5 軸 CNC と 3 軸 CNC: プロジェクトで 50% 以上無駄にしていませんか?

1950年代の誕生以来、 5軸CNC加工技術は複雑な部品の製造方法を根本的に変えてきました。この技術は、切削工具の5方向への協調動作を制御することで、かつては複数のクランプを必要としていた加工を一度に完了することを可能にします。

航空宇宙部品と日用品の両立を可能にする技術とは一体何でしょうか？その製造上の難しさやコストは誇張されていませんか？製造業のルールを根本から変えるこの技術を、ゼロから学び直せるようお手伝いいたします。

図 1: CNC 加工装置の CAD レンダリング。ロボット アームが円形のワークピースを加工する準備をしています。

コア回答の要約

精密部品加工に5軸CNC加工が求められる理由とは？JS Precisionが実践的な経験を共有します

JS Precisionは過去15年間、5軸CNC加工において豊富な経験を積み重ねてきました。その経験は、医療機器部品の製造や航空宇宙部品の加工など、多くの高精度分野を網羅しています。

例えば、当社は世界50社以上の大手医療機器メーカーに5軸CNC加工サービスを提供してきました。チタン合金製ネジや人工関節部品など、10万点以上の精密部品の加工実績があります。航空宇宙分野では、5軸CNCマシニングセンターを用いて複雑な航空機エンジン部品の加工を行っており、その合格率は99.8%を超えています。

このガイドは、5軸CNC加工プロジェクトにおける長年の実践経験をまとめたものです。各ポイントは実際の運用と検証に基づいているため、安心してご利用いただけます。

アメリカ機械学会が「CNC 加工精度基準」で指摘しているように、5 軸 CNC 加工は複雑な部品の加工精度と効率を向上させる上でかけがえのない利点があり、当社の経験はこの重要な観点と非常に一致しています。

御社の業界における5軸CNC加工のケーススタディについて詳しく知りたいですか？JS Precisionにお問い合わせいただき、業種をご指定いただくと、業界固有のケーススタディマニュアルを無料でご提供いたします。このマニュアルは、実際のアプリケーションシナリオをより迅速に理解するのに役立ちます。

5軸CNC加工とは？その原理と利点を網羅したガイド

5軸CNC加工の考え方は、工具が5方向に移動でき、そのうち2方向は回転するというものです。この加工は多軸切削・成形プロセスに属し、工作機械を彫刻刀のように使用して金属素材を段階的に滑らかな表面や複雑な構造に切削加工する様子に似ています。

最も快適なのは、加工中に従来の方法のように部品を何度も分解して調整する必要がないことです。機械自体が切断角度を調整し、さらに驚くべきことに、1回のパスで連続切断が可能です。

例えば、従来は 7 ～ 8 回の工程を必要としていたタービンブレードなどの高精度部品の加工が、現在では 5 軸工作機械で円形スライスに切削できるようになり、生産性が 2 倍に向上しています。

中核となる原則は、次の 3 つの重要なポイントに分けられます。

（1）5方向協調運動

工作機械は、3つの直線軸（前後、左右、上下の移動を担うX/Y/Z軸）と2つの回転軸（通常はA/C軸と呼ばれる）を組み合わせることで、空間内のあらゆる角度から工作物にアプローチすることができます。例えば、タービンブレードを製造する場合、工具は垂直方向に切断し、45度傾けて横方向に切断することができます。

（２）非反転処理の利点

従来の3軸工作機械では、複雑な部品を加工する際に、ワークを何度も分解して方向を調整する必要がありましたが、5軸システムでは回転軸によって加工面が自動的に切り替わります。まるでパノラマカメラで被写体を撮影するのと同じように、被写体を手動で回転させる必要がなく、レンズが周囲のあらゆる角度を捉えることができます。

（３）動的同期精度

工具の切削とワークの回転はリアルタイムで調整可能です。螺旋溝などの特殊構造を加工する場合、スピンドルは前進し、ワークは一定速度で回転します。CNCシステムを介して、両者はミリメートルレベルで同期され、最終的な成形精度は0.005mmに達します。

5軸技術が部品設計にどのようなメリットをもたらすか、より深く理解したいと思いませんか？3D図面をアップロードしていただければ、 JS Precisionチームがプロフェッショナルな5軸CNC加工サービスの製造可能性分析レポートをご提供いたします。

