［研究報告］

2次元と3次元CAD／CAMによる直彫り加工での性能比較＊

和合 健 、若槻 正明＊＊＊、堀田 昌宏＊＊＊
飯村 崇＊＊＊、南幅 留男＊＊＊＊＊

2次元と3次元ＣＡＤ／ＣＡＭの両者を使用して、実際に作図からＮＣデータ生成を経て直彫り加工を行い、性能比較を行った。その結果、２次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは操作性が容易な上に高度な2.5次元形状まで対応出来、且つＮＣデータ容量が小さい、一方3次元ＣＡＤ／ＣＡＭは三次元自由曲面形状に対応するには必要不可欠であり、高速ミーリング加工に適したツールパス生成が出来るなど、両者の優位点が解った。
キーワード：2次元ＣＡＤ／ＣＡＭ、3次元ＣＡＤ／ＣＡＭ、性能比較、直彫り加工

Comparison between Performance of 2 Dimensions
and 3 Dimensions CAD/CAM at Direct Milling Process
WAGO Takeshi,WAKATUKI Masaaki,HOTTA Masahiro
IIMURA Takashi and MINAMIHABA Tomeo
We compare between the performance of 2 dimensions and 3 dimensions CAD/CAM
through drawing the model and generating NC-data and cutting experiment at direct
milling process. As a result, we found each has advantage point that 2 dimensions
CAD/CAM has advantage of easy operating and covering complicated model of 2.5
dimensions and moreover NC-data capacity is too small, while 3 dimensions CAD/CAM isnecessary to design freecurvedsurfacemodelof3dimensions,and it is possibletogenerate
tool passgoodforhighspeedmilling.
key words : 2 d i m e n s i o n s C A D ／ C A M , 3 d i m e n s i o n s C A D／ C A M,comparison o f p e r f o r m a n c e , d i r e c t m i l l i n g p r o c e s s
１

緒に作図からＮＣデータ生成経て直彫り加工を行い、それ言高硬度材での直彫り加工や高速ミーリング加工の推進ぞれの適用性の明確化を目的に性能比較を行った。

ではハードの性能が大きく寄与する。ハードとしては、
高速マシニングセンタ、ＣＡＤ／ＣＡＭ、高機能エンドミル、高精度ツーリングなどがある。特にＣＡＤ／ＣＡ

２２−１

実験方法
実験装置

Ｍはハイエンド、ミドルレンジ及びローエンド等の性能

表１にマシニングセンタ（以下ＭＣ）の主な仕様、表区分とデザイン、金型製作及び機能設計等の用途区分等

２にＣＡＤ／ＣＡＭの主な仕様を示す。ＭＣはスピンド種類が多い。また、国内外メーカから多くの製品が出さ

ル回転数が最大 20000rpm の高速回転仕様で小径エンれているが、実際の機能及び性能についてはカタログ説

ドミルの使用及び高速ミーリング加工に対応可能であ明だけでは判らず、導入してからそのＣＡＤ／ＣＡＭのり、位置決め精度が±2.0μｍ以下と仕上げ加工を含め機能及び性能を把握するのが現状である。ここでは、安た高精度加工ができる。ＣＡＤ／ＣＡＭは主に金型製作

価で県内企業にも多く導入されている 2 次元ＣＡＤ／を対象に設計されているミドルレンジの2次元及び3次元ＣＡＭとコンピュータ性能の向上から急速に普及し始めＣＡＤ／ＣＡＭで、簡易な2次元加工から自由曲面を有ている 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭの両者を使用して、実際する高度な3次元モデリング及び加工ができる。

