3軸、4軸、5軸加工の違い

軸加工の種類とその主要機能の理解

3軸、4軸、5軸加工―それぞれの使用タイミング

1. 3軸加工：シンプルでコスト効率の高い製造の基礎

3軸加工システムは、工作機械が3次元空間内で3つの直線軸― X（左右） , Y（前後） および Z（上下） ―に沿って移動することで動作します。この直線運動のみの方式は、ブラケット、プレート、基本的な金型など、シンプルな平面または浅い3次元部品の成形に最適です。

その主な利点は、 費用効率 機械の構造がよりシンプルであり、セットアップにかかる時間が最小限で済み、運用上の負担を軽減できることです。これにより、単純な部品を大量生産する際の利益率が向上します。例えば、電子機器用のアルミニウム製取付プレートの製造では、3軸加工が広く活用されています。この部品にはフェースフライス加工（表面の平滑化）、エッジプロファイリング（プレート外周の成形）、穴あけ（固定具用の穴の追加）という3つの基本工程しか必要とせず、これらはすべて直線軸の動きで容易に完了できます。

2. 4軸加工：円筒および曲面形状向けの回転機能

4軸加工は、3軸加工の構成に加えて1つの 回転軸 （通常はX軸周りのA軸）を追加したものです。この追加された軸により、工具が直線運動を行う間にワークピースを回転させることができ、手動での再位置決めが不要になり、曲面や円周に沿った形状を持つ部品の加工が可能になります。

円筒形状の特徴を持つ部品の加工に優れています。例えば、バルブスチールのスロット、曲面に沿った傾斜穴、プーリーの溝などです。2023年の製造業レポートでは、円筒部品の加工に4軸マシニングを使用した工作機械店が、再位置決めを複数回必要とする3軸システムと比較して、 28%のセットアップ時間短縮 を達成したという重要な利点が指摘されています。手動でのワークの反転や再固定を回避することで、4軸マシニングは精度と一貫性も向上させ、人的誤差を低減します。

3. 5軸マシニング：複雑で多面的な高精度加工への汎用性

5軸マシニングは、高度な自由曲面や多面構造を持つ部品加工におけるゴールドスタンダードです。これには、3つの直線軸に加えて 2つの回転軸 （通常はX軸周りのA軸とZ軸周りのC軸）が追加され、切削工具がほぼあらゆる角度から被削材にアプローチできるようになります。

この多機能性は、航空宇宙や医療などの業界において不可欠です。これらの分野では、複雑な形状と極めて厳しい公差を持つ部品が求められます。例としては、チタン製タービンブレード（曲線的な翼型と内部冷却チャネルを有する）、股関節インプラント（人体の解剖学的構造に適合する形状）、航空機の構造部品などがあります。3軸または4軸システムとは異なり、5軸加工では複雑な部品を一回のセットアップで加工が可能になります。 シングルセットアップ 例えば、タービンブレードは再位置決めなしに完全に加工でき、±0.005mmという非常に厳しい公差と優れた表面仕上げを実現できます。

3軸 vs. 4軸加工：効率性と適用範囲

以下の表は、3軸および4軸加工の主要な特徴を比較し、それぞれの用途を明確にするものです。

特徴	3軸加工	4軸加工
軸構成	X, Y, Z（直線移動のみ）	X, Y, Z（直線移動）＋1回転軸（A／C）
最適な用途	シンプルな平面／3D部品（ブラケット、プレートなど）	円筒形状で周面に特徴を持つ部品（バルブスティック、プーリーなど）
設営時間	短い（標準部品の場合10～30分）	中程度（20～45分、単一のセットアップ）
材料の多様性	ほとんどの金属／プラスチックに対応可能。ただし、部品形状によって制限される	同じ材料に対応。曲面／円筒状のワークに最適化
許容範囲	±0.01～0.05mm	±0.008～0.03mm

