頑丈なデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤: 機能、仕組み、および必要な場合

耐久性の高いデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤とは何ですか?

頑丈なデュアルスピンドル旋削およびフライス盤 (ツインスピンドル ターンミル センターまたはデュアルスピンドル複合加工 CNC 旋盤とも呼ばれます) は、単一の剛性の高い機械フレーム内に CNC 旋盤とフライス盤の機能を組み合わせた高度な加工プラットフォームです。このクラスの機械は、別々の旋削ステーションとフライス加工ステーションを介してワークピースをルーティングするのではなく、単一のセットアップで、または同じ機械上の 2 つのスピンドル間のシームレスな受け渡しによって、両方の操作 (多くの場合、穴あけ、中ぐり、タップ、輪郭加工) を完了します。

「ヘビーデューティ」という呼称は、単なるマーケティング用語ではありません。これは、大幅に大きなスイング直径、より大きなスピンドル出力とトルク出力、強化されたベッドと主軸台の鋳物、および大型、複雑、または加工が難しいワークピースを処理するために必要な構造的剛性を特徴とする、機械構造の特定の段階を指します。これらの機械は、コンポーネントのサイズ、材料の靭性、公差要件が標準のターンミルセンターが確実に提供できるものを超える業界向けに構築されています。

のアーキテクチャ、機能、および操作ロジックを理解する 頑丈なデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤 このクラスの装置が加工要件に適しているかどうかを評価する生産エンジニア、製造マネージャー、または調達専門家にとっては不可欠です。

コア アーキテクチャ: デュアル スピンドル システムのレイアウト方法

デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤の構造上の特徴は、その名前が示すように、2 つのスピンドル (通常はメイン スピンドルとサブスピンドル (カウンター スピンドルまたはセカンダリ スピンドルとも呼ばれる)) が存在することです。これらのスピンドルがどのように配置されているか、またそれらが機械の他の軸とどのように相互作用するかを理解することは、機械の機能を理解するための基礎です。

主軸

主軸は、機械の主要なワーク保持および回転軸です。ヘビーデューティー構成では、メインスピンドルは、激しい切削負荷下でも安定した回転速度を維持できる高トルクスピンドルモーター (多くの場合、30 ～ 80 kW 以上の範囲) によって駆動されます。スピンドルのボア径は通常、シャフトタイプの部品の棒材供給に対応するのに十分な大きさで、大型機械のチャック サイズは、機械のクラスに応じて 315 mm から 630 mm 以上の範囲が一般的です。

サブスピンドル

サブスピンドルは Z 軸に沿ってメインスピンドルに面しており、部品がローディング装置や人の手に触れることなく、自動搬送を介してメインスピンドルから部分的に加工されたワークピースを直接受け取るように設計されています。この転送機能により、機械は単一の連続サイクルでコンポーネントの両端を加工できるようになります。大型機械のサブスピンドルは通常、軽量の振れ止めの代替品ではなく、それ自体がフルパワーのスピンドルであり、メインスピンドルが実行できるすべての旋削およびフライス加工を実行できます。

タレットまたはミーリングヘッドの構成

頑丈なデュアルスピンドルターンミルセンターは、ライブ (駆動) 工具位置を備えたマルチステーションタレット、または完全な 5 軸補間機能を備えた専用 B 軸フライスヘッドの 2 つの工具搬送システムのいずれかを使用します。タレットベースの機械はより一般的でコスト効率が高く、一部またはすべてのステーションでライブ ツーリングを備えた 12 ～ 24 の工具位置を提供します。 B 軸加工機には、工具を任意の角度に向けることができる旋回フライス スピンドルが追加され、複雑な複合角度機能が可能になり、二次セットアップのほとんどが不要になります。

Y 軸および複数軸の機能

標準的な旋盤は X 軸と Z 軸のみで動作します。頑丈なデュアルスピンドル旋削盤およびフライス盤には、Y 軸（スピンドルの中心線に対する工具の垂直移動）が追加され、これにより、従来のターニング センタでは実行できない、偏心フライス加工、偏心穴あけ、キー溝切削、および等高面加工が可能になります。最新の構成の多くには、C 軸 (制御されたスピンドル回転) と B 軸 (工具傾斜) も含まれており、単一の機械エンベロープで完全な 5 軸同時加工機能を実現します。