＊

次世代金型製造プロセスに関する研究開発（ベンチャー企業育成型地域コンソーシアム研究開発事業）＊＊

電子機械部（現在＊＊＊電子機械部

企画情報部）

岩手県工業技術センター研究報告
また、ＯＳがWindows NTのパソコンベース、強化されたデータコンバータ機能などの特徴を有する。

第７号（２０００）

ソリッドモデルの２通りの方法があり製品形状により使い分ける。モデリング後のＣＡＭ操作はほとんど 2 次
元ＣＡＤ／ＣＡＭと同様に加工曲面（ＤＳ）と回避曲面

表１（ＣＳ）を指定してＮＣデータを生成する。以上についＭＣの主な仕様型式
VS3A（三井精機）
立／横形の形式 立形ﾏｼﾆﾝｸﾞｾﾝﾀ
ｽﾋﾟﾝﾄﾞﾙ回転
20000rpm(MAX)
送り速度4000mm/min(MAX)
主軸ﾓｰﾀ
ｽﾋﾟﾝﾄﾞﾙ一体型高周波ﾓｰﾀ
位置決め精度±2.0μｍ以下てまとめると、2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは簡易な 2 次元形状においてはＣＡＤからＣＡＭまで容易で、立体形状においても三面展開図で定義できる形状であれば十分なＣＡＭ機能を発揮するが、三次元自由曲面には対応できない。一方、3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭではモデリング作業において面倒さはあるものの、三次元的な複雑形状をＣ

表２ＣＡＤ／ＣＡＭの主な仕様

型式
ＭＳ−２０（三菱電機）
2次元／3次元別 2次元及び3次元CAD／CAMPC／EWS別PC（パソコン）
ＯＳWindows NT
カーネル
ACIS
主な機能
2次元ＣＡＤ
穴あけ、2次元ＣＡＭ
2.5次元ＣＡＭ
曲面ＣＡＭ（2.8次元CAM）
3次元ＣＡＤ／ＣＡＭ
IGES、DXF他ﾃﾞｰﾀｺﾝﾊﾞｰﾀ

ＲＴ上に構築できるため形状確認２）及び三次元自由曲面など 2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは対応不可の場合でその威力を発揮する。
ＣＡＤ部

三角法による三面展開図の作図

ＣＡＭ部

三面展開図を投影コマンドにより上面、側面等の視点を合わせる
抽出コマンドにより立体形状を創製

ガイドカーブ（GC）とフィギアカーブ（FC）を指定

２−２

実験方法

領域・島加工と曲面・島加工及び池加工の３通りの場加工形状（DS）を指定

合について作図からＮＣデータ作成及び加工まで行い、生成編集コマンドにより加工工程表を作成

2 次元と 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭの性能比較を行った。また、2 次元と 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭにおいて領域・島加

データ生成コマンドによりＮＣデータを生成

工での加工精度を求めるため、被削材を同一の十字形状に加工して形状測定を行った。被削材はＮＡＫ５５（硬切削シミュレーション機能により切削状況を確認

度 HRC43）、エンドミルは６枚刃（Ti ，Al ）N コーテ

ＭＣにＮＣデータを転送し、加工開始

ィングで工具径はΦ 6 ｍｍ、クーラントはエアーブローとした。評価方法は、三次元測定機による断面形状評

図１

2次元ＣＡＤ／ＣＡＭの操作の流れ

価プログラム（KUM ）を用いて設計値と加工後の実測値の差を誤差とした。
三角法による三面展開図の作図

ＣＡＤ部

３

三面展開図を投影コマンドにより上面、側面等の視点を合わせる

実験結果及び考察

表３に 2 次元と 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭの性能比較結果を示し、以下においてそれぞれの項目に分けて考察する。
３−１

ＣＡＤ／ＣＡＭの操作手順について

１）

サーフェースモデル

４境界面等の各コマンドを使用して面を張る

ソリッド
モデル
基準面からボス等のコマンドを使用してソリッド化する

すべての面を接合してソリッド化する

和、差を使用し形状を作り出す

モデリングの完成

図１に 2 次元、図２に 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭのＣＡ
Ｄによる作図からＣＡＭによるＮＣデータ生成過程の操抽出コマンドにより立体形状を創製

ＣＡＭ部加工曲面（DS）を指定

作手順を示す。図１に示すとおり、２次元ＣＡＤ／ＣＡ回避曲面（CS）を指定

ＭにおけるＣＡＤは通常の三角法による三面展開図を平生成編集コマンドにより加工工程表を作成面上に製図する作業となる。ＣＡＭでは、三面展開図をデータ生成コマンドによりＮＣデータを生成

アイソメ視点の線描画による立体形状に抽出し、ガイド

切削シミュレーション機能により切削状況を確認

カーブ（ＧＣ）、フィギアカーブ（ＦＣ）、加工形状（ＤＭＣにＮＣデータを転送し、加工開始Ｓ）を指示する。一方、3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭではＣＡＤの操作に 3 次元形状モデリング作業が必要になり作業労力は 2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭより多くなる。3 次元Ｃ
ＡＤ／ＣＡＭのモデリング方法はサーフェースモデル、

