CNC機械加工とは何ですか?

Apr 22, 2023

コンピューター数値制御機械 (CNC) は、製造指令やコンポーネントの要件を満たす希望の形状にストック材料を成形する機械加工ツールです。 CNC マシンは、事前にプログラムされたソフトウェアを使用して、グラインダー、旋盤、フライス、材料を除去するために使用されるその他の切削工具などの複雑な機械の動きを制御します。

これらのコンピューター支援製造技術は、広範囲にわたる複雑で正確な CNC 加工タスクを実行して、自動車、防衛、航空宇宙産業向けに製造された製品や特別に設計された部品を作成できます。

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21 世紀の軟質材料で作られたコンポーネントの生産では、3D プリンティングやその他の積層造形プロセスが中心的な役割を果たしていますが、日用品のほとんどは依然として高度に自動化されたサブトラクティブ マシニング技術の結果です。

プラスチック製ウォーター ボトルは、CNC 型彫り技術を使用して金型から製造されており、路上を走行するあらゆる自動車の個々の駆動システム コンポーネントが正確な寸法にフライス加工され、すべての可動ギアがシームレスに組み合わされて最適な機械的性能が得られます。

テネシー大学ノックスビル校工学部のトニー・シュミッツ教授は、「日常生活で触れるほぼすべてのものは、ある時点で工作機械に触れている可能性があります」と語る。 「飛行機に乗ったことがある人ならわかると思いますが、たとえばボーイング 747 では、飛行機が離陸するまでに 100 万個以上の個別の部品が機械加工され、組み立てられました。」

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CNC 工作機械は、作成されるアイテムの数と同様に多用途かつダイナミックです。 ただし、ほとんどの CNC 機械は、開ループ システムまたは閉ループ システムという 2 つのフレームワーク内で動作します。

オープンループ CNC システムでは、オペレータは目前のタスク用にコンピュータ数値制御を開発し、コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して G コードまたは作業ファイルを生成します。 次に、コンピューターは適切なステップをコントローラーとそれに接続されているサーボ モーターに中継します。

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これらのモーターは、旋盤やグラインダーなどの切削工具を少なくとも 2 つの軸 (X および Y) に沿って操作しますが、ハイエンド CNC マシンは、CNC ミルやその他の付属品を追加のいくつかの軸の周りで動かすことで、汎用性と精度を向上させることができます。

閉ループ CNC システムは、CNC 機械が材料の周りを移動する間に不一致に対処するためにモニターにフィードバック データを提供します。 このモーターとモニターの通信により、閉ループ システムは旋盤やその他の CNC 工作機械の速度、位置、送り速度をリアルタイムで変更できます。

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CNC 機械の最も一般的な産業用途をいくつか紹介します。

CNC マシンは、正確かつ効率的な切断速度が必要なプロジェクトに最適なツールであり、シンカー EDM (放電加工機) とワイヤ EDM という 2 つの最先端の切断技術に対応できます。

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彫り込み EDM は、銅またはグラファイトの形でツールに取り付けられた 2 つの電極間の相互作用による熱浸食を利用します。 もう 1 つは、材料を浸す誘電性の流体です。驚くべきことに、製造中に工具とワークピースが直接接触することはありません。 ワイヤ EDM も同様に機能しますが、ワイヤ電極を正確な切断ツールとして利用する点が異なります。

この精密な穴開けプロセスでは、回転切削工具 (通常はドリル ビットまたは高速ウォーター ジェット) を使用して、静止したワークピースに丸い穴をあけます。 これらの穴には、多くの場合、組み立てネジやボルトが収容されます。

CNC マシンには、ほぼ完璧な表面仕上げを実現する研磨ホイールが装備されていることがよくあります。 このサブトラクティブ研削技術は、あらゆる積層造形プロセスの精度を大幅に上回り、欠陥を人間の髪の毛の幅の 1/10 という小さな公差まで減らすことができます。

CNC ミルは、基本的なミルや他の手動フライス盤と同様に、旋盤、ウォーター ジェット、または旋削工具を使用して、静止したストックピースから材料を除去します。 CNC ミルは複数の軸に沿って移動できるため、オペレーターは水平、垂直、角度付きおよび正面フライス加工のタスクを絶対的な精度で実行できます。 これらのマルチアングル機能により、機械工がストック材料を調整して再固定する回数が少なくなるため、複雑な木材、金属、プラスチック部品の製造プロセスの効率が向上します。

