CNC加工と手作業による加工はどの程度違うのか？

スタティスタ (2022年データ)は、先進工業国における精密加工工程の70%以上をCNCマシンが占め、手動加工はニッチな用途に追いやられていると推定している。精度、制御方法、生産品質から、これは全く予想外のことではない。

それでも、手作業での加工が必要なサンプルオーダーもありました。そこで、この文章では、実際にあった事例の一つから始め、CNC加工と手加工の両方の紹介に移ります。そして、CNC加工と手加工の究極的な比較のために、その特徴、長所と短所を挙げていきます。最後に、CNCと手加工の組み合わせについて言及します。そして、このブログの最後にオンラインでよくある質問に対する簡単な答えを示します。それでは、本題に入りましょう。

注文の特殊なケース

先月、ジョンソン社がナビゲーション・システムの研究プロジェクトで使用する高精度のジャイロスコープ・ローターを発注してきた。そして、我々は彼らの表面粗さRa は0.008μm以下でなければなりません。工場でCNC加工を行った結果、オペレーターは細心の注意を払っているにもかかわらず、Raが基準に達しないと聞きました。そこで最終的には、CNC加工による残留応力層を除去するために、レイヤーバイレイヤーの材料除去アプローチによる手動研磨を採用することになった。今回のレポートでは、Raを含むすべてのパラメータで良好なデータが得られた。そして、ジョンソンはその要素に満足している。わかりますか？ある程度までは、手動機械は役に立たないわけではないんだ。

ここで、CNC加工と手作業による加工とでは、実際のところどれくらいの違いがあるのだろうか？素晴らしい、私はこの質問は良いと思う。そして、比較する前に、それらが何であるかを知らなければならない。

CNC加工とは？

1950年代初頭、パーソンズの研究グループとMITのサーボメカニズム研究所との画期的な共同研究により、世界初の数値制御（NC）工作機械のプロトタイプが誕生した。この先駆的なシステムは、切削工具の正確な運動経路を指示するためにデジタル信号を採用した。これは間違いなく、完全に自動化された製造工程への大きな飛躍を意味する。その後10年間、絶え間ない技術の進歩と反復的な改良を経て、この初期のNC技術は、今日のような高度なコンピュータ数値制御（CNC）加工システムへと成熟していった。

コンピュータ数値制御（CNC）機械加工は、CNC機械加工と略され、高度な製造方法である。そのフルネームが示すように、CNCオペレーションはGコードの形をしたコンピュータープログラムに完全に依存している。これは、複雑な形状や複雑なデザインを扱う能力に貢献しています。どんなものでも CNCフライス加工, CNC旋盤加工特に製品量が多い場合、コスト効率の高い方法で、正確かつ安定した性能を発揮します。

また、3+2 CNCという言葉を耳にする人もいるだろう。これはCNC多軸のことである。一般的に、その多軸はA軸とC軸が一緒に動作することができます。あるいは、機械はA軸かC軸しか持つことができない。あるいは、A軸やC軸はなく、基本的なX-Y-Zステージだけであることもある。例えば、「3つの直線軸（X、Y、Z）と2つの回転軸（例えば、A、C）を統合する」CNC機械を、3+2CNC機械または5軸CNC機械と呼ぶ。また、「3つの直線軸（X、Y、Z）と1つの回転軸（例えば、AまたはC）を統合する」ものは、4軸CNCマシンと呼ばれる。

対照的に、3軸CNCマシンは、もっぱらX、Y、Zのリニア軸を備えている。これらは、シンプルな構造設計と比較的安価なため、最も基本的で広く使用されている構成である。そのため、一般的な平面加工や穴加工など、基本的な部品加工にしか対応できない。

CNC加工の種類

CNCフライス加工

CNCフライス加工は、伝統的なフライス加工の原理を最先端のコンピュータ数値制御（CNC）オートメーションと融合させた減法的製造技術です。このプロセスでは、高速回転する切削工具を使用して、金属、プラスチック、木材、複合材など、固体のワークピースから材料を正確に削り取り、複雑なコンポーネントや完成品を製造します。

CNC旋盤

溝や歯車の加工に使用されるCNCフライスとは異なり、CNC旋盤は主にシャフト、スリーブ、ディスク、ネジなどの回転部品を製造するために設計されています。その作業原理は、切削工具を静止させるか直線的に移動させながらワークを回転させ、旋削、中ぐり、面削り、ねじ切りなどの加工を行う。そのため、回転部品を得意とする理由は容易に想像できる。

さらに、CNC旋盤は一般的にCNCフライス盤よりも安価である。多軸加工機能と複雑なモーションコントロールにより、比較的高い生産効率を実現します。その高い加工精度と相まって、CNC旋盤は従来の円筒形や円錐形の部品の高精度製造に最適です。

