設計は、CNC 加工において極めて重要な役割を果たし、製造プロセス全体の基礎を築きます。知られているように、CNC 加工ではコンピューター制御の機械を使用して、ワークピースから材料を正確に除去します。このプロセスは汎用性が高く、再現性があり、正確です。さらに、発泡体やプラスチックから木材や金属に至るまで、幅広い材料と互換性があります。
これらの機能を実現するには、CNC 加工の設計に大きく依存します。効果的な設計により、部品の品質が保証されるだけでなく、CNC 機械加工部品に関連する製造コストと時間が節約されます。
このガイドでは、設計上の制限について説明し、CNC 加工で発生する最も一般的な機能に対する実用的な設計ルールと推奨値を提供します。これらのガイドラインは、部品に対して最良の結果を達成するのに役立ちます。
CNC 加工用の部品を適切に設計するには、まずプロセスに固有のさまざまな設計上の制約を明確に理解する必要があります。これらの制限は、切断プロセスの仕組みから自然に発生し、主に次の側面に関係します。
ほとんどの CNC 加工切削工具は円筒形であり、切削長には制限があります。ワークピースから材料を除去する際、これらの切削工具はその形状を部品に転写します。これは、切削工具がどれほど小さくても、CNC 部品の内側のコーナーには常に半径があることを意味します。さらに、工具の長さにより、加工できる最大深さが制限されます。一般に工具が長いと剛性が低下し、振動や変形が発生する可能性があります。
材料を除去するには、切削工具がワークピースに直接近づく必要があります。切削工具が届かない表面や形状は CNC 加工できません。たとえば、複雑な内部構造、特に部品内に別のフィーチャーによってブロックされている複数の角度やフィーチャーがある場合、または深さ対幅の比率が大きい場合、ツールが特定の領域に到達することが困難になる場合があります。 5 軸 CNC マシンは、ワークピースを回転させたり傾けたりすることで、これらの工具アクセス制限の一部を緩和できますが、すべての制限、特に工具の振動などの問題を完全に排除することはできません。
ワークピースと同様に、切削工具も加工中に変形したり振動したりする可能性があります。その結果、製造プロセス中に公差が緩くなり、表面粗さが増大し、さらには工具が破損する可能性があります。この問題は、工具の直径に対する長さの比率が増加する場合、または高硬度の材料を切削する場合にさらに顕著になります。
機械加工プロセス中に大量の熱が発生し、強い切削力がかかるため、剛性の低い材料 (特定のプラスチックや軟質金属など) や薄肉構造は機械加工中に変形しやすくなります。
部品の形状によって、CNC マシン上での部品の保持方法と必要なセットアップの数が決まります。複雑なワークピースや不規則な形状のワークピースはクランプが難しく、特別な治具が必要になる場合があり、コストと加工時間が長くなる可能性があります。さらに、手動でワークホールドの位置を変更する場合、小さいながらも無視できない位置誤差が発生するリスクがあります。
次に、これらの制限を実用的な設計ルールに変換します。 CNC 加工の世界には、広く受け入れられている標準はありません。これは主に、業界と使用される機械が常に進化しているためです。しかし、長期にわたる処理の実践により、十分な経験とデータが蓄積されています。次のガイドラインは、CNC 機械加工部品の最も一般的な機能の推奨値と実現可能な値をまとめたものです。
一般に、鋭利な内側の角は避けることをお勧めします。ほとんどの CNC ツールは円筒形であるため、鋭い内角を実現することが困難です。推奨される内側コーナー半径を使用すると、工具が円形のパスをたどることができるため、応力集中点や加工痕が減少し、結果として表面仕上げが向上します。これにより、適切なサイズの工具が使用され、大きすぎたり小さすぎたりすることがなくなり、加工精度と効率が維持されます。鋭角な 90 度の角度の場合は、コーナー半径を小さくするのではなく、T スロット カッターまたはワイヤ切断を使用することをお勧めします。
