3D CADで切削工具の接触と削り残しを確認する重要性
3D CADは、部品や機械の形状を作成するためだけのものではありません。断面表示や距離測定、干渉確認などの機能を備えた環境では、切削加工を行う前に、工具が目的の位置へ到達できるか、工具や保持部が加工対象へ不要に接触しないかなどを検討するためにも活用できます。
ただし、工具経路に沿った材料除去や加工中の機械動作まで自動的に再現できる機能が、すべての3D CADに備わっているわけではありません。削り残しや削り過ぎを加工工程に沿って詳細に評価する場合には、CADの形状確認に加えてCAMや加工シミュレーションなどを併用することが適切です。
切削加工では、設計した完成形状が3D CAD上で成立していても、その形状を実際の工具で加工できるとは限りません。深いポケット、狭い溝、小さな内側半径、複雑な曲面などでは、工具の直径や長さ、刃長、保持部の大きさなどが制約になります。
例えば、細長いポケットの底まで工具先端が届いていたとしても、それだけで加工可能とは判断できません。工具の刃より上にある軸部が側壁へ接触したり、工具を保持する部分がワーク上面へ近づきすぎたりする場合があります。
反対に、干渉を避ける目的で細い工具を使用すると、狭い部分へ入りやすくなる一方、工具の長さや剛性、加工条件などについて別の検討が必要になることがあります。このため、3D CADでの事前確認では単純に「工具が入るか」を見るだけではなく、加工中に想定される工具全体とワークとの位置関係を確認することが重要です。
もう一つの重要な確認項目が削り残しです。円形断面を持つ回転工具では、工具径や工具形状、工具姿勢との関係によって、内側の隅や凹形状などに工具が幾何学的に到達できず、材料が残る場合があります。完成形状だけを見ていると分かりにくい問題ですが、工具形状と目標形状の関係を3D上で比較すると、どこに材料が残りやすいのかを検討しやすくなります。
加工を開始してから問題が見つかると、工具変更、工程追加、治具変更、加工方向の変更、場合によっては設計変更まで必要になることがあります。3D CADで加工前に問題候補を確認できれば、このような手戻りを減らすための判断材料になります。
ただし、3D CAD上で干渉がないことと、実加工で必ず問題が起こらないことは同じではありません。実際の加工には、機械の精度、工具の振れ、加工負荷による変形、ワークの固定状態、工具摩耗、熱による影響なども関係します。3D CADによる検証は、主として形状と空間の関係を事前に確認する手段として考えることが大切です。
ここからは、3D CADを使って切削工具の接触と削り残しを確認するときの基本的な流れを5つの手順に分けて説明します。
手順1 加工対象と切削工具の3D形状を準備する
最初に行うのは、加工対象となるワークと切削工具の3D形状を準備することです。接触確認の結果は、検証に使用するモデルの状態に左右されます。そのため、必要な寸法や形状を適切に反映したモデルを用意することが基本になります。
加工対象については、完成形状だけでなく、可能であれば加工前の素材形状も準備します。切削加工は加工前素材から不要な部分を除去して完成形状を作るため、完成後には存在しない材料が加工途中では残っています。
完成形状しか表示していない場合、本来は素材が存在する場所を空間として認識してしまうことがあります。工具がその空間を通過できるように見えても、実際には先に材料を除去しなければ進入できない場合があります。
角材や丸材のように加工前形状が単純であれば、3D CAD上で素材寸法を基にモデル化できます。鋳造品や成形品、溶接した部材などを追加加工する場合は、加工前形状と完成形状との差が複雑になるため、実際の素材に近い形状を使用することが重要です。
次に切削工具を準備します。接触確認を目的とする場合、工具の刃を細部まで精密に再現する必要はありませんが、少なくとも工具径、刃長、軸径、工具全長など、干渉判定に影響する主要寸法は反映しておく必要があります。
