マルチプロセス複合加工: 機能、装置およびアプリケーションガイド

多工程複合加工の実際の意味

マルチプロセス複合加工とは、旋削、フライス加工、穴あけ、研削、歯車切断、積層造形などの 2 つ以上の異なる加工操作を 1 つの機械プラットフォームに統合し、1 回のセットアップまたは最小限のセットアップで部品を完成させることを指します。この文脈における「複合」という用語は、複合材料を指すものではありません。これは、プロセス自体の複合的な性質、つまり複数の製造作業が 1 台の装置上で統合された継続的なワークフローに結合されることを指します。

複雑な部品の従来の製造ルートでは、旋削用の旋盤、フライス加工用のマシニング センター、仕上げ用の平面研削盤、さらには歯、ねじ山、深穴などのフィーチャー用の追加の専用機器など、個別の機械での連続作業が必要です。各機械の受け渡しには、ワークの再クランプ、再固定、および再基準が含まれます。これらのそれぞれにより、位置決めエラーが発生し、処理時間が増加し、部品に損傷を与える可能性が生じます。高精度の製造では、複数の設定による累積誤差により、切断が開始される前に、使用可能な公差予算のかなりの部分が消費される可能性があります。

多工程複合加工 これらのプロセス間のハンドオフを排除または大幅に削減します。旋削スピンドル、ライブフライス加工ツール、B 軸または Y 軸機能、および統合された測定プロービングを備えた複合マシニング センターは、ワークピースが機械のエンベロープから離れることなく、生のビレットまたは鋳物を最初の荒加工から寸法検証済みの完成部品まで取り込むことができます。これは単なる利便性ではなく、複雑な精密コンポーネントの達成可能な精度、サイクル タイム、生産の経済性を根本的に変えます。

複合マシニングセンターのコアプロセスの組み合わせ

複合加工装置で利用できる特定のプロセスの組み合わせは機械の構成によって異なりますが、いくつかの基本的な組み合わせが業界の標準になっています。それぞれの組み合わせで何が可能になるのか、そしてそれが機械アーキテクチャに何を要求するのかを理解することは、複合加工が特定の部品ファミリーにとって適切なソリューションであるかどうかを評価するための出発点となります。

ターンミル複合加工

ターンミルは、マルチプロセス複合加工の最も広く採用されている形式です。ターンミルセンターは、従来の旋盤操作でワークピースを回転させる主ターニングスピンドルと、静止または低速回転するワークピースに対して回転切削操作を実行できるミーリングスピンドルまたはライブツーリングタレットを組み合わせたものです。この組み合わせにより、1 台の機械で旋削加工によって回転対称のフィーチャーを生成すると同時に、別のマシニング センターが必要となる角柱フィーチャー (平面、スロット、クロス穴、螺旋溝、フライス加工されたポケット) も生成できます。最新のターンミル センターには、Y 軸機能 (中心線から外れたフライス加工)、B 軸傾斜 (斜めの穴加工とフライス加工) が追加されており、多くの場合、反対側の端から部品をグリップするサブスピンドルが追加されており、手動で再チャッキングすることなく後加工作業が可能になります。この構成は、回転機能と角柱機能を組み合わせたシャフトタイプのコンポーネント、油圧マニホールド、航空宇宙構造部品に特に強力です。

ミルターン複合加工

ミルターン センターは、構造的にはターン ミル機械と似ていますが、主に旋削機能を追加したマシニング センターとしての方向性を持っています。一次スピンドルは 5 軸フライス加工用にワークピースをクランプし、二次スピンドルを介して、または固定された旋削工具に対してワークピースを回転させることによって旋削機能が追加されます。ミルターンは、主にいくつかの回転機能を備えた角柱状の部品、つまり材料除去の大部分がフライス加工であるが、直径の旋削、円形ポケットの穴あけ、または旋削面の作成も必要な部品に推奨される構成です。ターンミルとミルターンの違いは絶対的なものではなく構造的なものであり、多くのメーカーはバランスの取れた旋削能力とフライス加工能力を備えた機械に対してこの用語を同じ意味で使用しています。

