コンピュータ化された数値制御（CNC）は、原材料を所望の形状に切削する加工ツールです。CNC工作機械は、フライス盤、研削盤、旋盤などの複雑な機械の動作を制御するために作成されたソフトウェアを使用します。これらのコンピュータ支援製造手法は、複雑かつ精密なCNC加工ジョブを多数処理できます。CNC加工は、航空宇宙、防衛、自動車産業で広く利用されています。
産業界では、CNCは金属やプラスチック部品の切削によく使用されています。一般的な切削工具には、フライス盤、旋盤、カッター、ドリル、グラインダー、ウォータージェット、レーザーなどがあります。これらの工具は自動化することでCNCで動作させることができます。さらに、CNCは溶接機、電子機器の組み立て機、電線巻き取り機など、非工作機械の加工にも使用できます。
次の内容を通じて、CNC マシンで何ができるのかを詳しく見てみましょう。
目次
コンピュータ数値制御の歴史
過去数十年にわたり、CNC テクノロジーは、パンチ ベルトで制御されるデバイスから、CNC コードを読み取って非常に正確な 3 次元の機械部品を作成できるマシンへと進化してきました。
CNCマシンのアイデアを考案したのはジョン・パーソンズです。彼は1949年に最初のCNCマシンを開発しました。このマシンは、パンチカードを使って動作を指示することで動作していました。その後、1952年にマサチューセッツ工科大学の専門家グループが、一般向けに販売された最初のCNCマシンであるシンシナティ・ミラクロン・ハイドロテルを開発しました。
コンピュータ数値制御はどのように機能しますか?
CNCシステムにおいて、マシンコントロールユニット（MCU）は機械に接続されたマイクロコンピュータです。このマイクロコンピュータは、製造対象物ごとに固有のコンピュータプログラムを保存・実行します。これらのプログラムは通常、国際標準言語であるGコードで記述されます。CNC作業では、プログラミング言語であるMコードをGコードと組み合わせて使用することもできます。
Gコードは工作機械に動作と加工方法を指示し、Mコードはプログラムに外部からの動作方法を指示します。プログラムには、材料の送り速度や部品の移動位置と速度など、工作機械への指示と設定も含まれています。
プロセスの開始時に、エンジニアはコンピュータ支援設計（CAD）を用いて製造する部品の図面を描きます。その後、図面はGコードに変換されます。プログラムはマイクロコントローラにインストールされ、原材料を使わずにテスト運転が行われ、すべてが正しく設定され、正常に動作することを確認します。このステップは非常に重要です。速度や位置の設定が間違っていると、機械や部品に損傷を与える可能性があるためです。
すべての準備が完了すると、CNC工作機械がプログラムを起動し、要求に応じて作業を完了します。これらの作業は、ゼロから製作することも、印刷することも、切断することもできます。
一般的なCNCマシンの種類 以下を含みますが、これらに限定されません：
- CNC旋盤: 旋削加工に使用
- CNCミル: 切断および掘削作業に使用
- CNCプラズマカッター: プラズマトーチを使用して金属を切断するために使用されます
- CNCルーター: 木材、プラスチック、金属などのさまざまな材料を切断するために使用されます
- 3Dプリンター: 物体を層ごとに構築する積層製造機械
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CNC工作機械の主な機能
業界において、CNC マシンは主に以下の目的で使用されます。
切断
CNC工作機械は、精密かつ高速な切断が求められるプロジェクトに最適です。放電成形（EDM）とワイヤーカットマシンという、2つの最先端の切断技術に対応しています。
EDMでは、熱侵食は2つの電極の相互作用によって発生します。1つは工具に取り付けられた銅またはグラファイトの電極です。もう1つは、加工対象物を囲む誘電流体です。驚くべきことに、加工中、工具と加工対象物は決して直接接触しません。 ワイヤー切断作業 精密な切削工具としてワイヤ電極を使用する点を除いて、EDM と同じ原理です。
掘削
この精密な穴あけ加工法では、回転する切削工具を用いて、静止したワークピースに円形の穴を開けます。例としては、ドリルや高速ウォータージェットなどが挙げられます。これらの穴は、ほとんどの場合、ナットやボルトの組み立てに使用されます。
研削
CNCツール ほぼ完璧な表面を実現するために、研削ホイールが取り付けられることがよくあります。この削り取り式研削は、あらゆる積層造形法よりもはるかに高精度です。髪の毛の幅の1/10ほどの小さな欠陥も除去できます。
