デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤: タイプ、利点、および購入ガイド

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤は、標準的な CNC 旋盤を便利にするすべてのものを備えており、出力を 2 倍にし、完全なフライス加工機能を追加し、単一のセットアップで部品を完全に仕上げます。ワークピースをターニング センターからマシニング センターに移動し、またその逆に戻すのではなく (転送ごとにセットアップ エラー、処理時間、スケジュールの遅れが蓄積されます)、デュアルスピンドル ミルターン センターは、オペレータが作業の合間に触れることなく、未加工の棒材から完成品までの加工シーケンス全体を処理します。このガイドでは、これらのマシンの構築方法、利用可能なさまざまな構成、投資が正当化されるアプリケーション、およびオプションを選択する際に何を評価すべきかについて説明します。

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤の実際の仕組み

あ デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤 ツインスピンドル ミルターン センター、デュアルスピンドル複合旋盤、またはターンミル マシニング センターとも呼ばれるこのマシンは、2 つの独立したワークホールディング スピンドルとライブツール ミーリング機能を 1 つの機械エンクロージャ内に統合します。 2つのスピンドルが特徴です。の 主軸 従来の CNC 旋盤とまったく同じように、最初の旋削操作でワークピースを保持して回転させます。の サブスピンドル (カウンタースピンドルまたは二次スピンドルとも呼ばれる) は、主スピンドルの反対側に同軸上に配置されます。Z 軸に沿って前進して、部品の機械加工された前面を掴み、主スピンドルからの同期移動を受け入れ、手動での再クランプや再位置決めを行わずに、部品の反対側 (背面) 面を切削工具に提供できます。

ライブ ツーリング システムは、タレット (さまざまな切削工具をワークピースに提示するためにインデックスを付ける工具保持ドラム) に組み込まれています。静止した旋削工具のみを保持する標準の旋削タレットとは異なり、ライブツール タレットには、タレットに組み込まれた独立したモータによって駆動されるエンドミル、ドリル、タップ、リーマなどの回転工具が取り付けられます。これらのライブツールは、メインまたはサブスピンドルが C 軸制御を介して特定の角度位置にロックされているときにアクティブになり、機械で平面のフライス加工、中心を外れた穴のドリル加工、クロス穴の加工、スロットのカット、ねじのタップを行うことができます。これらの操作には、従来のターニング センターでは別個のマシニング センターが必要でした。

最も高性能なデュアルスピンドル ターンミル機械は、タレットに Y 軸を追加します。これは、スピンドルの中心線と工具のアプローチ方向の両方に垂直な直線運動です。これにより、X 軸と Z 軸の動作だけでは幾何学的に製造不可能な、真っ直ぐな壁、平らなポケット、中心を外れたフィーチャを備えた真のフライス加工作業が可能になります。 2 つのスピンドル、ライブ ツーリング、C 軸制御、および Y 軸モーションの組み合わせにより、デュアル スピンドル旋盤およびフライス盤は、6 面すべてで原材料から完成寸法まで、複雑な部品を 1 回のチャックで完成させることができます。

機械構成: サブスピンドル旋盤から完全な多軸ミルターンセンターまで

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤は、幅広い能力範囲にわたって存在します。適切な構成は、部品の複雑さ、生産量、および 1 回のセットアップでどのような操作を完了する必要があるかによって異なります。

ライブツーリングを備えたツインスピンドルターニングセンター

あt the entry level of the dual-spindle category are twin-spindle turning centers with live tooling but without a Y-axis. These machines have opposing main and sub-spindles, a live-tool turret, and C-axis control on both spindles. They handle the full front-to-back turning and drilling sequence on parts that require holes and features on the spindle centerline, but they cannot produce off-center milled features or pockets with straight walls. This configuration is common in automotive and hydraulics production where parts require complete OD and ID turning plus centerline drilling and tapping on both ends — but not complex milling geometry.

Y軸付きデュアルスピンドルミルターンセンター

あdding a Y-axis to the turret unlocks the full milling capability of the machine. With Y-axis travel of typically ±40 to ±60 mm, the machine can produce features at any offset from the spindle centerline — keyways, flats, off-center bores, pockets, slots, and contoured surfaces. The Y-axis also enables true eccentric turning using interpolated C- and Y-axis motion for cam profiles and non-round features. Machines in this category cover the majority of complex aerospace, medical, and precision engineering parts that previously required both a turning center and a vertical or horizontal machining center to complete. The Haas DS-30Y, Hurco TMXMYS, and YCM B8-SY are representative examples of this class.

