同時5軸加工とは？割り出し5軸との違いやメリットを解説
同時5軸加工とは？仕組みと5つの軸の動きを解説
同時5軸加工とは、工作機械の5つの軸を連動させ、工具の位置と角度を変えながら切削する加工方法です。一般的な3軸加工では工具をX・Y・Z方向に動かしますが、5軸加工では、さらに回転軸や傾斜軸を加えます。これにより、工具が届きにくい部分や複雑な曲面にも、適切な角度からアプローチできます。
5軸加工に使われる「直線3軸」と「回転2軸」
5軸加工の基本となるのは、X軸・Y軸・Z軸の直線3軸と、A軸・B軸・C軸のうち2つの回転軸です。X・Y・Z軸は、工具またはワークを前後・左右・上下に移動させます。一方、回転軸はワークを傾けたり回したりし、加工面の向きを変える役割を担います。
機械の構造には、テーブル側が傾斜・回転するタイプ、主軸側が旋回するタイプ、両方を組み合わせたタイプがあります。構造によって加工できるワークの大きさや重量、可動範囲、得意な形状が異なるため、5軸加工機であればすべて同じ加工ができるわけではありません。
「同時」5軸加工とは5軸を同期させて加工すること
同時5軸加工の「同時」とは、加工中に直線軸と回転軸を同期させて動かすことを意味します。工具を移動させるだけでなく、工具やワークの角度を連続的に変えながら切削するため、ねじれた面や滑らかな自由曲面を一連の動作で加工できます。
ただし、5軸加工機を使用する加工が、すべて同時5軸加工になるわけではありません。回転軸で加工面の角度を決めた後、その角度を固定して3軸で切削する方法は「割り出し5軸加工」または「3＋2軸加工」と呼ばれます。同時5軸加工は、加工中も工具姿勢を変え続ける必要がある形状で特に効果を発揮します。
3軸加工や5面加工との違い
3軸加工では、基本的に工具の向きが一定であるため、側面や裏面を加工する際にはワークの付け替えが必要です。5面加工は、ワークの上面と4つの側面を一度の段取りで加工できる方法ですが、主な目的は多面加工であり、複雑な曲面を連続的に削ることとは異なります。
同時5軸加工では、工具姿勢を細かく制御できるため、工具やホルダーとワークの干渉を避けながら加工できます。また、短く剛性の高い工具を使いやすくなり、工具のたわみや振動を抑えられる点も特徴です。
同時5軸加工が活用される代表的な形状
同時5軸加工は、インペラやタービンブレード、プロペラ、航空機部品、人工関節、自由曲面を持つ金型などに活用されています。これらは、深い溝、複雑な曲面、ねじれた形状などを持ち、一定方向からの加工だけでは工具が届きにくい部品です。
一方で、複数の平面や斜め穴を加工するだけであれば、割り出し5軸加工で対応できる場合があります。そのため、形状が複雑だからという理由だけで同時5軸加工を選ぶのではなく、加工中に工具角度を連続して変える必要があるかを見極めることが重要です。
同時5軸加工と割り出し5軸加工の違い
5軸加工には、大きく分けて「同時5軸加工」と「割り出し5軸加工」の2種類があります。どちらも直線3軸と回転2軸を備えた5軸加工機を使用しますが、加工中の軸の動かし方や得意な形状、プログラム作成の難易度が異なります。
5軸加工を検討する際は、単に「複雑な形状だから同時5軸を使う」と考えるのではなく、加工中に工具の角度を連続的に変える必要があるかを確認することが重要です。
割り出し5軸加工とは
割り出し5軸加工とは、回転軸や傾斜軸を使ってワークの向きを変え、加工面の角度を決めた後、その角度を固定して主にX・Y・Zの直線3軸で切削する方法です。「3＋2軸加工」や「固定5軸加工」と呼ばれることもあります。
例えば、直方体の部品に対して上面だけでなく側面や斜面にも穴を開ける場合、加工面が工具に向くようにテーブルを回転・傾斜させます。その後は角度を固定し、通常の3軸加工と同じように切削します。ワークを手作業で付け替えずに複数面を加工できるため、段取り時間の短縮や位置ずれの抑制につながります。
加工中に回転軸が動くかどうかが大きな違い
同時5軸加工と割り出し5軸加工の最も大きな違いは、切削中に回転軸や傾斜軸を動かすかどうかです。
