CNC 機械 設計 ガイドライン: 成果 を 最大化 する

CNC 加工は、幅広い部品を高い精度と再現性で製造できる多用途の製造プロセスです。これは、航空宇宙、自動車、ヘルスケア、エレクトロニクスなどのさまざまな業界で高精度で複雑な部品を製造するために不可欠な製造プロセスです。

しかし、ここにひねりがあります。CNC 加工で完璧を達成するには、機械だけが必要ではありません。これは芸術形式であり、デザインに対する鋭い目とプロセスに対する深い理解が必要です。このガイドでは、CNC 加工設計の秘密を解き明かします。一般的なベスト プラクティスから、さまざまな CNC 操作向けのオーダーメイドのヒントまで、最高の CNC パフォーマンスを実現する設計を構築する方法について詳しく説明します。イノベーションと精度の交差点へようこそ。そこでは、私たちが共有するすべてのガイドラインが卓越した製造への一歩となります。

CNC加工とは何ですか?

CNC 機械加工では、部品の開発は、精密かつ技術的に高度なプロセスを通じて、最初のコンセプトから物理的な形状に進みます。最初に、CNC 設計者が高度な CAD ソフトウェアを使用して設計を作成します。この設計はその後、CNC マシンの指令コードである G コードに変換されます。このコードに従って、CNC マシンは特殊な切削工具を使用して固体ブロックから部品を系統的に彫刻します。

垂直および水平フライス盤や旋盤などの CNC マシンは、さまざまな軸で動作できます。比較的単純な部品を作成するために、従来の 3 軸機械は 3 つの直線軸 (X、Y、Z) に沿って部品を操作できます。5 軸加工は、3 つの直線軸に沿って、および 2 つの回転軸の周囲で動作して、より複雑なコンポーネントを作成できます。

主観的な製造プロセスにより、金属、プラスチック、複合材料などのさまざまな材料で高精度で複雑な部品を製造できます。さらに、高速、自動化、正確、スケーラブルであるため、プロトタイピング、一回限りの生産、大規模生産に適用できます。

CNC 設計ガイドライン: コスト削減のヒント

CNC 加工とは何かを理解することは、設計慣行を遵守することの重要性を理解するための基礎となります。これらの実践は、コストを削減し、高水準の品質と精度を維持するために不可欠です。

CNC 加工の共通設計ガイド

非平面および抜き勾配の表面を避ける

非平面で抜き勾配のある表面は複雑で加工が難しく、その結果、切削速度が遅くなり、加工時間が長くなり、工具の摩耗が増加する可能性があります。さらに、これらの表面により、一貫した部品品質と厳しい公差を達成することがさらに困難になる可能性があります。設計内で非平面および抜き勾配のサーフェスを回避するには、次の手順を実行します。

• 可能な限り、シンプルでフラットなジオメトリを使用してください。
• フィレットと半径を使用して鋭いコーナーを柔らかくし、複雑なサーフェスの数を減らします。
• 抜き勾配を設計に組み込むと、材料の除去が容易になり、加工中の工具の摩耗が軽減されます。

内部フィレットのサイズを大きくする

内部フィレットは、応力集中を軽減し、部品の強度を向上させることができる部品内の丸いコーナーまたは移行部です。これらのフィレットのサイズを大きくすると、次のような加工作業の品質と効率が向上します。

• 加工中の切削抵抗と工具の摩耗を軽減します。
• 切削中の切りくず除去と材料の流れが改善されます。
• 工具の破損や工具の早期摩耗の可能性を低減します。
• 表面仕上げと部品の品質を向上させます。

鋭い角にアンダーカットを追加する

アンダーカットは、部品の角にある凹みまたは切り欠きで、これにより、機械加工中の工具へのアクセスが向上し、材料の除去が向上します。CNC 加工用に最適化されたアンダーカット設計により、次のことが可能になります。

• 切削抵抗と工具の摩耗を軽減します。
• 切削中の切りくず除去と材料の流れが改善されます。
• 工具の破損や工具の早期摩耗の可能性を低減します。
• 部品の表面仕上げと部品の品質を向上させます。