工具を一本の単純な円柱として扱うと、実際とは異なる結果になる可能性があります。切削できる刃の部分と、それより上にある軸部では役割が異なります。刃が加工前素材へ入り込むことは正常な切削状態ですが、切削を想定していない軸部が完成面へ接触する場合は問題になる可能性があります。
工具の先端形状についても、加工対象によっては重要です。平らな底面を加工する場合と曲面を加工する場合では、工具とワークの接触の仕方が異なります。工具先端を単純化しすぎると、隅部や曲面での削り残しを適切に判断しにくくなります。
さらに、工具だけでなく保持部の外形も準備しておくと、より実加工に近い確認ができます。特に深い穴やポケットでは、工具先端よりも保持部が干渉条件を決めることがあります。
保持部についても内部構造まで細かく作り込む必要はありません。接触判定に必要なのは主として外形です。先端側の直径、最大外径、長さなどを簡略化した形状として表現すれば、ワークとの空間を確認しやすくなります。
モデルを準備したら、基準位置と軸方向を統一します。切削工具では工具先端など、検討上扱いやすい位置を基準点にし、工具中心軸の方向を明確にしておくと、後から姿勢や位置を変更しやすくなります。
加工対象側でも、加工基準面、ワーク原点、穴中心、取付基準などを明確にします。設計用の座標と加工検討用の座標が異なる場合には、両者の関係を整理しておきます。
外部から読み込んだ3Dデータを使用する場合には、単位や縮尺にも注意が必要です。モデルの読み込み条件が異なると、工具やワークの大きさが想定と合わなくなることがあります。読み込んだ後に代表的な寸法を測り、想定したサイズになっているか確認することが有効です。
加工前素材に取り代を設定している場合は、その量も検討対象になります。完成形状だけを基準に工具を配置するのではなく、実際にどの範囲から材料を除去するのかを考えて素材モデルを準備すると、加工途中の工具接触も確認しやすくなります。
このように、最初の段階では加工対象、加工前素材、切削工具、保持部という複数のモデルを用意し、それぞれの寸法と基準を確認します。ここを曖昧にしたまま接触判定へ進むと、後工程で検証結果の前提が変わることがあるため、丁寧に準備することが重要です。
手順2 工具姿勢と加工範囲を設定して接触を確認する
モデルの準備ができたら、切削工具を実際の加工位置に近い姿勢へ配置します。ここで確認するのは、工具先端が目的の場所へ届くかという点だけではありません。工具がそこへ到達するまでの経路や、加工範囲を移動したときの位置関係まで含めて確認します。
まず、どの面や領域を加工するのかを明確にします。平面であれば加工範囲の外周、ポケットであれば側壁と底面、穴であれば中心位置と加工深さを確認します。
次に工具先端を加工対象へ合わせます。工具軸を想定する加工方向へ向け、ワークとの関係を複数方向から確認します。
3D CAD上で一方向から見たときに十分な隙間があるように見えても、視点を変えると接触していることがあります。正面、側面、上面だけでなく、斜め方向からも確認すると、立体的な位置関係を把握しやすくなります。
深いポケットや穴の内部では、外側から工具先端の状態を確認しにくいため、断面表示を利用できる場合は積極的に活用します。断面を切ることで、工具先端と底面、工具軸部と側壁などの距離を視覚的に確認できます。
重要なのは、一つの位置だけで判断しないことです。工具は加工中に移動するため、始点では接触していなくても、中間地点で干渉する可能性があります。
例えば長方形のポケットであれば、中央だけでなく四隅、側壁付近、入口付近などにも工具を配置して確認します。工具径に対して狭い部分ほど、重点的に確認します。
曲面加工では、曲率が大きく変化する場所や隣接面との境界に注意します。工具を曲面へ接触させたとき、刃先だけでなく工具の周囲が別の面へ入り込んでいないかを確認します。
穴加工では、穴入口に工具を配置するだけでは十分ではありません。工具を想定する最深位置まで下げた状態で、刃長、軸部、保持部の位置関係を確認します。深くなるほど保持部がワークへ近づく場合があるためです。