研削一体型複合加工

研削を複合マシニングセンターに統合することで、荒加工および中仕上げ加工からハード仕上げまでのプロセスチェーンがすべて単一のセットアップで拡張されます。これは、硬化前に旋削とフライス加工を実行する必要があり、その後は研削のみで必要な表面仕上げと寸法精度を達成できる硬化鋼コンポーネントの場合に特に重要です。円筒研削または内面研削機能を統合した複合マシニング センターは、旋削およびフライス加工された部品を熱処理後に別の研削盤に移すときに発生する二次セットアップの精度損失を排除します。研削の代替としてのハードターニングは、一部の用途では十分に確立されていますが、最も厳しい公差（IT5 グレード未満および Ra 0.4 μm 未満）の場合は、複合加工セル内での統合研削が一貫した結果を得る最も信頼できる方法のままです。

加減算複合加工

マルチプロセス複合加工の最新フロンティアは、積層造形 (通常はレーザー粉末ノズルを使用する指向性エネルギー蒸着 (DED)) と従来のサブトラクティブ加工を同じ機械エンベロープ内で統合することです。アディティブ/サブトラクティブ複合マシニング センターは、レーザー クラッディングまたは DED によって特定の場所に材料を堆積し、その後、ワークピースを取り外すことなく、堆積された材料を完成寸法に即座に機械加工できます。この機能により、磨耗または損傷した高価な部品の修理 (航空宇宙用シャフトの磨耗したベアリング ジャーナルの再構築、タービン ブレード先端の修復) が可能になるだけでなく、サブトラクティブ機械加工だけでは製造できない複雑な内部特徴を備えたニアネットシェイプ部品の製造も可能になります。現在、アディティブ/サブトラクティブ複合機は設置ベースのほんの一部に過ぎませんが、複合加工市場で最も急速に成長しているセグメントです。

複合加工を可能にする機械アーキテクチャ

複合マシニング センターの物理アーキテクチャ (軸、スピンドル、タレット、ツール チェンジャーの配置) によって、どのプロセスの組み合わせが可能か、またそれらをどの程度効率的に実行できるかが決まります。いくつかの機械アーキテクチャ構成が、マルチプロセス複合加工の主要なプラットフォームとして確立されています。

サブスピンドルとY軸を備えたスラントベッドターンミル

駆動工具タレット、Y 軸、およびサブスピンドルを備えた傾斜ベッド旋盤は、生産指向のターンミル複合加工の主力プラットフォームです。傾斜ベッドは切りくずクリアランスと構造的剛性を提供します。 Y 軸により偏心フライス加工が可能になります。メインスピンドルの操作が完了した後、サブスピンドルは後加工のために部品をグリップします。このアーキテクチャは高度に成熟しており、複数のメーカーから広く入手可能であり、中量から大量に生産されるシャフト、フィッティング、およびコネクタ コンポーネント向けに最適化されています。制限は、タレットベースの工具システムでは利用可能なフライス加工スピンドルの出力と速度が制限されることです。駆動工具タレットは通常、専用のマシニング センター スピンドルの 20 ～ 50 kW と比較して、5 ～ 15 kW のフライス加工出力を供給します。そのため、大型または硬いワークピースの重フライス加工にはあまり適していません。

