CNC加工用部品の設計方法
CNC 加工の設計に関するこの完全なガイドでは、カスタム パーツで最高の結果を実現できるように、基本的および高度な設計プラクティスとヒントをまとめました。
コンピュータ数値制御（CNC）加工向けに設計を最適化するための簡単な手順がいくつかあります。製造性を考慮した設計（DFM）のルールに従うことで、CNC加工の幅広い機能を最大限に活用できます。ただし、業界全体で統一された標準がないため、これは困難な場合があります。
この記事では、CNC加工におけるベストプラクティスを網羅的に解説するガイドをご紹介します。この最新の情報をまとめるにあたり、業界の専門家やCNC加工サービスプロバイダーの皆様からのフィードバックを伺いました。コスト最適化をお考えの方は、CNC加工に適したコスト効率の高い部品設計ガイドをご覧ください。
CNC 設計の主な制限は何ですか?
CNC は設計の柔軟性に優れていますが、いくつかの制限があります。これらの制限は、切削プロセスの基本的なメカニズムに関係し、主にツールの形状とツールへのアクセスに関係します。
ツール形状
最も一般的な CNC 切削工具 (エンド ミル ツールとドリル) は円筒形であり、切削長さが制限されています。
ワークピースから材料が除去されると、工具の形状が機械加工された部品に転送されます。つまり、たとえば、使用された切削工具がどれだけ小さいかに関係なく、CNC 部品の内部コーナーには常に半径が付きます。
ツールアクセス
材料を除去するには、切削工具をワークピースの真上から直接近づけます。この方法でアクセスできないフィーチャは CNC 加工できません。
このルールには例外があります。それはアンダーカットです。この記事の後半にアンダーカットに関するセクションがあります。
モデルのすべてのフィーチャ（穴、キャビティ、垂直壁など）を6つの主要方向のいずれかに揃えることをお勧めします。ただし、5軸CNCシステムは高度なワークピース保持機能を備えているため、このルールは推奨事項であり、制限ではありません。
深さと幅の比率が大きいフィーチャを加工する場合、ツールのアクセスも問題になります。たとえば、深いキャビティの底に到達するには、リーチの長いツールが必要です。これは、エンド エフェクタの動作範囲が広くなることを意味します。これにより、機械のチャタリングが増加し、達成可能な精度が低下します。
可能な限り大きな直径と最短の長さを持つツールを使用して CNC 加工できる部品を設計すると、生産が簡素化されます。
CNC設計ガイドライン
CNC加工用の部品を設計する際に頻繁に発生する課題は、業界全体にわたる明確な標準が存在しないことです。CNC機械および工具メーカーは、技術の能力を継続的に向上させ、可能性の限界を広げています。以下の表は、CNC加工部品でよく見られる形状について、推奨値と実現可能な値をまとめたものです。
空洞とポケット
推奨キャビティ深さ：キャビティ幅の4倍
エンドミル工具の切削長さには限界があり（通常、工具径の3～4倍）、キャビティの深さと幅の比が小さいほど、工具のたわみ、切りくずの排出、振動が顕著になります。
空洞の深さをその幅の 4 倍に制限すると、良好な結果が得られます。
より大きな深さが必要な場合は、可変のキャビティ深さを持つ部品の設計を検討してください。
ディープキャビティフライス加工：工具径の6倍を超える深さのキャビティをディープキャビティと定義します。専用工具を使用することで、工具径とキャビティ深さの比は最大30:1まで可能です（最大深さ：直径1インチのエンドミル工具で35cm）。
空洞とポケット
垂直コーナー半径
推奨: キャビティの深さの1/3倍（またはそれ以上）
内部コーナー半径の推奨値を使用すると、適切な直径のツールが使用可能になり、推奨されるキャビティ深さのガイドラインに準拠できるようになります。
コーナー半径を推奨値よりわずかに（例えば1mm）大きくすると、工具は90度ではなく円弧を描くように切削できます。これは、より高品質な表面仕上げが得られるため、推奨されます。鋭角な90度の内角が必要な場合は、コーナー半径を小さくするのではなく、Tボーンアンダーカットを追加することを検討してください。
床の半径
推奨： 0.5 mm、1 mm、または半径なし
実現可能： 任意の半径
エンドミル工具は、下刃が平坦またはわずかに丸みを帯びています。その他の底半径は、ボールエンドミル工具を使用して加工できます。機械工が好む推奨値を使用することは、設計上好ましい方法です。
薄い壁
最小壁厚
推奨: 0.8 mm (金属)、1.5 mm (プラスチック)