ここで理解しておきたいのが、正常な切削接触と不要な干渉の違いです。工具の切削部分が加工前素材と重なることは、材料を除去するために必要な状態です。一方、加工後も残すべき完成形状に工具が入り込んでいれば、削り過ぎにつながる可能性があります。
そのため、加工前素材と完成形状を同時に利用すると判断しやすくなります。工具の切削部分が加工前素材には入っている一方で、完成形状を越えていないかを確認します。
狭い内側形状では、工具径と製品形状の関係にも注意します。例えば工具軸を一定方向に保ってエンドミルなどで輪郭加工する場合、その工具の半径より小さい内隅半径を同じ工具だけで仕上げることはできません。設計形状に小さな内側半径が設定されている場合、使用する工具や加工方法によってはその部分まで加工できないことがあります。
ただし、加工可能性は工具形状、工具姿勢、加工方向、機械の軸構成などによっても変わります。そのため、単純な工具径だけで最終判断せず、実際に予定している加工方法を前提として確認することが重要です。
この段階で、工具を小さくする必要があるのか、加工方向を変える必要があるのか、別工程を追加する必要があるのかを検討できます。
また、3D CAD上で接触が発生していないからといって、工具とワークの隙間が極端に小さい状態を見落としてはいけません。実際の加工には工具振れや位置ずれなどが存在するため、理論上わずかに離れているだけの状態では十分な余裕がないことがあります。
距離測定が可能であれば、目視だけでなく数値として最小距離を確認します。必要な余裕は加工方法や設備、工具条件によって異なるため、一律に決めるのではなく、実際の加工条件を考慮して判断することが重要です。
工具姿勢と加工範囲の確認は、設計モデルを加工の視点で見直す工程でもあります。どの方向から工具を入れればよいのか、どの範囲まで同じ工具で加工できるのかを検討することで、後の工程設計につなげやすくなります。
手順3 工具・保持部・治具との干渉を確認する
工具先端と加工対象の関係を確認したら、次に工具全体、保持部、治具などを含めた干渉を確認します。
切削加工の事前検討では、工具先端だけを見ていると問題を見逃しやすくなります。実際には工具軸部、保持部、固定具、周辺部品なども同じ空間に存在するためです。
代表的なのが深いポケットです。工具先端が底面へ届いていても、工具の刃長が加工深さに対して十分でない場合、刃より上の部分が側壁へ接触する可能性があります。
刃長が十分でも、保持部がポケット入口へ近づき、必要な深さまで工具を下げられない場合があります。したがって、工具先端が届くことと、加工姿勢全体が成立することは分けて確認する必要があります。
干渉を避けるために工具の突出しを長くする方法も考えられますが、突出しが長くなるほど工具の剛性や振動、たわみなどについて別途検討が必要になります。そのため、3D CAD上で物理的に届くことだけを理由に工具条件を決定するのではなく、実際に使用する工具条件と照らし合わせることが重要です。
保持部の外形モデルを工具と一体で動かせる状態にしておくと、姿勢変更時にも確認しやすくなります。工具を傾けた場合には、工具先端の位置がほとんど変わらなくても、上部の保持部は大きく移動することがあります。
このため、傾斜面や側面加工では特に注意が必要です。工具先端の周囲には余裕があっても、工具上部がワークの突起や別の壁面へ接近することがあります。
続いて治具との干渉を確認します。ワークを固定するための治具や締結部分が工具の移動範囲に入っていると、加工面自体には問題がなくても加工できないことがあります。
加工領域外に治具を配置している場合でも安心はできません。工具先端は加工領域内を移動しますが、保持部は工具先端より大きい場合が多いため、その外側まで張り出します。その結果、工具先端は治具から離れていても、保持部が治具へ近づくことがあります。
可能であれば、ワークを実際の固定姿勢に近い状態で3D CADへ配置し、治具の主要な外形も表示します。治具についても、すべての細かな部品を精密に作る必要はありません。工具が近づく可能性がある部分を中心にモデル化すれば、干渉確認には利用できます。