ミーリング主軸ヘッドとB軸を備えた複合加工機

より高性能な複合マシニング センターは、タレットに取り付けられた駆動工具を、定義された角度範囲 (通常は ±90° ～ ±120°) で傾斜する B 軸に取り付けられた専用のフライス スピンドル ヘッドに置き換えます。このアーキテクチャは、旋削能力とともにフルマシニング センターのフライス加工パワーと速度を提供し、すべての標準的な旋削加工に加えて、重正面フライス加工、深いポケットフライス加工、および 5 軸同時輪郭加工を可能にします。 B 軸の傾斜により、ワークピースの位置を変更することなく、角度のあるフィーチャ (複合角穴、傾斜面、アンダーカット) を作成できます。 Mazak Integrex シリーズ、DMG森 NTX シリーズ、Okuma MULTUS シリーズなどのこのカテゴリの機械は、高能力のターンミル複合加工の末端を代表し、航空宇宙、エネルギー、医療機器部品の生産に推奨されるプラットフォームです。

ツインスピンドル、ツインタレット構成

ツインスピンドル、ツインタレット複合マシニング センターは、同じ機械内に 2 つの対向スピンドルと 2 つの独立したタレットを搭載しており、部品の両端を同時に加工したり、2 つの別々の部品を一度に並行して加工したりすることができます。バランスの取れた 2 つの主軸操作のサイクル タイムは、連続した 1 つの主軸加工の半分に近づく可能性があります。このアーキテクチャは、部品の形状により両端での有意義な同時操作が可能な、短いシャフトやチャックタイプの部品、つまりシフトごとに数千個生産される自動車のトランスミッション部品、油圧継手、および同様の部品の大量生産に特に効果的です。

従来の配線と比較した精度と耐性の機能

マルチプロセス複合加工に関する最も説得力のある定量的な議論の 1 つは、再セットアップ エラーを排除することで実現可能な部品精度の向上です。この改善の規模と、それがどこに適用され、どこに適用されないかを理解することは、特定の部品に対して複合加工が正当であるかどうかを評価するために不可欠です。

単一セットアップの複合加工による精度の向上は、加工のさまざまな段階で加工されたフィーチャに関連する幾何公差、つまり、旋削加工された穴とフライス加工されたボルト円の間の同心度、旋削加工されたシャフト直径とフライス加工された面の間の直角度、または旋削中心線に対するクロスドリル穴の位置に関連する幾何公差に対して最も顕著です。これらのフィーチャー間の関係は、すべてのフィーチャーが同じ設定で同じデータムを参照している場合にのみ、許容誤差の可能性を最大限に保つことができます。完全に独立したフィーチャー (一方の面ではフライス加工された平面、他方の面では旋削直径で、それらの間に特定の関係がない) の場合、複合加工の精度の利点はそれほど顕著ではありませんが、サイクル タイムと WIP 削減の利点は依然として適用されます。

プログラミングの複雑さと CAM の要件

マルチプロセス複合マシニングセンタの機能が拡張されると、それに応じてプログラミングの複雑さも増加します。旋盤、立形マシニング センター、円筒研削盤用に個別のプログラムが必要だった部品には、同時操作の同期、軸の衝突回避、工具交換のシーケンス、工程内測定サイクルなど、すべての操作を調整する単一の統合プログラムが必要になりました。この複雑さには、有能な CAM ソフトウェアと、旋削およびフライス加工の両方のプログラミング方法論を理解している熟練したプログラマーの両方が必要です。

複合加工用のCAMソフトウェアの選択

すべての CAM ソフトウェアが複合加工を同等にうまく処理できるわけではありません。旋削またはフライス加工のみを目的として設計された基本的な CAM システムで書かれたプログラムは、マルチプロセス機械には不十分です。機械全体の運動学をシミュレートしたり、複数の主軸の同期を調整したり、機械全体の衝突回避を検証したりすることはできません。生産グレードの複合加工プログラミングには、ネイティブ マルチタスク モジュール (Mastercam Mill-Turn、Siemens NX CAM、Hypermill Turn Mill、または機械メーカー独自のプログラミング環境内の専用モジュール) を備えた CAM システムが必要です。これらのシステムは、完全な機械の運動学モデルをインポートし、プログラムが実際の機械で実行される前に、ツール ホルダー、チャック ジョー、心押し台、およびワークピース間の衝突にフラグを立てて、完全な加工サイクルをシミュレートします。複合加工では機械シミュレーションはオプションではありません。50 万ユーロ以上の価値がある機械での衝突の影響は、責任ある生産ワークフローにおいて仮想検証が必須のステップとなるほど深刻です。