エンドミル工具は通常、下刃が平坦かわずかに丸みを帯びています。設計底部半径が推奨値と一致していれば、標準エンドミルでの加工が可能です。この設計は、広く入手可能で使いやすい工具を使用できるため、ほとんどの場合、加工コストと品質のバランスをとるのに役立つため、機械工に好まれています。ボールエンドミルはあらゆる底面半径に対応できますが、その形状により加工時間とコストが増加する可能性があります。
CNC 機械では非常に薄い壁を加工するには限界があります。これは、壁の厚さを薄くすると材料の剛性に影響し、達成可能な精度が低下し、加工中に振動が増加する可能性があるためです。材料の硬度と機械的特性は異なるため、上記の推奨値および実現可能な値は、ケースバイケースで慎重に評価する必要があります。壁が薄い場合は、板金製造などの代替プロセスが好ましい場合があります。
穴はドリルビットまたはエンドミル工具を使用して加工されます。ドリルビットは、メートル単位と帝国単位の両方で明確に定義された標準サイズで入手できます。通常、設計者はこれらの標準直径に基づいて穴のサイズを指定し、適切なツールをすぐに利用できるようにします。これにより、カスタム ツールの必要性がなくなり、特に標準直径の使用が強く推奨される直径 20 mm 未満の高精度穴の場合、大幅なコスト削減につながります。
穴の直径が標準のドリルビットのサイズと一致しない場合は、代わりにエンドミル工具が使用されます。ただし、エンドミルを使用して非標準の穴を加工する場合は、加工プロセスの安定性と品質を確保するために、推奨される最大キャビティ深さに従うことが重要です。穴の深さが推奨最大値を超える場合は、専用のドリルビットが必要になる場合があります。公称直径の 10 倍が一般的ですが、公称直径の 40 倍も実現可能です。
通常、ドリル ビットは円錐形の底部 (135 度の角度) を持つ止まり穴を作成しますが、エンド ミルで加工された穴は平らな底部を持ちます。 CNC 加工では、通常、貫通穴と止まり穴の間に優先順位はありません。つまり、設計者は特定の設計ニーズや機能に基づいて穴のタイプを選択します。
最適な加工を行うには、キャビティの深さが幅の 4 倍を超えてはなりません。工具直径の 6 倍より深いキャビティは深いとみなされ、加工プロセスが複雑になる可能性があります。これらの課題には、工具のたわみ、切りくず排出不良、さらには工具の破損が含まれる場合があります。さらに深い深さが必要な場合は、キャビティの深さが可変の部品を設計することをお勧めします。
めねじはタップで切り、おねじはダイスで切ります。タップとダイスを使用して、M2までのねじを切断できます。ただし、CNC ねじ切りツールは一般的であり、タップ破損のリスクを制限できるため、機械工に好まれています。 CNC ねじ切りツールを使用して、M6 までのねじを切ることができます。
ねじ山にかかる負荷の大部分は、最初の数個の歯 (公称直径の最大 1.5 倍) によって発生します。呼び径の 3 倍の長さのねじは通常は必要ありません。
ねじを切るタップ（M6以下など）の場合、通常、ねじの呼び径の1.5倍に相当するねじなし長さが残ります。これにより、工具を損傷する危険を冒すことなく、ねじ山の主要な耐荷重部分が完全に形成されることが保証されます。
CNC ねじ切りツールで加工された大きなねじの場合、CNC ツールの高精度と優れた制御により、ねじが穴の底近くまで加工される場合がありますが、通常は、ねじが切られていない部分が少量残って確実に加工されます。加工品質と工具の安全性。
適切なねじのかみ合い深さにより、過剰な加工や材料の無駄を避けながら、接続の強度と信頼性を確保できます。かみ合い深さが浅すぎると、ねじ山が予想される荷重に耐えられなくなる可能性があります。深すぎると、加工の難易度やコストが増加する可能性があります。一般に、特に一般的な機械用途では、十分な強度を提供できる 1.5D の深さが安全な選択であると考えられています。
ほとんどの CNC 機械の最小工具直径は 2.5 mm です。つまり、2.5 mm より小さいフィーチャーは加工が困難です。たとえば、0.5 mm の小さなフィーチャーを機械加工するには、通常、非常に小さなマイクロツール、またはマイクロミリングや放電加工 (EDM) などの特定の加工方法が必要です。これらの方法では非常に小さな形状を実現できますが、加工時間が大幅に増加し、設備や操作技術に対する要求が高くなり、その結果、加工コストが上昇します。