さらに、切削中だけでなく、工具が加工開始位置へ移動するまでの経路にも注意します。最終的な加工位置では干渉していなくても、その位置へ降下する途中でワークや治具に接触する可能性があります。
加工終了後の退避についても同様です。工具をどの方向へ抜くのかを考え、周辺に十分な空間があるかを確認します。
大型部品や既設構造物を加工する場合には、加工対象以外の周辺部材も検討対象になります。単品としては加工可能でも、周辺に別部材が取り付けられた状態では工具が入らないことがあります。
どの状態で加工するのかを明確にすることが重要です。部品単体で加工するのか、組立途中で加工するのか、組立後に追加工するのかによって、干渉確認に必要なモデルが変わります。
3D CADの距離測定機能が利用できる場合には、工具や保持部と周辺形状との距離を確認します。断面表示と組み合わせれば、外側から見えない部分についても隙間を把握しやすくなります。
ただし、静止した数か所だけを測定しても、実際の工具経路全体における最小距離を保証できるとは限りません。経路全体の連続的な干渉を厳密に評価する必要がある場合には、使用するCAMや加工シミュレーションの干渉確認機能などを利用することが適切です。
干渉判定では、「重なっているか、重なっていないか」だけで終わらせないことが大切です。加工中に必要と考える余裕を確保できているかまで確認することで、実加工へ移った後の問題を減らしやすくなります。
手順4 加工後形状を比較して削り残しを確認する
工具、保持部、治具との接触を確認したら、次は加工後に材料がどこまで除去できるかを検討します。
削り残しとは、本来除去する予定だった材料が加工後にも残っている状態です。削り残しは工具径、工具形状、工具姿勢、工具経路、加工方向などの影響を受けます。
特に発生しやすいのが、狭い隅部、深い凹形状、細い溝、複雑な自由曲面などです。
3D CAD上で削り残しを検討する基本的な考え方は、目標となる完成形状と、想定した工具形状や工具の到達範囲との関係を比較することです。
加工後の素材形状を表現できる環境であれば、完成形状と加工後形状の差を確認できます。CADにソリッドのスイープやブーリアン演算などの機能がある場合には、工具外形を代表的な経路に沿って移動させた包絡形状などを用いて、幾何学的な到達範囲を簡易的に検討できる場合もあります。
ただし、このようなCAD上の簡易モデルは、実際の工具経路、切込み、ピックフィード、工具姿勢の連続変化、加工途中の残材などを必ずしも正確に再現するものではありません。加工後に残る材料や削り過ぎを工程に沿って詳細に確認する場合には、実際の工具経路を基に材料除去を計算するCAMや加工シミュレーションを利用することが重要です。
最初に確認したいのが内側の角です。工具軸を一定方向に保ったエンドミルなどによる輪郭加工では、工具半径より小さい内隅半径をその工具だけで仕上げることはできません。
例えば、設計上の内角が使用工具に対して小さい半径になっている場合、大きな工具だけでは隅に材料が残ります。この削り残しが製品機能に影響するのであれば、より小さい工具による追加加工や、加工方法または設計形状の見直しを検討する必要があります。
一方、機能上問題がない部分であれば、設計段階で加工可能な半径へ変更することも選択肢になります。このような判断を加工開始前に行える点が3D CADを利用する利点です。
深いポケットでは、側壁と底面の境界にも注目します。工具先端の形状と製品側の隅形状が一致していなければ、境界に材料が残ることがあります。
自由曲面については、工具径や工具先端形状と曲面の曲率との関係が重要になります。大きな工具は広い領域の加工に適する場合がある一方、凹形状の細かな部分には入りにくくなることがあります。
そのため、最初から一つの工具だけですべてを仕上げようとせず、広い領域を加工する工具と、残った部分を加工する小径工具などを使い分ける方法があります。
3D CAD上で各工具の形状と対象形状を比較し、さらに必要に応じてCAMの残材加工やシミュレーション機能を利用すれば、追加工程が必要な場所を整理しやすくなります。
