CNC加工とは、事前にプログラムされたコンピュータソフトウェアによって工場の工具や機械の動作を制御する製造プロセスです。このプロセスは、グラインダーや旋盤からフライス盤やルーターまで、様々な複雑な機械の制御に使用できます。CNC加工では、3次元の切削作業を単一のプロンプトで実行できます。
「コンピュータ数値制御（computer numeric control）」の略称であるCNCプロセスは、手動制御の限界とは対照的であり、それによってその限界を克服します。手動制御では、レバー、ボタン、ホイールを使って加工工具に指令を出し、指示する必要があります。一見すると、CNCシステムは普通のコンピュータ部品の集合体のように見えるかもしれませんが、CNC加工で使用されるソフトウェアプログラムとコンソールは、他のあらゆる計算形式とは一線を画しています。
CNC 加工はどのように機能しますか?
CNC システムが起動すると、必要なカットがソフトウェアにプログラムされ、対応するツールと機械に指示が出され、ロボットのように指定された寸法のタスクが実行されます。
CNCプログラミングでは、数値システム内のコードジェネレータは、エラーの可能性を考慮に入れながらも、機構に欠陥がないと想定することがよくあります。CNC工作機械が複数の方向への同時切削を指示される場合、エラーの可能性はさらに高まります。数値制御システムにおける工具の配置は、パートプログラムと呼ばれる一連の入力によって概説されます。
数値制御機械では、プログラムはパンチカードを介して入力されます。一方、CNC工作機械のプログラムは、小型キーボードを介してコンピュータに入力されます。CNCプログラミングはコンピュータのメモリに保存されます。コード自体はプログラマーによって記述・編集されます。そのため、CNCシステムははるかに広範な計算能力を備えています。何よりも優れているのは、CNCシステムは決して静的ではなく、既存のプログラムにコードを修正することで新しいプロンプトを追加できることです。
CNCマシンプログラミング
CNCでは、機械は数値制御によって操作されます。数値制御では、ソフトウェアプログラムが対象物を制御するために指定されます。CNC加工で使用される言語はGコードとも呼ばれ、速度、送り速度、調整など、対応する機械の様々な動作を制御するために記述されます。
CNC加工とは、基本的に、工作機械の機能の速度と位置を事前にプログラムし、ソフトウェアを介して予測可能なサイクルで繰り返し実行することを可能にするもので、人間のオペレーターの介入をほとんど必要としません。こうした機能により、このプロセスは製造業のあらゆる分野で採用されており、特に金属およびプラスチック製造の分野では不可欠です。
まず、2Dまたは3DのCAD図面を作成し、それをCNCシステムで実行するためのコンピュータコードに変換します。プログラムが入力されると、オペレーターは試運転を行い、コーディングに誤りがないことを確認します。
オープン/クローズドループ加工システム
位置制御は、オープンループシステムとクローズドループシステムによって決定されます。オープンループシステムでは、コントローラとモータ間の信号は一方向に伝送されます。クローズドループシステムでは、コントローラはフィードバックを受け取ることができ、誤差補正が可能になります。したがって、クローズドループシステムは速度と位置の不規則性を修正できます。
CNC加工では、通常、X軸とY軸に沿って動きが制御されます。工具はステッピングモーターまたはサーボモーターによって位置決め・誘導され、Gコードで指定された動きを正確に再現します。力と速度が最小限であれば、オープンループ制御で加工できます。それ以外の場合は、金属加工などの産業用途に必要な速度、一貫性、精度を確保するために、クローズドループ制御が不可欠です。
CNC加工は完全に自動化されています
今日のCNCプロトコルでは、事前にプログラムされたソフトウェアによる部品製造はほぼ自動化されています。部品の寸法はコンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアで設定され、その後、コンピュータ支援製造（CAM）ソフトウェアによって実際の完成品に変換されます。
特定のワークピースには、ドリルやカッターなど、様々な工作機械が必要になる場合があります。こうしたニーズに対応するため、今日の多くの機械は、複数の異なる機能を1つのセルに統合しています。あるいは、複数の機械と、あるアプリケーションから別のアプリケーションへ部品を搬送するロボットハンドセットで構成され、すべてが同じプログラムで制御される設備もあります。どのような構成であっても、CNCプロセスは、手作業では不可能ではないにしても、再現が困難な部品生産の一貫性を実現します。
