CNC ターニング センターおよびフライス センター: 概要とその選び方

CNC ターニング アンド ミーリング センターとは実際には何ですか

CNC ターニング & ミーリング センター (ターン ミル センター、複合加工機、ライブ ツーリング付き CNC 旋盤とも呼ばれます) は、スピンドルからワークを取り外すことなく、回転旋削作業と回転フライス加工、ドリリング、タッピング作業の両方を 1 つのセットアップで実行する工作機械です。従来の機械加工では、これらの作業が専用の旋盤やマシニング センターに分散されており、オペレータは連続する作業ごとに手動で部品を機械間で移動し、再固定し、再データ調整する必要がありました。移動のたびに位置誤差が発生し、これが加工シーケンスを通じて蓄積されるため、管理には十分な公差や後工程検査が必要になります。ターニング＆ミーリングセンターは、加工シーケンス全体、またはその大部分を 1 回のクランプで完了することで、これらの中間セットアップをすべて排除します。

この機械は、C 軸 (スピンドル軸を中心とした回転インデックス機能) または完全な輪郭制御を備えた CNC 旋盤スピンドルを、主ワークピース スピンドルとは独立して切削工具を保持および回転させる駆動工具タレットまたは二次フライス スピンドルと組み合わせて統合しています。この駆動型ツーリング機能が、ターニング アンド ミーリング センターと標準的な CNC 旋盤の違いです。ツール自体が回転するため、部品の位置を変更することなく、円筒形または複雑な角柱状のフィーチャ上で偏心穴あけ、クロス ドリリング、平面フライス加工、スロット カット、およびねじ切りフライス加工が可能になります。ハイエンドのターンミル センターは、X 軸と Z 軸の両方に垂直な Y 軸の移動を追加し、部品の中心線上にないフィーチャーでの完全なオフセット フライス加工操作を可能にします。これは、旋盤タイプの機械では完成することが不可能な偏心穴、キー スロット、平面、複合角フィーチャーの加工に必要な機能です。

ビジネスケース CNC ターニングおよびフライス センター これは、複雑な回転部品を中規模から大量に生産するあらゆる工場にとって魅力的です。機械間の移動を排除することで、総サイクルタイムが短縮され、仕掛在庫が削減され、中間測定ステーションの必要性がなくなり、1 人の機械オペレーターが部品の完全な生産を監督できるようになります。セットアップ時間が部品あたりの総コストの大きな部分を占める多品種環境では、3 つまたは 4 つのマシンセットアップを 1 つに減らすことで、即時に目に見える生産性の向上がもたらされます。

コアマシン構成: ターンミルセンターの構築方法

CNC ターニング センターおよびフライス センターは単一の機械タイプではなく、構成のファミリーであり、それぞれが複雑さ、ワークピースのサイズ、生産量、予算のさまざまなバランスに合わせて最適化されています。これらの構成がどのように異なるかを理解することは、特定の生産要件に適した機械を指定するために不可欠です。作業に必要な機能が過剰な機械は、不必要な資本コストと複雑さを生み出しますが、仕様が不十分な機械は、マルチタスク加工の目的を無効にする妥協を余儀なくされます。

ライブツーリングとC軸を備えたCNC旋盤

ターンミル加工のエントリーレベルの構成は、駆動工具タレットと C 軸スピンドル位置決め機能を備えた CNC 旋盤です。タレットには、静的旋削工具と、タレット本体の内部モーターによって駆動される駆動ミーリング/ドリリング ヘッドの組み合わせが保持されます。メインスピンドルは C 軸 CNC 制御の下で任意の角度位置に割り出し、駆動工具が部品の円周上の任意のクロック位置で軸方向および半径方向の穴あけ、フライス加工、タッピングを実行できるようにします。この構成は、クロス穴、軸方向ねじポート、六角または正方形の駆動機能、単純な平面など、バーフィード シャフトおよびフランジ コンポーネントのターン ミル アプリケーションの大部分をカバーします。制限は、Y 軸がないことです。すべてのミリング操作は、部品の中心線、または C 軸回転と X 軸工具位置決めを組み合わせて達成できる位置で実行する必要があります。これにより、中心から外れたフィーチャは、C-X 平面内のヘリカル補間によって作成できるフィーチャに制限されます。

Y軸とフライススピンドルを備えたターンミルセンター

真の Y 軸 (通常、X-Z 平面に垂直な移動量は ±50 ～ ±100 mm) を駆動工具タレット機械に追加すると、偏心フライス加工、偏心穴加工、キー溝切削、および部品の回転軸上にないあらゆるフィーチャーが可能になります。 Y 軸は、真の旋削およびフライス加工センターと、付随的なフライス加工機能を備えた旋盤とを区別する機能です。このカテゴリの機械には一般に、フロントエンド加工後に部品をピックアップし、同時にまたは順次加工するために裏面を表示する二次サブスピンドルも含まれており、単一のマシン サイクルで完全な OP10/OP20 加工を可能にします。このサブスピンドル構成は、両端に機械加工が必要なシャフトおよびカップリングコンポーネントの大量生産の標準です。