デュアルスピンドルターンミルセンターが実行できる主要な加工オペレーション

頑丈なデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤に投資するための最も説得力のある議論の 1 つは、単一のプラットフォームに統合される膨大な範囲の操作です。以下の操作はすべて、ワークピースを機械から取り外さずに実行できます。

• 外径および内径旋削: スピンドルトランスファーによる両端の倣い加工、溝入れ、ねじ切り、端面加工を含む、部品全長にわたる外径および内径の旋削加工。
• ライブツールミリング: スピンドルが割出されるか、C 軸制御下でゆっくりと回転しながら、タレット内の駆動工具を使用して平面フライス加工、ポケットフライス加工、輪郭フライス加工を行います。
• アキシャルおよびラジアル穴あけ: B 軸位置決めによるクロス穴や角度付き穴を含む、スピンドル軸に沿った (アキシャル) およびそれに垂直な (ラジアル) 両方の穴あけ加工。
• タッピングとねじ切り: 剛性タップ ホルダーを使用した同期タッピングとライブ ツーリングを使用したねじ切り加工の両方が可能で、別個のタッピング センターの必要性がなくなりました。
• 歯車切削： Y 軸を備えた耐久性の高いターンミル センターを選択すると、ライブ ツーリングで平歯車やスプラインの歯車ホブ切りや歯車フライス加工を実行できます。
• 深穴ボーリング： 精密な公差を持つ大径ボアの内径ボーリングは、油圧シリンダーコンポーネント、バルブボディ、ポンプハウジングの一般的な要件です。
• 部品の切断と転送: バーフィード部品の自動分割と、それに続くサブスピンドルのピックアップと 2 回目の加工を 1 つの中断のないサイクルで実行します。

このクラスの「ヘビーデューティ」を定義する構造的特徴

ヘビーデューティーという用語は、デュアルスピンドル旋盤およびフライス盤に適用される場合、特定のエンジニアリング上の意味を持ちます。これらの機械は、要求の厳しいワークピースを処理し、高い切削力の下でも精度を維持する能力に直接影響する構造上の点で、標準的なターンミル センターとは異なります。

強化ベッド構造

頑丈なツインスピンドルマシニングセンターは、ねじり剛性と曲げ剛性を最大化するように設計された内部リブを備えた厚肉ミーハナイト鋳鉄ベッドまたは加工鋼溶接物を使用します。旋削主体の機械では、ベッドの形状は通常 45 度または 60 度の傾斜ベッドになっており、これにより切りくず排出が向上し、重力による切りくずの流れがガイドウェイから遠ざかるように切削ゾーンを配置します。キャリッジ上のボックスウェイまたは硬化研磨リニアガイドウェイシステムは、時間の経過とともにガイドウェイが変形することなく、重度の断続切削に必要な耐荷重能力を提供します。

高トルクスピンドルモーター

標準的なターンミル センターには 15 ～ 22 kW のスピンドル モーターが搭載されていますが、高耐久構成は通常 37 kW から始まり、最大のプラットフォームでは 75 kW 以上まで拡張されます。同様に重要なのはトルク曲線です。低速スピンドル速度でのピークトルク値は 2,000 ～ 10,000 Nm 以上が一般的であり、インコネル、チタン、二相ステンレス鋼、焼入れ工具鋼などの硬質材料の大径ワークピースで積極的な荒切削を可能にします。スピンドルとモーターシャフトが直接統合されているビルトインスピンドル (BIS) テクノロジーにより、ベルトやギアの伝達損失が排除され、熱の上昇が低減されます。

熱補償システム

航空宇宙、エネルギー分野、精密工学の顧客が要求する精度レベルでは、機械構造の熱膨張は精度の重大な敵です。フライス加工機能を備えた頑丈なデュアルスピンドル CNC 旋盤には、スピンドル、ベッド、ボールねじアセンブリ全体に複数の温度センサーが組み込まれており、CNC 制御の熱補償ア​​ルゴリズムにデータを供給します。これらのアルゴリズムは、熱膨張による寸法誤差を相殺するために軸の位置をリアルタイムで微調整し、手動測定を継続的に行うことなく、長時間の生産工程にわたって部品の精度を維持します。