同時5軸加工では、X・Y・Zの直線軸と回転2軸を同期させ、工具またはワークの角度を連続的に変えながら加工します。そのため、インペラの羽根やタービンブレード、自由曲面を持つ金型など、工具姿勢を常に変えなければ加工できない形状に適しています。
一方、割り出し5軸加工では、加工前にワークの角度を決め、切削中はその姿勢を固定します。平面、斜面、側面、複数方向の穴など、加工面ごとに工具の向きを変えれば対応できる部品に向いています。
| 比較項目 | 同時5軸加工 | 割り出し5軸加工 |
| 加工中の軸制御 | 5軸を同期して動かす | 角度を固定して主に3軸で加工 |
| 得意な形状 | 自由曲面、ねじれ形状 | 平面、斜面、多方向の穴 |
| 工具姿勢 | 連続的に変化する | 加工面ごとに固定する |
| プログラム作成 | 難易度が高い | 比較的取り組みやすい |
| 加工コスト | 高くなりやすい | 比較的抑えやすい |
多面加工なら割り出し5軸で対応できる場合がある
複数の面を加工するからといって、必ずしも同時5軸加工が必要とは限りません。側面の穴加工や斜面の切削など、加工面の向きを変えた後に3軸加工で形状を作れる場合は、割り出し5軸加工で対応できます。
割り出し5軸加工は、同時5軸加工と比べて工具経路が単純になりやすく、プログラムの作成や加工前の確認にかかる負担を抑えられます。そのため、加工品質や納期、コストを総合的に考えると、割り出し5軸加工のほうが合理的なケースも少なくありません。
同時5軸加工が必要になるケース
同時5軸加工が必要となるのは、加工中に工具とワークの位置関係を連続して変えなければ、目的の形状を作れない場合です。代表例として、ねじれた溝、複雑につながる曲面、深い部分にある傾斜面などが挙げられます。
また、工具やホルダーとワークの干渉を避けながら加工したい場合や、曲面の仕上がりを均一にしたい場合にも有効です。
加工方法を選ぶ際は、「5軸を使えるか」ではなく、「5軸を同時に動かす必要があるか」を基準にします。形状、要求精度、面粗度、数量、予算を加工会社へ伝え、割り出し5軸を含めて最適な方法を検討することが、品質とコストの両立につながります。
同時5軸加工のメリット
同時5軸加工の大きなメリットは、複雑な形状に対応できるだけでなく、段取りの削減や加工精度の安定、工具条件の改善など、製造工程全体を効率化できる点です。特に、複数方向からの加工が必要な部品や、滑らかな曲面を持つ部品では、3軸加工では難しい工程集約が可能になります。
ただし、すべての部品で同じ効果が得られるわけではありません。部品形状や要求精度、加工数量などを踏まえ、同時5軸加工を採用することでどの工程を改善できるかを確認することが重要です。
複雑な三次元形状を加工できる
同時5軸加工では、工具の位置と角度を連続的に変えながら切削できるため、自由曲面やねじれた形状、深い溝などの加工に対応できます。一定方向からしか工具を当てられない3軸加工と異なり、加工する面に合わせて工具姿勢を調整できることが特徴です。
例えば、インペラの羽根の間やタービンブレードの曲面などは、工具やホルダーが周囲の形状に干渉しやすく、3軸加工では加工が困難な場合があります。同時5軸加工で工具の角度を変えれば、干渉を避けながら必要な部分へアプローチできます。
また、複数の部品に分割して製作していた形状を、一体部品として加工できる可能性もあります。部品点数や組立工程を減らせるため、製品設計の自由度向上にもつながります。
段取り替えを減らして加工時間を短縮できる
3軸加工で複数面を削る場合、加工面ごとにワークを取り外し、向きを変えて固定し直す必要があります。そのたびに、治具への取り付けや芯出し、加工原点の設定などが発生します。
同時5軸加工では、一度の取り付けで多方向から工具を当てられるため、ワークの付け替え回数を減らせます。段取り時間を短縮できるだけでなく、複数の工作機械に分かれていた工程を1台に集約できる場合もあります。
加工そのものの時間が必ず短くなるとは限りませんが、段取り、機械間の移動、仕掛品の保管などを含めた総リードタイムの短縮が期待できます。多品種少量生産や短納期品では、特に効果を得やすいメリットです。
付け替えによる位置ずれを抑えられる