スイス型CNCターンミルセンター

スイス タイプのターニング センターおよびフライス センターは、スライド主軸台とガイド ブッシュの配置を使用しており、ワークピースは固定ガイド ブッシュによって切削ゾーンのすぐ近くで支持され、材料は加工される際にブッシュを通して軸方向に送られます。このサポート配置により、切削中のワークピースのたわみが実質的に排除され、従来の旋盤ではたわみやびびりの原因となる、長さと直径の比率が 20:1 以上で、非常に細い部品 (通常は直径 1 mm ～ 38 mm の棒材) を正確に旋削することができます。スイス タイプのターンミル センターは、この精密旋削機能とフライス加工、穴あけ、背面加工用の複数の駆動ツール ステーションを組み合わせており、医療用ネジやインプラント、時計部品、歯科用器具、油圧バルブ本体、電子機器コネクタ ピンなどの小型精密部品の大量生産用の標準的な機械タイプとなっています。

統合フライス加工を備えた横型および立型ターニングセンター

重いシャフト、大型フランジ、タービン部品、風力エネルギー部品などの大型ワークには、統合された B 軸フライススピンドルを備えた横型ターニングセンターが使用されます。 B 軸を使用すると、フライス スピンドルを垂直面内で任意の角度に傾けることができるため、作業の合間に安全に位置を変更することが不可能な大型で重いコンポーネントの複雑な表面、角度のある穴、および複合フィーチャの 5 軸同時加工が可能になります。統合フライス加工機能を備えた立型ターニングセンタ (VTC) は、重力によってワークピースのクランプを支援し、クレーンやロボットによる大型部品の積み込みを容易にする垂直スピンドル配向を使用して、大径のディスクおよびリング部品 (ブレーキディスク、ギアブランク、ポンプインペラ) を処理します。

ターニング＆ミーリングセンターを選択する際に評価すべき主な仕様

メーカー間で CNC ターニング センターとフライス センターを比較するには、特定のワークピース ファミリに対する機械の能力範囲を定義する包括的な仕様セットを評価する必要があります。スピンドル速度などの主な仕様に焦点を当て、タレットインデックス時間、Y 軸移動、バー容量などの同様に重要なパラメータを無視すると、不適切な購入決定が生じ、機械の耐用年数全体にわたる生産能力が制約されます。

被駆動工具の出力と速度の仕様は、機械の仕様では主軸に比べて過小評価されることが多いため、特に注意が必要です。 22kW の主軸を備えたターニング センタでは、駆動工具モータが 3.7kW しかありませんが、優れた旋削結果が得られますが、軽度のフライス加工や小径の穴あけ加工に限定され、推奨される切削パラメータで最新の超硬ソリッド エンドミルやドリルを活用することができません。フライス加工作業がプログラムされたサイクル タイムのかなりの部分を占める工場では、駆動工具の出力を競合する機械の仕様と比較するだけでなく、計画された特定のフライス加工作業に対して評価する必要があります。

ターンミル加工に最適な部品とその理由

すべての部品がターンミル加工から等しく恩恵を受けるわけではありません。最大の利点は、主に回転特性を持つ部品 (旋削外径、穴加工された内部フィーチャ、ねじ面) に生じますが、通常は垂直または水平マシニング センターで 2 台目の機械セットアップが必要となる二次的な角柱フィーチャも備えています。部品ファミリーがこのプロファイルに適合するかどうかを特定することは、ターンミル投資のビジネスケースを構築するための最初のステップです。

クロスフィーチャー付きシャフト

クロスドリル穴、横平面、キースロット、またはウッドラフキー溝と組み合わせた、旋削直径、ねじ山、研削ジャーナルを必要とするドライブシャフト、ポンプシャフト、スピンドルシャフトは、理想的なターンミルの候補です。従来の旋盤では、最初に旋削シーケンスが完了し、次に二次フィーチャーのためにシャフトがフライス盤またはボール盤に移されます。このプロセスには複数の治具が含まれ、データムシフトの可能性があり、かなりの処理時間がかかります。ターニング アンド ミーリング センターでは、すべてのフィーチャーが 1 つのデータム基準を使用した 1 回のクランプで完了し、ターニング フィーチャーとミーリング フィーチャー間の位置精度が本質的に向上し、機械間の移動時間がすべて排除されます。