クーラントと切りくずの管理

大きなワークピースでは大量の切りくずが発生し、旋削と同じ筐体内での高速フライス加工には高度な冷却剤の供給が必要です。ヘビーデューティーターンミルセンターは通常、穴あけおよびフライス加工ツール用の高圧スルーツールクーラント (70 bar 以上)、旋削用クーラントフラッドシステム、および切削ゾーンから切り粉を継続的に除去するためのチップコンベアまたはチップオーガーシステムを備えています。適切な切りくず管理は単に清浄度の問題ではありません。切削ゾーンに切りくずが蓄積すると、二次切削、工具の損傷、表面仕上げの劣化につながります。

これらの機械の需要を促進する産業と用途

頑丈なデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤は汎用機器ではありません。これらは、機能、剛性、自動化の組み合わせにより、同等のコストと品質で他のアプローチが匹敵することのできない結果をもたらす、特定の業界およびコンポーネント タイプにとって正当な投資です。

旋削とフライス加工を別々にセットアップする場合と比較して、生産性が向上します

頑丈な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、専用の CNC 旋盤と別個のマシニング センターを使用して連続操作で同じコンポーネントをルーティングする代替手段との比較に基づいています。従来のアプローチにはコストとリスクが伴いますが、プラットフォームを統合することで排除されます。

再固定ミスの解消

機械加工された部品を 1 つの機械から取り外して別の機械に再チャックするたびに、データムのシフト、再クランプの歪み、位置合わせエラーが発生する可能性があります。同心度、直角度、または旋削加工とフライス加工されたフィーチャー間の位置公差が厳しいコンポーネントの場合、この再固定エラーが公差全体のかなりの部分を消費する可能性があります。ツインスピンドル ターンミル センターは、すべての操作を 1 回のセットアップで、または精密なスピンドル間の移動で完了することにより、これらの操作間エラーを完全に排除します。

仕掛品在庫の削減

従来の複数マシンのルーティングでは、コンポーネントは作業の合間にキューに並び、混雑した工場では場合によっては数時間または数日も待ちます。この仕掛品 (WIP) 在庫は、資本、床面積の消費、リード タイムの延長を表します。デュアルスピンドルターンミルセンターは、コンポーネントを原材料から完成品状態まで 1 つのマシンサイクルで処理し、WIP を大幅に削減し、未加工の在庫から完成品コンポーネントまでのスループットを大幅に高速化します。

人件費と取り扱いコストの削減

機械間で部品を移動するには、アンロード、輸送、洗浄、再測定、再固定、次の操作の設定など、オペレータの時間がかかります。高賃金の製造環境では、この取り扱い労働が部品コストのかなりの部分を占める可能性があります。単一の機械内でこのシーケンスを自動化すると、複数の労働力の接触点がなくなり、一連の作業に複数の機械に人員を配置するのではなく、1 人のオペレーターがサイクル全体を監督できるようになります。

両方の主軸での同時加工

高度な耐久性の高いデュアルスピンドル CNC マシンでは、メインスピンドルとサブスピンドルの両方で同時に切削を行うことができます。これは、「バランス切削」または「同時 4 軸旋削」と呼ばれる機能です。メインスピンドルが新しいワークピースの荒加工パスを実行している間、サブスピンドルは同時に以前に転送された部品の仕上げ旋削を行うことができます。このサイクル タイムの重複は、部品あたりの実効サイクル タイムが両方の個別の操作の合計よりも大幅に短くなることを意味し、連続的な単一スピンドル処理では単純に達成できない生産性の向上がもたらされます。

デュアルスピンドルターンミルセンター用のCNC制御システム

CNC 制御システムは、頑丈なデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤の頭脳であり、その機能によって、機械が何を実行できるか、プログラムがどれほど簡単か、接続された製造環境にどの程度うまく統合できるかが直接決まります。この要求の厳しいアプリケーションでは、すべてのコントロールが同等であるわけではありません。

マルチチャンネル CNC アーキテクチャ

デュアルスピンドルターンミルセンターには、マルチチャンネル CNC 制御が必要です。これは、2 つの独立したスピンドル、2 つ以上のツールキャリア、複数の軸の同時動作を競合や干渉なしに管理できるものです。シーメンス (SINUMERIK 840D sl/ONE)、ファナック (30i/31i/32i シリーズ)、三菱 (M800 シリーズ)、およびマザック独自の MAZATROL の制御装置はすべて、主軸間の受け渡し、同期タッピング、およびバランスの取れた切削サイクルを自動的に調整する同期機能を備えたマルチチャネル動作をサポートしています。