彫刻テキストは、除去する材料が少なくて済むため、加工時間と材料の無駄が削減されるため、エンボス加工のテキストよりも好まれます。 Arial や Helvetica など、深さ 5 mm のシンプルなサンセリフ フォントは、通常、優れた可読性と加工結果を提供します。さらに、多くの CNC マシンにはこれらの一般的なフォントが事前にプログラムされているため、追加のプログラミングや複雑なセットアップを必要とせずに加工プロセスが簡単になります。
アンダーカットは、表面の一部がブロックされているために、標準の垂直切削工具が直接到達できないワークピース上の特徴です。これらの領域の加工には特殊なツールが必要です。アンダーカットには、T スロットとダブテールの 2 つの主なタイプがあります。
T スロットは、文字「T」に似た一般的なアンダーカット形状です。 T スロットの加工に使用される工具は、水平方向の切れ刃と垂直方向のシャフトで構成されており、限られたスペースのアンダーカット部分を効果的に切削できます。アンダーカットの幅は通常 3 mm ～ 40 mm の範囲です。標準サイズ (整数ミリメートルや一般的な分数インチなど) を使用することをお勧めします。これは、これらのサイズがすぐに入手できるツールに適合する可能性が高く、カスタム ツールに関連する余分なコストと時間を避けることができるためです。
T スロットを設計する場合、経験則として、アンダーカットの深さの 4 倍に相当するクリアランスを確保し、ツールに十分な動作スペースを確保することです。切削直径とシャフト直径の一般的な比率は 2:1 であるため、標準アンダーカット工具の切削深さは工具設計によって制限されることが多いことに注意することが重要です。これは、アンダーカットの加工深さが制限されていることを意味し、設計プロセス中にこれを考慮する必要があります。
ダブテール スロットはツバメの尾のような形をしており、わずかな角度があり、通常は強力な機械的かみ合いが必要な用途に使用されます。さまざまな角度（5 度から 120 度まで）のツールが市販されていますが、45 度および 60 度のツールが標準でよく使用されます。
大径または標準直径の工具を使用する: 大径または標準直径の工具で加工できる部品を設計して、より高速な処理を確保し、特殊な工具の必要性を回避します。
機械加工できないフィーチャを避ける: 湾曲した穴などの特定のフィーチャは、標準的な CNC ミル、旋盤、ドリルでは作成できません。設計にそのような機能が必要な場合は、代わりに放電加工 (EDM) の使用を検討してください。
慎重に公差を指定する: 設計で公差を指定しない場合、メーカーは通常、標準の ISO 2768 グレードを使用します。最新の CNC 機械は ISO 2768 で指定されているものよりも厳しい公差を達成できますが、時間とコストの両方が増加するため、不必要に厳しい公差は避けてください。
美しさよりも機能を優先する: 美しさよりも重要な機能の精度に重点を置きます。審美性の向上は、加工後のプロセスを通じて最もよく実現されます。
平底の穴を避ける: 平底の穴には高度な機械加工が必要であり、リーマ加工などの後続の操作で問題が発生する可能性があります。
穴の垂直性を確保する: 穴あけするときは、入口面と出口面がドリル軸に対して垂直であることを確認してください。これにより、ドリル先端のふらつきが防止され、穴出口付近のバリ取りの困難さが軽減されます。
