あなたは本当に5軸加工を十分に理解していますか？5軸加工の全知識を徹底解説！

 

 

近年、5軸連動NCマシニングセンタはさまざまな分野でますます広範な活用が見られるようになっています。実際の現場では、形状が複雑な特殊部品を高効率かつ高品質に加工するという難題に直面するたびに、5軸連動技術がこうした課題を解決するための重要な手段であることは疑いありません。多くのメーカーが、高い加工効率と高い品質を実現するために、5軸機械の導入を検討する傾向にあります。しかし、果たしてあなたは5軸加工について十分に理解しているでしょうか？

真偽の五軸の優劣のまとめ：

 

01 5軸マシニングセンタの機械構造形式

五軸加工を真に理解するには、まず五軸工作機械とは何かをきちんと把握する必要があります。五軸工作機械（5 Axis Machining）とは、その名のとおり、X軸・Y軸・Z軸という一般的な直線軸に加えて、さらに2本の回転軸を備えた工作機械を指します。A軸・B軸・C軸のうちの2本の回転軸は、それぞれ異なる運動方式を採用しており、多様な製品の技術的要求に応えることができます。

一方、5軸マシニングセンタの機械設計にあたっては、工作機械メーカーは常に新たな運動モードの開発に取り組み、多様な要求に応えることを目指してきました。現在市場に出回っている各種の5軸工作機械を総合すると、その機械構造の形式は多岐にわたりますが、主に以下のいくつかの形式に分類されます：

 

1. 2つの回転座標によって工具軸の方向を直接制御する（デュアルポーリングヘッド形式）。

 

 

2. 二つの座標軸は工具の先端に位置するが、回転軸は直線軸に垂直ではない（俯垂型ポーリングヘッド式）。

 

3. 二つの回転座標によって空間の回転を直接制御する（二重ターンテーブル形式）。

 

 

4. 2つの直交する座標軸が作業台上に配置されているが、回転軸は直線軸と垂直でない（俯垂型作業台式）。

 

 

5. 二つの回転座標のうち、一つは工具に、もう一つはワークに作用する（一振り一回転形式）。

 

*用語：回転軸が直線軸に垂直でない場合、その軸は「俯垂型」軸とみなされる。

 

これらの構造を持つ5軸マシニングセンターを眺めてきたことで、5軸マシニングセンターにおいて何がどのように動いているのか、そのメカニズムがようやく理解できたと思います。しかし、これほど多様な機械構造を備えた5軸マシニングセンターは、加工時に果たしてどのような特長を発揮するのでしょうか。また、従来の3軸マシニングセンターと比べて、どのような優位性があるのでしょうか。次に、5軸マシニングセンターの際立った魅力について見ていきましょう。

 

五軸加工の数多くの利点

 

五軸工作機械の特長を語るには、まず従来の三軸装置と比較する必要があります。生産現場では三軸加工装置が広く普及しており、立形・横形・ガントリー型などさまざまな形式があります。一般的な加工手法としては、エンドミルによる端面加工や側面加工、さらにボールエンドミルを用いた形状追従加工などが挙げられます。しかし、いずれの形式や手法にも共通する一つの特性があります。それは、加工中において工具主軸の向きが常に一定に保たれ、工作機械はX・Y・Zの3つの直線軸の補間によってのみ、工具が空間直交座標系内での運動を実現できるという点です。したがって、以下のような製品に対峙した場合、三軸工作機械では加工効率が低く、加工面の品質も劣り、さらには加工そのものが不可能になるといった欠点が露呈してしまいます。

 

 

三軸NC加工設備と比較すると、五軸連動NC工作機械には以下の利点があります：

 

1. 刃物を最適な切削状態に保ち、切削条件を改善する

 

 