ただし、アンダーカットの作成は、標準の切削工具を使用して到達するのが難しい場合があるため、複雑で困難な作業になる可能性があります。さらに、アンダーカットを加工するには、特殊な工具や多軸加工が必要になる場合があります。アンダーカットのサイズと複雑さを最小限に抑えると、より良い結果を得ることができます。アンダーカットを設計するときは、次の点を考慮する必要があります。

標準公差を使用する

標準公差により、完成した CNC 部品が望ましい仕様と機能要件を満たしていることが保証されます。不必要に厳しい公差があると、加工のコストと時間が増加する可能性があります。

標準の CNC 加工公差を指定することで、メーカーは二次加工の必要性を減らし、加工プロセスの全体的な効率を向上させることができます。

テキストとレタリング

テキストやレタリングを作成する場合、ツールは加工プロセス全体を通じて一定の幅、高さ、間隔を維持できなければなりません。これらの要因にばらつきがあると、最終製品が設計仕様を満たさなくなる可能性があります。

テキストやレタリングのフォントとサイズを考慮する必要があります。文字が小さすぎると読みにくいか、希望の仕様を満たさない可能性があり、文字が大きすぎると工具のたわみが生じたり、加工プロセスの精度や精度に影響を与えたりする可能性があります。これらの課題に対処するために、エンジニアやデザイナーが推奨する優れた設計手法をいくつか紹介します。

• 加工プロセスに適した標準フォントを使用する
• 過度に複雑な文字や細かい文字は避ける
• 大きめのフォントサイズを指定してください
• より一貫した幅、高さ、間隔のフォントを選択する
• ワークに対するテキストの向きを慎重に考慮してください。
• 工具をそれに応じて調整して、一貫した高さ、間隔、切断速度を維持します。

部品サイズ

CNC マシンの機能は、そのサイズと容量に応じて異なります。一部の機械は小さすぎて大きな部品を収容できない場合がありますが、他の機械は小さすぎる部品を処理できない場合があります。したがって、設計する部品は部品のサイズを慎重に考慮し、それに応じて適切な機械を選択する必要があります。

機械のサイズに加えて、部品のサイズも加工プロセスの速度に影響を与える可能性があります。大きな部品は、小さな部品と比較して、エンジニアが加工中により多くの材料を除去する必要があるため、加工時間が長くなり、生産コストが高くなります。

より柔らかい素材を選択してください

柔らかい材料は機械加工が容易であり、その結果、切削速度が速くなり、工具の摩耗が減少し、加工時間とコストが削減されます。さらに、機械加工プロセス中に亀裂や変形が起こりにくいため、部品の品質が向上し、機械加工後の処理時間が短縮されます。ただし、製品の使用目的と最終用途が許可する場合にのみ、柔らかい素材を選択してください。

工具交換とワークホールドのセットアップを最小限に抑える

加工サイクル中に工具交換やワーク保持セットアップの必要性が高まると、プロセスに時間と費用がかかります。ツールの変更とセットアップを最小限に抑えるには、次のヒントを考慮してください。

• 同様の機能と形状を持つ部品は、単一の切削工具を使用して CNC 加工できます。
• 一貫した方向で部品を設計するか、複数の部品に対応できるモジュール式治具を使用することで、必要なセットアップを減らします。
• 1 回の工具交換で複数の作業を実行できる多機能切削工具を使用します。

CNCフライス部品用

利用可能な状態を維持するCNC切削工具念頭に置いて

コストとリードタイムを削減するために CNC 部品を最適化するには、設計を標準の CNC フライス加工ツールの機能に合わせる必要があります。これらの標準ツールのサイズと機能に適合する設計を選択することで、カスタム ツールや特殊ツールの必要性を大幅に最小限に抑えることができます。

実際の例は、内部フィレットの設計です。標準の CNC 切削工具が対応できる半径より小さい半径を必要とする仕様は避けることをお勧めします。このような機能を作成するには、より小規模な、場合によってはカスタム ツールに切り替える必要があり、その利点が正当化されないほど時間とコストが増加する可能性があります。したがって、標準ツールの機能の制限内にとどまることが、効率的な CNC 部品生産にとって重要な考慮事項となります。