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金属スプーンについて考えてください。ハンドルを軽く押すと、少し曲がりますが、手放すとすぐに戻ってきます。ただし、より強く押すと、スプーンが永続的な曲がり角になります。その時点で、あなたはスプーンの降伏強度を通り過ぎました。この記事では、降伏強度の意味、引張強度や弾性限界などの関連するアイデアとどのように比較されるか、そしてそれが現実の世界で重要な理由を探ります。また、降伏強度と一般的な材料の典型的な値に影響を与える要因についても見ていきます。 降伏強度とは 降伏強度は、材料が永続的に変形し始める応力レベルです。簡単に言えば、それは素材が跳ね返り（弾性挙動）を止め、完全に逆転しない方法で曲げまたは伸びを開始するポイントです。降伏強度の下で、力を除去すると、材料は元の形状に戻ります（その長さに戻るスプリングのように）。降伏強度を超えて、材料は永遠に変化します。 これをよりよく理解するために、ストレスと緊張という2つの重要な用語を分解しましょう。ストレスは、断面領域で割った材料、または単に材料内の力の強度に加えられる力です。あなたはそれを圧力と考えることができますが、ストレスは外部のプッシュではなく内部反応を説明します。ひずみとは、長さの変化を元の長さで割ったように計算される材料の変化の形状です。ひずみに対するストレスをプロットすると、aが取得されますストレス - ひずみ曲線これは、負荷が増加するにつれて材料がどのように動作するかを示しています。 ストレス - ひずみ曲線の初期の部分では、材料は弾力的に振る舞います。ストレスとひずみは比例し（フックの法則の下で直線）、荷重が除去されると材料は元の形状に戻ります。この領域の終わりは弾性限界です。降伏強度は、この移行を弾性の挙動からプラスチックの挙動に示し、可逆的な変形と不可逆的な変形の境界を定義します。 軟鋼のような多くの延性金属の場合、この移行は鋭いものではなく徐々にです。降伏強度を一貫して定義するために、エンジニアはしばしば0.2％のオフセット方法を使用します。それらは、曲線の弾性部分に平行なラインを描画しますが、0.2％のひずみによってシフトします。この線と交差する点は、曲線と交差する点が降伏強度としてとられます。これは、明確な降伏点が存在しない場合でも、降伏強度を測定するための実用的で標準化された方法を提供します。 降伏強度と引張強度 定義したように、降伏強度は、材料が永続的に変形し始めるストレスです。しばしば究極の引張強度（UTS）と呼ばれる引張強度は、材料が壊れる前に耐えることができる最大応力です。その点に達すると、材料は追加の負荷を運ぶことができなくなり、すぐに骨折が続きます。 どちらも材料がストレスにどのように反応するかを説明しますが、それらは異なる限界を表しています。降伏強度は永久変形の開始を示しますが、引張強度は限界点を示します。たとえば、スチールロッドを引っ張ると、最初に伸長します。降伏強度を通り過ぎると、永続的な伸びが必要です。張力強度に達するまで続けてください。そうすれば、ロッドは最終的にスナップします。 実用的な設計では、エンジニアは、コンポーネントが持続的な損傷をせずに機能的なままでなければならないため、降伏強度に重点を置いています。引張強度は依然として重要ですが、通常、使用中には決して発生しない故障条件を示します。 引張強度に加えて、降伏強度は、しばしば他の2つの概念と混同されます。 弾性制限：弾性制限は、荷重が除去されると、元の形状に完全に戻っている間に材料が取ることができる最大応力です。この制限以下では、すべての変形は弾力性があり、可逆的です。多くの場合、弾性限界は降伏強度に非常に近いため、2つは同じように扱われます。弾性制限は正確な物理的境界を示しますが、降伏強度は一貫して測定して安全な設計に使用できる標準化されたエンジニアリング値を提供します。 比例制限：この用語は、応力 - 伸縮曲線の線形部分に由来します。比例制限は、フックの法則に従って、ストレスと緊張が直接的な割合で増加するポイントです。通常、弾性制限と降伏強度の両方の前に発生します。この点を超えて、曲線は曲がり始めます。関係はもはや完全に線形ではありませんが、材料はまだ弾力性があります。 降伏強度に影響を与える要因 降伏強度は固定されたままではありません。いくつかの材料と環境要因に応じて変化する可能性があります。ここに最も一般的なものがあります： 材料組成（合金要素） 金属の構成は、その降伏強度に大きな影響を与えます。金属では、合金要素を追加すると、それらを強くすることができます。たとえば、炭素、マンガン、クロムなどの元素が添加されると、鋼は強度を獲得しますが、炭素が多い場合も脆弱になります。