上図のとおり、左図に示す三軸切削では、切削工具が工具先端またはワークの端部へ移動するにつれて、切削状態は次第に悪化します。この箇所でも最適な切削状態を維持するためには、工作台を回転させる必要があります。さらに、不規則な平面を完全に加工する場合には、工作台を複数回、異なる方向に回転させなければなりません。これを見ると、五軸マシニングセンタは、ボールエンドミルにおいて中心点の線速度がゼロになる状態を回避でき、より優れた表面品質を得られることがわかります。

 

2. 刃物の干渉を効果的に回避

 

 

上図に示すように、航空宇宙分野で使用されるインペラ、ブレード、一体型ブレードディスクなどの部品については、干渉の問題から三軸マシンでは加工要件を満たすことができません。一方、五軸マシニングセンタであればこれらの要件を確実に満たすことができます。さらに、五軸マシニングセンタではより短い切削工具を使用して加工できるため、システム剛性が向上し、工具の本数を削減でき、専用工具の製作も不要になります。当社の経営者の方々にとって、これは工具コストの面で五軸マシニングセンタが大幅なコスト削減につながることを意味します！

 

3. ワークのチャック締め回数を削減し、1回のチャックで5面加工を完了

 

 

 

上図からもわかるように、5軸加工センターは基準の変換を削減し、加工精度を向上させることができます。実際の加工においては、一度のチャッククランプで済むため、加工精度の確保がより容易になります。同時に、プロセスチェーンの短縮と設備台数の削減により、治具・ジグの数、工場の占有面積、および設備の保守費用も減少します。つまり、より少ない治具、より狭い工場面積、そして低い保守コストで、より高効率かつ高品質な加工を実現できるのです！

 

図のとおり、5軸マシニングセンターでは工具の側刃による切削を採用でき、加工効率がさらに向上します。

 

 

5. 生産プロセスの連鎖を短縮し、生産管理を簡素化する

 

5軸CNCマシンによる一括加工は、生産プロセスのフローを大幅に短縮し、生産管理およびスケジュール調整を簡素化することができます。ワークピースが複雑になるほど、従来の工程分散型の生産方式に比べてその優位性は一段と顕著になります。

 

6. 新製品の研究開発期間の短縮

 

航空宇宙や自動車などの分野に属する企業では、新製品の部品および成形金型の形状が非常に複雑で、精度要求も極めて高いことが多くあります。そのため、高い柔軟性、高精度、高統合性およびフルマシニング機能を備えた5軸NCマシニングセンタは、新製品の研究開発プロセスにおける複雑な部品の加工に関する精度とリードタイムの課題を効果的に解決し、研究開発期間を大幅に短縮するとともに、新製品の成功率を向上させることができます。

 

以上を総括すると、5軸工作機械には実に数え切れないほどの優れた点が存在します。しかし、5軸工作機械では、工具姿勢の制御、CNCシステム、CAMプログラミングおよびポストプロセッシングのすべてが、3軸工作機械に比べてはるかに複雑です。さらに、5軸工作機械について語る際には、必ず「真の5軸」と「偽の5軸」の問題も避けて通れません。この両者の最大の違いは、RTCP機能にあることは周知のとおりです。では、そもそもRTCPとは何であり、どのようにして生まれ、またどのように活用すべきなのでしょうか。以下では、工作機械の構造とプログラミング・ポストプロセッシングの観点からRTCPを具体的に検討し、その真の姿を明らかにしていきます。

 

03 RTCPについて

 

RTCPとは、高級な5軸NCシステムにおいて、Rotated Tool Center Point、すなわち一般に「刃先追従機能」と呼ばれる機能を指す。5軸加工では、刃先の軌跡および工具とワークとの相対姿勢を厳密に求めることから、回転運動に伴い刃先に付加的な運動が生じる。NCシステムの制御点はしばしば刃先と一致しないため、NCシステムは制御点を自動的に補正し、刃先が指令どおりの定められた軌跡で運動することを保証する必要がある。業界内では、この技術をTCPM、TCPC、あるいはRPCPといった名称で呼ぶこともある。実際にはこれらの呼称が示す機能の定義はいずれもRTCPと類似しており、厳密な意味で言えば、RTCP機能は二重ポーリングヘッド構造において、ポーリングヘッドの回転中心点を用いて補償を行うものである。一方、RPCPに類する機能は主として二重ターンテーブル形式の工作機械に適用され、ワークの回転に起因する直線軸座標の変化を補償するものである。結局のところ、これらの機能は目的は異なっても、いずれも工具の中心点と工具とワーク表面との実際の接触点を一定に保つことを目的としている。したがって、記述の便宜上、本稿ではこれらの一連の技術を統一してRTCP技術と呼ぶことにする。