主な制限と利点

• 3軸加工では、アンダーカットや曲面への傾斜穴、周方向に配置された特徴を持つ部品の加工が困難です。このような場合は複数のセットアップが必要となり、時間と誤差のリスクが増加します。
• 4軸加工は円筒部品に対してこの問題を解決します。たとえば、鋼材のシャフトに45°間隔で穴を開ける場合、 3倍速い 4軸では（シャフトが回転して各穴の位置を合わせる）対し、3軸では（手動での再位置決めが必要）です。
• しかし、4軸加工は非円筒的で多面体の部品（例：3つの面に傾斜穴を持つ立方体）には不向きです。部品の向きを変更すると、その効率性が失われます。

4軸加工と5軸加工：精度と複雑さのトレードオフ

4軸加工は複雑さに関して「中間的な選択肢」として機能しますが、非対称で多面的な部品を扱う5軸加工の能力には及びません。以下に両者の比較を示します。

1. 部品の複雑さへの対応

5軸加工は2つの回転軸により、工具がワークピースの「周囲を包み込む」ことが可能になります。これは、カーボンファイバー製航空機翼リブ（曲線エッジ、内部の軽量化穴、6面すべてに配置された角度付き取付ポイントなど）のような部品にとって不可欠です。ある主要航空宇宙メーカーの報告によると：

• 5軸加工は4軸加工に比べて生産時間が42％短縮されました。
• ロス率は8％から2％に低下（1回のセットアップで位置合わせ誤差が解消）。

2. 精度と表面仕上げ

5軸システムは ダイナミックインデックス を使用して工具を切削面に対して常に垂直に保ち、工具の摩耗を低減し、表面品質を向上させます。医療用インプラント（例：生体適合性が滑らかさに依存する膝関節置換用インプラント）の場合：

• 5軸加工は Ra 0.4μm 表面仕上げを実現します。
• 4軸では Ra 0.8μm .

3. コストとプログラミング

5軸加工には以下が必要です：

• 衝突を回避するための高度なCAMソフトウェア（シミュレーション機能付き）。
• 初期投資が高額になります。

 

• これにより、単純または少量生産の部品にはコスト効率が悪くなりますが、複雑で高精度な部品にとっては非常に価値があります。

材料、形状、業界のニーズに応じた軸数のマッチング

1. 被削材の材質と硬度に基づく軸選択

材質の硬度は、より多くの熱を発生し、熱変形のリスクがあるため、軸の選定に直接影響します。

材料タイプ	推奨される軸タイプ	理由
軟らかい材料（アルミニウム6061-T6、ABSプラスチック）	3軸	切削が容易。直線運動で所望の仕上げが得られる。
硬い材料（ステンレス鋼316L、チタンTi-6Al-4V）	4／5軸	セットアップ頻度の低減（4軸）または熱の蓄積最小化（5軸）。

に従って 2022年ASMインターナショナル 機械加工ガイドライン :

• 硬度が30HRCを超える材料（例：焼入れ鋼）では、5軸加工により工具寿命が延びます。 35%対 3軸
• 例：5軸で硬化鋼のギアブランクを加工する場合、スパイラルツールパス（力と熱を分散）を使用することで、3軸の高負荷な直線カットと比較して超硬インサートの寿命が50%延びます。

2. 業界別に異なる軸数の要件

異なる業界では、軸数の選定を左右する独自の要求仕様があります。

業界	3軸の使用例	4軸の使用例	5軸の使用例
自動車	エンジンブラケット、センサー外装	ドライブシャフト、燃料噴射装置	高性能レーシング用シリンダーヘッド
航空宇宙	シンプルな構造用ブラケット	基本的な円筒部品	タービンブレード、航空機フレーム、衛星（2023年報告書によると、タービンブレード製造者の91％が5軸加工を使用）
医療	プラスチック製ツールハウジング	外科用器具シャフト	チタン製股関節インプラント、脊椎ロッド
消費品	プラスチック製携帯電話ケース、アルミニウム製調理器具	瓶のキャップ（ねじ付き首部分）	高級時計のケース（稀）

