CNC 金属彫刻機の仕組み: メカニズム、ワークフロー、精度

コアの電子および機械アーキテクチャ

CNC (コンピューター数値制御) 金属彫刻機の中心には、デジタル命令と物理的動作の間の洗練された関係があります。プロセスは次から始まります コントローラー 、機械の頭脳として機能します。 G コード (座標データを含むプログラミング言語) を受け取り、これらのデジタル文を低電圧の電気パルスに変換します。これらのパルスは、 ステッパーまたはサーボドライバー 、信号を増幅してモーターに電力を供給します。

次に、モーターはこの電気エネルギーを正確な回転運動に変換します。高精度の彫金では、この回転を微細な精度で直線運動に変換する必要があります。これは、ガントリー (X 軸および Y 軸) とスピンドル マウント (Z 軸) を動かす伝達システムによって実現されます。このシステム全体の剛性が最も重要です。木工ルーターとは異なり、金属彫刻機は、表面仕上げの低下や工具の破損の原因となる「びびり」を防ぐために、大きなたわみ力に耐える必要があります。

伝達システム: ボールねじ vs. ラックアンドピニオン

機械の軸を移動するために使用される方法は、解像度と微細なディテールの彫刻への適合性に大きく影響します。 CNC 金属彫刻機には、主に 2 つの伝送タイプがあります。

• ボールねじトランスミッション: これは高精度金属彫刻のゴールドスタンダードです。ねじ付きシャフトは、再循環ボールベアリングが詰め込まれたナットを通過します。ネジが回転すると、ナットは遊び (バックラッシュ) がほぼゼロで直線的に動きます。この機構により、非常にスムーズな動きと高いトルク伝達が可能になり、位置を失うことなくステンレス鋼などの硬質金属にカッターを押し込むのに不可欠です。
• ラックアンドピニオン: より大型で高速な機械に一般的なこのシステムは、歯付きトラック (ラック) と噛み合うギア (ピニオン) を使用します。高速性と無制限の移動長を実現しますが、本質的にボールねじよりもバックラッシュがわずかに大きくなります。微細な彫刻作業の場合、この微細な遊びによりコーナーの輪郭が若干不鮮明になる可能性があり、宝飾品や精密機器のマーキングにはあまり適していませんが、大型の標識には適しています。

材料除去メカニズム: 回転式 vs. レーザー

「彫刻」とは、CNC マシンに取り付けられているツール ヘッドに応じて、2 つの非常に異なる物理プロセスを指します。適切なワークフローを選択するには、この違いを理解することが不可欠です。

デジタル ワークフロー: CAD からモーションまで

機械はデザインを「認識」しません。座標に従うだけです。ワークフローは芸術的な意図を数学的なパスに変換します。

• CAD (コンピュータ支援設計): ユーザーは部品の 2D ベクトルまたは 3D モデルを作成します。彫刻の場合、ベクトルは文字または形状の境界を定義します。
• CAM (コンピューター支援製造): このソフトウェアはツールパスを生成します。ユーザーは工具 (60 度 V ビットなど)、切込み深さ、および速度を定義する必要があります。 CAM ソフトウェアは、目的の形状を実現するためにツールセンターが取るべき正確なパスを計算します。
• G コードの生成: CAM 出力は、次のようなコマンドを含むテキスト ファイルです。 G01 X10 Y10 Z-0.5 F200 。これにより、機械は 10,10 の座標まで直線的に移動し、送り速度 200mm/分で 0.5mm の深さまで突っ込むように指示されます。
• 制御ソフトウェア: Mach3、GRBL、UGS などのソフトウェアは、このコードを 1 行ずつマシン コントローラーに送信し、リアルタイムの加速と減速を管理します。

重要なサブシステム: 冷却と切りくずの排出

金属を彫刻すると、摩擦によりかなりの熱が発生します。この熱を管理しないと、彫刻ビットが焼きなまされて (柔らかくなり) すぐに鈍くなったり、アルミニウムのチップが溶けてカッターに溶接されたり (「かじり」) する可能性があります。

ミストクーラントシステム 彫刻に最も一般的です。圧縮空気を使用して、少量の潤滑剤を細かい霧に噴霧します。これには 2 つの目的があります。エアブラストによって彫刻経路から切りくずが取り除かれ、カッターによる切りくずの再切断 (チップが破損する) がなくなり、潤滑剤によって摩擦が軽減されます。より硬い金属やより深い切り込みの場合、 フラッドクーラント 液体の連続的な流れが部品上を流れる場合に使用することもできますが、これには汚れを封じ込める完全な筐体が必要です。

実務保持戦略

金属彫刻では、木材のルーティングよりもワークピースをよりしっかりと保持する必要があります。微細な振動でも、彫刻ビットの壊れやすい先端が砕ける可能性があります。

• 精密マシンバイス: 正方形または長方形のストックに最適です。これらは、部品の浮き上がりを防止するために、巨大な破砕力を提供します。
• バキュームテーブル: 万力で反る可能性のある薄いシート (銘板など) に最適です。真空ポンプがシートをテーブルに平らに吸着し、表面全体に均一な彫刻深さを保証します。
• 瞬間接着剤とテープ: 小さくて不規則な平らな部品の「建設的なハック」は、「テープと接着剤」の方法です。マスキングテープを機械ベッドとパーツの両方に貼り、瞬間接着剤でテープの 2 つの表面を接着します。これは、金属上に残留物を残すことなく、彫刻の軽い力に対して驚くほどよく耐えます。

材料固有の課題: アルミニウムとステンレス鋼

金属の「個性」によって、CNC がどのように動作しなければならないかが決まります。

アルミニウム 柔らかいけど「グミ」。工具に付着しやすいです。切りくずを素早く排出するために機械は高いスピンドル速度 (RPM) で動作する必要があり、固着を防ぐために潤滑剤は交渉の余地がありません。鋭く磨かれた超硬ビットが不可欠です。

ステンレス鋼 硬く、「加工硬化」、つまり加熱すると硬くなる傾向があります。鋼に彫刻を施す場合は、熱を減らすために RPM を低くする必要がありますが、トルクは高くなります。機械は非常に剛性が高くなければなりません。フレームに曲がりがあると、ツールが跳ね返り、折れる可能性があります。刃先で発生する高温に耐えるために、コーティングされたビット (AlTiN など) がよく使用されます。

Z ゼロの設定: 深度の一貫性の鍵

おそらく、彫刻において最も重要な実践的なステップは、ツールの開始高さである「Z ゼロ」を設定することです。彫刻の深さは 0.1 mm ～ 0.3 mm であることが多いため、わずか 0.05 mm の誤差により、彫刻が見えなくなったり、深すぎたりする可能性があります。

オペレータは通常、 タッチプローブ (ツールが接触すると回路を完成させる自動パック) を使用して、正確な材料表面の高さを確立します。あるいは、「ペーパー法」では、ワークピースに紙を軽く挟むまでツールを下げ、その後ゼロに設定します（紙の厚さを考慮して）。凹凸のある表面の場合、一部の高度なコントローラーは「自動レベリング」を使用します。この機能では、機械が表面上の点のグリッドを調べ、G コードをワープして素材の曲率に完全に一致させます。