5軸CNCマシンの分解：6つの主要コンポーネントとその機能

1.工作機械の主な構造

機械の「骨格」とも言えるこの基礎フレームは、一般的に鋳鉄または鋼鉄製の構造で、すべての部品を支えます。基礎フレームの強度が不十分だと、高速切削時に振動しやすくなり、最終的には部品の寸法誤差につながる可能性があります。

機器を選択する際、 5 軸 CNC 加工サービスプロバイダーはフレームの剛性に重点を置きます。特に、航空チタン合金などの硬い材料を加工する場合は、重いフレームを使用する必要があります。

2.5つの運動軸の構造

これが5軸の核心です！以下は5軸工作機械モーションシステムの構造説明です。

ねじれたタービンブレードを加工する場合、工具を傾けながら作業台を回転させることで、部品を繰り返し分解・組み立てることなく、一度に全てのアークを加工することができます。

3.スピンドルシステム

スピンドルシステムは切削加工を実現するための工作機械の中核ユニットであり、その速度は毎分数千回転から数万回転に及びます。

• 高速なので細かい加工（携帯電話の金属シェルの研磨など）に適しています。
• 高トルクなので、粗加工（鋼材の深い溝掘りなど）に適しています。

このシステムの選択は、5軸CNC加工センターメーカーの業務能力に直接関係しており、通常の3軸設備の12,000rpmスピンドルでは従来の金属切削しか処理できませんが、 5軸リンク加工センターに構成された40,000rpmの高速スピンドルでは、医療用骨ドリルなどの精密機器の微細加工注文を引き受けることができます。

4.CNCシステムとソフトウェア

CNC システムは、操作パネルやプロセッサなどのハードウェアと、シーメンスなどのブランドの専用ソフトウェアを含め、設計図面を工作機械の動作命令に変換する役割を担っています。

ソフトウェアは5軸リンクパスを自動で計画できます。例えば、インペラの加工では、工具とワークの衝突位置をシステムが自動で回避するため、手動調整の難易度が軽減されます。このインテリジェントな制御により、初心者でも複雑な部品加工を高精度に行うことができます。

5.ツールマガジンとツールチェンジャー

工具を保管し、加工中の自動交換を完了します。小型5軸CNC加工センターは通常12～24個の工具を搭載していますが、大型設備では200個以上の工具を搭載可能で、複雑な部品の多工程加工のニーズに対応します。5軸CNC加工サービスでは、小ロットの注文にも対応しており、工具を迅速に交換することで時間を節約できます。例えば、午前中にアルミ合金を加工し、午後にステンレス鋼を直接切断するといったことが可能です。

6.補助アクセサリー

• クーラントノズル：切断中に水や油を噴霧して、材料の過熱や変形を防ぎます。
• チップコンベア:ワークピースを傷つけないように、掃除機のように金属片を掃除します。
• 実際の事例:ある医療機器工場は人工関節の加工のために 5 軸 CNC 加工サービスプロバイダーを見つけましたが、相手側が冷却剤を適切に調整しなかったため、ステンレス鋼の表面には焼け跡がいっぱいで、部品の全バッチが廃棄されました。

評価していますかcom/blog/5-axis-cnc-machining-in-uk-js-precision">5 軸 CNC 加工英国市場の機器をお探しですか？ JS Precision では、お客様の処理要件をお知らせいただくことで、正確な投資を行うためのコア コンポーネント選択ガイドを共有できます。

図 2: スピンドルやツールマガジンなどのコアコンポーネントのレイアウトを示す、複雑な 5 軸 CNC マシニング センターの透視図。

5軸CNC座標系の設定方法：ステップバイステップガイド

1.加工原点位置を決定する

• ツール設定器械またはプローブを使用してワークピースの表面に触れ、ゼロ点として使用する位置（ワークピースの角や中心など）を見つけます。
• JS Precision がタービンブレードを加工する際、当社のエンジニアは通常、ブレード根元の下面の中心をゼロ点として設定します。