アルミニウム合金は、銅、マグネシウム、亜鉛などの元素から強度を得ます。これらの追加により、金属内に脱臼の動きをブロックする小さな障害物（プラスチック変形の原子レベルのキャリア）が生じ、降伏強度が高まります。簡単に言えば、金属の「レシピ」により、曲がりが難しくなり、簡単になります。そのため、ソーダ缶のアルミニウムは柔らかく柔軟であり、航空機の翼のアルミニウムは他の金属と混合しているため、降伏強度がはるかに高くなっています。 粒サイズ（微細構造） 一般に、穀物が小さいことはより高い強度を意味し、ホールとペッチの関係によって記述されている傾向です。その理由は、穀物の境界が転位運動の障壁として機能するため、より細かい粒子はより多くの障害物を生み出し、金属をより強くすることです。冶金学者は、制御された固化または熱機械処理を通じて穀物のサイズを改良します。たとえば、多くの高強度の鋼と超合金は非常に細かい穀物で設計されており、非常に大きな穀物を持つ金属がより簡単に収量する傾向があります。 熱処理 金属の加熱と冷却の方法は、その構造を変えることができ、したがってその降伏強度を変えることができます。アニーリング（遅い加熱と冷却）金属を柔らかくし、降伏強度を低下させ、内部応力を緩和することにより延性を引き出します。消光（水または油の急速な冷却）は、構造を硬くてストレスのある状態にロックし、降伏強度を大幅に増加させますが、金属を脆くします。バランスを回復するために、クエンチングの後に続くことがよくあります気性、タフネスを改善する中程度の再加熱ステップ。 適切な熱処理を選択することにより、メーカーはアプリケーションに応じて金属をより硬く、または柔らかくすることができます。たとえば、スプリングスチールは高降伏強度を達成するために処理されるため、変形せずに曲げることができますが、スチールワイヤーは最初にアニールされ、簡単な形をしてから後で強化します。 製造プロセス（コールドワーク） 材料が機械的にどのように処理されるかは、降伏強度を変えることもできます。コールドワーク（コールドローリングやコールドドローイングなど、室温で金属を変形させる）は、作業硬化と呼ばれるメカニズムを介して降伏強度を高めます。金属を卑劣に変形させると、その結晶構造に転位と絡み合いを導入します。これが、コールドロールスチールが通常、ホットロールされた（作業中ではない）状態で同じスチールよりも高い降伏強度を持っている理由です。 温度と環境 経験則として、ほとんどの金属は高温で降伏強度を失います。熱は金属を柔らかくするので、力を少なくして変形させることができます。非常に低い温度では、一部の材料はより脆くなります。粗末に変形する能力は減少するため、降伏応力は技術的な意味で増加する可能性がありますが、収量よりも骨折する可能性が高くなります。 腐食や放射線などの環境要因も材料を分解する可能性があります。腐食はピットを作成したり、断面積を減らしたりし、収量する前に構造が処理できる荷重を効果的に削減します。たとえば、錆びた鋼鉄の梁は、腐食されていない荷物よりも低い負荷の下で生成される可能性があります。これは、その有効厚さが減少し、錆からマイクロクラックがストレスを集中させる可能性があるためです。 異なる材料の降伏強度 ストレス - ひずみ曲線は、異なる材料が荷重にどのように反応するかを比較する簡単な方法を提供します。上の図では、4つの典型的な動作を見ることができます。応力が増加するにつれてそれぞれが異なって反応し、その降伏強度はそれらの違いを反映します。 脆性材料：ガラスやセラミックなどの脆性材料は、塑性変形がほとんどありません。彼らは突然骨折するまでほぼ直線に従います。彼らの降伏強度は、彼らが実際に「収量」していないからです。 強いが延性材料ではない：高強度鋼などの一部の材料は、高いストレスに耐えることができますが、延性が限られていることを示します。彼らは高降伏強度を持っています。つまり、永続的な変形によく抵抗しますが、壊れる前にあまり伸びません。 延性材料：軟鋼やアルミニウム合金などの金属は延性があります。それらは特定の応力レベルで屈し、その後、壊れる前に著しい塑性変形を受けます。