5軸加工によるカスタム金属部品の製造

5軸加工によるカスタム金属部品の製造

著者：PFT、深セン

抽象的な：航空宇宙、医療、エネルギー分野において、高度な製造業はますます複雑で高精度な金属部品の需要を高めています。本分析では、これらの要件を満たす最新の5軸コンピュータ数値制御（CNC）加工の能力を評価します。複雑なインペラやタービンブレードを代表するベンチマーク形状を用いて、航空宇宙グレードのチタン（Ti-6Al-4V）とステンレス鋼（316L）において、5軸加工と従来の3軸加工を比較する加工試験を実施しました。その結果、5軸加工では、段取り時間の削減と工具方向の最適化により、加工時間が40～60%短縮され、表面粗さ（Ra）が最大35%向上することが示されました。±0.025mmの公差内の形状精度は平均28%向上しました。5軸加工には、プログラミングに関する高度な専門知識と投資が事前に必要ですが、これまで不可能だった形状を優れた効率と仕上がりで確実に製造できます。これらの機能により、5軸加工技術は高付加価値で複雑なカスタム金属部品の製造に不可欠なものとなっています。

1. はじめに
航空宇宙（より軽量で強度の高い部品が求められる）、医療（生体適合性のある患者固有のインプラントが必要）、エネルギー（複雑な流体処理部品が必要）などの業界では、パフォーマンスの最適化を絶えず追求する中で、金属部品の複雑さの限界が押し広げられてきました。従来の 3 軸 CNC 加工では、ツール アクセスが制限され、セットアップを何度も行う必要があるという制約があり、複雑な輪郭、深いキャビティ、複合角度が必要な形状の加工が困難でした。こうした制限により、精度の低下、製造時間の延長、コストの上昇、設計上の制約が生じます。2025 年までには、非常に複雑で精密な金属部品を効率的に製造する能力は、もはや贅沢品ではなく、競争上の必需品となるでしょう。最新の 5 軸 CNC 加工では、3 つの直線軸（X、Y、Z）と 2 つの回転軸（A、B、C）を同時に制御でき、変革をもたらすソリューションを提供します。このテクノロジーにより、切削ツールは 1 回のセットアップで事実上どの方向からでもワークピースにアプローチできるため、3 軸加工に固有のアクセス制限が根本的に克服されます。この記事では、カスタム金属部品製造における 5 軸加工の具体的な機能、定量化された利点、および実際の実装に関する考慮事項について説明します。

2. 方法
2.1 設計とベンチマーク
2 つのベンチマーク部品は、カスタム製造における一般的な課題を体現する Siemens NX CAD ソフトウェアを使用して設計されました。

インペラー:高いアスペクト比と狭いクリアランスを備えた複雑にねじれたブレードを特徴としています。

タービンブレード：複合曲率、薄壁、精密な取り付け面を採用。
これらの設計には、アンダーカット、深いポケット、非直交ツールアクセスを必要とする機能が意図的に組み込まれており、特に 3 軸加工の制限をターゲットにしています。

2.2 材料と設備

材料:航空宇宙グレードのチタン (Ti-6Al-4V、焼きなまし状態) と 316L ステンレス鋼は、要求の厳しい用途での関連性と独特の機械加工特性を理由に選択されました。

マシン:

5軸:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK（Heidenhain TNC 640 制御）。

3軸:HAAS VF-4SS（HAAS NGCコントロール）。

ツーリング：ケナメタル社とサンドビック・コロマント社のコーティング超硬ソリッドエンドミル（様々な径、ボールエンド、フラットエンド）を荒加工と仕上げ加工に使用しました。切削パラメータ（速度、送り、切込み深さ）は、工具メーカーの推奨事項と制御されたテストカットに基づき、被削材と機械の能力に応じて最適化されました。

ワークホールディング:精密に機械加工されたカスタムメイドのモジュラー治具により、両機種とも堅牢なクランプと再現性の高い位置決めが実現しました。3軸試験では、回転が必要な部品は精密ダボを用いて手動で再配置し、一般的な現場作業を再現しました。5軸試験では、単一の治具セットアップで機械の全回転能力を活用しました。

2.3 データの取得と分析

サイクルタイム:マシンのタイマーから直接測定されます。

表面粗さ（Ra）：ミツトヨ製サーフテストSJ-410プロファイロメーターを用いて、部品ごとに5箇所の重要箇所を測定しました。材料と機械の組み合わせごとに3つの部品を加工しました。

幾何学的精度:ツァイスCONTURA G2座標測定機（CMM）を用いてスキャンしました。重要な寸法と幾何公差（平面度、垂直度、プロファイル）をCADモデルと比較しました。