 

 

 

では、RTCP機能はどのようにして生まれたのでしょうか。数年前、五軸マシニングセンタが市場に普及し始めた頃、RTCPの概念は工作機械メーカーによって大々的に宣伝されました。当時は、RTCP機能はいわば“技術のための技術”という名目でのお祭り的なブームにすぎず、むしろその技術自体への関心と過剰な宣伝が広がっていたのが実情でした。しかし実際には、RTCP機能はまったく逆で、単なる優れた技術にとどまらず、顧客に確かな効果をもたらし、価値を創出する重要な技術なのです。RTCP技術を搭載した工作機械（すなわち国内でいう“真の五軸マシニングセンタ”）では、作業者はワークを回転テーブルの回転中心軸に厳密に合わせる必要がなく、任意の方法でクランプしても、工作機械が自動的に偏移を補正してくれるため、補助時間の大幅な短縮と同時に加工精度の向上が実現します。さらに、後処理の作成も非常に簡便で、工具先端の座標とベクトルだけを出力すればよいのです。前述したとおり、機械構造の観点から見ると、五軸NC工作機械には主に二重ポーチヘッド型、二重回転テーブル型、およびポーチヘッド1つと回転テーブル1つの組み合わせ型といった構成があります。

 

以下では、デュアルターンテーブルを採用した高級5軸NCシステムを例に挙げて、RTCP機能について詳しく説明します。

 

5軸工作機械における第4軸および第5軸の概念を定義する：二重回転テーブル構造において、第4軸の回転は第5軸の姿勢に影響を及ぼすが、第5軸の回転は第4軸の姿勢には影響を及ぼさない。第5軸は、第4軸上における回転座標である。

 

 

さて、定義の説明を終えましたので、次にその仕組みについてご説明します。上図に示すとおり、工作機械の第4軸はA軸、第5軸はC軸です。ワークはC軸ターンテーブル上に配置されています。第4軸であるA軸が回転すると、C軸がA軸に取り付けられているため、C軸の姿勢も影響を受けます。同様に、ターンテーブル上に載せたワークに対して工具中心で切削加工のプログラムを作成する場合、回転座標の変化によって直線軸X・Y・Zの座標も必然的に変化し、相対的な位置ずれが生じます。この位置ずれを除去するためには、工作機械側で補正を行う必要がありますが、RTCPはまさにこの補正を不要にするために設けられた機能なのです。

 

では、工作機械はこのずれをどのように補償するのでしょうか。次に、このずれがどのように生じるのかを分析していきます。

 

 

前述のとおり、直線軸座標のずれは回転座標の変化に起因することが明らかです。したがって、回転軸の回転中心を正確に解析することが極めて重要となります。デュアルターンテーブル構造の工作機械においては、C軸すなわち第5軸の制御点は通常、工作機械の作業台面の回転中心に設定されます。一方、第4軸については、一般に第4軸の軸線の中点を制御点として選定します。

 

 

CNCシステムが5軸制御を実現するためには、第5軸の制御点と第4軸の制御点との間の関係を把握する必要があります。すなわち、初期状態（工作機械のA軸およびC軸の0位置）において、第4軸の制御点を原点とする第4軸回転座標系における第5軸制御点の位置ベクトル［U, V, W］を知る必要があります。同時に、A軸とC軸の軸線間の距離も把握しておく必要があります。二重ターレット式工作機械の場合、その例を下図に示します。

