スマートな部品設計でCNC加工コストを大幅削減

要点まとめ

加工コストを削減するための部品設計の最適化は、工作性設計（DFM）の原則を適用することにかかっています。これには、部品形状の簡素化、内部コーナーへの十分な肉盛り半径の追加、穴やねじ部の標準サイズの使用、可能な限り緩い公差の指定が含まれます。また、コスト効率が高く、加工性の高い材料を選定することも、加工時間、工程の複雑さ、および全体的な費用を最小限に抑える上で極めて重要です。

工作性設計（DFM）の基本原則

特定の設計変更について検討する前に、コスト削減の基本的な戦略である「加工性を考慮した設計（DFM）」を理解することが極めて重要です。DFMとは、部品を可能な限り効率的かつ簡便に製造できるよう意図的に設計するプロセスのことです。その目的は、単にCNC工作機械での加工時間を短縮するだけでなく、初期のセットアップから最終仕上げまでの全生産プロセスの複雑さを最小限に抑えることにあります。設計段階でなされるすべての決定は、最終コストに直接的かつしばしば大きな影響を及ぼします。

DFMの基本原則は、加工時間の短縮と工程数の削減という2つの主要な目的を中心に展開しています。加工時間は多くの場合、コストの主な要因となるため、より高速な切削やパス数の少ない設計であれば、常に低コストになります。これは、加工しやすい材料を選定したり、大型で堅牢な工具を使って加工可能な形状を設計することで実現できます。あるガイドで詳しく説明されているように、 Protolabs Network 角の半径を大きくするといった小さな調整でも、工作機械がより高速かつ効率的に稼働できるようになります。

同様に重要なのが、マシンセットアップ回数を最小限に抑えることです。セットアップとは、部品の異なる面にアクセスするために部品を手動で再配置または再固定するたびの作業を指します。各セットアップは人件費を増加させ、誤差の発生リスクも高めます。6つの面すべてに加工箇所がある複雑な部品では、6回の別々のセットアップが必要になる可能性があり、一方ですべての加工が単一方向から行えるシンプルな部品と比べてコストが大幅に高くなることがあります。したがって、設計段階での主要なDFM（設計による製造性向上）戦略として、可能な限り少ないセットアップ回数、理想は1回で加工を完了できるような部品設計を行うことが挙げられます。

コスト削減のための主要な幾何学的最適化

部品の形状は、その加工コストに影響を与える最も重要な要因の一つです。複雑な形状や深い空洞、繊細な特徴を持つ部品はすべて、より多くの時間と専用工具、慎重な取り扱いを必要とするため、価格が高くなります。部品の形状を戦略的に最適化することで、機能を損なうことなく大幅なコスト削減を実現できます。

• 内部の角に十分なR面取りを追加する。 すべてのCNCフライス盤の工具は円形であるため、内部の角には自然と面取り（半径）が残ります。鋭角または非常に小さな半径を形成しようとすると、小径の工具が必要になり、これにより低速で複数回の切削を行う必要があり、加工時間が延びます。簡単な設計ガイドラインとして、内部の角の半径を空洞の深さの少なくとも3分の1以上にするようにしてください。また Protocaseが説明しているように 、可能な限り大きな半径を使用することで、表面仕上げが向上し、より大きく安定した切削工具を使用できるため、コストを削減できます。
• 空洞やポケットの深さを制限する。 深いポケットの加工は、費用対効果が非常に悪くなります。標準的な切削工具の有効刃長は限られており、通常は直径の約2〜3倍の深さまでしか有効ではありません。より深い加工も可能ですが、そのためには特殊な長尺工具が必要になり、剛性が低下するため振動や破損を避けるために低速で運転しなければなりません。Fictivでは、エンドミルの切削深さを工具直径の5倍以内に保つことを推奨しており、良好な仕上げと低コストを確保できます。
• 薄肉の壁を避けてください。 金属で0.8 mm未満、プラスチックで1.5 mm未満の壁は、加工中に振動、反り、破損が発生しやすくなります。このような形状を正確に加工するには、切削深さを浅くして複数回の低速加工を行う必要があります。部品の機能上どうしても必要でない限り、厚みがあり剛性の高い壁を設計することで、部品の安定性が向上し、製造コストを大幅に削減できます。
• 形状の簡素化と統合を行ってください。 設計の複雑さはコストに直接影響します。対称的な部品は機械加工が容易であり、個別の特徴を減らすことで工具交換の必要性を最小限に抑えることができます。アンダーカットや複数の面に開いた穴など、複雑な形状を持つ部品については、それを複数の単純な構成部品に分割してそれぞれ簡単に加工し、その後組み立てるという設計が可能かどうか検討してください。この方法は、5軸マシンと専用治具を必要とする高度に複雑な単一部品を加工するよりも、多くの場合費用対効果が高いです。