統計分析:サイクルタイムとRa測定値の平均値と標準偏差が算出されました。CMMデータは、公称寸法からの偏差と公差遵守率について分析されました。

表1:実験セットアップの概要

3. 結果と分析
3.1 効率性の向上
5軸加工は大幅な時間節約をもたらしました。チタン製インペラの場合、5軸加工は3軸加工と比較してサイクルタイムを58%短縮しました（2.1時間 vs. 5.0時間）。ステンレス鋼製タービンブレードでは、サイクルタイムを42%短縮しました（1.8時間 vs. 3.1時間）。これらのメリットは主に、複数回のセットアップとそれに伴う手作業によるハンドリング／再固定時間の削減、そして最適化された工具方向により、より長い連続切削を可能にする効率的なツールパスを実現したことによるものです。

3.2 表面品質の改善
5軸加工により、表面粗さ（Ra）は着実に向上しました。チタン製インペラの複雑なブレード表面では、平均Ra値が32%減少しました（0.8µm対1.18µm）。ステンレス鋼製タービンブレードでも同様の改善が見られました（Ra値が35%減少し、平均0.65µm対1.0µm）。この改善は、一定の最適な切削接触角を維持できることと、工具突出しが短いことで工具剛性が向上し、工具振動が低減したことによるものです。

3.3 幾何学的精度の向上
CMM解析により、5軸加工による優れた形状精度が実証されました。厳格な±0.025mmの公差内に収められた重要な形状の割合は大幅に向上し、チタン製インペラでは30%（適合率92%、従来品62%）、ステンレス鋼製ブレードでは26%（適合率89%、従来品63%）向上しました。この改善は、3軸加工で必要となる複数回のセットアップと手作業による再配置によって生じる累積誤差が排除されたことによるものです。複合角度が求められる形状において、最も劇的な精度向上が見られました。

*図1: パフォーマンス指標の比較（5軸と3軸）*

4. 議論
結果は、複雑なカスタム金属部品における5軸加工の技術的優位性を明確に示しています。サイクルタイムの大幅な短縮は、部品1個あたりのコスト削減と生産能力の向上に直接つながります。表面仕上げの向上により、手作業による研磨などの二次仕上げ工程が削減または不要となり、コストとリードタイムのさらなる削減と部品の安定性の向上を実現します。形状精度の飛躍的な向上は、部品の機能と安全性が最優先される航空宇宙エンジンや医療用インプラントなどの高性能アプリケーションにとって極めて重要です。

これらの利点は、主に5軸加工のコア機能、すなわち複数軸同時動作により単一段取り加工を可能にすることに起因しています。これにより、段取りに起因する誤差と加工時間を削減できます。さらに、最適な工具姿勢を継続的に維持することで（理想的な切削片負荷と切削抵抗を維持）、表面仕上げが向上し、工具剛性が許す限り、より積極的な加工戦略が可能になり、加工速度の向上に貢献します。

しかし、実用化には限界があることを認識する必要があります。高性能な5軸加工機と適切な工具への設備投資は、3軸加工機よりも大幅に高額です。プログラミングの複雑さは飛躍的に増大し、効率的で衝突のない5軸ツールパスを生成するには、高度なスキルを持つCAMプログラマーと高度なソフトウェアが求められます。加工前には、シミュレーションと検証が必須のステップとなります。治具は、剛性と回転移動量を十分に確保する必要があります。これらの要因により、オペレーターとプログラマーに求められるスキルレベルはますます高まります。

実用的な意味合いは明らかです。5軸加工は、高価値で複雑な部品において、その速度、品質、そして能力の優位性が、高い運用経費と投資を正当化できる場合に優れています。より単純な部品の場合、3軸加工の方が依然として経済的です。成功の鍵は、技術と熟練した人材、そして堅牢なCAMとシミュレーションツールへの投資です。設計、製造エンジニアリング、そして機械工場間の早期の連携は、製造性を考慮した部品設計（DFM）において5軸加工機能を最大限に活用するために不可欠です。

5. 結論
最新の5軸CNC加工は、従来の3軸加工法と比較して、複雑で高精度なカスタム金属部品の製造において、明らかに優れたソリューションを提供します。主な調査結果は以下のとおりです。

大幅な効率化:単一セットアップ加工と最適化されたツールパスにより、サイクルタイムが 40 ～ 60% 短縮されます。

強化された品質:最適なツールの方向と接触により、表面粗さ (Ra) が最大 35% 向上します。

優れた精度：重要な幾何公差を ±0.025mm 以内に維持することで平均 28% の向上を実現し、複数のセットアップによるエラーを排除します。
この技術により、3 軸加工では非現実的または不可能な複雑な形状 (深いキャビティ、アンダーカット、複合曲線) の製造が可能になり、航空宇宙、医療、エネルギー分野の進化する需要に直接対応します。

5軸加工への投資収益率（ROI）を最大化するために、メーカーは、精度とリードタイムが競争上の重要な要因となる、複雑性・高付加価値部品に注力する必要があります。今後の研究では、5軸加工とインプロセス計測の統合によるリアルタイム品質管理とクローズドループ加工の実現を検討し、精度をさらに向上させ、スクラップを削減する必要があります。インコネルや硬化鋼などの難削材加工において、5軸加工の柔軟性を活用したアダプティブ加工戦略の継続的な研究も、重要な方向性を示しています。