鋭い内側の角を避ける

CNC フライス加工には固有の制限があり、その 1 つは鋭い内部コーナーを作成できないことです。この制限は、CNC フライス工具の丸い形状から生じます。これを解決するために、エンジニアは設計で丸みを帯びたコーナーを使用することがよくあります。これらのコーナーの半径は、フライスカッターの直径の少なくとも半分である必要があります。たとえば、1/4 インチ カッターの場合、フィレットの最小半径は 1/8 インチ以上である必要があります。

部品の鋭角要件という課題に対処するために、特定の設計アプローチが採用されています。これらには次のものが含まれます。

• 角を「壊す」ための穴をドリルで開けます。
• 鋭利なエッジがキャビティ内に収まるようにします。
• 傾斜面またはドラフト面が垂直壁または鋭利なエッジに接する場合は、フィレットを使用します。
• スクエアエンドミルまたはボールエンドミルを使用すると、表面が平坦で工具に対して垂直でない限り、常に壁と表面の間に材料が生じます。

深くて狭いスロットやポケットを避ける

適切な設計方法は、最終的な切込み深さが、機械加工される材料に基づいた特定の比率を超えないようにすることです。たとえば、プラスチックの場合、その比率はエンドミルの直径の 15 倍を超えてはならず、アルミニウムの場合は 10 倍を超えてはならず、鋼の場合は 5 倍が限界です。これは、長い工具はたわみや振動の影響を受けやすく、表面に欠陥が生じるためです。

さらに、内部フィレット半径は切削工具の直径にも依存します。鋼部品の幅 0.55 インチのスロットを 0.5 インチのエンドミルを使用して CNC 加工する場合、深さは 2.75 インチを超えてはなりません。さらに、長さと直径の比が高いエンドミルは入手が困難になる可能性があります。したがって、スロットまたはフィーチャーの深さを減らすか、切削工具の直径を大きくすることをお勧めします。

最大許容内部半径を設計する

CNC ミルで使用される切削工具のサイズは、設計段階で考慮する必要があります。より大きなカッターにより、1 回のパスでより多くの材料を除去できるため、加工時間とコストが削減されます。

大型のカッターの機能を最大限に活用するには、内側のコーナーとフィレットを可能な限り最大の半径 (できれば 0.8 mm 以上) で設計します。

追加のヒントは、フィレットの半径をエンドミルの半径よりわずかに大きくすることです (半径 3.175 mm ではなく 3.3 mm など)。これにより、よりスムーズな切断パスが作成され、機械加工部品の仕上がりがより美しくなります。

適切な厚さを選択してください

部品の壁が薄いと、特に剛性と寸法精度の維持に関して、機械加工プロセスで重大な問題が発生する可能性があることに注意することが重要です。これらの問題を回避するには、製造プロセスの厳しさに耐えられるよう、金属部品の場合は最小 0.25 mm、プラスチック部品の場合は 0.50 mm の最小厚さの壁を設計できます。

CNC旋削部品用

鋭い内側の角を避ける

部品設計の鋭い内部および外部コーナーは、加工時に課題となる場合があります。この問題を解決するには、次のことをお勧めします。

• 内側のコーナーは丸みを帯びており、ツールがスムーズに動くように段階的に移行します。
• 急な側壁にわずかな角度を付けて、鋭い内側の角を排除します。
• 1 つの工具で必要な操作の数を減らすことで、加工プロセスを簡素化します。

長くて薄い回転部品を避ける

長くて細い部品の場合、不安定性がよく懸念されます。回転部分は工具に対してビビリやすく、不完全な仕上げが発生します。これに対処するには、次の CNC 設計のヒントを活用してください。

• 先端にセンタードリルを組み込み、センターを利用して部品を真っすぐに回転させます。
• 加工中に不安定になるリスクを最小限に抑えるために、長さと直径の比率を 8:1 以下に保ちます。

薄い壁を避ける

CNC 旋削作業中は、機械加工で除去される材料の量に注意してください。過度の機械加工は部品に過度の応力をもたらす可能性があり、一方、肉厚が薄いと剛性が低下し、厳しい公差を維持することが困難になる可能性があります。

ガイドラインとして、製造プロセス中の安定性と精度を確保するために、旋削部品の壁の厚さは少なくとも 0.02 インチである必要があります。

穴あけ部品用

最適な穴の深さ

ドリル穴の理想的な深さは、工具の安定性と加工される材料の強度のバランスをとる必要があります。穴あけが浅すぎると接合部が弱くなってネジの保持力が低下する可能性があり、穴あけが深すぎるとドリルビットが折れたり曲がったりして、精度や表面仕上げが低下する可能性があります。