2.制御システムへのデータ入力

• 工作機械の操作パネルでG54（またはG55、G56）を選択し、測定したゼロ点座標（X/Y/Z値）を入力します。
• 注意：ターンテーブル付きの5軸CNC加工センターの場合は、回転軸（A/C軸）の初期角度値も入力する必要があります。

3.回転軸の影響に対処する

• 5 軸 CNC 加工中に、ワークピースがターンテーブルによって反転され、ゼロ点が移動することがあります。
• 解決策:プログラミング ソフトウェアで座標系と回転軸をバインドし、システムが自動的に位置を補正するようにします。

4.座標系を確認する

• プログラムを空で実行し、工具が期待通りにワークに近づいているかどうかを確認します。直接切削しないでください。
• ヒント:もう一度試す前に Z 軸を 50 mm 上げてください。クラッシュしても心配する必要はありません。

5.複数の座標系間の切り替え

• 同じワークを複数の領域で加工する必要がある場合は、G54 を設定した後、上記の手順を繰り返して、G55 に別のゼロ点を設定します。
• 適用可能なシナリオ:たとえば、キャビティを処理しながら同時に金型に穴を配置する場合、異なる座標系を使用すると、ツールを再調整する必要がなくなります。

図 3: CNC フライス盤の Y 軸の位置、工作機械とワークピースの座標系間のゼロ点関係およびオフセットを表示します。

5 軸と 3 軸: どのように区別するのでしょうか?

1.コアの違い

3軸工作機械は精密な座標系を描いた絵画のようなもので、工具をX/Y/Zの3つの直線方向（前後、左右、上下）にのみ移動させることができます。これに対し、5軸工作機械にはさらに2つの回転軸（通常はA/B軸と呼ばれます）があり、これは工具に機械的なジョイントを装備することと同等であり、切削中に工具を自由に傾けることができます。

2.適用シーンの選択

3 軸を選択:予算が限られている場合 (設備価格が 30% ～ 70% 安くなります)、平坦/浅い溝の部品 (携帯電話のシェルなど) の加工、または小ロット生産 (複雑なプログラミングは必要ありません) に適しています。

5 軸を選択:深いキャビティ構造 (エンジンのシリンダー ブロックなど)、特殊な形状の曲面 (義歯インプラント)、または超高精度要件(航空宇宙用ベアリング) に遭遇した場合、5 軸を使用すると、従来の工作機械では 5 ～ 6 回のクランプを必要とするプロセスを 1 回で完了できます。

3.効率とコストのバランス

5軸工作機械は購入価格が高めですが、連続加工特性により、自動車用金型などの複雑な部品の加工において、 60%以上の作業時間を節約できます。例えば、アルミ合金製ターボチャージャーのインペラを製造する場合、3軸加工では7日間＋3回の手動キャリブレーションが必要ですが、5軸加工では全自動でわずか2日間で完了します。

図 4: 基本的な 3 軸から高精度の 5 軸構成まで、CNC フライス盤の軸構造を示します。

5 軸 CNC 加工技術を最も活用している業界はどれですか?

1.医療業界

• 要求特性:人体インプラント (関節や骨プレートなど) は患者の解剖学的構造に完全に適合する必要があり、髪の毛の太さに匹敵する精度要件 (許容差 ±0.01 mm) を備え、材料は生体適合性があり、表面が滑らかである必要があります。
• JS Precisionの5軸CNC加工サービスの利点：複雑な表面を一度に加工でき、 チタン合金製ジョイントから多孔質骨インプラントまで、患者様一人ひとりのニーズに合わせてフルプロセス加工を提供します。1回のクランプで特殊形状の彫刻を完了できるため、従来の工程で必要となる複数回の調整作業が不要になります。
• 主な用途:人工股関節の球関節構造、脊椎固定装置の多孔質表面、低侵襲手術器具の精密チャネル。

2.エレクトロニクス産業

• 問題点の解決方法:電子製品は薄さと軽さを追求していますが、ヒートシンクやチップインターフェースなどの小型部品には非常に高い精度が求められます (例: 携帯電話の SIM カードスロットの許容誤差は 0.05 mm 未満である必要があります)。
• JS Precision の技術仕様:アルミニウム シェルの湾曲した面取りと内部のカード スロットは、当社の 5 軸 CNC 加工センターで並行して加工でき、回路基板の位置決め穴も金属表面に刻印されているため、複数のプロセスの接続ミスを回避できます。
• サンプル製品：ノートパソコン一体型金属ボディ、5G基地局ラジエーター、半導体ウェーハキャリア。