イーディーエム

しかし、すべての部品が円盤やねじ山のように規則正しいわけではない。では、航空宇宙用のノズルやタービンブレードのような複雑で超硬質な部品は、どのようにしてそのような完璧さで作られているのだろうか？出会い 放電加工（EDM） の作品です。それは EDMは、慎重に制御された電気火花を使用して材料を丹念に成形する魅力的な非接触加工プロセスです。硬化鋼、タングステンカーバイド、またはエキゾチック合金-EDMは、ジェットエンジンのブレードの繊細な冷却穴を大胆不敵に彫り、射出成形金型の迷路のような空洞を作り、宇宙船の奇妙な形の燃料ノズルを貫く。そのため、複雑な形状、薄い壁、機械的ストレスのない超精密（±0.005mm）部品に最適です。

CNCフライス、旋盤、放電加工の比較

CNCフライス盤、旋盤、放電加工機は、コンピューティングに基づくCNC加工です。CNCフライス加工、旋盤加工、放電加工は計算機によるCNC加工です。

	CNCフライス加工	CNC旋盤	イーディーエム
生産効率	高い	高い	低～中程度
精密	±0.005 mm	±0.005 mm	±0.002 mm
機械代	中～高	ミディアム	高い
スクラップ率	中程度	低い（安定した回転）	低い
素材適合性	金属、プラスチック、複合材料	金属、プラスチック	導電性材料
最適な部品	3D輪郭、ポケット、スロット	回転/対称部品	複雑なディテール、硬化した素材

手作業による機械加工とは？

とは大きく異なる。 CNC加工手作業による機械加工は、旋盤、ドリルプレス、ポータブルフライス盤のような手動の工具を使って、金属などの原材料を希望の寸法や形に成形する工芸プロセスである。一般的には、職人技の延長として機能し、人間の創造性と特殊な機器を融合させる。例えば、複雑な公差を持つ特注の航空機エンジン部品を作ることは、手動機械加工のかけがえのない価値を例証している。

CNC加工と手動加工のケーススタディ手動加工

次のパートでは、農業機械用の2つの類似したギアシャフトについて、CNC加工と手加工の工程を追跡した。そして、両者の違いやメリット・デメリットを多角的に検証した。

農業用ギアシャフトの手動加工

プロセス・レビュー

オペレーターは中炭素鋼（1045スチール）を原材料として選び、電動ハクソーと横型バンドソーで適切な長さに切断する。その間、彼は主要なパラメーターを計算尺で計算する。私の記録が示すように、彼は計算式を使ってピッチ直径（D）を求め、計算尺のC目盛りのモジュール値とD目盛りの歯数を合わせる必要がある。また、切削速度(V)を計算し、回転数(RPM)と回転計算尺の外目盛りを合わせる。計算が終わって初めて旋盤をスタートさせることができる。

それなら、ワークを3つ爪のチャックに取り付けて、余分な材料を取り除く荒旋盤加工をすればいい。それは難しそうですね。それから、0.05ミリの公差を達成するために、仕上げ旋削にも超硬工具を使うべきだ。

歯車の加工には、今でもフライス盤という手工具が使われる。据付、割り出し計算、割り出し板の調整もすべて彼の手によるものだ。

最後に、彼は高周波焼入れによってギアの歯を焼き入れ、50～55HRCを達成した。

レビュー表

問題	スコア/バリュー
表面粗さ	8/10
生産速度（枚/時）	2
オペレーター経験（年）	12
オペレーター技能レベル	9/10

最終結果テスト

パラ	スタンダード	試験結果	合否
表面粗さ（Ra）	≤1.6 μm	1.8 μm	失敗
ロックウェル硬さ試験（HRC）	50-55	52	パス
外径公差	±0.05 mm	+0.03mm	パス
累積ピッチエラー	≤0.02 mm	0.015 mm	パス
同軸度エラー	≤0.01 mm	0.008 mm	パス

農業用ギアシャフトのCNC加工

プロセス・レビュー

CNC加工となれば、より自動化される。オペレーターはまず、SolidWorksとAutoCADを使ってギアシャフトを設計し、モジュール（m）、歯数（z）、圧力角（α）、螺旋角（β）などのパラメーターを定義した。同時に、ピッチ径、ルート径、切削深さなどの形状を計算した。その後、歯車パラメータ計算機や計算式を使って寸法を確認する。

次のステップは、CAMプログラミングとツールパスシミュレーションです。つまり、オペレーターがCAMソフトでGコードを生成し、パラメータを入力する。その後、CNC加工が始まる。