削り残しを確認する際は、残っている材料の量だけでなく、場所にも注目します。広い面に薄く残っている場合と、小さな隅へ集中して残っている場合では、原因も対応方法も異なります。
加工方向による違いも確認します。上方からは工具が入らない形状でも、ワークの向きを変えたり、別方向から加工したりすることで到達できる場合があります。
複数方向から加工する場合には、各工程でどの領域を加工するのかを3D CAD上で整理します。一つ目の方向から加工した後の中間形状を作り、二つ目の方向からの工具配置と合わせて検討すると、最終形状へ到達できるかを確認しやすくなります。
削り残しと同時に確認したいのが削り過ぎです。削り残しをなくすために工具を完成面へ近づけすぎると、本来残すべき部分まで工具が入り込む可能性があります。
そのため、加工後形状の比較では、材料が余分に残っている領域だけを見るのではなく、想定した除去領域が完成形状より内側へ入り込んでいないかも確認します。
特に複雑な曲面では、工具先端の一点が目標面上にあっても、工具の別部分が隣接する面へ入り込む場合があります。工具全体の外形を使って確認することが重要です。
また、削り残しが見つかった場合は、その場所が本当に追加加工を必要とするかも判断します。部品の機能に関係しない部分にごく小さな残りがある場合と、組立面や接触面に残りがある場合では重要度が異なります。
3D CADで問題位置を可視化できれば、設計担当者と加工担当者の間でも認識を合わせやすくなります。「この形状は加工しにくい」という抽象的な指摘ではなく、「この工具条件ではこの隅に材料が残る可能性がある」という具体的な説明ができます。
削り残し確認は、単に加工結果を予測する作業ではありません。工具の選定、工程分割、設計変更などを判断するための情報を得る工程として活用することが重要です。
手順5 条件を修正して再検証する
接触や削り残しの可能性が見つかったら、その原因に応じて条件を修正し、再度3D CAD上で確認します。
一度問題を見つけたところで検証を終了してはいけません。条件を変更すると、もともと問題がなかった別の場所に新しい接触や削り残しが発生する場合があるためです。
代表的な修正方法は工具径の変更です。大径工具では入れない狭い隅部であれば、小径工具へ変更することで到達可能になることがあります。
ただし、工具を細くすればすべて解決するわけではありません。深い部分まで到達させるためには工具長や突出しも関係し、剛性、たわみ、加工条件などについて別途確認する必要があります。
そのため、小径工具へ変更した場合も、工具先端だけでなく軸部や保持部を含めて再検証します。
次に考えられるのが工具長や突出し条件の変更です。保持部がワークへ接触する場合、突出しを長くすることで保持部を加工面から離せる場合があります。
しかし、長い突出しを使用する場合には、実加工で成立する条件かを加工担当者と確認することが重要です。3D CADで形状的に干渉しないことは、加工条件として適切であることを直接意味するものではありません。
加工方向を変更する方法もあります。一方向からは工具が届かない場合でも、ワークを持ち替えて別方向から加工すれば到達できる可能性があります。
3D CAD上ではワークや工具の姿勢を変更し、どの方向からであれば保持部や治具との干渉を避けやすいかを比較できます。
ただし、加工方向を増やすと段取りも変化します。再固定や位置合わせが必要になる場合があるため、干渉回避だけでなく工程全体を考慮して判断することが必要です。
加工順序を変更することで問題を解決できる場合もあります。加工開始時には材料が残っていて工具が入らなくても、先に周辺部分を除去すれば必要な空間を確保できることがあります。
この場合、加工前形状から完成形状へ一度に進むのではなく、中間形状を用意して確認する方法が有効です。
第一工程終了後にどの材料が残っているかを3Dモデルとして表現し、その状態で第二工程の工具を配置します。こうすることで、実際の加工順序に近い形で工具の進入条件を確認できます。
工具や工程を変更しても解決が難しい場合には、設計形状そのものを見直すこともあります。