ワークを付け替えると、固定位置や基準面にわずかなずれが生じる可能性があります。複数面の位置関係に厳しい公差が設定されている部品では、段取りごとの誤差が加工精度に影響します。
同時5軸加工によってワンチャッキングで加工できれば、同じ基準を維持したまま複数面を切削できます。そのため、穴同士の位置、曲面のつながり、各面の角度などの精度を確保しやすくなります。
ただし、同時5軸加工を使えば自動的に高精度になるわけではありません。機械の精度や熱変位、工具の状態、加工条件、測定方法なども品質を左右します。
短く剛性の高い工具を使いやすい
深い部分や垂直に近い壁面を3軸加工で削る場合、ワークとの干渉を避けるために、突き出し量の長い工具が必要になることがあります。しかし、工具が長くなるほどたわみや振動が発生しやすく、加工面の乱れや工具寿命の低下につながります。
同時5軸加工では、工具やワークを傾けて加工面へ近づけられるため、短い工具を選択しやすくなります。工具剛性が高まることで、びびりを抑え、安定した切削条件を設定できます。結果として、加工精度や面品位の向上、加工時間の短縮が期待できます。
治具や特殊工具の削減につながる
工具の向きを柔軟に変えられるため、加工面ごとに専用治具を製作したり、届きにくい部分のために特殊工具を用意したりする必要を減らせます。治具の設計・製作・保管にかかる負担を軽減できる点もメリットです。
同時5軸加工の効果を判断する際は、機械の加工時間だけでなく、段取り工数、治具費、工具費、検査工数まで含めて比較する必要があります。工程全体で評価することで、導入や外注にかかる費用が妥当かを判断しやすくなります。
同時5軸加工のデメリットと注意点
同時5軸加工は、複雑形状への対応や工程集約に有効な一方、設備費や加工準備の負担が大きくなりやすい加工方法です。5つの軸を連動させるため、機械を導入するだけでは十分ではなく、CAM、シミュレーション、測定設備、技術者の育成なども必要になります。
そのため、加工できる形状だけで判断せず、準備工数や品質管理を含めた総コストを確認することが重要です。
加工設備やソフトウェアの導入費用が高い
同時5軸加工を内製するには、同時制御に対応した5軸加工機が必要です。一般的な3軸加工機と比べて構造や制御が複雑であり、設備の導入費用も高くなる傾向があります。
さらに、5軸加工に対応したCAM、ポストプロセッサ、加工シミュレーションなどの環境も必要です。機械本体だけでなく、周辺ソフトウェアのライセンス費用や保守費用、操作教育にかかる費用も考慮しなければなりません。
加工数量が少ない場合や、同時5軸加工を必要とする案件が限られている場合は、設備を自社で保有するよりも、専門の加工会社へ外注したほうが合理的なこともあります。
NCプログラムの作成難易度が高い
同時5軸加工では、工具の位置だけでなく、加工中の工具姿勢も設定する必要があります。工具をどの方向に傾け、どのような経路で動かすかによって、加工面の品質や加工時間、工具寿命が変わります。
また、CAMで作成した工具経路を工作機械で実行できる形式に変換するためには、機械の軸構成や制御仕様に合ったポストプロセッサが必要です。設定が適切でなければ、CAM上では問題がなくても、実機では想定と異なる動きをする可能性があります。
安定した加工を行うには、機械、工具、CAMの知識を持つ技術者と、加工条件を検証するためのノウハウが欠かせません。
工具や機械が干渉するリスクがある
5つの軸が同時に動くと、工具先端だけでなく、工具ホルダー、主軸、テーブル、治具なども複雑に移動します。そのため、工具とワークの干渉や、主軸と治具の衝突が起こるリスクがあります。
特に、深い形状や狭い部分を加工する場合は、工具先端が加工面に届いていても、ホルダーが周囲の形状に接触する可能性があります。干渉が起きれば、ワークの不良だけでなく、工具や機械の破損につながりかねません。
加工前には、機械全体の動きを再現できるシミュレーションを行い、干渉や可動範囲の超過がないかを確認することが重要です。
機械精度の管理と定期的な校正が必要