3.カスタマイズ加工

• 伝統を覆す:過去には、手作業による校正に2 ～ 3 週間かかっていました。5 軸 CNC では、複雑な設計 (ギア セットのプロトタイプなど) を48 時間以内に物理的なオブジェクトに変換でき、プラスチックからカーボン ファイバーまでさまざまな材料を扱うことができます。
• JS Precisionのコアバリュー：当社のエンジニアは、特殊形状構造の実現可能性を迅速に検証できます。例えば、自動車のクレイモデルをテスト可能な金属機能部品に直接アップグレードすることで、開発サイクルを60%短縮できます。
• 代表的なケース：ドローン折り畳みジョイントのワンタイム成形とカスタマイズされた義歯咬合面の精密修復。

4.航空宇宙

• 最終的な要件：航空機エンジンブレードの重量を1グラム削減し、機械全体で年間2トンの燃料を節約する。衛星ブラケットは軽量かつ耐放射線性を備え、トポロジカル最適化構造は血管網のように複雑である。
• 5軸CNC加工サービスの閾値：当社はAS9100航空認証に合格しており、ロケットエンジンの燃料室などの主要部品のミクロンレベルの加工が可能で、研削ではなくフライス加工を実現し、ミラー効果（Ra≤0.1μm）を直接フライス加工することができます。
• 弊社加工製品：宇宙船燃料ノズル（精度1ミクロンまで）、主翼スポイラー湾曲翼、ロケットエンジンノズル冷却チャネル。

5軸CNC加工コストの削減方法：予算最適化のための4つの実践的戦略

1.工作機械の価格に注意する

5軸CNC工作機械の価格は複数の要因によって左右されます。標準モデルは通常数十万ドルですが、ハイエンドモデルでは数百万ドルを超えることもあります。この価格変動は主に、ブランドの位置付け、加工範囲、技術構成、自動化の程度によって左右されます。

中型設備を例にとると、基本モデルの見積りは10万～20万ドルの範囲に集中していますが、処理ストロークの拡張やインテリジェント監視モジュールの追加が必要な場合は、全体のコストが2倍になる可能性があります。

注目すべきは、英国の 5 軸 CNC 加工分野の企業は、環境温度による変形を自動的に補正でき、高精度の金型製造に特に適した熱補正システムを備えたモデルを選択する傾向があることです。

2.コアコスト構成

工作機械の鋳物ベッドは、総投資額の約25%～30%を占めます。この部品は、衝撃吸収性を向上させるために樹脂砂型鋳造法が採用される傾向があります。しかし、コストに実際に影響を与えるのは、モーションコントロールシステムの中核部品に関係しています。この輸入精密ローラーガイドレールは、国産品の3倍の価格になることもありますが、 ±0.003mmの繰り返し位置決め精度を安定して維持できます。

近頃、 5軸CNCマシニングセンターのご購入をご検討されている方は、ぜひご注目ください。ダイレクトドライブ回転テーブル搭載機は、800°/sの回転速度を実現し、表面加工の効率​​を大幅に向上させるため、中古機のプレミアム率は通常15%以上となります。

3.ソフトウェアシステムの選択

適応加工機能を備えた制御システムは、基本バージョンよりも約20%高価ですが、切削パラメータを自動的に最適化し、工具寿命を30%延長できます。自動工具交換システム（24ステーションツールマガジンなど）を追加すると、設備コストは8万～12万ドル増加しますが、この構成により、量産時の工具交換時間を10秒未満に短縮できます。

英国製造業協会の統計によると、モジュール設計の5軸装置にロボットアームを追加するコストは、機械全体を直接購入するよりも40％低くなります。当社の実際の運用では、5軸工作機械はクランプ回数を減らすことで全体的な効率を45％以上向上させることができます。

例えば、航空機エンジンブレードの加工では、従来の工程では5工程を要しますが、5軸加工機では1回のクランプで完了するため、補助時間を70%削減できるだけでなく、不良率を0.05%以下に抑えることができます。単価1,500ポンド以上の精密部品の場合、これは1,000個生産するごとに約10,000ポンドの材料ロスを回避できることを意味します。