フランジ付きおよびポート付きコンポーネント

油圧マニホールド、バルブ本体、ポンプ ハウジング、フランジ付きコネクタは、旋削加工された穴と外径を、部品の円周に沿って配置されたボルト穴パターン、ポート付き通路、シール溝と組み合わせています。ターンミルセンターの C 軸割出し機能は、各駆動工具の操作前に主軸を必要な角度位置まで回転させることによって、これらの分散フィーチャーを正確に位置決めします。これにより、マシニング センターで同じ位置決めを達成するために必要な回転テーブルや割出し装置が不要になります。その結果、サイクルタイムが短縮され、角度位置精度が向上し、ワークフロー内のフィクスチャが減少します。

医療および航空宇宙用の精密部品

骨ネジ、歯科インプラント、外科用器具のコンポーネント、航空宇宙用のファスナーやフィッティングは、チタン合金、コバルトクロム、インコネル、ステンレス鋼などの難しい材料から大量に製造されており、旋削加工とフライス加工の両方で厳しい公差が求められます。これらの分野では、スクラップ、再加工、検査不合格のコストが、原材料や切削工具のコストに比べて不釣り合いに高くなっています。セットアップの数を減らすことで、位置決めエラー、取り扱いによる損傷、データムシフトの機会が直接減り、ターンミル加工が生産性の向上だけでなく、航空宇宙および医療 OEM のサプライチェーンの品質基準で義務付けられることが多い品質とトレーサビリティの向上にもつながります。

ターンミルマシン用の CNC 制御システムとプログラミング

CNC ターニング アンド ミーリング センターのプログラミングは、スタンドアロンの旋盤やマシニング センターのプログラミングよりも複雑です。これは、プログラムで複数の独立した軸 (メイン スピンドル C 軸、被駆動工具スピンドル、X/Y/Z 直線軸、存在する場合はサブスピンドル) を、サイクル効率を最大化するために重複できるシーケンスで調整する必要があるためです。ファナック、シーメンス、マザック (Mazatrol)、およびオークマ (OSP) の最新の CNC コントローラーは、この複雑さを管理するターンミル固有のプログラミング環境を提供しますが、プログラマーは機械の潜在能力を最大限に発揮するプログラムを作成するために、機械の特定の軸構成と同時操作能力を理解する必要があります。

旋削とフライス加工の同時作業

デュアルタレットまたはタレットプラスミーリングスピンドル構成を備えた高度なターンミルセンターは、旋削とフライス加工を同時に実行できます。1 つのツールで旋削面を切削し、2 つ目のツールで同じ部品の異なる位置にあるクロスフィーチャーを同時にフライス加工します。これらの重複する操作をプログラムするには、コントローラーが共有作業ゾーン内のツールとツールホルダー間の潜在的な干渉を管理する必要があります。最新の制御では、3D マシン モデルを使用したリアルタイムの衝突回避モニタリングを通じてこの問題に対処します。正しくプログラムされている場合、同時操作により、同じマシンでの連続操作と比較して、複雑な部品のサイクル タイムを 30 ～ 50% 短縮できます。

ターンミルプログラミング用CAMソフトウェア

機械制御での会話型プログラミングは、駆動工具操作の数が少ない単純なターンミル部品には実用的ですが、多くのミーリング機能、複合角度、または 5 軸輪郭加工要件を備えた複雑な部品の場合は、ターンミル ポストプロセッサを備えた専用の CAM ソフトウェアを使用してプログラムするのが最適です。 Mastercam Mill-Turn、Siemens NX CAM、Hypermill、SolidCAM iMachining などのソフトウェア パッケージは、ターン ミル固有のツールパス戦略、プログラムが機械上で実行される前に衝突チェックを行うための機械シミュレーション環境、特定の制御と機械構成に一致するコードを出力する構成可能なポストプロセッサーを提供します。ターンミルプログラミングのための適切な CAM ツールへの投資は、手動プログラミングエラーによってスクラップが発生したり、機械上で長時間の検証時間が必要になったりする複雑な部品にすぐに回収されます。

ターンミル操作のためのツーリング、タレットセットアップ、およびワークホールディング

旋削およびフライス加工センターのツーリング システムは、同じタレット内に静的旋削工具と駆動回転工具の両方を収容でき、迅速かつ繰り返し可能な工具交換機能と、旋削とフライス加工の両方の切削力をサポートするのに十分な剛性を備えている必要があります。駆動工具インターフェース規格 (さまざまなサイズの VDI または BMT (ベース マウント ツーリング)) によって、どの駆動工具ホルダがタレットと互換性があるか、およびタレットの機械的ドライブトレインを介した駆動工具の最大トルクと速度能力が決まります。