同時5軸加工では、直線軸だけでなく回転軸や傾斜軸の誤差も加工精度に影響します。回転中心の位置や軸同士の関係にずれがあると、工具姿勢を変えた際に加工位置がずれる可能性があります。
そのため、定期的な精度測定や補正、機械の暖機運転、温度変化への対策が必要です。高精度な部品を加工する場合は、加工後の寸法だけでなく、曲面形状や各面の位置関係を確認できる測定体制も求められます。
すべての部品で加工費が下がるとは限らない
同時5軸加工によって段取りを減らせても、プログラムの作成やシミュレーションに時間がかかれば、総コストが高くなる場合があります。単純な平面や穴を加工する部品では、3軸加工や割り出し5軸加工のほうが効率的です。
加工方法を選ぶ際は、機械の稼働時間だけでなく、プログラム作成、治具、工具、段取り、検査まで含めて比較します。同時5軸加工を目的にするのではなく、要求品質を満たしながら、最も合理的に製造できる方法を選ぶことが大切です。
同時5軸加工が向いている部品・形状と加工方法の選び方
同時5軸加工は、工具の位置と角度を連続的に変えなければ加工できない部品に適しています。一方、複数の面を加工するだけであれば、割り出し5軸加工や3軸加工で十分な場合もあります。加工方法を選ぶ際は、形状の複雑さだけでなく、要求精度、面粗度、加工数量、納期、コストまで含めて検討することが重要です。
同時5軸加工が向いている部品・形状
同時5軸加工が特に効果を発揮するのは、自由曲面やねじれた形状を持つ部品です。代表例として、インペラ、タービンブレード、プロペラ、航空機部品、人工関節、金型などが挙げられます。
これらの部品は、加工面の向きが連続的に変化するため、工具を一定方向に固定したままでは加工しにくいことが特徴です。工具姿勢を変えながら切削することで、複雑な曲面に沿った工具経路を設定できます。
また、深い溝や狭い部分、周囲に壁がある形状など、工具やホルダーが干渉しやすい部品にも向いています。加工面に合わせて工具を傾ければ、干渉を避けながら短い工具で加工できる可能性があります。
割り出し5軸加工が向いている部品・形状
割り出し5軸加工は、複数方向からの加工は必要でも、切削中に工具角度を連続して変える必要がない部品に適しています。例えば、箱形状の部品、多方向に穴がある部品、斜面を持つ部品、複数の側面を加工する機械部品などです。
加工面を工具側へ向けた後、その角度を固定して3軸で加工できるため、同時5軸加工よりも工具経路を作成しやすい傾向があります。多面加工を一度の取り付けで行いたい場合には、割り出し5軸加工が有力な選択肢です。
同時5軸加工よりも加工準備の負担を抑えやすいため、必要以上に高度な加工方法を選ばず、形状に合った方式を採用することがコスト削減につながります。
3軸・割り出し5軸・同時5軸を選ぶ基準
加工方法を選ぶ際は、まず複数方向から工具を当てる必要があるかを確認します。上面からの加工だけで形状を作れる場合は、3軸加工が基本です。側面や斜面を加工するためにワークの向きを変える必要がある場合は、割り出し5軸加工を検討します。
さらに、加工中も工具姿勢を変え続けなければ形状を作れない場合や、自由曲面の仕上がりを均一にしたい場合は、同時5軸加工が候補になります。ただし、要求精度や面粗度が厳しくない場合は、別の加工方法で対応できる可能性もあります。
加工会社へ相談するときに伝える情報
最適な加工方法を提案してもらうには、2D図面や3Dデータだけでなく、材質、寸法公差、面粗度、加工数量、希望納期などを伝えることが大切です。特に、製品の機能に関わる重要面や、外観上の品質が求められる部分は明確にします。
「同時5軸加工で依頼したい」と加工方法を指定するよりも、必要な品質や現在の課題を伝えたほうが、適切な提案を受けやすくなります。
同時5軸加工を依頼する会社の選び方
加工会社を選ぶ際は、対象とする材質や形状の加工実績、設備の加工範囲、5軸CAMやシミュレーションの有無を確認します。複雑形状では加工後の検査も重要になるため、三次元測定機などの測定設備や品質保証体制も確認すると安心です。
同時5軸加工の実績だけでなく、3軸加工や割り出し5軸加工も含めて比較し、品質とコストの両面から加工方法を提案できる会社を選ぶことが大切になります。