デュアル Y 軸を備えたツインスピンドル、ツインタレット機械

最高性能のデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤には、通常はスピンドルの中心線の下に配置される 2 番目のタレットが追加され、上部タレットと下部タレットの両方で独立した Y 軸制御が可能になります。これは、2 つの別個のツール ステーションが 1 つのワークピース上で同時に切削できることを意味します。上部タレットで外径の粗回転を行いながら、下部タレットで内径の穴あけを行うことができ、内径の重い部品の合計サイクル タイムが約半分に短縮されます。前面完成後にサブスピンドルが部品を受け入れると、両方のタレットが再び使用可能になります。1 つはサブスピンドルでの背面加工用で、もう 1 つはメイン スピンドルで新しい部品を同時に切断します。 Doosan の PUMA TT2100SYY と Mazak の INTEGREX シリーズはこのクラスを代表しており、サイクル タイムと機械の稼働率が両方とも重要である大量生産の航空宇宙、防衛、医療機器の製造において標準となっています。

B 軸を備えた多軸デュアルスピンドル ターンミル センター

最も機能的なカテゴリでは、旋回 B 軸フライスヘッド (通常 ±90° の範囲で傾斜できるマシニング センター スタイルのスピンドル) がデュアル スピンドル プラットフォームに追加されます。 B 軸を使用すると、タービンブレードのプロファイル、複合角ボア、任意の角度のテーパー形状などの複雑な輪郭形状の 5 軸同時補間が可能になります。マザック INTEGREX e シリーズや DMG 森 NTX シリーズなどの真の B 軸ミーリングヘッドを備えた機械は、その逆ではなく、基本的に旋削機能が追加されたフルマシニング センターです。自動工具交換装置 (ATC) の工具能力は 80 ～ 120 の工具位置に達し、軸数は最も複雑な構成では 9 以上に達します。

主要な軸とそれぞれの軸で実現できること

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤の軸構成を理解することは、特定の機械が特定の部品を完成できるかどうかを評価するための出発点となります。以下の表は、各軸をその物理的な動作とそれによって解放される加工機能にマッピングします。

単一スピンドルおよび別個のマシンによるアプローチと比較した生産上の利点

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤のビジネス ケースは、部品サイクルごとに蓄積されるいくつかの複合的な生産性利点に基づいています。

マシン間のセットアップとハンドリングを排除

従来の機械加工ワークフローでは、前面旋削、背面旋削、フライス加工を必要とする回転対称部品には、2 台または 3 台の異なる機械にわたって少なくとも 3 つの個別のセットアップが必要です。機械間の移動のたびに、部品が新しい治具またはチャックに再クランプされるため、再位置決め誤差が生じます。これらの累積誤差が、複数の面にフィーチャを備えた公差の厳しい部品を従来の複数の機械のルーティングで保持するのが難しい理由です。再チャッキングのたびに、独自の振れと位置誤差が追加されます。デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤では、あらゆる中間セットアップが不要になります。部品はメインスピンドルに一度チャックされ、前面が完全に加工され、プログラムされた同期搬送サイクルで自動的にサブスピンドルに搬送され、背面が完全に機械加工されます。すべてが 1 つの連続プログラムで行われます。その結果、適合するマシニングセンターの公差では一貫して達成できない部品間の再現性が得られます。

両方の主軸での同時切削

ツインタレットデュアルスピンドル機械では、いわゆるメインスピンドルとサブスピンドルで 2 つの切削操作を同時に実行できます。 重ね合わせ操作 または バランスカット 。サブスピンドルが部品 N の背面操作を完了している間、メインスピンドルは部品 N 1 の前面操作を開始します。これは、サブスピンドルサイクル中に自動的にバー送りされます。このオーバーラップにより、単一スピンドル機械では避けられない部品間の無駄時間が排除されます。自動車ベアリング ハウジング、油圧バルブ ボディ、ポンプ インペラなどの大量生産部品では、オーバーラップ操作により日常的に単一スピンドルでの連続処理と比較して、部品あたりの有効サイクル タイムが 30 ～ 50% 短縮されます。

