭い 90° の内側コーナーが必要な場合は、コーナーの半径を小さくするのではなく、T 字型のアンダーカットを追加することを検討してください。床の半径の推奨値は 0.5 mm、1 mm、または半径なしです。ただし、任意の半径を使用できます。エンドミルの下刃は平坦または若干の丸みを帯びています。他の床半径はボールエンド工具を使用して加工できます。推奨値を遵守することは、機械工にとって好ましい選択であるため、推奨されます。

3. 薄い壁

推奨最小壁厚: 0.8 mm (金属)、1.5 mm (プラスチック)。 0.5 mm (金属)、1.0 mm (プラスチック) が許容されます

肉厚を薄くすると材料の剛性が低下し、加工中の振動が増加し、達成可能な精度が低下します。プラスチックは残留応力により歪み、温度上昇により軟化する傾向があるため、最小肉厚を大きくすることをお勧めします。

4. 穴
直径標準のドリルサイズを推奨します。１ｍｍを超える任意の直径が実現可能である。穴開けはドリルまたはエンドで行われますCNCフライス加工。ドリルのサイズはメートル法およびインチ単位で標準化されています。リーマとボーリング工具は、厳しい公差が必要な穴の仕上げに使用されます。直径が ⌀20 mm 未満の場合は、標準直径を使用することをお勧めします。

推奨される最大深さは呼び径の 4 倍です。一般的には公称直径の 10 倍。実現可能40×呼び径
標準外径の穴はエンドミルを使用して加工してください。このシナリオでは、キャビティの最大深さ制限が適用されるため、最大深さの値を使用することをお勧めします。通常の値より深い穴を加工する必要がある場合は、最小直径 3 mm の特殊なドリルを使用してください。ドリルで加工された止まり穴は、底面が 135° のテーパーになっていますが、エンドミルで加工された穴は平坦です。 CNC 加工では、貫通穴と止まり穴の間に特別な優先順位はありません。

5. スレッド
最小ねじサイズは M2 です。 M6 以上のネジを使用することをお勧めします。めねじはタップを使用して作成され、おねじはダイスを使用して作成されます。タップとダイスの両方を使用して M2 ねじを作成できます。 CNC ねじ切りツールはタップ破損のリスクを軽減するため、広く使用されており、機械工に好まれています。 CNC ねじ切りツールを使用して M6 ねじを作成できます。

ねじの長さは最小 1.5 x 呼び径。呼び径の 3 倍を推奨

最初の数個の歯がねじ山にかかる負荷の大部分 (公称直径の最大 1.5 倍) にかかります。したがって、呼び径の 3 倍を超えるねじ山は不要です。タップで作られた止まり穴のねじ (つまり、M6 より小さいすべてのねじ) の場合、呼び径の 1.5 倍に等しいねじなしの長さを穴の底に追加します。

CNC ねじ切りツールを使用できる場合 (つまり、M6 より大きいねじ山)、穴の全長にねじを切ることができます。

6. 小さな機能
推奨される最小の穴直径は 2.5 mm (0.1 インチ) です。最小値 0.05 mm (0.005 インチ) も許容されます。ほとんどの機械工場では、小さなキャビティや穴を正確に加工できます。

この制限を下回るものはすべて微細加工とみなされます。CNC精密フライス加工このような機能 (切削プロセスの物理的変動がこの範囲内にある場合) には、特殊な工具 (マイクロドリル) と専門知識が必要となるため、絶対に必要な場合を除き、使用を避けることをお勧めします。

7. 公差
標準: ±0.125 mm (0.005 インチ)
標準: ±0.025 mm (0.001 インチ)
性能: ±0.0125 mm (0.0005 インチ)

公差は、寸法の許容限界を設定します。達成可能な公差は、部品の基本寸法と形状によって異なります。提供される値は実用的なガイドラインです。公差が指定されていない場合、ほとんどの機械工場では標準の ±0.125 mm (0.005 インチ) の公差が使用されます。

8. テキストとレタリング
推奨されるフォントサイズは 20 (またはそれ以上)、文字は 5 mm です。

彫刻テキストは、除去される材料が少ないため、エンボステキストよりも推奨されます。 Microsoft YaHei や Verdana など、フォントサイズが少なくとも 20 ポイントのサンセリフフォントを使用することをお勧めします。多くの CNC マシンには、これらのフォント用のルーチンが事前にプログラムされています。

機械のセットアップと部品の向き
複数のセットアップが必要な部品の概略図を以下に示します。

工具へのアクセスは、CNC 加工の設計における重大な制限です。モデルのすべての表面に到達するには、ワークピースを複数回回転させる必要があります。たとえば、上の画像に示されている部品は 3 回回転する必要があります。2 回目は主な 2 方向に穴を加工するため、3 回目は部品の背面にアクセスするためです。ワークピースを回転させるたびに、機械を再調整し、新しい座標系を定義する必要があります。

設計時には次の 2 つの主な理由からマシンのセットアップを考慮してください。
1. マシンセットアップの総数はコストに影響します。部品の回転と再調整には手作業が必要となり、総加工時間が長くなります。部品を 3 ～ 4 回回転する必要がある場合は、通常は許容されますが、この制限を超えると過剰になります。
2. 最大の相対位置精度を達成するには、両方のフィーチャーを同じセットアップで加工する必要があります。これは、新しい呼び出しステップによって小さな (ただし無視できない) エラーが発生するためです。

5軸CNC加工

5 軸 CNC 加工を使用すると、複数の機械をセットアップする必要がなくなります。多軸 CNC 加工では、さらに 2 つの回転軸が提供されるため、複雑な形状の部品を製造できます。

5 軸 CNC 加工により、工具は常に切断面に対して接線方向に位置することができます。これにより、より複雑で効率的なツールパスを実行できるようになり、その結果、部品の表面仕上げが向上し、加工時間が短縮されます。

しかし、5軸CNC加工にも限界があります。基本的な工具ジオメトリと工具アクセス制限は引き続き適用されます。たとえば、内部ジオメトリを持つ部品は機械加工できません。さらに、そのようなシステムの使用コストも高くなります。

アンダーカットの設計

アンダーカットは、表面の一部が上から直接アクセスできないため、標準の切削工具では加工できないフィーチャです。アンダーカットには、T スロットとダブテールの 2 つの主なタイプがあります。アンダーカットは片面または両面があり、専用の工具を使用して加工されます。

T スロット切削工具は、基本的に垂直軸に水平切削インサートが取り付けられて作られています。アンダーカットの幅は 3 mm ～ 40 mm の間で変化します。工具がすでに入手可能である可能性が高いため、幅には標準寸法 (つまり、ミリメートル単位の増分またはインチの標準的な分数) を使用することをお勧めします。

ダブテール工具の場合、角度がフィーチャーの寸法を定義します。 45° および 60° のアリ溝工具が標準とみなされます。

内壁にアンダーカットのある部品を設計する場合は、工具のための十分なクリアランスを追加することを忘れないでください。経験則として、機械加工された壁と他の内壁の間にアンダーカットの深さの少なくとも 4 倍に等しいスペースを追加することです。

標準工具の場合、切削直径とシャフト直径の一般的な比率は 2:1 であり、切り込み深さが制限されます。標準以外のアンダーカットが必要な場合、機械工場は多くの場合、独自のカスタムアンダーカットツールを作成します。これによりリードタイムとコストが増加するため、可能な限り回避する必要があります。