 

ここまでお話ししたとおり、RTCP機能を備えた工作機械では、制御システムが工具の中心を常にプログラムされた位置に保持します。この場合、プログラミングは独立しており、工作機械の動作とは無関係に行われます。工作機械上でプログラミングを行う際には、工作機械の動作や工具長を心配する必要はありません。考慮すべきは、工具とワークピースとの相対運動のみです。残りの作業はすべて制御システムが自動的に実行してくれます。例を挙げると：

 

 

 

上図のとおり、RTCP機能をオフにした状態では、制御システムは工具長を考慮しません。工具は回転軸の中心を中心に回転し、先端はその位置から外れ、もはや固定されなくなります。

 

 

上図のとおり、RTCP機能を有効にした状態では、制御システムは工具の向きのみを変更し、工具先端の位置はそのまま維持されます。X軸、Y軸、Z軸における必要な補正運動は自動的に計算されて組み込まれています。

では、RTCP機能を備えていない5軸工作機械およびCNCシステムでは、直線軸の座標オフセット問題はどのように解決されているのでしょうか。現在、国内の多くの5軸CNC工作機械およびCNCシステムはいわゆる「偽5軸」に該当します。ここでいう「偽5軸」とは、すなわちRTCP機能を搭載していない工作機械のことです。真5軸と偽5軸の違いは、外観や5軸の連動有無ではなく、むしろRTCPアルゴリズムの有無にあります。実際、偽5軸であっても5軸連動加工を行うことは可能です。偽5軸の特徴は、本物の5軸に備わるRTCPアルゴリズムが搭載されていない点にあり、そのため、偽5軸でのプログラミングでは主軸の振れ長や回転テーブルの位置を考慮する必要があります。つまり、偽5軸のCNCシステムおよび工作機械で加工プログラムを作成する際には、CAMによるプログラミングとポストプロセッシング技術に依存し、事前に切削パスを十分に計画しておくことが不可欠です。

 

同じ部品であっても、工作機械や切削工具を交換した場合には、必ずCAMプログラミングとポストプロセッシングをやり直さなければなりません。さらに、疑似5軸工作機械では、ワークをテーブルの回転中心に正確に据え付ける必要があります。これはオペレーターにとって、多くの据え付け・位置合わせ時間を要することを意味し、しかも精度が確保できないという課題があります。分度加工を行う場合でさえ、疑似5軸は非常に手間がかかります。一方、真の5軸では、座標系を1つ設定するだけで済み、タッピングを一度行うだけで加工を完了できます。

 

下図は、NXのポストプロセッサーエディタでの設定を例に取り、仮想5軸の座標変換について説明しています。

 

上図に示すように、仮想5軸加工は後処理技術に依拠し、工作機械の第4軸と第5軸の中心位置関係を明示することで、回転軸による直線軸座標の変位を補償します。これにより生成されるCNCプログラムのX、Y、Z軸データは、単なる到達点のプログラミングにとどまらず、X、Y、Z軸における必要な補償も組み込まれています。このような処理を行った結果、加工精度が不足し効率も低下するだけでなく、生成されたプログラムは汎用性に乏しく、人件費も大幅に増加します。さらに、各工作機械ごとに旋回パラメータが異なるため、それぞれに対応した後処理ファイルが必要となり、生産現場において大きな不便を招きます。また、仮想5軸では生成されたプログラムを修正することができず、手動による5軸プログラミングを実現することはほぼ不可能です。さらにRTCP機能を備えていないため、5軸の高度な機能群、たとえば5軸工具補正機能なども利用できません。実際には、5軸工作機械とは、加工結果を実現するための道具にすぎず、真偽の区別はありません。重要なのは、当該工程に応じてどの加工方式を選択するかを決定することであり、相対的に見れば、真の5軸工作機械の方がコストパフォーマンスに優れています。