最適な穴の深さを決定するには、ドリルビットのサイズ、材料の硬度と厚さ、意図した用途に必要な強度、および機械セットアップの全体的な安定性を考慮する必要があります。ネジや留め具が入るのに十分な深さの穴をあけ、サポート用の材料を残しておくことをお勧めします。皿穴が必要な場合は、皿穴を考慮して穴を深く開ける必要があります。

スルーホールと止まり穴の区別

スルーホールと止まり穴はどちらも異なる穴あけ技術と工具を必要とするため、両者の違いを理解することが重要です。

スルーホールとは、ワークピースの一端からもう一端まで完全に貫通する穴です。ドリルはパーツの反対側から出入りする必要があるため、一般に製造が容易です。スルーホールは、電気部品や機械部品の固定、取り付け、配線に使用できます。

一方、止まり穴はワークピースを貫通せず、特定の深さで止まります。これらは、ワークピース内に空洞、くぼみ、またはポケットを作成するのに適用できますが、一般に貫通穴よりも製造が困難です。止まり穴には、刃先が部品の底部を突き抜けないように、特別な CNC ドリル ビットと切断速度が必要です。

部分的な穴を避ける

部分的な穴は、ドリルが材料に完全に貫通していないときに発生します。これは、ドリル ビットの破損、間違ったドリル ビットの選択、速度、送り、切込み深さなどのパラメータの誤りなど、さまざまな要因によって発生する可能性があります。したがって、適切なドリルビットを選択し、適切なパラメータを維持し、冷却剤を使用して熱を放散する必要があります。

空洞に穴を開けないでください

穴あけの際は、部品の既存のキャビティと交差する穴によって構造の完全性が損なわれる可能性があることに留意してください。ドリルポイントを既存のキャビティから離して配置することで、これを回避できます。ただし、ドリル穴がキャビティを横切る必要がある場合は、部品の安定性を維持するために、その中心軸がキャビティと交差しないようにすることが作業上の慣例です。

設計標準ドリルサイズ

標準ドリル サイズに合わせて設計を最適化することで、時間とコストを節約し、機械工場が高価なカスタム ツールを必要とせずに部品を簡単に製造できるようにします。

0.123 インチなど、より正確ではあるが一般的ではないサイズの代わりに、0.12 インチなどの標準的なドリル サイズを使用することを検討してください。また、複数のサイズを使用すると、加工プロセス中の工具交換に必要な時間と労力が増加するため、CNC 設計で使用する異なるドリル サイズの数を制限するようにしてください。

ねじ穴を指定してください

ネジ穴により、ボルト、ネジ、その他のネジ付き留め具を取り付けることができます。ねじ山付きファスナーが部品を保持するのに十分な噛み合いを実現できるように、ねじ山の深さを必ず指定してください。ねじ山の深さが深いほど、ファスナーのグリップ力が強くなります。

素材の種類は糸の種類に影響を与える可能性があります。一方で、柔らかい素材の場合は、より浅いねじ山が必要になる場合があります。一方、より硬い材料にはより深いねじ山が必要になる場合があります。

図面でネジ穴を指定する場合は、明確で正確なネジの吹き出しを使用して、ネジの規格、ピッチ、深さが正しいことを確認してください。ねじ山を締め付けたり、ねじ山を剥がしたりすることなく、ねじ込み式ファスナーの取り付けと取り外しを行うための十分なクリアランスを確保してください。

深いタップを避ける

正確かつ正確な結果を得るもう 1 つの重要なヒントは、深いタップを避けることです。タップが長いほど、動作中に振動したりふらついたりするリスクが大きくなり、最終製品に欠陥が生じる可能性があります。直径の 3 倍を超えるタップは深く、重大な問題が発生する可能性があります。

ただし、多くの場合、直径の 1.5 倍のタップでも十分なねじのかかりが得られるため、深いタップは必要ありません。深いタップを使用すると、工具の破損、ねじ山の欠陥、精度の低下のリスクが高まり、CNC 機械加工設計の望ましくない側面となります。