フライス加工
CNCフライス盤は、基本的なフライス盤や他の手動フライス盤と同様です。旋盤、ウォータージェット、または旋削工具を用いて、固定された材料から材料を削り取ります。CNCフライス盤は複数の軸に沿って移動できるため、作業者は水平、垂直、傾斜、そして様々な方向の正確な加工を行うことができます。 正面フライス加工 作業員は原材料を何度も交換して締め直す必要がないため、これらの多角度機能により、木材、金属、プラスチックから複雑な部品を製造するプロセスがスピードアップします。
旋回
CNC工作機械におけるこの工程はフライス加工に似ていますが、原材料はワークステーションに固定されていません。代わりに、高速回転する旋盤機構に取り付けられます。作業者は旋盤またはCNC工作機械と同様の工具を用いて、原材料が目的の形状になるまで材料の小片を削り取ります。
CNC が重要な理由
CNCでは、 さまざまな工作機械 より滑らかで正確な製品をより速く製造できます。このプロセスにより、手作業による機械加工や重労働が不要になり、時間と人件費を大幅に節約できます。
CNC の利点は次のとおりです。
コスト削減
CNC工具はより高精度に加工できるため、生産コストが削減され、費用対効果が向上します。材料廃棄物の削減、生産性の向上、そしてスケールアップの可能性は、エネルギー消費量の削減につながり、ランニングコストの削減につながります。また、作業員の安全に関する金銭的負担を心配する必要がないため、これもコスト削減につながります。
廃棄物の削減
シミュレーションと反復最適化の改善により、ソフトウェアは異なる CNCマシンの種類 製造工程における廃棄物がほとんど発生しません。つまり、材料の無駄を削減することで、機械加工コストもさらに削減されます。
労働者の安全性の向上
CNCコンピューターは、過度な人間による介入を排除することで、作業員の安全を確保し、事故の発生を防ぎます。現在、ほとんどのCNCマシンは独立して稼働できるため、ソフトウェアのアップデート、設計変更、その他の定期メンテナンスのために、人が遠隔操作で操作することが可能です。
ヒューマンエラーの削減
CNCマシンは、より高い精度、複雑さ、速度、自由度、そして再現性を提供すると考えられています。これは、製造工程における人為的なミスを防ぐことができるためです。最終的には、製品の製造におけるミスの減少につながります。
輪郭に沿って切る
CNCを使えば、輪郭加工などの作業が可能になります。3Dプリントや設計と同様に、曲線のある形状を切削加工できます。これにより、部品加工の選択肢と可能性が広がります。
より高速なMCUコード
一部のCNCには、CADソフトウェアやコンピュータ支援製造ソフトウェアが内蔵されています。これにより、MCUのプログラミング速度が向上します。プログラミング速度の向上は加工工程の短縮にもつながり、部品加工の効率化につながります。
運用インテリジェンスの向上
エンタープライズ・リソース・プランニング（ERP）ソフトウェアや、エンタープライズ・アセット・マネジメント（EAM）ソフトウェアなどの関連プログラムを導入することで、運用およびビジネス・インテリジェンスのタスクを容易に実行できるようになります。これにより、プラントのパフォーマンスとメンテナンスが向上し、コスト効率の高いプラントを実現できます。
ボトルネックなし
CNC は、より自動化された機器を使用するため、スループットと製造のボトルネックが削減され、生産性が向上します。
CNC マシンには多くの利点がありますが、いくつかの欠点もあります。CNC は高価で、メンテナンスも必要であり、企業は熟練した CNC プログラマーを雇う必要があります。
CNCの重要な応用分野
CNC工作機械は、医療、航空宇宙、軍事、防衛といった多くの重要な分野で重要な役割を果たしています。これらの分野の企業は、部品の破損が人命に関わる可能性があるため、可能な限り高精度の部品を必要としています。CNC工具は、この精度を実現できます。
CNC 機械を使用する一般的な業界は次のとおりです。
航空宇宙
CNC技術により、航空機のあらゆる部品（外装や内装部品など）の製造に必要な精度を容易に得ることができます。 CNC加工航空機部品部品はミッションクリティカルな用途で使用されることが多いため、可能な限り高精度で正確であることが求められます。さらに、平坦度、真円度、円筒度といった厳しい基準を満たすには、コンピュータ支援加工が唯一の手段となる場合が多くあります。0.00004インチという小さな公差も珍しくありません。
