側面に穴がある部品や、複雑な側面の形状、あるいは円筒形状の部品を製造する場合、CNC加工においては特殊な手法が必要となることがよくあります。標準的な3軸フライス加工では加工範囲が不十分であるものの、必ずしも完全な5軸加工が必要ではない場合、4軸加工が実用的な選択肢となることがよくあります。
制御された回転軸を追加することで、この機械は、手動によるセットアップの回数を減らしながら、側面の穴、半径方向のスロット、円周方向の溝、傾斜面、および複数の加工面への加工が可能になります。 本記事では、4軸加工とは何か、その仕組み、主な種類、利点と限界、およびこの加工法に適した代表的な部品について解説します。
4軸加工とは？
4軸加工とは、標準的なX、Y、Zの直線軸に1つの回転軸を追加したCNC加工手法です。この追加された回転軸により、加工中にワークを回転させることができ、セットアップ回数を減らしながら、切削工具で複数の面や側面の形状、あるいは円形の形状を加工することが可能になります。
これは、すべての部品で4軸加工を行うべきだという意味ではありません。 この手法が最も有用なのは、形状上、側面からのアクセスや角度位置決め、あるいは回転加工が必要であり、3軸加工機ではその都度、ワークの取り外し、反転、位置決め、再クランプを繰り返さなければならない場合です。この構成により、従来は頻繁な手作業による治具の再セットアップや複雑なインデクサーの設定を必要としていた部品の生産を効率化できる可能性があります。
4軸加工はどのように行われるのでしょうか？
ほとんどの4軸加工プロジェクトは、CADモデルとCAMプログラミングから始まりますが、このプロセスの最大の特徴は、加工中に回転軸がどのように使用されるかという点にあります。4軸構成では、ワークは回転テーブル、インデクサー、または第4軸用治具に取り付けられます。 CNCプログラムは、X、Y、Z軸の直線移動を制御すると同時に、第4軸の回転も制御します。これにより、ワークを治具から取り外すことなく位置を再設定したり回転させたりすることが可能となり、プログラムサイクル中にスピンドルに対するワークの向きを変更することができます。
これを実現するため、本システムでは、直線的なツールパスと制御されたワークの向きとのバランスを取っています：
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直線的な切断動作： 切削工具は、X軸、Y軸、Z軸に沿って移動しながら、露出した面に作用して、フライス加工、穴あけ、または溝切り加工を行います。
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回転位置決め： 第4軸は、ワークを所定の角度まで回転させ、別の面や特定の半径方向の形状を機械のスピンドルに向けるようにします。
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1回のセットアップでのアクセス： 複数の側面、側面の穴、スロット、または円形の加工箇所については、多くの場合、オペレーターが手動で治具の取り付けをやり直すことなく、順次加工を行うことができます。
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データ管理： 回転中も部品がクランプされた状態を維持するため、異なる面にある加工部の相互関係を把握・確認しやすくなります。
第4軸は、インデックス位置決めと連続回転の両方に使用できます。インデックス加工では、切削開始前にワークが所定の角度まで回転し、その位置で固定されます。連続加工では、回転軸が切削工具と同時に移動するため、円筒形状、らせん状の溝、および巻き付け形状の加工に有用です。
第4軸にはどのような役割があるのでしょうか？
第4軸は、スピンドルに対してワークの位置を制御しながら再配置するための手段を提供します。特定の軸（最も一般的なのはX軸）を中心にワークを回転させることで、機械は切削工具に対するワークの角度を変更し、そうでなければワーク保持装置によって遮られてしまう表面にも加工できるようになります。
この機能は、側面に穴や周方向の溝、傾斜面、あるいは単一のブロック上の複数の面に分散して配置された形状を必要とする部品に有用です。回転中も部品はクランプされた状態を維持するため、第4軸により、これらの異なる形状間の位置の一貫性を保つことができます。 これにより、手動での反転や二次的な位置決めへの依存度が低減され、多段階の3軸加工中に発生しうる位置合わせの誤差を防ぐことができます。
4軸加工の種類
4軸加工は、回転軸と切削工具との相互作用の仕方に基づいて分類されます。主な方法としては、インデックス加工と連続加工の2つがあります。
インデックス付き4軸加工
「インデックス式4軸加工」（「3+1加工」とも呼ばれる）とは、ワークを特定の角度まで回転させ、その位置で固定する加工方法です。所定の角度に達すると、回転軸は静止したままとなり、機械は標準的な ミーリング、穴あけ、または溝切り加工。
この方法は、取り付け穴や平らな面など、複数の面に形状が必要な部品によく用いられます。切削中は軸が固定されるため、切削時の剛性が高く、プログラミングも比較的簡単です。ハウジング、ブラケット、各種工具プレートなど、正確な角度位置決めが求められる部品において、一般的に採用されている方法です。
4軸連続加工
連続4軸加工とは、切削工程において回転軸と直線軸を同期させて動かす加工方法です。この方式では、工具が材料を切削している間、ワークピースが回転するため、複雑で曲面のある形状や巻き付けられた形状の加工が可能になります。
この加工法は、工具経路がワークの曲面に沿って進む、らせん状の溝、カム、円筒形状などの加工に一般的に用いられます。この動きには工作機械の各軸間の同期が必要となるため、CAM環境において綿密な計画を立て、工具経路の精度を確認し、干渉のリスクを低減する必要があります。
4軸加工のメリット