例えば、機能上必要のない鋭い内角や、極端に細く深い溝などは、加工性を考慮した形状へ変更できる可能性があります。
ただし、設計変更は加工性だけで決めるものではありません。強度、組立、性能、周辺部品との関係などを確認しながら判断する必要があります。
3D CADで元形状と変更案を比較すれば、加工性を改善しながら必要な設計要件を維持できるか検討しやすくなります。
条件を変更した後は、問題があった場所だけでなく加工範囲全体を再確認します。
例えば、工具を小径化したことで隅部の削り残しを減らせても、別の場所では加工条件や工具経路の見直しが必要になる可能性があります。工具の突出しを長くしたことで深部へ届くようになっても、保持条件や周辺との位置関係は改めて確認する必要があります。
また、検証条件を記録しておくことも重要です。使用したワークモデル、工具寸法、保持部形状、工具姿勢、加工方向などを整理しておけば、設計変更後や加工条件変更後に比較しやすくなります。
モデルの版管理も欠かせません。設計形状が変更された後に古い3Dモデルで接触確認を続けると、最新形状では成立しない結果を基に判断してしまう可能性があります。
最終的には、3D CAD上での形状検証結果を実際の加工設備や工具条件と照合します。機械の可動範囲や実際の固定状態など、3D CADモデルに含めていない条件についても確認したうえで加工工程へ反映します。必要に応じてCAMや機械シミュレーションを使用し、工具経路、保持部、治具、機械構造を含めた確認を行います。
このように、手順5は単なる再チェックではありません。問題の原因を確認し、条件を変更し、その変更による影響を再評価する反復工程です。この流れを加工前に行うことで、設計と加工の整合性を高めやすくなります。
3D CADで接触確認をするときに見落としやすいポイント
3D CAD上で工具を配置すれば、接触や削り残しを確認しやすくなります。しかし、確認方法が不十分だと問題を見落とすことがあります。
特に注意したいのは、工具を一つの位置に置いただけで加工可能と判断することです。実加工では工具が連続的に移動するため、加工開始位置では問題がなくても途中で干渉することがあります。
直線移動だけでなく、曲面に沿った移動や工具姿勢の変化がある場合には、複数の中間位置で工具状態を確認することが重要です。連続的な工具経路全体について厳密な干渉確認が必要な場合は、CAMや加工シミュレーションを利用します。
次に見落としやすいのが工具先端以外の接触です。加工面に注目していると、工具先端と完成形状の関係ばかりを確認しがちです。
しかし、実際には刃長の境界、工具軸部、保持部などが干渉原因になることがあります。特に深い加工では、工具を全長で表示して確認する必要があります。
完成形状だけで検証することにも注意が必要です。完成モデルでは既に除去された材料が表示されないため、本来は工具の進入を妨げるはずの加工前材料を見落とす可能性があります。
加工前素材と完成形状を両方用意し、必要に応じて中間工程の形状も利用することで、加工順序を含めた検証ができます。
モデルの精度も重要です。工具形状を簡略化すること自体は問題ではありませんが、接触判定に必要な外径や長さまで実物と異なっていると結果の信頼性が下がります。
治具についても同様です。細かなねじ形状まで作る必要はありませんが、工具と接触する可能性がある外形は反映する必要があります。
さらに、理論上の接触がないことだけで安全と判断しないことも重要です。工具とワークの間にごくわずかな隙間しかない場合、実加工では各種のばらつきの影響を受ける可能性があります。
必要に応じて距離を測定し、接触していないだけでなく、どの程度のクリアランスがあるかを確認します。
加工姿勢とモデル姿勢の違いにも注意します。設計時に見やすい方向へ置かれたモデルと、実際に機械へ固定する姿勢は異なる場合があります。
加工検討では、実際の固定状態に近い方向へワークを配置したうえで工具との関係を確認することが大切です。
設計変更後の再検証も欠かせません。形状の一部を変更しただけでも、工具との距離や加工可能範囲が変わることがあります。