彼らの降伏強度は、究極の引張強度よりも低く、エンジニアに設計するための安全な「バッファーゾーン」を提供します。 プラスチック材料（ソフトポリマー）：ソフトプラスチックとポリマーの降伏強度は比較的低いです。それらは小さなストレスの下で簡単に変形し、明確な降伏点を示さない場合があります。代わりに、それらは骨折への鋭い移行を示すことなく着実に伸びています。 これらの一般的な行動は、実際の降伏強度値を見るとより明確になります。以下の表には、一般的なエンジニアリング材料と比較のための典型的な降伏強度が示されています。 材料降伏強度（MPA）鋼鉄〜448ステンレス鋼〜520銅〜70真鍮〜200+アルミニウム合金〜414鋳鉄〜130典型的な降伏強度値 現実世界で降伏強度が重要な理由 降伏強度は、荷重の下に形状を保持するために材料が必要なときはいつでも重要です。ここにそれが重要な役割を果たすいくつかの領域があります： 建設とインフラストラクチャ 建物や橋では、高降伏強度のために鋼鉄の梁やその他の金属部品が選択されているため、車両、風、さらには地震からの重い荷物を曲げたり、垂れ下げたりすることなく運ぶことができます。通常の使用中にビームが生成された場合、構造の安全性は危険にさらされます。そのため、エンジニアは常にストレスを降伏点をはるかに下回るマージンで設計します。 自動車の安全 現代の車は、衝突中に制御された方法で生成するように設計されたクランプルゾーンを使用します。衝撃力がフロントパネルまたはリアパネルの降伏強度を超えると、これらの領域は、完全な力を乗客に渡すのではなく、永久変形を通してエネルギーをしゃがみ、吸収します。同時に、キャビンは、居住者を保護したままにして、降伏に抵抗する高強度の材料で補強されます。 航空宇宙と輸送 航空機の着陸装置は、永久に曲がることなくタッチダウンの衝撃に耐える必要があります。胴体と翼は、材料が十分な降伏強度を欠いている場合に損傷を引き起こす繰り返しの加圧サイクルと空力的な力に直面します。強度と低重量のバランスをとるために、エンジニアはしばしばアルミニウムやチタンなどの高度な合金に目を向けます。同じ原則は、レールや船体の列車に適用されます。船体は、激しい使用の下で硬直し、永続的な曲がり角やへこみに抵抗する必要があります。 毎日の製品 レンチやドライバーなどの高品質のツールは、高利回りの強さの鋼で作られているため、通常の使用で曲がらないようにしますが、ストレスが降伏強度を超えると、より安価なツールはしばしば恒久的な曲がりを伸ばします。同じアイデアがシンプルなコートハンガーで見ることができます。軽い荷重が戻ってきますが、重い荷物や鋭い曲がりは降伏点を超えて押し進め、形状の永続的な変化を残します。降伏強度は、自転車フレームのような大きなアイテムの設計も導きます。これは、ライダーの重量を運ぶ必要があり、形を屈することなくバンプを吸収する必要があります。 Chiggoを使用して作業します 正確な降伏強度値を日常的なアプリケーションに要求する軽量航空宇宙コンポーネントを設計する場合でも、Chiggoはそれを実現するための専門知識と製造機能を提供します。私たちのチームはAdvancedを組み合わせていますCNC加工、3Dプリント、および深い材料の知識を備えた射出成形を使用して、あなたの部品が意図したとおりに正確に機能することを保証します。今すぐCADファイルをアップロードして、すぐに見積もりを取得してください！
金属の強度は、特定の用途に対する金属の適合性を判断する上で最も重要な機械的特性の 1 つです。これは、金属が変形したり破損したりすることなく、外部からの荷重や力にどれだけ耐えられるかを示します。高強度の金属は、構造物を支え、過酷な条件に耐えるため、建設、機械、航空宇宙において非常に貴重です。
精密加工は、最先端のCNCマシンを使用して、非常に緊密な寸法許容範囲と優れた表面仕上げを備えたコンポーネントを生成する重要な製造プロセスです。これらの部品は、形状だけでなく、信頼できる機能、正確なフィット感、再現性のためにも設計されています。
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