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CNC切削加工のコスト削減方法~設計と材料に関する5つのヒント~

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CNC切削加工は少量の樹脂・金属パーツをつくる場合に適した製造方法です。しかし、パーツの設計や材料の選定時に、比較的簡単ないくつかの項目を考慮するだけで、切削加工パーツのコストを更に抑えながら、その機能性を高めることができます。

プロトラブズでは、自動化された見積りシステムを使用して、パーツの見積りをお送りするとともに、弊社の製造プロセスにおける製造性を解析し、パーツを製造する上で注意が必要な箇所をお知らせしています。このシステムを使うことで、事前に製造不可能な形状を把握できます。ポケットの角部、文字の彫り込み、深い穴など、必ずしも変更は必要ではないものの、弊社の製造プロセスでは削り残しが発生してしまう箇所や、加工時に欠損の恐れのある薄肉部分も確認できます。

以下で、コスト効率の高い切削加工パーツの設計に役立つ5つのヒントをご紹介します。


角部に逃げを設けた例です。これは野球カードのコレクションを入れるための箱です。画像の手前側から切削加工する場合、ポケットの角部に加工Rが付き、カードの角が干渉して収納できませんが、逃げを設けることで、カードが収納できます。

1. ポケットの角部に逃げを設ける

パーツに何か別のパーツを嵌めるための四角いポケットを設ける場合を想像してください。よくある設計ミスの1つに、四角いポケットの四隅を直角に設計し、そのままの状態で加工を依頼してしまうことがあります。たとえば、野球のトレーディングカードのコレクションを入れるための箱を切削加工するとしましょう。カードが収まるように、完全な直角を作るには、放電加工(EDM)を使用するか、複数の平らなプレートで側面と底面を構成し、ボルト留めする必要があります。どちらも時間とコストがかかる方法です。

 弊社で使用しているエンドミルは、樹脂・軟質金属用で最小径0.4mm(加工R0.2mm)、硬質金属用で最小径0.8mm(加工R0.4mm)ですが、加工できる深さが限られています。また、このような小径のエンドミルを使用した切削加工は、細心の注意を払いながらゆっくりと行うことになるため、加工にかかる時間が増え、パーツのコストが増大することになります。

それよりもコストがかからない手法の1つに、ポケットの各角部に逃げを設ける方法があります。これはU字型またはC字型の隙間を設ける手法であり、角Rの問題を考える必要がなくなります。またこの手法を使うことで、深いポケットも効率よく製作できるようになります。6.4mm幅の逃げをそれぞれの角部に付けることで、硬質金属では深さ30mm、樹脂・軟質金属では深さ50mmまでのポケットを加工することができます(厳密には硬質金属ではポケット底面の隅にわずかに削り残りが発生するため、完全な直角にはなりません)。なんと言っても、このようにポケットを設計すると、太いエンドミルを使用でき、加工時間が短縮できるため、パーツのコストが削減されます。


工具の直径が小さいほど、加工時間が長くなります。そのため、切削加工する試作品から文字やロゴを取り除くことを検討するとよいでしょう。

2. 文字の彫り込みをやめる

文字やロゴの彫り込みを施すことでパーツの識別やブランディングに利用することも可能になりますが、これも加工に時間を要するため、コストを重視するならば避けるのがベストです。ここでもエンドミルを使用して、3D CADデータのとおりに文字、数字、記号の彫り込みを行うことになります。厳しい環境下でも消えないマーキングとして、切削加工で加工するのも悪くありませんが、それが樹脂パーツで小ロット量産の可能性があるのであれば、おそらく射出成形で使用するほうが適切です。射出成形なら、金型の加工時間が増えても、それなりの数を量産すれば、二次加工でマーキングするよりもコストが削減できます。どうしても切削加工による彫り込みが必要な場合は、弊社のツールセットは材料によって異なりますが、樹脂・軟質金属では文字太さ最小0.5mm、硬質金属では最小0.9mm(文字形状により1.1mm必要な場合あり)まで加工可能です。

 


薄肉部分がある場合は注意してください。切削加工時に破損する恐れがあるだけでなく、加工後に曲がりや反りが発生することがあるためです。パーツの設計が許す限り、薄肉部は設けないようにしてください。

3. 薄肉部分に注意する

0.5mm以下のフィーチャがある場合、弊社の自動見積りシステムでは、薄肉部分として黄色でハイライト表示されます。その場合もご注文いただくことは可能ですが、切削加工時に破損する恐れがあるだけでなく、加工後に曲がりや反りが発生することもあります。パーツの設計が許す限り、薄肉部は設けない、あるいは補強するようにしてください。

シンプルな設計を心がけましょう。設計が複雑になりすぎた場合は、複数の部品に分け、ボルトやビスを使用して組み立てることを検討するとよいでしょう。

4. シンプルな設計を心がける

角部に逃げを設けるとしても、必要以上に深いポケットは厳禁です。材料をすべて削るのに加工時間が延びるだけでなく、材料に残留応力が生じたり、直角度や表面粗さが悪くなりがちです。設計者の方々には、切削加工パーツをシンプルに設計することをお勧めします。

パーツ全体の形状についても同じで、必要以上の機能をパーツに加えないようにしてください。切削加工時のパーツの保持などに問題が発生したり、より大きい材料ブロックを使用することになり、コストが増大する場合があります。設計が複雑になりすぎた場合は、複数の部品に分けて、組み立てて使用することを検討するとよいでしょう。組み立てコストや複数の部品を扱う手間が発生するデメリットはありますが、パーツをすばやく製作しなければならない場合は、それが最善の方法かもしれません。表面への彫り込み、多孔形状(ヒートシンクなど)、非常に深い穴(油圧マニホールドなど)などを使用すると、切削加工のコストが増大し、プロジェクト予算が削られていくことになるでしょう。

5.別の材料を検討する

もしも、材料を変えても要件を満たせるならば、切削加工しやすいものや安価なものに変えることで、非常に簡単にコストダウンができます。弊社では幅広い金属と樹脂材料を提供しています。機械特性、外観、切削加工性やコストは、材料によってそれぞれ異なります。材料選定時に考慮すべきことを以下にいくつか紹介します。

  • 銅は導電性に大変優れますが、アルミニウムよりもはるかに高価です。アルミニウムの導電率は銅の約3060%ですが、比重が約1/3と軽くてコストも削減できます。
  • 真鍮は銅と亜鉛の合金ですが、適度な硬さがあり、銅よりも被削性の良い金属です。導電率は銅の約2030%ですが、強度は高く、やや安価です。
  • 一般的な構造用鋼として、まずSS400を選択するかもしれませんが、S50CS45Cは熱処理を行うことで、硬度を調整して使用することができます。
  • 樹脂に関しては、20種類以上の材料からお選びいただけます。どれも比較的切削しやすい材料です。耐摩耗性、耐食性、耐薬品性に優れている樹脂もあれば、耐熱性に優れているものや、高い強度、耐衝撃性を持つものもあります。通常、柔らかい材料ほど、寸法精度と表面の仕上りが悪くなりますので注意が必要です。

どの材料を検討したらよいかわからない場合は、詳細な在庫材料一覧をご覧いただくか、弊社のエンジニアにご相談ください。

 

弊社のWebサイトに3D CADデータをアップロードしていただくと、見積りシステムによって弊社の製造設備で切削加工可能な箇所とリスクがある箇所が割り出されます。見積り段階で詳しい解析結果を確認できるため、必要に応じてパーツの設計を調整してから、もう一度見積りを行うことができます。ご質問やご不明な点につきましては、弊社エンジニアまでお問い合わせください。

 

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