4軸加工の主な利点は、複数の加工工程を1回のセットアップに集約できる点にあり、これにより生産面においていくつかのメリットがもたらされます。4軸加工がすべての部品において必ずしも最適であるとは限りませんが、部品の側面に加工が必要な場合や、回転形状の加工が必要な場合、あるいはセットアップ回数を減らしたい場合などには、フル加工のような複雑さを伴わずに、より実用的な選択肢となり得ます。 5軸 プロセスだ。
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セットアップ回数の削減： 作業者は、各側面の加工箇所ごとにワークを取り外したり、裏返したり、位置を指定したり、再クランプしたりする必要がないため、セットアップ時間の短縮や取り扱いによるばらつきの低減につながります。
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位置の一貫性の向上： 異なる面にある形状も、同じ基準点から加工できるため、セットアップ誤差が累積するリスクを低減できます。
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関連機能へのアクセスが改善されました： 複数の別々の治具を製作する代わりに、ワークを回転させることで、側面の穴、放射状の溝、傾斜面、および円形の加工部位をスピンドルに送り込むことができます。
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より効率的な多面加工： 手作業による治具の再取り付けを減らすことで、複数の加工面を持つ部品のセットアップ時間と加工時間を短縮できます。
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中程度の複雑さの部品に適しています： 3軸加工では届かない箇所へのアクセスが必要だが、工具の連続的な傾斜や完全な5軸加工機能までは必要としない部品の場合に、有用な場合があります。
4軸加工の限界
4軸加工は汎用性が高い一方で、すべての多軸加工戦略に取って代わるわけではないため、工程計画の段階では特定の制約事項を考慮する必要があります。
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回転軸は1つだけ： 回転の自由度が1つしかないため、工具を複合角度に傾ける必要があるような複雑な多軸加工を行うことはできません。
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治具のクリアランスと作業範囲を確認する必要があります： 回転テーブル、インデクサー、または第4軸用治具は、機械内部のスペースを占有します。場合によっては、治具によってアクセス上の問題は解決されるものの、工具、チャック、回転テーブル、および機械筐体の間に新たなクリアランス上の問題が生じることがあります。大型のワークや側面からのアクセスが必要な箇所については、加工前に治具とクリアランスについて検討する必要があります。
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より複雑なCAMプログラミング： 連続的な4軸加工経路では、工具、ワーク、治具間の衝突がないことを確実に確認するため、標準的な3軸加工よりも高度なソフトウェアと検証が必要となります。
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単純な部品の場合、必ずしも費用対効果が高いとは限らない： 単一の3軸セットアップで仕上げ可能な平坦な形状や単純な形状の場合、4軸装置による追加のコストや手間は不要である可能性があります。
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複雑なフリーフォーム形状には制限があります： 非常に複雑な自由曲面や、深くて多方向のキャビティは、4軸加工機の能力を超える場合があり、他の加工戦略が必要になる可能性があります。
4軸加工が適切な方法であるかどうかは、具体的な部品の形状、要求される公差、材料、ロットサイズ、および加工面の精度要件に基づいて評価すべきである。
4軸加工に適した部品と用途
部品の形状上、複数の側面へのアクセスや円形の特徴、あるいは特定の角度関係が必要となる場合、4軸加工が検討されることが多い。
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ブラケットおよびハウジング： ボルト穴、取付面、または側面の加工箇所が複数の面にまたがっており、工具を当てるために回転させる必要がある場合に便利です。
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シャフトおよびスリーブ： 円筒面に直接加工される溝、スロット、キー溝、または巻き付き形状に適しています。
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バルブ本体およびマニホールド状の部品： 部品の異なる側面間で、ポートや加工面の位置合わせを維持し、位置関係を保つ必要がある場合に役立ちます。
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治具および工具の構成部品： 位置決め誤差の累積を防ぐため、1回のセットアップで複数の基準面を加工する必要がある場合に適しています。
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コンパクトな精密部品： 半径方向の穴、湾曲したスロット、側面ポート、または複数の整列した面を持つ小型の機械加工部品は、特に繰り返し治具の取り付け変更が形状間の関係に影響を与える可能性がある場合、4軸加工による製造が検討されることがよくあります。こうした部品は、ロボット工学、自動車、航空宇宙、あるいは医療機器の組立品などに用いられることがあります。
結論
4軸加工は、部品に側面の穴、円筒形状、多面形状がある場合や、セットアップに関連する公差上のリスクがある場合に最も有効です。早い段階での図面検討を行うことで、形状、公差要件、材料、ロットサイズ、および加工面の要件から、4軸加工を採用する妥当性を確認することができます。