可能：0.5 mm（金属）、1.0 mm（プラスチック）
肉厚を薄くすると材料の剛性が低下し、加工中の振動が増加し、達成可能な精度が低下します。プラスチックは反り（残留応力による）や軟化（温度上昇による）を起こしやすいため、最低限の肉厚は厚めにすることを推奨します。上記の実現可能な値は、ケースバイケースで検討する必要があります。
穴
直径の測り方
推奨：標準ドリルビット
実現可能: 直径1 mm以上
穴加工はドリルビットまたはエンドミル工具を用いて行います。ドリルビットのサイズは標準化されており（メートル法とヤードポンド法の単位系で統一されています）、リーマやボーリング工具は、厳しい公差が求められる穴の仕上げに使用されます。直径20mm未満の高精度穴加工には、標準直径のドリルビットの使用をお勧めします。
最大深度
推奨： 公称直径の4倍
典型的な： 公称直径の10倍
実現可能： 公称直径の40倍
標準外径の穴は、エンドミル工具で加工する必要があります。この場合、最大キャビティ深さの制限が適用され、推奨最大深さ値を使用する必要があります。標準値よりも深い穴は、専用のドリルビット（最小直径3mm）を使用して加工します。ドリルで加工した止まり穴は円錐状の底面（135度の角度）になりますが、エンドミル工具で加工した穴は平面になります。
CNC 加工では、貫通穴と止まり穴のどちらが優先されるかという決まりはありません。
スレッド
番手
最小： M1（場合によってはそれ以下）
推奨： M6以上
ねじはタップで、外ねじはダイスで切ります。タップとダイスはM2までのねじ切りに使用できます。CNCねじ切り工具は一般的であり、タップ破損のリスクを軽減できるため、機械工に好まれています。CNCねじ切り工具はM6までのねじ切りに使用できます。
糸の長さ
最小： 公称直径の1.5倍
推奨： 公称直径の3倍
ねじにかかる荷重の大部分は、最初の数歯（呼び径の1.5倍まで）で受け止められます。したがって、呼び径の3倍を超えるねじは不要です。
タップで切削した止まり穴（M6未満のねじ）のねじ山については、穴底部の呼び径の1.5倍に相当するねじ山なし長さを加算してください。CNCねじ切り工具を使用できる場合（M6より大きいねじ山の場合）、穴の全長にわたってねじ山を切ることができます。
小さな機能
最小穴径
推奨： 2.5 mm（0.1インチ）
実現可能： 0.05 mm（0.005インチ）
ほとんどの機械工場では、直径2.5mm（0.1インチ）までの工具を用いて、キャビティや穴を正確に加工できます。この限界以下の加工はマイクロマシニングとみなされます。切削プロセスの物理的特性がこのスケールによって変化するため、このような形状の加工には特殊工具（マイクロドリル）と専門知識が必要です。したがって、絶対に必要な場合を除き、マイクロマシニングは避けることをお勧めします。
許容範囲
典型的な： +-0.1mm
実現可能： +-0.02mm
当社の公差は2768ミディアムまたはファインです。公差が指定されていない場合、製造パートナーは選択された2768グレードを使用します。
公差は許容される寸法の境界を定義します。達成可能な公差は、基本寸法と部品の形状によって異なります。上記の値は妥当なガイドラインです。
テキストとレタリング
推奨: フォントサイズ20（またはそれ以上）、5 mmの刻印
エンボス加工されたテキストよりも、削り取られる材料が少ないため、彫刻されたテキストの方が好まれます。最小サイズ -20 のサンセリフ フォント (Arial や Verdana など) の使用をお勧めします。多くの CNC マシンには、これらのフォント用に事前にプログラムされたルーチンがあります。
CNCマシンのセットアップと部品の方向
複数のセットアップを必要とする部品の回路図
CNC加工における設計上の主な制約の一つは、工具アクセスです。モデルのすべての面に到達するには、ワークピースを複数回回転させる必要があります。
ワークピースが回転するたびに、マシンを再調整し、新しい座標系を定義する必要があります。
設計時には、次の 2 つの理由からマシンのセットアップを考慮することが重要です。
機械の段取り替え回数はコストに影響します。部品の回転と再調整には手作業が必要となり、加工時間が増加します。部品を3～4回回転させる必要がある場合は許容範囲ですが、それ以上の回転は過剰です。
相対的な位置精度を最大限に高めるには、2つの形状を同じセットアップで加工する必要があります。これは、新しいキャリブレーションステップによって、小さな（しかし無視できない）誤差が生じるためです。
5軸CNC加工とは何ですか?