図２

3次元ＣＡＤ／ＣＡＭの操作の流れ

2 次 元 と 3 次元 CAD ／ CAM による直彫り加工での性能比較
表３2次元と3次元ＣＡＤ／ＣＡＭの性能比較結果

2次元ＣＡＤ／ＣＡＭ
3次元ＣＡＤ／ＣＡＭ
NC生成 加工時 加工距離 工具摩耗
工具NC生成 加工時 加工距離 工具摩耗
時間
間（mm）
VB(mm)時間
間（mm）
VB(mm)（sec） （min）（sec） （min）
領域、島 荒加工 NAK55 6枚刃ﾌﾗｯﾄ
4365 135528
0.027 6枚刃ﾌﾗｯﾄ
578
10091179
0.022
曲面、島 荒加工 NAK55 6枚刃ﾌﾗｯﾄ
402559833
0.015 6枚刃ﾌﾗｯﾄ593
27666270.013
中荒加工
4枚刃ﾌﾗｯﾄ
54277160.023 同一工具1446414‑
仕上加工
2枚刃ﾎﾞｰﾙ
75387010.050 2枚刃ﾎﾞｰﾙ
6331577
0.041
曲面、池 荒加工 焼入 4枚刃ﾌﾗｯﾄ
2314436429 過大摩耗 4枚刃ﾌﾗｯﾄ
216
5112787 過大摩耗‑
SKD61 ‑‑‑‑
4枚刃ﾌﾗｯﾄ
63126860.026
仕上加工
2枚刃ﾎﾞｰﾙ
71366310.049 2枚刃ﾎﾞｰﾙ
60299090.064
・使用機械
ＭＣ：ＶＳ３Ａ（三井精機）、CAD／CAM：ＭＳ−２０（三菱電機）
・工具材種
母材：超硬、コーティング：(Ti、Al)N
・工具径
Φ6（mm）
・切削条件は適宜設定
ｸｰﾗﾝﾄ：ｴｱｰﾌﾞﾛｰ
・被削材の硬度
NAK55：HRC43、焼入SKD61：HRC50
・被削材の大きさ
100×100×60（mm）
・工具摩耗VBは加工終了後の値
形状

３−２工程

被削材

工具

ＮＣデータ生成について

ＮＣ生成時間において 2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは 40秒程度に対して、3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは 10 分程度切込みとなった。ここでは工具を 6 枚刃から 4 枚刃に工具交換して低送り速度として対処したことから加工能率が低下した。

を要した。これは、3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは形状認識
で各等高線でのＣＬ生成が必要になるためと思われる。
さらに、NC 生成時間の要因として形状トレランスの設定が大きく影響しており、形状トレランスを 0.01（mm）とした場合では曲面・島形状で 1 時間 30 分の NC 生成

過大切込み部時間を要した。形状トレランスとは、点群と点群の直線補間距離のことで精度を有する形状では形状トレランスを小さく設定する必要があり３）、NC データ容量が大きくなる。ここでは、形状トレランス 0.01（mm）時において 3.8（ MB）のデータ容量となり、3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭではＭＣメモリ運転では対応出来ず、サーバからのＤＮＣ運転が必要となる。一方、2 次元ＣＡＤ／ＣＡ

図３

過大切込みの説明図

Ｍでは 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭと同様の形状においてデータ容量は 179（ KB ）となりＭＣメモリ運転で対応可能である。

３−４

工具摩耗について工具摩耗については 2 次元と 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭで大きな差は現れ無かった。両者とも領域・島加工及び３−３

加工能率について

曲面・島加工では被削材の硬度が HRC50 以下であるた

領域・島・荒加工において 2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでめ切削終了時の工具摩耗は小さく、工具寿命に達していは加工時間が 65 （min ）に対して 3 次元ＣＡＤ／ＣＡない。しかし、曲面・池加工ではエンドミルに働く負荷Ｍでは 100（ min ）を要した。これは、3 次元ＣＡＤ／が大きく、荒加工では過大摩耗となり工具寿命に達してＣＡＭではコーナ隅部で送り速度が低速化されることがいた。このことから島加工において側面切削を適用する影響しており、加工精度は向上するが加工能率では悪くのと同様に、池加工でも側面切削を上手に適用する方策なる結果となった。一方、曲面・島・中荒加工において 3が必要になる。