公差、ねじ、穴に関する賢明な設計戦略

大きな幾何学的特徴が明らかにコスト要因である一方で、公差、ねじ、穴などの細部は最終価格に予想外に大きな影響を与える可能性があります。これらの特徴はしばしば高精度や専用工具、追加の機械工程を必要とします。こうした要素に対して賢明な設計戦略を適用することは、部品を費用効果の高い製造向けに最適化する上で極めて重要なステップです。

公差は特定の寸法に対して許容される偏差を定義します。重要なインターフェースではきつい公差が時として必要になる場合もありますが、控えめに指定すべきです。公差が厳しくなるほど、それに応じてより多くの時間と注意、および検査が必要となり、コストが指数関数的に増加します。 MakerVerse によると、あまりに厳しい公差は工具の摩耗増加、サイクルタイムの延長、および歩留まりの低下を招く可能性があります。非重要部品については、標準的な機械加工公差（通常±0.125 mm）に頼るのが十分であり、はるかに経済的です。

同様に、穴およびねじ部の設計においても標準化を念頭に置くべきです。非標準の直径を指定してエンドミルでゆっくりと穴を形成する必要がある場合に比べ、標準のドリルサイズを使用すればはるかにコストが低くなります。ねじ部に関しては、その長さを制限すべきです。穴の直径の1.5倍を超えるねじの係合長ではほとんど追加の強度が得られず、コストのみが大幅に増加します。また、閉塞穴（ブラインドホール）の場合、タップ工具に逃げスペースを確保し、破損リスクを低減するために、底面にねじのない部分を設計することも重要です。

費用対効果の高い材料および表面処理の選定

材料の選定および必要な表面仕上げは、機械加工コストを管理する上で最後の重要な検討事項です。これらの選択は、原材料費だけでなく、部品を加工するのに必要な時間にも影響を与えます。購入価格が安くても加工が困難な材料は、価格は高いが加工性に優れた材料よりも、結果的に高コストになる可能性があります。

材料の切削性評価は、その材料がどれほど切りやすいかを示します。アルミニウム6061やPOM（デルリン）などの柔らかい材料は切削性が非常に優れており、高速での切削が可能で、サイクルタイムを短縮できます。一方、ステンレス鋼やチタンのような硬い材料は切断が難しく、低速での加工を必要とし、工具の摩耗も大きくなるため、加工時間は2倍から3倍になります。したがって、高強度合金特有の性質が特に要求されない限り、より切削性の高い材料を選ぶことが、コスト削減において極めて効果的な戦略となります。

もう一つの最適化の余地は、材料のブランク自体の製造プロセスを検討することです。鍛造などの工程で作成されたニアネットシェイプのブランクを使用することで、機械加工で除去する必要のある材料量を大幅に削減でき、時間の節約と廃棄物の低減が可能になります。自動車業界にいる方々にとっては、この分野の専門家が提供する選択肢を探ることが有益です。堅牢で信頼性の高い自動車部品に関しては、 shaoyi Metal Technologyのカスタム鍛造サービス を調査できます。この企業は、業界向けの高品質な熱間鍛造に特化しています。

最後に、表面処理の仕様は慎重に検討する必要があります。「加工仕上げ」（as machined）が最もコスト効率の良い選択肢です。より滑らかな仕上げを要求する場合、追加の切削工程やブラスト処理、研磨などの二次加工が必要となり、それぞれコストが増加します。同一部品の異なる面に異なる仕上げを指定すると、マスキングや複数の工程が必要になるため、さらに高価になります。機能上必要な箇所にのみ特定の仕上げを施すことは、コストを抑えるための簡単で効果的な方法です。

よく 聞かれる 質問

1. CNC加工費を削減する方法は？

CNC加工コストを削減するには、設計の最適化、材料選定、工程の簡素化を組み合わせることが重要です。主な戦略には以下が含まれます：

• 形状の簡素化： 複雑な曲線、深いポケット、薄い壁は避けてください。
• 角部に面取りを追加： 内部の角には可能な限り大きな面取り半径を設けることで、高速加工が可能になります。
• 標準規格の特徴を使用： 穴やねじは標準サイズで設計し、特別な工具を必要としないようにしてください。
• 公差を緩める: 機能上必要な重要な特徴部分にのみ厳しい公差を指定してください。
• 機械加工性の良い材料を選ぶ: アルミニウム6061など、迅速に切削できる材料を選択してください。
• 工程数を最小限に抑える: すべての特徴部が可能な限り少ない工作機械の姿勢で加工できるように部品を設計してください。

2. 機械加工部品の設計における考慮事項は何ですか？

切削加工部品の設計における主な考慮事項は、製造のしやすさとコスト効率を確保することに集中します。これには、切削工具による加工の簡便性や到達性を踏まえて部品の形状を検討することが含まれます。設計者は、完全に鋭い内角を作成できないといった切削加工プロセスの制限を考慮しなければなりません。その他の重要な考慮点としては、機能的要求および切削加工性に基づく材料選定、適切な公差の適用、穴やねじなどの特徴を標準仕様に合わせた設計が挙げられます。最後に、設計者は部品の完成に必要な機械セットアップ回数を最小限に抑えるよう心がけるべきです。