以前に接触確認を行っていたからといって、設計変更後も結果が同じとは限りません。最新モデルを使用しているか確認し、変更箇所の周辺を含めて再検証します。
削り残しを減らすために設計段階で確認したいこと
削り残しは加工工程だけの問題として扱われることがありますが、設計形状も大きく関係します。そのため、3D CADを使用している段階から加工性を確認することが有効です。
特に確認したいのが内側半径です。回転工具を使用する切削加工では、内側形状と工具径、工具形状、加工方向の関係によって加工可能性が変わります。
必要以上に小さな内側半径を設定すると、想定している工具では隅まで仕上げられず、小径工具による追加工程などが必要になる場合があります。
製品機能に影響しない場所であれば、加工工具を考慮した内側半径を設定できないか検討します。
深さと幅の関係も重要です。非常に細く深い溝は、3D CAD上では容易に作成できますが、実加工では工具の進入、工具剛性、保持部との干渉などについて慎重な確認が必要です。
形状を設計するときには、使用を想定する工具が入る幅があるか、必要な深さまで工具を届かせられるかを検討します。
ポケット形状の場合は、入口側の空間も確認します。底部が広くても入口が狭ければ、大きな工具や保持部を内部へ入れられないことがあります。
3D CADでは内部形状だけでなく、そこへ工具がどのように進入するかまで考えることが加工性の検討につながります。
曲面についても、細かな形状変化を追加するほど加工工程が複雑になる可能性があります。意匠や機能上必要な形状は維持する必要がありますが、加工上必要性の低い細かな凹凸がないか確認することは有効です。
設計担当者と加工担当者が同じ3Dモデルを見ながら検討できれば、形状変更が可能な場所と、機能上変更できない場所を整理しやすくなります。
変更できない部分については加工方法を検討し、変更可能な部分については加工しやすい形状へ調整するという役割分担ができます。
3D CADを使った加工性確認は、完成後の形状を評価するだけではなく、設計と製造の間で条件をすり合わせるためにも利用できます。
3D CADと現場の3D計測を組み合わせる考え方
新しく製作する部品であれば、設計時の3D CADデータを基準として加工検討を進めやすいですが、既設構造物や現地に設置済みの部材へ追加工を行う場合は事情が異なります。
実物の状態が、設計時の3Dデータと完全に一致しているとは限らないためです。
既設部材では、製作や設置による位置の違い、使用中の変形、過去の改修、周囲への設備追加などによって、現在の状態と元の設計データに差が生じている場合があります。
このような状況で追加の穴加工や切削を行う場合、設計モデルだけを使って工具の進入空間を判断すると、現地で初めて障害物に気付く可能性があります。
そこで、3D CADによる設計検討と現場の3D計測を組み合わせる考え方があります。
例えば、加工予定箇所の周囲を点群などの3Dデータとして記録できれば、既設物の位置や周辺空間を設計モデルと比較するための材料になります。
点群などの現況データを利用すると、設計モデルには含まれていなかった周辺構造物の位置を把握したり、加工対象周辺に工具や機器を配置する空間があるかを検討したりできます。
ただし、現場計測で取得した3Dデータには、それぞれの計測方法に応じた精度や特性があります。切削工具と加工面との微小なクリアランスを直接保証する用途と、周辺設備のおおまかな位置関係を確認する用途では、求められる計測精度が異なります。
そのため、取得した3Dデータを何の判断に使用するのかを明確にし、必要な精度に適した計測方法を選ぶことが重要です。
設計モデルと現況データを比較するときは、座標合わせにも注意します。両者の位置や向きがずれていると、見かけ上の距離も実際とは異なります。
共通の基準点や特徴形状などを使用し、どの座標を基準として位置合わせしたのかを管理することが大切です。
また、加工前の実物形状を記録しておけば、加工計画の確認資料として利用できる場合があります。大型部材や現地施工物では、机上の3D CADだけでは把握しにくい周辺条件を記録できることが利点です。