次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは加工時間が 14 （min）に対して 2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは 54 （min）を要した。こ

３−５

加工精度についてれに関する説明図を図３に示す。高硬度材のミーリング

図４に 2 次元、図５に 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでの加加工の要点として、一定の半径小切込みにより側面切削工形状、表４に誤差値を示す。図４、図５の説明として、で加工することが必要となる。3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭで十字形状の中央の線が設計値で、内側外側の線は公差±は荒加工、中荒加工、仕上げ加工が同一モデルから生成0.1ｍｍ、太線は加工結果を示している。法線は設計値されるため各工程の連携がとれる。一方、2 次元ＣＡＤと測定値の一致点を求めるための補助線である。図４で／ＣＡＭでは荒加工は領域ＣＡＭ、中荒加工及び仕上げはコーナの隅部で誤差が大きくなっており、これは一定加工は 2.5 次元ＣＡＭと分離されるため荒加工から中荒の送り速度でエンドミルに送りをかけているためコーナ加工への連携が適正に行われず、三日月状の過大な半径隅部ではエンドミルに働く負荷が大きくなりエンドミル岩手県工業技術センター研究報告第７号（２０００）のたわみにより誤差が大きくなったと思われる。一方、
図５では図４に反してコーナ隅部で誤差小さく、直線部と同等の形状で測定されている。切削時の観察ではコーナ隅部でエンドミルの送り速度が低下し、直線部より低

表４

形状誤差

（単位：ｍｍ）
名称
上限誤差 下限誤差
誤差
2次元CAD／CAM
0.685 ‑0.0870.772
3次元CAD／CAM
0.190 ‑0.065
0.256

い速度で切削している様子が観察された。3次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは負荷の大きい加工形状では意識的に切削時の負荷を軽減する制御になっているものと推測される。
表５に曲面・島加工での加工面粗さを示す。 2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは平均のＲｙ 3.1 μｍ、3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭでは平均のＲｙ 22.8 μｍと 2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭの方が良好な結果となっている。3 次元ＣＡＤ／ＣＡ

表５

曲面・島加工での加工面粗さ

粗さパラメータ：Ｒｙ（単位：μｍ）
名称
１回目 ２回目 ３回目 平均値
2次元CAD／CAM2.93.1
3.4
3.1
3次元CAD／CAM
21.2
29.6
17.7 22.8
・2枚刃（Ti,Al）Nボールエンドミル使用・被削材：ＮＡＫ５５（硬度HRC43）

Ｍでは点群による加工となるため、良好な加工面粗さを得るには形状トレランスをさらに小さく設定する必要が

４

結

語

直彫り加工を通じて 2 次元と 3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭある。の性能比較を行い、両者個々の有効性が把握できたので以下にまとめる。
・2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭは、作図からＮＣデータ生成までの手順が容易で且つ、2 次元形状及び三面展開図に表せる 2.5 次元形状までの広範囲における高度なＣＡＭ機能を有する。さらに、ＮＣデータ生成時間が短い
点、ＮＣデータ容量が小さい点などは段取り時間の短縮及びＤＮＣ運転不要に貢献し、小回り性が重視される用途に適している。
・3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭは、三次元自由曲面形状でのモデリング及びＮＣデータ生成では必要不可欠となる。
また、コーナ隅部での低送り速度化、同一モデルによる荒加工、中荒加工、仕上げ加工のＣＬ生成から適切
図４2次元ＣＡＤ／ＣＡＭによる加工形状なツールパス生成など高速ミーリング加工に適した機能性を有する。
・以上から、2 次元ＣＡＤ／ＣＡＭの手軽さ、3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭの機能性などそれぞれの優位点があることから、ユーザは使用目的により使い分けることが必要と思われる。
文献

1)三菱電機メカトロニクスソフトウエア（株）：三菱金型生産支援システムＭＳ−２０ 2.5 軸加工編，3 次
元ＣＡＤ編他（ 1998）
2)有泉徹：3 次元ＣＡＤ／ＣＡＭによる設計の改革術，日刊工業新聞社（1996）
3)鈴木裕：3 次元ＣＡＭのメリットと活用ポイント，

ＣＡＤ攻略マガジン 12 月臨時増刊号 P36 〜 P49，日図５

3次元ＣＡＤ／ＣＡＭによる加工形状

刊工業新聞社（ 1999）