会話型および CAM 互換プログラミング

頑丈なツインスピンドル マシニング センターのプログラミングは、標準の 2 軸 CNC 旋盤のプログラミングよりもはるかに複雑です。最新の制御は 2 つの方法でこれに対処します。1 つは、G コードの専門知識を必要とせずにオペレーターに機能ごとの部品プログラミングをガイドする会話型プログラミング インターフェイス (マザックの MAZATROL や Okuma の OSP など)、もう 1 つは 3D モデルからマルチチャネルのマ​​シン固有のコードを生成する CAM ソフトウェア ポストプロセッサ (Mastercam、Hypermill、Siemens NX など) です。複雑な航空宇宙またはエネルギー コンポーネントの場合、最初のチップを切断する前に衝突を回避し、サイクル タイムを最適化するための標準的なアプローチは、フル マシン シミュレーションによるオフライン CAM プログラミングです。

衝突回避とマシンシミュレーション

2 つのスピンドル、2 つのツール キャリア、および複数の軸がすべて限られた機械エンベロープ内で同時に移動するため、衝突の危険性は単純な 2 軸旋盤よりも大幅に高くなります。デュアルスピンドルターンミルセンター向けのプレミアム CNC 制御には、リアルタイム 3D 機械シミュレーションと衝突検出が含まれており、各動作を実行する前に、チャックジョー、振れ止め、対向するスピンドルを含むすべての機械コンポーネントに対してツールパスをチェックします。この機能は贅沢な機能ではありません。これは、ミリ秒単位で工具、ワークピース、スピンドル ベアリングを破壊する可能性のある壊滅的な衝突を防ぐ重要な安全装置です。

マシンを選択する際に評価すべき主な仕様

適切な頑丈なデュアルスピンドル旋削およびフライス盤を選択するには、実際のワークの外形、材質、および体積の要件に照らして技術仕様を体系的に評価する必要があります。次のパラメータは、評価する上で最も重要です。

• 最大振り径とチャックサイズ： 機械が対応できる最大直径のワークピースを定義します。大型機械の場合、スイング径は500mmから1,000mm以上が一般的です。チャックジョーの移動量とボア容量が、公称スイングだけでなく、実際のワークピースの寸法と一致していることを確認してください。
• 最大回転長さ: 主軸面と心押し台の間の Z 軸の移動量によって、機械が回転できる最長のシャフトまたはシリンダーが決まります。ヘビーデューティ構成では、ベッド構成に応じて 1,500mm ～ 4,000mm 以上の旋回長さが利用可能です。
• メインおよびサブスピンドルの出力とトルク: それぞれkWとNmで指定してください。硬質材料の加工では、低 RPM でのトルクが重要なパラメータです。サブスピンドルの出力定格が、実行する二次作業作業に適切であることを確認してください。出力不足のサブスピンドルは生産のボトルネックになります。
• ライブツールのスピンドル出力と最大 RPM: 機械のフライス加工能力を決定します。 10 ～ 25 kW、最大 6,000 ～ 12,000 RPM の速度のライブツール モーターは、ほとんどのフライス加工用途に対応します。より要求の厳しいフライス加工では、より高い RPM での専用の B 軸フライス スピンドルが必要になる場合があります。
• Y軸移動量: オフセンターミリング能力の範囲。 ±50mm ～ ±100mm の Y 軸移動量により、ほとんどの偏心穴あけおよびフライス加工用途に対応します。広い面のフライス加工や中心線から遠いフィーチャーには、より大きな値が必要です。
• ツールステーションとライブツール位置の数: ステーションの数が増えると、サイクルの途中で必要な工具交換の数が減り、単一プログラムでより多くの工具を使用できるようになります。 24 ステーションを備えた頑丈なターンミル タレットはすべて稼働しており、複雑なコンポーネントに最大限の柔軟性を提供します。
• 最大ワーク重量： スピンドル、チャック、および振れ止めシステムの耐荷重によって、機械が安全に保持して回転できる最も重いワークピースが決まります。これは、大型のフランジ、バルブ本体、またはビレットコンポーネントにとって重要なパラメータです。