ワンインワン加工と仕掛品の削減

部品がデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤から完成し、すべての旋削、フライス加工、穴あけ、タップ加工、仕上げ作業が完了すると、仕掛品在庫が大幅に減少します。部品は、機械の可用性、セットアップ時間、またはオペレーターの注意を待つ作業の間にキューに入れられることはありません。工程内ステージングラック、機械間コンベア、および交換される複数の機械によって占められていた床面積が回収されます。原材料から完成品までのリードタイムが、数日 (複数の機械キュー全体) から数時間 (単一機械サイクル) に短縮されます。これは、多品種少量生産のショップの場合、単一のマシン プラットフォーム上で幅広い部品番号を短い切り替え時間で経済的に実行できることを意味します。

あccuracy and Repeatability Gains

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤の CNC 精度は、すべての操作にわたって向上します。これは、部品が操作間で機械の座標系の制御された環境から離れることがないためです。前面で加工されたフィーチャーは、背面で加工されたフィーチャーと同じデータムを参照します。2 つの別個の機械で発生するようなセットアップ間のデータムのシフトはありません。同軸の前面と背面の特徴を持つ精密シャフトでは、これは直接的に総振れと同心度の公差の厳格化につながります。リニアガラススケールフィードバックと熱補償を備えた最新のデュアルスピンドルミルターンマシンは、すべての軸にわたって±0.002 mm 以上の位置再現性を達成し、多くのフィーチャーで二次研削作業を行わずに部品を接地公差相当に機械加工することができます。

最も恩恵を受ける業界と部品の種類

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤は、回転対称性、両端のフィーチャー、フライス加工またはオフセンター加工、および中～高生産量といった特定の特性を備えた部品ファミリーで最高の生産性と品質利益を実現します。これらの特徴は少数の業界に集中しています。

• あutomotive powertrain components: カムシャフト、クランクシャフト ジャーナル、トランスミッション入力シャフト、ディファレンシャル ハウジング フランジ、ターボチャージャー インペラ、ABS センサー リングはすべて、両面に旋削およびフライス加工機能を組み合わせています。自動車の生産量とコストのプレッシャーにより、デュアルスピンドル機械のサイクルタイム短縮は直接的に利益につながります。ムラテックの MW シリーズ機械は、他のどの旋盤プラットフォームよりも多くの自動車旋削部品が製造されるプラットフォームとして特に挙げられています。
• あerospace structural and engine components: 機体やエンジン用のチタンやインコネルの部品は、複雑なフライス加工されたポケット、複合角の穴、複数の面の穴あけパターンと組み合わせて、厳しい公差の旋削加工を必要とすることがよくあります。航空宇宙部品の材料コストとトレーサビリティ要件により、ワンインワン加工が魅力的になっています。取り扱いを最小限に抑えることで、損傷、汚染、作業間の文書のギャップのリスクが軽減されます。
• 医療機器: 整形外科用インプラント、手術器具コンポーネント、および診断用ハードウェアには、CNC 旋削の精度と、多くの場合チタン、コバルト クロム、またはステンレス鋼での多面フライス加工の幾何学的複雑さの両方が必要です。通常、医療用のバッチ サイズは小さく、部品の形状は複雑です。まさにこの状況では、4 つの個別の作業を置き換えるデュアル スピンドル ミルターン センターが最も費用対効果が高くなります。
• 石油およびガスのダウンホールツール: 4140、17-4 PH ステンレス、およびインコネルのバルブ本体、マニホールド ブロック、ドリル カラー コンポーネント、およびコネクタ フィッティングには、クロスドリル穴、フライス加工された平坦部、およびねじ切り機能と組み合わせた大径の旋削能力が必要です。大口径 (100 ～ 200 mm の貫通穴) を備えたデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤は、従来のルーティングでは 4 ～ 5 回の操作が必要となるこれらのコンポーネントを 1 つのセットアップで処理します。
• 油圧および空圧コンポーネント: バルブ スプール、アクチュエータ本体、マニホールド ブロック、およびポンプ シャフトは、精密な穴公差、外径旋削加工、および複数のクロスドリル加工またはフライス加工されたポート機能を組み合わせており、デュアル スピンドルのミルターン加工に最適な部品プロファイルです。
• 精密シャフトおよびスピンドルコンポーネント: エンコーダ シャフト、スピンドル カートリッジ、精密研削シャフトなど、重要な同軸の前面と背面の機能を備えた部品は、デュアル スピンドル機械が前面と背面の動作間の再チャッキングを排除することで提供される単一セットアップの精度から特に恩恵を受けます。