よくある軸加工のミスを避ける

1. 生産量に対する軸数選定の誤り

• 5軸の過剰使用 ：少量生産で形状が単純な部品（例：50個のアルミ製ブラケット）の場合、3軸マシンは5軸に比べて60％コストが低くなる（5軸の時間単価：150～300米ドル、3軸：50～100米ドル）。
• 5軸の活用不足 ：大量生産かつ複雑な部品（例：1,000枚のタービンブレード）では、4軸マシンを使用すると5軸に比べて3倍のセットアップ時間がかかり、人件費の増加や遅延を招く。
• 形状の考慮不足 ：アンダーカットのある部品（例：プラスチックハウジングの窪みスロット）には5軸が必要である。3軸では位置ずれが発生し、非円筒形のアンダーカットには4軸でも到達できない。2023年の調査では、3軸／4軸による不良品の68％がこの誤りに起因している。

2. プログラミングおよびセットアップのベストプラクティス

3軸

• 直線運動には基本的なGコードを使用する。
• クイックチェンジ治具プレートを活用してセットアップ時間を短縮する（部品交換あたり10～15分）
• 工具と治具の衝突を避けるため、常に空回しテスト（材料なし）を実施してください（3軸工具は大きめで衝突しやすくなります）。

4軸

• 回転動作を可視化するために、4軸対応のCAMソフトウェアを使用してください。
• ワークをA/C軸の中心に正確に配置してください（0.1mmのオフセットでも寸法誤差が生じます）。
• 円筒状の部品はチャック／コロットで確実に固定し、同芯度を確保してください。ある自動車部品サプライヤーは適切なセンター出しによりエラーを40%削減しました。

5軸

• 衝突検出機能付きの高度なCAMソフトウェア（例：Mastercam、SolidWorks CAM）への投資を検討してください。
• ワークを固定するための5軸トランニオンテーブルを使用してください（再位置決めなしでの完全な回転が可能になります）。
• 「リードアングル制御」に関するプログラマーのトレーニングを実施してください（工具角度を調整して仕上げ品質と工具寿命を向上）。この手法を用いる航空宇宙メーカーでは、初回パス率95%を達成しています。

段階的な軸加工方式選定プロセス

産業用途に適した軸タイプを選択するためのフレームワークは以下の通りです。

1. 部品から着手：形状、公差、材料

• ジオメトリ 平面 = 3軸；円筒形／ラッピング加工面 = 4軸；多面体／複雑形状 = 5軸。
  • 例：平らなアルミニウム板（3軸）；らせん状スロット付き鋼製シャフト（4軸）；チタン製タービンブレード（5軸）。
• 公差 ±0.005mm以下またはそれより厳しい公差 = 5軸；±0.05mm = 3／4軸。
• 材質 軟材 = 3軸；硬材 = 4／5軸。

2023年の精密加工レポートによると、部品を事前に分析する工場では、軸選定ミスを55%削減している。

2. 生産量とコスト目標との整合

生産量	シンプルな部品	複雑な部品
大量（1,000個以上）	3軸（低コスト）	4／5軸（セットアップが高速）
低（1～100ユニット）	3軸（経済的）	5軸（追加のセットアップ時間を回避）

2024年産業用切削加工ガイドによると、「原価量分析」（軸数と生産数量の関連付け）により、全体コストを22％削減できる。

3. 工場のリソースを評価する

• 機械稼働率 ：4／5軸対応機械がない場合は、シンプルな部品に3軸を使用し、複雑な作業は小ロット向けに外部委託する。
• プログラマーの専門性 ：チームが5軸の経験を十分に持っていない場合は、中程度の複雑さの加工から4軸で開始する。
• 治具／工具 : 軸の種類を選択する前に、特殊工具（例：5軸用のトランニオンテーブル）へのアクセスを確保してください。