複数主軸運転のための同期プログラミング

ツインスピンドルおよびツインタレット複合マシニング センターには、同期プログラミングが必要です。これは、両方のスピンドルと両方のタレットでの操作を明示的に調整して、可能な限り相互干渉なく同時に実行することです。同期は通常、CNC プログラム内の WAIT コマンドまたは同期コードによって管理され、一方のチャネルが定義された操作を完了してから両方が続行するまで一方のチャネルを保持します。同期を最適化してどちらかのスピンドルのアイドル時間を最小限に抑えること、つまりメインスピンドルとサブスピンドルの間で作業のバランスをとり、両方がサイクルの最大の割合で切削を行うことは、ツインスピンドルマシンの理論上のサイクルタイムの短縮を実現します。プログラムの同期が不十分な場合、一方のスピンドルが他方のスピンドルを待機している間アイドル状態のままになり、効率的にマシンが並列プロセッサではなくシーケンシャル プロセッサとして実行されるため、サイクル タイムの利点のほとんどが失われる可能性があります。

インプロセス測定の統合

複合マシニング センターには、機械加工サイクル中にワークの特徴を測定し、自動工具オフセット補正のために寸法データを CNC にフィードバックするオンマシン プロービング システム (ツール チェンジャに取り付けられたタッチ トリガーまたはスキャン プローブ) が搭載されることが増えています。この閉ループ機能は複合加工において特に価値があります。これは、プロセスの単一セットアップの性質により、作業間の検査や修正の機会がないためです。旋削中に発生する誤差 (インサートの磨耗に伴って直径が大きくなる) は、同じサイクル内で検出および修正されないと、その後のフライス加工フィーチャーの位置に影響を与える可能性があります。測定サイクルのプログラミング、補正ロジックの定義、および自動補正とアラームフラグ付き補正の許容限界の設定は、複合加工プロセスの開発に不可欠な部分であり、後付けではありません。

最も恩恵を受ける業界と部品の種類

マルチプロセス複合加工は、複数のフィーチャ タイプを組み合わせ、厳しいフィーチャ間公差を必要とする部品、セットアップの償却が大きくなる低から中量で生産される部品、または取り扱いや固定のリスクを最小限に抑えることでスクラップ率を削減する高価な材料や加工が難しい材料で作られる部品に最大のメリットをもたらします。

• 航空宇宙構造コンポーネント: 着陸装置アクチュエーター、エンジン シャフト アセンブリ、タービン ディスクの後加工、および飛行制御コンポーネントは、旋盤加工された直径と、フライス加工されたポケット、ドリル加工されたクロス穴、および精密なボアを組み合わせています。これはまさに、複合加工から最も恩恵を受ける機能の組み合わせです。これらのフィーチャー間の同心性と位置公差が厳密であり、スクラップが壊滅的に高価な高価な航空宇宙合金と組み合わせることで、複合加工が大手航空宇宙メーカーの標準的な生産アプローチになっています。
• 医療機器のインプラントおよび器具: 整形外科用インプラント、外科用器具、歯科用コンポーネントには、チタン、コバルトクロム、ステンレス鋼などの生体適合性材料で非常に厳しい公差で機械加工された複雑な形状が必要で、表面の完全性と寸法精度が患者の転帰に直接影響します。複合マシニングセンターを使用すると、これらの部品を 1 回のセットアップで完成させることができるため、取り扱いによる汚染のリスクと公差の累積の両方が軽減されます。
• 石油およびガスのダウンホールコンポーネント: ドリルカラー、スタビライザー、ダウンホールツール本体、海底コネクタコンポーネントは、比較的少量で生産される大型で重量のある複雑な部品です。旋削外径、フライス加工された平坦部、クロスドリルポート、および長いワークピースにわたるねじ接続の組み合わせにより、大容量複合マシニングセンタの理想的な候補となります。
• 自動車パワートレインコンポーネント: 高性能車や商用車用途のトランスミッション シャフト、ディファレンシャル ハウジング、ターボチャージャーのコンポーネントでは、設備投資に見合った生産量を実現する精度、サイクル タイムの短縮、フロア スペース効率の組み合わせを実現する複合加工が使用されています。
• 産業用工具および金型コンポーネント: 複雑な 3D フライス加工された表面と旋削加工または研削加工された円筒フィーチャを組み合わせた射出成形金型インサート、金型コンポーネント、および精密ジグ本体は、特にフライス加工されたキャビティ表面と旋削加工された位置決め直径の間の関係が重要なアセンブリ寸法である場合に、複合加工によって提供される再セットアップ エラーの排除から恩恵を受けます。