こうした現場での3D情報取得を効率化する手段の一つとして、LRTK Phoneを用いた点群計測を活用する方法も考えられます。取得した現況の点群などを対応する3D CADや3Dソフトウェアへ取り込み、設計データと照合することで、設計側の情報と現況をつなぐ用途に活用できます。
ただし、LRTK Phoneを含む現場計測手段で取得したデータを切削工具の微細な干渉判定に直接使用する場合は、対象とする寸法、公差、必要精度、計測条件を十分に検討する必要があります。
工具とワークの詳細な接触については3D CAD上の設計モデルや実際の加工条件を基に確認し、必要に応じてCAMや加工シミュレーションを使用します。現場計測は既設物の位置や周囲の状態を把握するために利用するなど、目的に応じて役割を分けることが現実的です。
設計段階では3D CADによって工具と完成形状の幾何学的な関係を確認し、加工準備では工具、保持部、治具まで含めて干渉を確認し、現地加工では必要に応じて実物の状態も3Dデータとして確認するという流れを作ることで、加工前の検討をより具体的に進めやすくなります。
まとめ
3D CADで切削工具の接触と削り残しを検討するためには、完成形状だけを見るのではなく、加工前素材、工具、保持部、治具、加工方向、加工途中の状態まで含めて考えることが重要です。
最初に、加工対象と切削工具の3D形状を準備し、工具径、刃長、軸部、保持部など、接触判定に必要な寸法を確認します。加工前素材も用意すれば、完成モデルだけでは分からない加工途中の材料との関係を確認しやすくなります。
次に、工具を実際の加工姿勢へ配置し、加工範囲の複数位置で接触を確認します。工具先端が加工位置へ届くだけでなく、加工中に想定される位置で軸部や周辺形状との関係を見ることが重要です。
さらに、工具保持部や治具まで含めて検証します。深いポケットや傾斜した加工面では、刃先よりも保持部が干渉条件を決めることがあります。加工位置だけでなく、接近や退避の経路にも注意が必要です。
加工後については、目標となる完成形状と想定上除去できる領域を比較し、内側の隅、深い凹部、自由曲面などに削り残しの可能性がないか確認します。同時に、完成形状を越えて削り過ぎる可能性がないかも確認します。
ただし、一般的な3D CAD上で工具を配置しただけでは、実際の工具経路に沿った材料除去を完全に再現できるとは限りません。加工後の残材や削り過ぎを詳細に確認する必要がある場合には、CAMや加工シミュレーションなどを利用して実際の工具経路を基に検証することが重要です。
問題が見つかった場合には、工具径、工具長、加工方向、加工順序、段取りなどを変更して再検証します。必要であれば、製品機能への影響を確認したうえで設計形状を見直すことも選択肢になります。
大切なのは、一度干渉がないことを確認しただけで終了しないことです。加工条件を変更すれば、別の場所の接触条件も変わります。変更後には加工範囲全体を改めて確認し、使用したモデルや工具条件も記録しておくことが重要です。
3D CADを設計形状を作るためだけに使用するのではなく、加工前の幾何学的な検証にも活用することで、設計担当者と加工担当者が同じ3D形状を見ながら問題点を共有しやすくなります。削り残しや工具干渉が発生しそうな場所を加工前に把握できれば、工具変更や工程追加、設計変更について早い段階で検討できます。
また、既設物への追加工や現地加工では、設計時の3Dデータだけでなく、現在の現場状態を把握することも重要です。必要に応じてLRTK Phoneを用いた点群計測などで現況の3D情報を取得し、対応する3D CADなどで設計情報と照合することで、机上のモデルと実際の現場をつなげた確認にも活用できます。
3D CADによる工具接触の幾何学的な確認、CAMや加工シミュレーションを用いた必要に応じた残材・工具経路の検証、加工条件の再検討、そして必要に応じた現況計測を組み合わせることで、加工開始後の手戻りを減らし、より実際の作業条件を意識した設計・加工検討につなげることができます。