4.コスト管理の提案

• コンポーネントの組み合わせ戦略:非耐荷重構造には軽量アルミニウム合金を使用し、主要なトランスミッションコンポーネントはインポートされた構成を維持します。
• 購入のチャンスを逃さないようにしましょう：一部の英国製機器メーカーは、四半期末に期間限定の割引を実施しています。最近行われた5軸CNCマシニングセンターの販売イベントでは、標準モデルの価格が12%引き下げられました。
• フェーズベースのインテリジェンス:最初に基本的なセンサー システムを構成し、後期段階で徐々に IoT プラットフォームに接続します。
• 地域協力モデル:適切な 5 軸 CNC 加工会社をいくつか選択し、共同でテクノロジー センターを構築し、高価値機器の使用権を共有します。

処理速度70%向上、コスト45%削減：5軸CNCが医療インプラントに大きなメリットをもたらす方法

事件の背景

当社のクライアントは、次世代のチタン合金製人工股関節大腿骨ステムを開発している大手医療機器メーカーです。この部品は複雑な解剖学的表面を特徴としており、生体適合性と長期安定性に対する極めて高い要求が求められます。

正確には、クライアントが要求した主な要件は、患者の骨との完全な適合を保証するために±0.01mmという極めて高い精度を達成することであり、同時に、骨結合を効果的に促進するために非常に重要な、鏡のような表面仕上げ（Ra≤0.1μm）も必要としました。

このプロジェクトの初期段階では、お客様は複数のクランプ操作を伴う従来の3軸CNC加工を採用していました。そこで、次のような一連の問題が発生しました。

• 繰り返しクランプすると、累積誤差により重要な表面の許容誤差を保証できなくなり、結果としてスクラップ率が高くなります。
• 一方、1 個あたりの加工には合計5 時間以上かかり、手作業による調整にもかなりの時間がかかりました。
• チタン合金材料の廃棄率の高さと人件費を考慮すると、1 ユニットあたりのコストは手に負えないほど高くなっていました。

JS Precisionのソリューション

お客様の課題を解決するため、当社はハイエンド5軸CNCマシニングセンターをベースとした包括的なソリューションを提供しました。「一度のセットアップで完全な成形」という加工戦略を採用しました。

当社の技術チームが最初に行ったのは、徹底的な製造性設計 (DFM)分析を実施し、ツールが複雑な解剖学的表面から最適な角度で継続的に切断できるようにツールパスを最適に変更することでした。

さらに、高速スピンドルと精密冷却システムを採用することで、ダイレクトミーリング加工で鏡面仕上げ（Ra≤0.1μm）を実現しました。これにより、お客様の後工程の削減と研磨コストの削減にも貢献しました。

達成された結果

このソリューションにより、効率性が大幅に向上しました。

• 加工効率が飛躍的に向上し、 1 個の加工時間が 5 時間から 1.5 時間に劇的に短縮され、効率が最大 70% 向上しました。
• 製品品質が根本的に向上し、製品歩留まりは99.9% に達し、医療グレードの精度と表面仕上げの要件を完全に満たしました。
• 全体的なユニットコストが約 45% 削減されたため、競争の激しい市場においてお客様が価格面で大きな優位性を獲得し、革新的な製品の市場投入までの時間を短縮できるようになりました。

医療部品加工のコスト削減と効率化をお考えですか？JS Precisionに部品加工のご要望をご提出いただくと、5軸CNC加工によるコスト削減ソリューションを無料でご提供し、市場競争力の強化に貢献いたします。

図5：チタン合金製人工股関節大腿骨ステム

適切な 5 軸 CNC 加工サービスを選択するにはどうすればよいでしょうか?