マシンを選択する際に評価すべき重要な仕様

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤は、約 150,000 ドルから始まる中級の量産旋盤から、最も性能の高い構成では 1,000,000 ドルを超える完全な多軸ミルターン センターまで多岐にわたります。適切な機械を選択するには、生産される部品の実際の要件に仕様を一致させる必要があります。決して使用されない機能を購入したり、初日から生産を制限するような過小仕様の機械を購入したりしないでください。

スピンドル出力と速度範囲

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤の主軸出力は、通常、コンパクトな棒加工機の 15 馬力 (11 kW) から、大径の生産機械の 45 馬力 (33 kW) 以上の範囲にあります。サブスピンドル出力は通常、メインスピンドル出力の 50 ～ 70% です。回転速度範囲は、旋削加工とライブツールの両方の操作にとって重要です。4,000 ～ 6,000 RPM のメインスピンドル速度は、大部分の旋削加工材料をカバーします。ライブツールモーターの速度は 3,000 ～ 6,000 RPM で、旋削部品の一般的なサイズ範囲のエンドミルやドリルに対応します。チタンやその他の加工が難しい合金の場合、機械が仕上げ加工用の高 RPM だけでなく、重荒切削にも適切な低速トルクを提供することを確認してください。

バー能力とチャックサイズ

棒材能力 (主軸を通過する棒材の最大直径) は、機械で棒材供給できる部品を直接制限します。一般的なバーの容量は、コンパクトな精密機械の 42 mm (1.65 インチ) から、頑丈な生産機械の 100 mm 以上までの範囲に及びます。サブスピンドルの貫通穴の直径は通常、メイン スピンドルより小さいです。サブスピンドルの貫通穴加工が必要な場合は、搬送される部品に対応できることを確認してください。チャック サイズ (6 インチ、8 インチ、10 インチ) によって、バーの容量を超えるチャックが装着された部品の最大グリップ直径が決まります。

Y軸移動量

Y 軸の移動量によって、フライス加工操作を実行できる中心線からの最大オフセットが決まります。ほとんどの旋削部品のフライス加工フィーチャー (クロス穴、キー溝、平面) では、±40 ～ ±50 mm が適切です。中心線から離れたフィーチャを持つ大きな部品、または深いポケットの場合は、Y 軸の範囲が検討中の部品上の実際のフィーチャの位置をカバーしていることを確認してください。一部のマシンはメインタレットにのみ Y 軸を提供します。オフセットでの背面フライス加工が必要な場合、サブスピンドル操作でも Y 軸にアクセスできるかどうかを確認します。

ツールステーションの数とライブツールの容量

タレットの能力、つまり利用可能なインデックス付き工具位置の数によって、工具交換や手動介入なしで部品をどの程度複雑に加工できるかが決まります。標準の 12 ステーション タレットは、一般的な旋削および穴あけ加工された部品を処理します。 24 ステーションの BMT タレットまたはデュアル タレットを備えた機械は、多くの個別の工具を必要とする複雑な部品に対応します。ライブツールポジションを含む総ツール数は、多品種生産にとって重要です。合計 38 のツールポジション (2 番目のサブタレットを含む) を備えた機械は、複数の部品番号のツールの完全なファミリーを同時に保持できるため、完全に再工具することなく、ジョブ間の迅速な切り替えが可能になります。

主軸の同期制御と搬送精度

同期されたスピンドル搬送の品質 (メイン スピンドルからサブスピンドルへの部品の自動受け渡し) は、表面フィーチャーと裏面フィーチャー間の関係の精度に直接影響します。同期搬送では、両方のスピンドルがまったく同じ速度と位相で同時に動作し、回転中にサブスピンドルが前進して部品を掴む必要があります。適切に実装された転送では、基本的に面間の位置決めエラーが追加されません。実装が不十分だと、軸方向と角度のオフセットが生じ、部品の品質が低下します。公差が厳しい用途向けに特定の機械を評価する場合は、実証された転写精度データ (転写後の軸振れと角度再現性) を求めてください。