CNCマシンの種類
最も初期の数値制御機械は、既存の工具の動きを制御するために初めてモーターが使用された1940年代に遡ります。技術の進歩に伴い、その機構はアナログコンピュータによって強化され、最終的にはデジタルコンピュータによって強化され、CNC加工の台頭につながりました。
今日のCNC設備の大部分は完全に電子化されています。CNCで行われる一般的な加工には、超音波溶接、穴あけ加工、レーザー切断などがあります。CNCシステムで最も頻繁に使用される機械には、以下のものがあります。
CNCミル
CNCフライス盤は、数字と文字による指示で構成されたプログラムに従って動作し、部品を様々な距離に誘導します。フライス盤のプログラミングは、Gコードまたは製造チームが独自に開発した言語に基づいて行われます。基本的なフライス盤は3軸システム（X、Y、Z）で構成されていますが、最近のフライス盤の多くはさらに3軸を追加できます。
旋盤
旋盤では、インデックス可能な工具を用いて部品を円周方向に切削します。CNC技術により、旋盤による切削は高精度かつ高速に実行されます。CNC旋盤は、手動操作の機械では不可能な複雑な形状の加工に使用されます。CNC制御のフライス盤と旋盤の制御機能は概ね似ています。フライス盤と同様に、旋盤もGコードまたは独自のコードで制御できます。ただし、ほとんどのCNC旋盤はX軸とZ軸の2軸で構成されています。
プラズマカッター
プラズマカッターでは、プラズマトーチを用いて材料を切断します。このプロセスは主に金属材料に適用されますが、他の表面にも適用できます。金属切断に必要な速度と熱を生み出すために、圧縮空気と電気アークの組み合わせによってプラズマが生成されます。
放電加工機
放電加工（EDM）は、形彫り加工や火花加工とも呼ばれ、電気火花を用いて加工物を特定の形状に成形する加工方法です。EDMでは、2つの電極間で電流放電が発生し、これにより加工物の一部が削り取られます。
電極間の間隔が狭くなると、電界はより強くなり、誘電体よりも強くなります。これにより、2つの電極間に電流が流れるようになります。その結果、ワークピースの一部が各電極によって除去されます。放電加工には以下の種類があります。
● ワイヤー EDM では、放電加工を利用して電子伝導性のある材料から部分的な加工を行います。
● シンカー放電加工では、電極とワークピースを放電液に浸してピースを形成します。
フラッシングと呼ばれるプロセスでは、完成した各ワークピースからの破片が液体誘電体によって運び去られます。液体誘電体は、2 つの電極間の電流が停止すると現れ、それ以上の電荷を除去することを目的としています。
ウォータージェットカッター
CNC加工において、ウォータージェットは高圧水を用いて花崗岩や金属などの硬質材料を切削する工具です。場合によっては、水に砂などの強力な研磨剤を混ぜることもあります。工場の機械部品は、この加工によって成形されることがよくあります。
ウォータージェットは、他のCNC工作機械による高熱加工に耐えられない材料に対し、より冷却効果の高い代替手段として用いられます。そのため、航空宇宙産業や鉱業など、幅広い分野でウォータージェットは彫刻や切断などの加工に威力を発揮します。また、ウォータージェットカッターは、金属同士の切削加工で生じる可能性のある材料固有の特性変化を抑制できるため、非常に複雑な材料切断を必要とする用途にも使用されます。
CNCマシンの種類
多くのCNCマシンのビデオデモで示されているように、このシステムは産業用ハードウェア製品用の金属部品から非常に精巧な切削加工を行うために使用されています。前述のマシンに加えて、CNCシステムで使用されるツールやコンポーネントには以下が含まれます。
● 刺繍機
● 木工ルーター
● タレットパンチャー
● ワイヤー曲げ機
● フォームカッター
● レーザーカッター
● 円筒研削盤
● 3Dプリンター
● ガラスカッター
ワークピースに様々な高さや角度で複雑な切削加工が必要な場合でも、CNC工作機械を使えば数分で完了します。適切なコードがプログラムされていれば、機械の機能はソフトウェアの指示通りに作業を実行します。すべてが設計通りにコーディングされていれば、工程完了後には細部までこだわり抜いた、技術的価値のある製品が完成するはずです。
投稿日時: 2021年3月31日