マルチプロセス複合加工がお客様の業務に適しているかどうかを評価する

複合マシニング センターの資本コストは、通常、同等の単一プロセス機械のコストの 2 ～ 5 倍であり、投資決定には、そのコストが生産上の利点を通じてどこでどのように回収されるかを慎重に分析する必要があることを意味します。すべての部品やすべての操作が複合加工を正当化するわけではなく、明確な経済的根拠なしに投資を行うと、テクノロジーの真の利点を損なう財務上のリスクが生じます。

• 部品の複雑さの分析: 従来の装置で部品を完成させるために現在必要な個別のセットアップの数を特定します。複数のマシンタイプにわたって 3 つ以上のセットアップを必要とする部品は、複合加工の最も有力な候補です。単一のマシンタイプで 1 つまたは 2 つのセットアップを必要とする部品は、複合加工によるメリットが少なく、コスト割増に見合わない可能性があります。
• 公差解析: フィーチャ間の幾何公差、つまり現在のルート内の異なるマシンで製造されたフィーチャ間の同心度、直角度、真の位置について、図面上の GD&T 要件を確認します。これらの公差が設定エラーだけで利用可能な予算の 50% 以上を消費している場合、複合加工の精度の利点には明確に定量化可能な価値があります。
• リードタイムとWIPコスト: 現在の複数のマシンのルートで原材料から完成品までの合計経過時間を計算します (各マシンのキュー時間を含む)。ジョブ ショップや少量生産環境では、キュー タイムが総リード タイムの 80% 以上を占めることがよくあります。複合加工によって 3 つの機械の待ち行列が解消される場合、直接的な加工コストではなく、リード タイムの短縮が経済的な原動力となる可能性があります。
• 床面積と労働効率: 3 台の個別の機械を 1 台の複合マシニング センターに置き換えることで、必要な床面積が削減され、材料の流れが簡素化され、必要な機械オペレータの数が削減される可能性があります。これらのそれぞれは、投資の正当化に貢献する定量化可能なコスト効果をもたらします。
• プログラミングとスキル能力: 複合加工では、従来の単工程機械に比べて、より高度なスキルを持ったプログラマやオペレータが必要となります。投資に取り組む前に、既存のスタッフがトレーニングを通じて必要な能力を開発できるかどうか、または複合加工の経験を持つ新入社員が必要かどうかを評価してください。スキル開発要件を過小評価することは、複合加工への投資がビジネスケースを下回る最も一般的な原因の 1 つです。
• 容量とバッチサイズは次のように適合します。 複合加工のセットアップ不要の利点は、セットアップ時間が総生産時間のかなりの部分を占める低から中程度のバッチ サイズで最も価値があります。専用の搬送ラインや特殊な単一プロセスの自動化がすでに最適化されている非常に大量の生産では、精度要件が特に単一セットアップ生産の必要性を促進しない限り、複合加工の経済性はあまり魅力的ではありません。