CNC制御システム

CNC 制御は、すべての軸補間、スピンドル同期、ライブツール調整、および部品プログラム管理を処理します。ファナック、シーメンス、三菱、マザトロールは、デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤の主要な制御プラットフォームです。ブランドの好みを超えて、特定の制御機能を評価してください。迅速なジョブ設定のための会話型プログラミング機能、機械の稼働中にプログラムを変更できるバックグラウンド編集、メインおよびサブスピンドル動作の同時独立制御のためのデュアルパス (デュアルチャネル) 制御アーキテクチャ、メインスピンドルジオメトリからサブスピンドルジオメトリへプログラムを自動的に反転および転送するサブスピンドルミラーリング機能などです。 Hurco の会話制御と Mazak の Mazatrol プログラミングは、多品種生産のための迅速なプログラム作成が必要なショップの差別化要因として常に引用されています。

比較: デュアルスピンドルミルターンと個別のターニングセンターとミーリングセンター

デュアルスピンドルの旋盤およびフライス盤に投資するか、個別の旋盤およびフライス盤を維持するかの決定は、部品の組み合わせ、量、精度要件、および機械の耐用年数にわたる総所有コストによって決まります。

複数の面にフィーチャを持つ部品を生産しているほとんどの工場、または旋削とフライス加工の両方が必要な部品を生産しているほとんどの工場では、総所有コストの比較では、中規模以上の生産量では、特にオペレータの労働力、床面積、および仕掛品の運搬コストが機械の購入価格とともに分析に含まれている場合、通常、デュアルスピンドルミルターンセンターが有利になります。

プログラミングとセットアップに関する考慮事項

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤を最大限に活用するには、従来の CNC 旋盤よりも洗練されたプログラミングのアプローチと、機械の複数の操作能力を考慮したセットアップの実践が必要です。

• デュアルチャンネル (デュアルパス) プログラミング: メインおよびサブスピンドルの操作は、スピンドル パスごとに 1 つずつ、並行して実行される 2 つの個別の同期 CNC プログラムとして記述されます。制御は両方のパスを同時に実行し、同期コマンド (WAIT、SYNC) を使用してハンドオフとオーバーラップ操作を調整します。デュアルパス プログラミング構造を理解することは、同時操作によるサイクル タイムの利点を実現するために不可欠です。メインスピンドルとサブスピンドルを同時にではなく順番に稼働させる機械は、生産能力の半分を未使用のままにしておきます。
• CAM ソフトウェアの選択: すべての CAM パッケージがデュアル スピンドル ミルターン機械を同等に処理できるわけではありません。使用されている CAM ソフトウェアが、マシン上の特定の制御システムに対して正しい同期デュアルパス コードを生成していることを確認します。 Mastercam、Esprit、Fusion 360 はすべてデュアルスピンドル ターンミル機能を備えています。特定のマシンと制御の組み合わせに対するポストプロセッサーのサポートの品質と完全性は異なるため、CAM プラットフォームにコミットする前に検証する必要があります。
• 両方のスピンドルのツーリング戦略: 操作間にタレットを再構成する必要がなく、メインスピンドル操作とサブスピンドル操作の両方に対応できるようにタレット上の工具レイアウトを計画します。メインスピンドルにアクセスするために配置された工具は、多くの場合、タレットの向きを逆にすることでサブスピンドル側からアプローチできますが、これは正しくプログラムされ、干渉が生じないことを確認する必要があります。旋削工具用の静的工具ホルダとライブ工具用の駆動工具ホルダを慎重に検討し、パーツ ファミリで必要な操作に対して各タイプの数のバランスをとります。
• ワークオフセットとデータム管理: 各スピンドルには独自のワークオフセットと座標系が必要です。同期転送後、サブスピンドル プログラムは部品の背面を Z ゼロ データムとして参照します。これは通常、前面加工後の部品の長さと一致するプログラムされた Z オフセット値によって確認されます。セットアップ時にこのオフセットを正確に測定して確認することは、前後の長さの公差を維持するために重要です。
• 熱補償とウォームアップサイクル: 多軸ミルターン機械では、スピンドル モーターとライブ ツール モーターの両方が熱に寄与するため、単純な旋盤よりも複雑な熱増加パターンが発生します。生産部品を切断する前に、各シフトの開始時に標準のウォームアップ プログラムを実行し、機械の熱補償機能がアクティブで校正されていることを確認します。高精度アプリケーションでは、自動オフセット更新を使用したインプロセス ゲージングが、生産全体にわたって厳しい公差を維持するためのベスト プラクティスです。