5軸CNC工作機械は、切削工具または部品を5つの軸に沿って同時に動かします。多軸CNC工作機械は、2つの回転軸を追加することで、複雑な形状の部品を製造できます。これらの工作機械は、複数の機械セットアップを必要としません。
5 軸 CNC 加工の利点と制限は何ですか?
5軸CNC加工により、工具は常に切削面に対して接線方向に移動できます。工具パスはより複雑かつ効率的になり、部品の表面仕上げが向上し、加工時間が短縮されます。
とはいえ、5軸CNCには限界があります。基本的な工具形状と工具アクセスの制限は依然として存在します（例えば、内部形状を持つ部品は加工できません）。さらに、このようなシステムの使用コストは高くなります。
CNC加工によるアンダーカット
アンダーカットは、表面の一部に上から直接アクセスできないため、標準の切削工具を使用して加工できない特徴です。
アンダーカットには、T スロットとダブテールの 2 つの主な種類があります。アンダーカットは片面または両面にすることができ、特殊なツールを使用して加工されます。
T スロット切削工具は、垂直シャフトに取り付けられた水平切削ブレードで作られています。アンダーカットの幅は 3 mm から 40 mm まで変化します。適切な工具がすでに利用可能である可能性が高いため、幅には標準サイズ (つまり、ミリメートル単位または標準インチ単位) を使用することをお勧めします。
ダブテール切削工具の場合、角度が特徴のサイズを決定します。45 度と 60 度のダブテール工具はどちらも標準と見なされます。5 度、10 度、最大 120 度 (10 度刻み) の角度の工具も存在しますが、あまり一般的には使用されません。
T スロット (左)、蟻継ぎアンダーカット (中央)、および内壁の片側アンダーカット (右)。
CNC加工用アンダーカット設計
内壁にアンダーカットのある部品を設計する際は、工具が通るのに十分なクリアランスを確保することを忘れないでください。目安としては、加工面と他の内壁の間に、アンダーカットの深さの少なくとも4倍のスペースを確保するのが良いでしょう。
標準工具の場合、切削径とシャフト径の比率は通常2:1であるため、切削深さが制限されます。標準外のアンダーカットが必要な場合、機械工場では独自のカスタムアンダーカット工具を製作するのが一般的です。これはリードタイムとコストの増加につながるため、可能な限り避けてください。
技術図面の作成
技術図面は、エンジニアが機械工に特定の製造要件を伝えるために使用されることがあります。
見積書と一緒に技術図面をアップロードする
通常、当社のプラットフォームでのご注文には図面は必須ではありませんが、場合によっては見積もり依頼に有益な情報となることがあります。一部の設計仕様はSTEPまたはIGESファイルに含めることができません。例えば、モデルにねじ穴やシャフト、または選択した2768グレードよりも厳しい公差を持つ寸法が含まれている場合は、2D図面を含める必要があります。
図面を追加する場合は、アップロードしたファイルの仕様と一致していることを確認してください。図面がアップロードしたファイルまたは見積りの仕様と一致しない場合は、以下の点にご注意ください。
見積仕様は、技術、材質、表面仕上げの基準となります。
技術図面は、ねじ仕様、公差仕様、表面仕上げの詳細、部品マーキング要求、熱処理仕様の参照点と見なされます。
CAD ファイルは、部品の設計、形状、寸法、およびフィーチャの位置の参照ポイントと見なされます。
CNC 加工のベストプラクティスは何ですか?
可能な限り大きな直径のツールを使用して加工できる部品を設計します。
すべての内部垂直コーナーに、大きなフィレット（キャビティの深さの少なくとも 1/3 倍）を追加します。
空洞の深さは幅の 4 倍までに制限します。
設計の主要な特徴を6つの主要方向のいずれかに合わせます。それが不可能な場合は、5軸CNC加工が選択肢となります。
設計にねじ、許容差、表面仕上げの仕様、または機械オペレーター向けのその他の注意事項が含まれている場合は、図面とともに技術図面を提出してください。
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