1.機器のハードウェアを確認する

メーカーに直接、どのメーカーの工作機械（ドイツのDMGや日本のマザックなど）に使用されているか、また何年使用されているかをお尋ねください。当社は老舗メーカーとして、通常10台以上の5軸CNCマシニングセンターを保有しており、大量注文と緊急注文を同時に受け付けることができます。

主軸回転速度（最低12,000rpm）と位置決め精度（できれば±0.005mm以内）の確認に重点を置きます。アルミニウム合金とチタン合金を加工するための機械構成は大きく異なります。

2.技術力をテストする

医療機器の接合面や航空機のインペラなど、類似部品の加工事例をご覧いただけます。加工工程の動画をご用意し、 ±0.01mmという超精密公差を現場でどのように加工しているかをご覧いただけます。

3.サービスの柔軟性を比較する

応答速度をテストする: 簡単な図面を送信して見積もりを取得するのにどのくらいの時間がかかるかを確認すると、JS Precision の専門チームが 24 時間以内にプロセス プランをフィードバックします。

最小注文数量についてはお問い合わせください。小ロットから大ロットまで、カスタマイズサービスも承っております。図面が複雑な場合でも、24時間以内にご対応いたします。

4.総合コストを計算する

サプライヤーから提供されるコストの詳細を確認し、品質検査工程の数やツール設計に追加費用がかかるかどうかに特に注意する必要があります。

契約書に署名する前に、隠れたコストを確認してください。たとえば、特殊な材料（PEEK プラスチックなど）にどれくらいの追加費用が必要か、図面の変更に追加料金がかかるかどうかなどです。

よくある質問

1.5軸リンケージとは具体的に何を意味しますか?

5 軸リンクとは、X/Y/Z 直線軸と A/B 回転軸の同期動作を指し、これによりツールは最適な切削角度を継続的に維持し、複雑な曲面を単一のクランプと成形で実現できます。

2. 装置は 3 軸よりどれくらい高価ですか?

5軸装置の価格は、構成精度に応じて、通常3軸装置の3〜5倍、約210,000〜700,000米ドルになります。

3.インペラブレードの加工に適しているのはなぜですか？

5 軸リンケージによりツール角度を調整でき、インペラの複雑な曲面と薄壁加工を1 回のクランプで完了し、精度を確保して干渉を回避できます。

4.オペレーターにはどのようなスキルが必要ですか?

5 軸操作には、CNC プログラミング、システム デバッグ、ツール管理、衝突防止、3D 図面解析を習得する能力が必要です。

5.5軸CNCでは3軸CNCと同じツールを使用できますか?

原則的には汎用的です。しかし、高速かつ効率的な5軸加工の利点を最大限に活用するには、通常、より特殊で堅牢な工具の使用を推奨します。同時に、工具ホルダーにはより高い剛性とバランスが求められます。

6.5 軸加工は全体的なコストの削減にどのように役立ちますか?

5軸加工による多面加工は、1回のクランプで完了するため、クランプ回数と二次加工の頻度が大幅に削減され、累積誤差と不良率も低減します。これにより、加工時間と人件費が根本的に削減されます。

7.5 軸 CNC の DFM (製造性を考慮した設計) 解析を提供していますか?

はい、当社はDFM解析を非常に重視しています。JS Precisionはお客様に無料のDFM解析サービスを提供しています。豊富な5軸加工の経験に基づき、当社のエンジニアが部品設計の最適化をサポートし、潜在的なコストと時間の削減を実現します。

8.5軸CNC加工のリアルタイム見積りを取得するにはどうすればいいですか?

すぐにお見積もりを取得するのはとても簡単です。JS Precisionのウェブサイトにアクセスし、オンライン見積もりシステムをご利用いただき、3D設計ファイルをアップロードしてください。STEPやIGESなどのフォーマットを使用して、システムが即座に仮見積もりと納期の見積もりを算出します。

まとめ

5 軸 CNC 加工技術は、複雑な部品の製造、特に部品の詳細と表面処理効果の正確な制御において利点があります。設備導入当初は通常の加工設備よりも費用がかかりますが、長期間使用することで、実際には非常に費用対効果の高いものになります。加工時間が大幅に短縮され、生産部品の良品率も高くなり、後々の手直しや修理の回数も減り、結果として全体的なコスト削減につながります。

製造業の高度化を進める中で、多くの企業が加工精度に関わる技術的な問題に直面しています。お困りの企業は、JS Precisionにご相談ください。当社の5軸CNC加工サービスは、無料の加工ソリューションコンサルティングと、お客様に合わせた迅速な生産アドバイスをご提供いたします。