BMT タレット (ブロックタイプ取り付けタレット) は、VDI タレットよりも大きな取り付け面を使用しており、フライス加工操作の剛性が高くなります。これは、大径エンドミルを使用した深いポケットのミーリングや重溝の切削が作業プログラムの一部である場合に、大きな利点となります。 VDI タレットはより広く標準化されており、複数のメーカーから幅広い互換性のあるツールホルダー設計を提供していますが、重フライス加工用途では剛性の限界が低くなります。初めてターンミルに投資する工場の場合、機械モデルを選択する前に、ツールホルダ システムと既存の旋削工具在庫との互換性、および計画されたフライス加工作業に駆動ツールホルダ オプションが利用可能かどうかを確認する必要があります。

ターンミル加工のワーク保持戦略

ターンミルセンターでのワーク保持は、旋盤のワーク保持と同じ原理に従います。つまり、ワークは、回転力 (ラジアル) とフライス加工力 (軸方向と半径方向、多くの場合、エンドミルからの重要な軸方向成分を伴う) の両方に対して同時にしっかりとクランプされる必要があります。標準の 3 爪および 6 爪パワー チャックは、ほとんどのバーフィードおよびチャック作業に確実なクランプを提供しますが、ジョーの構成とジョーのストロークは、部品の形状から生じる真円でない形状やチャッキング直径に対応する必要があります。大きなキースロット、重い正面フライス加工など、フライス加工力が特に高い部品の場合は、補助心押し台または振れ止めサポートによってたわみや振動が軽減されます。機械のスピンドルに接続された棒材フィーダーを介した棒材供給は、大量の棒材供給コンポーネントの標準的な生産構成であり、自動棒材装填による消灯または最小限の人の作業を可能にします。

CNC 旋削およびフライス加工センターへの投資の ROI の評価

CNC ターニング アンド フライス センターは、同等の旋削能力を持つスタンドアロン CNC 旋盤よりも資本コストが高くなります。構成、Y 軸機能、サブスピンドル、ブランドに応じて、通常は 1.5 ～ 3 倍高くなります。このプレミアムを正当化するには、複数の操作を 1 台のマシンに統合することによる生産性、品質、諸経費の影響をすべて考慮した、規律ある ROI 分析が必要です。

• セットアップ時間の短縮: 機械のセットアップ、ワーク保持具のセットアップ、工具のセットアップ、および最初の製品の検査を含む、代表的な部品のすべての機械にわたる現在の合計セットアップ時間を計算します。これをターンミルセンターでの 1 回のセットアップ時間と比較してください。 3 ～ 4 回のセットアップを必要とする複雑な部品の場合、合計セットアップ時間の 60 ～ 75% の削減が達成可能であり、小量から中量の生産では部品あたりのコストが直接削減されます。
• サイクル時間の節約: 機械間の部品の移動、各機械のロードとアンロード、および操作間のキューでの待機に現在費やされている非切削時間を定量化します。このインターオペレーション時間は、忙しい製造現場環境における複雑な部品の実際の切削時間よりも 2 ～ 5 倍長くなることがよくありますが、ターンミルの統合により、この時間はほぼ完全になくなります。
• 床面積と機械数の削減: 2 台または 3 台の機械を 1 台のターン ミル センターに置き換えることで、フロア スペースが大幅に解放され、メンテナンス契約とスペアパーツの在庫が必要な工作機械の数が減り、シフトごとに必要な機械オペレーターの数が減ります。
• 品質とスクラップコストの改善: データムとセットアップが少ないということは、公差を積み重ねる機会が少ないことを意味します。工程間のデータム シフトに起因する現在のスクラップ率を定量化し、予想される改善 (通常、データム シフト関連の不良品の 30 ～ 60% の削減) を ROI モデルに適用します。
• 仕掛品在庫の削減: マシン間を移動するのを待っている部品は、WIP 在庫に拘束された資本を表します。機械間のキューを排除することで、WIP が削減され、キャッシュ フローが改善され、見積リード タイムが短縮されます。これは、多品種ジョブ ショップや受託加工環境における競争上の利点となります。

ジョブショップや複雑な回転部品がかなりの部分を占める受託加工作業での適切なターンミル投資の場合、回収期間は 18 ～ 36 か月が一般的です。実証済みのマルチセットアップシーケンスを備えた複雑な部品の大量ファミリーを実行する専用の生産セルの場合、回収率はより短くなります。最も強力な ROI ケースは、明確な部品ファミリーと、文書化されたマルチセットアップの現在のプロセス、データムシフトに起因する高いスクラップ率、および注文量の増加によるリードタイムの​​短縮に報いる顧客ベースを組み合わせたものであり、適切に指定された CNC 旋削およびフライス加工センターがこれらすべてに直接対処できます。