航空宇宙CNC加工 様々な材料で行うことができます。これらの材料には、アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮、ニッケル、青銅、セラミック、プラスチック、マグネシウム、チタン、インコネルなどの高性能金属が含まれます。
以下は CNC マシンを使用して製造された部品の例です。
- 着陸装置の部品
- チタン製シュラウド
- 翼型
- ブッシング
- ステーターアセンブリ
- 多様体
- マグネシウムギアボックスハウジング
- 電気コネクタ
医療機器
患者のニーズを満たすために、 医療分野はCNC工作機械に大きく依存している 精密で高品質な、カスタマイズされた製品の製造。COVID-19パンデミックの間、マスクや人工呼吸器の需要増加により、CNC工作機械への依存度が高まりました。医療を受ける人々は、感染症の予防のために使い捨ての医療器具を使用することが多くなっています。そのため、医療分野において、より多くの医療用品をより迅速に製造するためにCNC工作機械を活用することが、ますます重要になっています。
CNC マシンで製造できる一般的な製品の一部を以下に示します。
- 磁気共鳴画像装置
- インプラント
- 矯正器具
- 監視装置用電子機器筐体
- 研究機器
- シールドエンクロージャ
- 高温プラスチック製の部品
- 医療機器
- カスタマイズされた滅菌包装
- 食品医薬品局承認製品
自動車
自動車産業はCNC加工にとって最も重要な産業の一つです。研究開発のための試作品の作成から大量生産まで、自動車産業のあらゆる側面はCNC加工による改善を必要としています。
さらに、CNCフライス盤や旋盤は、大型のエンジンブロックから小型のギアやパネルまで、様々な部品の製造に使用されます。内燃機関だけでも、複数のCNC工具が必要です。これらの工具は、巨大な金属塊をエンジンボディパネルに加工するだけでなく、シリンダー、ピストン、そしてエンジンブロック内のシリンダー部品を組み立てるためのその他の部品の製造にも使用されます。
CNC マシンで加工できる部品の一部を以下に示します。
- ギアボックス
- エンジン部品
- 車軸
- バルブ
- ダッシュボードパネル
- シリンダーブロック
- ガソリン計
エレクトロニクス
CNC切削は精度と柔軟性を兼ね備えており、電子機器産業向け製品の製造に効果的な方法です。そのため、CNC工具は導電性材料と非導電性材料を含む、様々なポリマーや金属を加工できます。
CNCを用いたコンピューター部品の製造は、金型を事前に用意する必要がないため、より高速です。また、設計はわずかな指示で何度も修正・試作できます。Appleは1万台のCNCマシンを保有し、多数のラップトップをCNCマシンで製造しているという報告もあります。
CNC マシンでは次の製品を製造できます。
- 家電
- 半導体
- ヒートシンク
- プリント基板
- 電気絶縁
- アンプハウジング
- 無線周波数干渉シールド
ガスと石油
CNC工作機械は、掘削リグや工場で使用される大型機械の設計に使用され、部品が完璧に組み合わさるようにします。部品が適切に組み合わさっていないと、シリンダーが膨らまない、ピストンが十分な圧力を解放できない、バルブが漏れるなどの問題が発生する可能性があります。そのため、石油会社は CNC機械加工部品 部品が完璧にフィットすることを確認します。
CNC マシンを使用して製造されるものの例をいくつか示します。
- ドリルビット
- ロッド
- ピストンズ
- バルブ
- 油圧部品
- バルブシステム
海洋
船舶は浮遊し、機能するために非常に精密な部品を必要とするため、海洋産業はCNC工作機械に大きく依存しています。船舶には、水中センサーやトランスミッションギアなど、さまざまな種類のギアが必要です。そのため、海洋産業では、ボートやその他の海洋機器の製造にCNC精密加工技術を活用する必要があります。
CNC マシンで製造される一般的な部品の一部を次に示します。
- プロペラ
- 絶縁ケース
- エンジンの部品
- 試作金型
- リブ
- スティンガー
結論
結論として、CNC工作機械は製造業と機械加工のあり方を一変させた驚異的な技術です。デジタル設計に基づいて複雑な作業を正確かつ効率的に実行する能力は、航空宇宙産業から木工産業に至るまで、幅広い産業に革命をもたらしました。
コンピュータプログラミングによって制御されるこれらの機械は、これまで想像もできなかったレベルの精度と再現性を実現しています。技術の進歩に伴い、CNC工作機械の機能は拡張され、幅広い業界において複雑かつ効率的な生産の新たな可能性を切り開くことが期待されます。
本質的に、CNCマシンは単なるツールではありません。現代の製造業の礎であり、プロセスを合理化し、精密工学の分野を進歩させています。