この CNC 機械プロセスはフライス加工と同様に機能します。 ただし、ストックはワークステーションに固定されるのではなく、高速で回転する回転機構に取り付けられています。 作業者は旋盤、または同様のアタッチメントを備えた CNC を使用して、ストックを目的の形状にするまで少量の材料を除去します。

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コンピュータ支援製造 (CAM) ソフトウェアは、CNC 加工プロセスの重要なコンポーネントです。 これは、生産のあらゆる段階における人間と自動の入出力の両方を管理するため、あらゆるコンピュータ支援加工操作の仲介者および通訳者となります。

たとえば、デザイナーはコンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアでプロジェクトの 3D モデルを作成し、そのファイルを CAM にアップロードします。 CAM はモデルを解釈し、M コードまたは G コード ジェネレーターとして機能し、プロジェクトの目標を CNC プログラミングの言語に変換します。 CNC マシンがプロジェクトで作業する際、CAM にデータを送り返し、製品の結果に影響を与える可能性のある変数をオペレーターに通知します。

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CNC 加工は、19 世紀半ばの産業革命中の技術進歩に根ざしており、製造会社は銃器、工場設備、日用品の大量生産にカムベースの旋盤やフライス工具を使用し始めました。 1940 年代から 1950 年代までに、m コード パンチ カードの形式での初歩的な数値制御加工により、当初は作業員のチームによって手動で制御されていたいくつかの製造タスクが自動化され始めました。

1970 年代と 80 年代にデジタル コンピューターとコンピューター ソフトウェアが改良されると、より多くの製造ツールが自動化され、生産速度と全体的な効率が向上する可能性がありました。

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21 世紀の現在、CAM および CAD ソフトウェアと最先端の CNC マシンにより、小規模の生産チームは複雑な部品を大量に製造するためのコスト効率の高い戦略を実現できます。 機械学習と人工知能が進歩し続けるにつれて、製造業界はプロセスの最適化と自動化を継続すると考えられます。

人工知能革命の最初の段階に入った今、ロボットがすべての作業を行う世界を空想するのは簡単かもしれませんが、機械加工の専門家も工学学者も、CNC 機械加工プロセスではすべてが適切に機能するように熟練した労働者が必要であることを理解しています。それはすべきです。

「それ（コンピュータ数値制御加工）は、当分なくなることはない基礎的な機能です」とシュミッツ氏は言います。 その代わりに、シュミッツ氏は、アディティブ マニュファクチャリングとサブトラクティブ マニュファクチャリングは実際には「ハイブリッド マニュファクチャリング」が将来の CNC 機械加工プロセスになる点まで相互に補完し合っていると主張しています。

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シュミッツ氏はまた、このハイブリッド製造は、「プリフォームまたは開始状態である添加剤部品から始まり、その後、限定された機械加工を使用して、添加剤では達成できない滑らかな表面仕上げを生成する」と述べています。

しかし、CNC 加工の将来が直面する最も困難なハードルの 1 つは、CNC プログラミングに精通した資格のある機械工の現在の労働力不足です。 ベテランの CNC 専門家が退職し、その後継者として業界に参入する人がほとんどいないため、この不足はさらに悪化するでしょう。

米国では、国防総省およびその他のさまざまな連邦機関が、失敗に終わった国家製造プログラムを復活させ、業界で国の競争力を高める最先端の製造プロセスを導入する必要性を認識しています。

「歴史的に、機械加工は工芸品であると考えられてきましたが、欲しい部品を作成するには何年ものトレーニングと実践的な経験が必要です。私は、それからより自動化された機械加工環境に移行すると信じています。 」とシュミッツ氏は言う。 「仕事はまだあるだろうが、その仕事は1940年代と50年代にCNC技術が始まった頃とは大きく異なるだろう。」

米国は第二次世界大戦後、革新的な技術で世界をリードした製造大国でした。 その後、米国は 1960 年代から 70 年代にかけて製造の外部委託を開始し、外国製製品への依存が強化されました。 業界の指導者と連邦組織は、この国が21世紀におけるアメリカの機械加工産業の自立性の向上と復活を緊急に必要としていることに同意している。 労働力が減少し、CNC テクノロジー分野に参入する人が退社する人の方が少なくなっているため、この需要の高い職業に加わるのに今が最適な時期はありません。

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