作業保持から荒加工、ギヤホブ加工、研削加工、品質検査に至るまで、手作業による機械加工よりも早いようだ。

レビュー表

問題	スコア/バリュー
表面粗さ	8/10
生産速度（枚/時）	5
オペレーター経験（年）	5
オペレーター技能レベル	9/10

最終結果テスト

パラ	スタンダード	試験結果	合否
表面粗さ（Ra）	≤1.6 μm	0.8 μm	パス
ロックウェル硬さ試験（HRC）	58-62	60	パス
歯形精度	±0.02mm	+0.015mm	パス
歯先ラジアル振れ	≤0.03mm	0.002 mm	パス
モジュールの均一性	m=3±0.01	m=3.005	パス

CNC加工と手動加工の比較

以上、2つのケースを検証した上で、特徴比較もまとめてみた。

精度、再現性、品質保証

私たちの期待通り、CNC加工は高精度で再現性が高い。CNCの最終製品が、手作業のそれよりもRaで優れているのも不思議ではない。深く考えれば、CNC加工の性質上、設計仕様からの逸脱が最小限に抑えられ、コンピューター制御の動きによってヒューマンエラーが排除されるからである。

生産規模とコスト効率

検討表から、1人作業で1時間に5個の生産が可能である。私たちの観察によれば、工程中の人間の介入を最小限に抑えることができるからです。逆に、手作業による機械加工は低～中程度の生産量に最適化されている。私の記録では、1人労働で1時間に2個しか生産できない。このように、CNCマシンは人件費と時間のかからない大量生産に適しており、一方、手作業は1～2個のサンプル製作に適している。

スキルセットと業務要件

CNCオペレーターはコンピューターやオートメーション製造に詳しく、マニュアルオペレーターは実践的な技術に長けている。

このCNCオペレーターは、統合プログラミングの設定、技術的なトラブルシューティング、機械操作が得意である。彼はこの仕事で5年の経験がある。

また、オペレーターの手作業による機械加工は、切削工具、材料特性、実地技術において洗練されている。さらに、技術的な図面を解釈し、適切な工具を選択し、切削パラメータを手動で制御することができる。このプロセスは、12年の経験によって磨かれた直感的な判断に依存している。

品質リスクの軽減と適応性

CNC固有の再現性は、医療機器製造のような均一性が譲れないアプリケーションにおいて、品質リスクを低減します。オペレーター間のばらつきがないため、各サイクルがプログラムされたパラメーターを厳密に守り、不良を最小限に抑えます。

しかし、手作業による加工では、そのばらつきを相殺するために、積極的な品質管理が必要となる。例えば、工具の摩耗やわずかな手の震えによって偏差が生じることがあり、その場合は工程後の検査が必要になる。

CNC加工と手動加工の短所と長所

以上の検討から、さらにCNC加工と手動加工の長所と短所について、次のように結論を下す。

	CNC加工	手動加工
完成品の互換性と精度	高い	カスタム・ペアリングが必要
生産効率	高い	低い
適用材料	金属/プラスチック/複合材料	金属/ABS/木材/G10
廃棄物発生量	より少ない	もっと見る
人件費	低い	高い
作業上の安全性	高い	低い
メンテナンスの難しさ	高い	低い
機械コスト	高い	低い
リアルタイム調整	難しい	簡単
こんな人に最適	大量生産	シングル/スモールバッチ生産

CNC加工の利点

1.生産速度

CNCマシンは疲れたことがない。コンピューティングと準備が整っている限り、休憩時間なしに働くことができる。これは、より多くの製品を生産するために多くの時間を節約します。第二に、自動化されているため、一人のオペレーターが複数の機械を担当し、同時に複数の製品を生産することができる。これが、生産速度が速いもうひとつの理由である。

2.再現性

繰り返し精度は、高精度で互換性のある製品をもたらします。CNC加工の動作は計算コードに強く依存しているため、コードの方向と異なる誤差を導入することはできません。その上、最終製品は互いに完全に同じであるため、ユーザーは同じバッチで別の部品と交換することができます。

3.人件費の削減

複数のCNC加工工程を同時に一人で操作できる。つまり、人件費を数倍節約できるのです。

4.複雑なデザイン

CNCマシンのCAD（コンピュータ支援設計）／CAM（コンピュータ支援製造）ソフトウェアは、多軸の輪郭や曲線を含む複雑な設計を可能にする。

CNC加工の欠点

1.高いイニシャルコスト

CNCマシンは、設備費も設置費も高いため、初期投資額は高くなる。CNCマシンは大きく、自動化された部品がたくさんある。マシンにさえ、コードを把握するためのハイテク・モジュールを搭載しなければならない。通常、この大型で複雑な機械を設置できるのは専門家だけであり、設置費用がかかる。