オートメーションおよびインダストリー 4.0 システムとの統合

頑丈なデュアルスピンドル旋盤およびフライス盤は多額の設備投資を意味し、その利用率を最大限に高めるには、理想的には消灯またはほぼ無人運転を推進するために、自動化システムおよびデジタル製造インフラストラクチャとの統合が必要です。

自動バーフィードと部品ローディング

メインスピンドルに統合された棒材フィーダにより、原材料を装填するためにオペレータが介入することなく、連続的な棒材加工が可能になります。ビレットまたは大型の鍛造作業の​​場合、ガントリー ローダー、ロボット アーム システム、またはパレット ベースのローディング自動化を構成して、ワークピースをメイン スピンドル チャックに提示することができ、長時間の無人操作が可能になります。完成部品を自動的に受け取り、排出するサブスピンドルの機能により、手動でアンロードすることなく自動化ループが閉じられます。

インプロセスゲージングと適応制御

マシンサイクル内にタッチプローブ測定システムを統合すると、CNC は荒加工または中仕上げパスの後に重要な寸法を測定し、その後の工具オフセットを自動的に調整して工具の摩耗、熱膨張、または材料の変動を補正できます。この適応制御機能は、作業間の手動測定に法外な時間がかかる、公差の厳しい部品の長期生産において特に価値があります。

データ接続とOEEモニタリング

最新の大型デュアル主軸マシニング センターは、MTConnect、OPC-UA、または独自の IoT プロトコルをサポートしており、主軸負荷、サイクル タイム、アラーム履歴、工具寿命消費、軸診断などの機械性能データを製造実行システム (MES) またはクラウドベースの監視プラットフォームにストリーミングできます。このデータ接続は、総合設備効率 (OEE) の監視、予知保全のスケジュール設定、および機械に投資された資本から最大の価値を引き出す継続的改善プログラムの基礎となります。

ヘビーデューティーデュアルスピンドルターンミルセグメントの大手メーカー

いくつかの工作機械メーカーは、特に重負荷のデュアルスピンドル旋削およびフライス加工の分野で高い評価を確立しています。それぞれが異なるエンジニアリング哲学、制御の好み、アプリケーションの強みをもたらします。

• マザック（日本）： マザックの INTEGREX シリーズは、世界中で最も認知されているマルチタスク ターンミル センター ファミリの 1 つです。デュアルスピンドルと B 軸フライスヘッドを備えた頑丈な INTEGREX モデルは、マザックの MAZATROL 会話型制御システムによってサポートされている、航空宇宙およびエネルギー分野の加工のベンチマークです。
• DMG MORI (ドイツ/日本): DMG MORI のツインスピンドル ターニング センターの CTX および NTX シリーズは、シーメンスまたはファナックの制御オプションと DMG MORI の CELOS デジタル製造エコシステムとの緊密な統合により、広範囲のヘビーデューティ ターンミル アプリケーションをカバーします。
• 大熊 (日本): Okuma の MULTUS および LU シリーズは、独自の OSP 制御を備えたデュアルスピンドル構成と、自動ローディングのための ARMROID および STANDROID ロボット統合オプションを提供します。オークマは、サーモフレンドリーコンセプトの機械設計による熱安定性で特に注目されています。
• 中村トメ (日本): 複雑なマルチタスクターニングセンターのスペシャリストであるナカムラトメの AS および NTY シリーズは、自動車および精密エンジニアリングにおいて、旋削とフライス加工の両方を必要とする多品種で複雑性の高いシャフトおよびフランジコンポーネントに広く使用されています。
• 斗山 (韓国): Doosan の Puma MX および LYNX シリーズは、競争力のある高耐久デュアルスピンドル ターンミル構成を、複合加工機械セグメントに初めて参入するジョブ ショップや委託製造業者にとって魅力的な価格で提供します。
• WFL ミルターン テクノロジーズ (オーストリア): WFL は、大容量の旋盤とフライスを組み合わせた機械のみを専門としています。同社の MILLTURN シリーズは、クランクシャフト、プロペラ シャフト、長さ数メートルの大型航空宇宙構造部品など、市場の非常に大きなワークピースの範囲に対応しています。