2.高いメンテナンスコスト

故障の可能性は低いが、万が一故障が発生した場合、高度な技術を持ったプロでなければ解決できない。また、設置費用もかかる。

3.プログラミングスキル

CNCマシンは特定のコードに依存しているため、コードを作成し設定するには熟練したプログラマーが必要です。プログラマーは、専門的な訓練を受けている必要があります。

手動加工の利点

1.低コスト

手動機械の初期投資コストは低い。ハイテクがなければ、手作業の工具や機械はそれほど高価ではない。手ごろな価格であるため、手動機械は予算が限られている小規模な製造業者に適している。

2.プログラミング不要

プログラミングが得意な作業者がいない場合は、手加工が最適である。

3.容易なメンテナンス

手工具の構造が単純なので、工具に不具合が生じた場合のメンテナンスが容易である。また、メンテナンス費用も安い。

4.より良いカスタマイズ性

手動フライス盤は通常、1回限りのプロジェクトに使用される。これらの機械は、コードの指示の代わりに人間によって処理されるため、生産プロセスにおいて大きな柔軟性と適応性を持っています。

手作業の欠点

1. 遅い生産速度

手作業による加工は、より多くの人手を必要とする。1人のオペレーターが担当できるのは1つの製品だけだ。手作業で精度をコントロールしなければならない。これには多くの時間とエネルギーが必要だ。また、人間は仕事中に休憩を取るだけでなく、伝統的な休日には休暇を取る必要がある。この間、手作業の機械加工工場では生産ができない。

2.人的要因による高いエラー率

オペレーターへの依存度が高いため、手動機械は精度に欠ける。つまり、最終製品として不適格なものを製造する可能性がある。また、手戻りのリスクも高くなる。

3.労働技能への高い依存度

オペレーターは、効率と製品の品質に密接に影響するマニュアル技術に精通していなければならない。しかし、こうした必要な技術を習得するには、知識の訓練だけでなく、長年の実務経験が必要だ。それは容易なことではない。

CNC加工と手作業のハイブリッドは？

CNC機械加工と手作業のハイブリッドとは、精密作業にはコンピューター制御の機械を使用し、仕上げや調整には人間の技術を加えることで、製造にバランスの取れたアプローチを生み出すことを意味する。例えば、CNCマシンが金属部品を高精度で切削し、次に作業員が手作業でエッジを研磨して滑らかにし、最後に穴やネジ山などの細部を検査・調整して完璧を期す。

このハイブリッド方式は、CNCでベース形状を作り、職人が手彫りのパターンを加える複雑なジュエリーの製作や、CNCで新しい部品を加工し、古い部品に手作業で取り付けるビンテージカーのエンジン修理のようなカスタムプロジェクトに適している。さらに、CNCによるプラスチックケーシングの高速生産と、手作業による極小電子部品の組み立てを組み合わせることで、品質と柔軟性を維持しながら時間を節約することができる。

結論

最終的には、70%をCNC加工に、30%をマニュアル加工に重要視したい。

ソガワークスについて

SogaWorksは、カスタムメカニカルパーツのためのオールインワンオンラインプラットフォームです。CNC機械加工、3Dプリント、板金加工、ウレタン鋳造、射出成形などのサービスで、ラピッドプロトタイピング、少量テスト、大規模生産のための柔軟な製造ソリューションを提供します。AIを活用した見積もりエンジンにより、SogaWorksは5秒で見積もりを提出し、最適なキャパシティをマッチングさせ、すべてのステップを追跡することができます。これにより、納期が短縮され、製品の品質が向上します。

よくあるご質問

1.手動加工はどこで使うべきか？

手作業による加工は、CNCマシンが緊急の小ロット加工で忙しい場合に最適です。また、独自の工具角度を必要とするスラントベッド構成など、標準的なCNCセットアップを超える特殊な作業にも不可欠です。

2.CNC加工と手動加工を選択する前に考慮すべき要素とは？

CNC加工と手動加工のどちらかを選択する場合、部品の複雑さ、予算、数量、時間を考慮する：CNC加工は、複雑な設計、厳しい公差、大量ロットの加工に適していますが、初期費用は高くなります。一方、手動加工は、単純な形状、少量生産、限られた予算に適していますが、より多くの労力と時間を必要とします。複雑で大量のプロジェクトにはCNCで精度と効率を優先し、シンプルで小規模な作業には手動で柔軟に対応する。CNC加工と手動加工、どちらを選べばよいかわからない場合は、お気軽にお問い合わせください。