デュアルスピンドル マシニング センターとは何ですか? それはあなたの工場に適していますか?

2軸マシニングセンタとは何ですか?

デュアルスピンドル マシニング センターは、単一の機械プラットフォームに取り付けられた 2 つの独立したスピンドル (それぞれが切削工具を保持および回転できる) を備えた CNC 工作機械です。 1 つのスピンドルですべての切削操作を順番に実行する標準的なシングルスピンドル マシニング センターとは異なり、ツイン スピンドル マシニング センターでは、機械の構成に応じて、2 つのワークピースを同時に加工したり、1 つのワークピースを両面から加工したり、2 つの異なる工具を使用して同時に加工したりできます。

コンセプトは単純です。1 つのスピンドルがサイクルごとに 1 つの部品を生産する場合、並行して動作する 2 つのスピンドルは同時に 2 つの部品を生産できます。床面積、オペレーター、または機械の設置面積を比例的に 2 倍にすることなく、スループットを効果的に 2 倍にします。実際には、実際の生産性の向上は、部品の形状、両方のスピンドルが同時に稼働できる程度、および機械が生産セルにどの程度うまく統合されているかによって異なります。しかし、適切な部品ファミリーを使用する大量生産アプリケーションでは、デュアルスピンドル CNC マシニング センターは、サイクル タイムと部品あたりのコストを削減するために利用できる最も強力なツールの 1 つです。

デュアル主軸機械は、垂直方向と水平方向、固定および独立して移動可能な主軸配置、および 2 つの主軸間のさまざまなレベルの軸同期など、いくつかの構成で利用できます。各構成はさまざまな部品タイプや生産シナリオに適しているため、購入を決定する前にオプションを深く理解することが不可欠です。

ツインスピンドルマシニングセンターの仕組み

マシンレベルでは、 デュアルスピンドルマシニングセンタ は、標準的なマシニング センターと同じ基本的な CNC 原理 (サーボ駆動の直線軸、ツール チェンジャ、冷却システム、CNC コントローラ) で動作しますが、2 つのスピンドルとそれに関連するワークホールディング、ツーリング、および動作パスを同時に管理するという複雑さが加わります。 CNC コントローラは、それぞれのワークピースに対する両方のスピンドル ヘッドの動きを調整し、2 つの加工操作が物理的または動的に相互に干渉しないようにする必要があります。

同期されたスピンドル動作と独立したスピンドル動作

同期モードでは、両方のスピンドルが同一のワークピース上で同一のツールパスを同時に実行します。1 つの NC プログラムが両方のスピンドルを鏡像または直接コピーとして制御します。これは、自動車部品、油圧バルブ本体、ポンプ ハウジングなどの同一部品を大量生産する場合に最も一般的な動作モードです。部品あたりのサイクル時間は基本的に単一主軸機械と同じですが、1 サイクルあたり 2 つの部品が完成するため、生産量は 2 倍になります。

独立モードでは、各スピンドルに独自のツールパスがあり、まったく異なる操作を同時に実行できます。これは、異なるセットアップが必要な部品を加工する場合に便利です。たとえば、主軸 1 で荒フライス加工を実行し、主軸 2 で以前に荒加工したワークピースの仕上げボーリングを実行することで、機械を 1 つの筐体内で 2 台の機械として効果的に動作させることができます。独立した操作には、2 つの完全に別個の NC プログラムを同時に実行できるコントローラーが必要です。この機能は、ファナック、シーメンス、三菱マルチチャンネル コントローラーなどの最新のハイエンド CNC システムで利用可能です。

主軸頭の配置

2 つのスピンドルの物理的な配置は、機械の設計によって大きく異なります。固定ピッチのデュアルスピンドル構成では、両方のスピンドルが同じスピンドルヘッド鋳造物に一定の距離を置いて取り付けられ、すべての軸の動きが共有されます。これは最もシンプルで最も堅牢な設計であり、一貫したフィーチャー間隔を持つパーツ ファミリに最適です。可変ピッチ設計により、2 つのスピンドル間の距離を手動または CNC 制御で調整して、さまざまな部品間隔や治具レイアウトに対応できます。一部の高度なダブルスピンドル CNC マシニング センターでは、各スピンドルが完全に独立した軸に取り付けられており、各スピンドルに独自の X、Y、Z 移動量が与えられ、それぞれの作業範囲内のどこにでも配置された部品に対してまったく異なる操作が可能になります。

デュアル主軸立形マシニングセンタと横形マシニングセンタ

シングルスピンドル マシニング センタには垂直 (VMC) 構成と水平 (HMC) 構成があるのと同様に、デュアルスピンドル機械は両方の方向で使用できます。これらの選択には、シングルスピンドル機械の場合と同じ意味があり、2 つのスピンドルによってさらに複雑さが増します。

2軸立形マシニングセンタ

デュアルスピンドル立形マシニング センターでは、両方のスピンドルが下を向き、ワークピースは下の水平テーブルに固定されます。この構成は、従来の VMC に慣れているオペレータにとって直感的であり、上面からの加工のみが必要な平坦または角柱状の部品に適しています。 2 つのスピンドルは通常、X 軸に沿って並べて配置され、固定ピッチ配置が最も一般的です。切りくずの排出は水平構成よりも好ましくありません。これは、切りくずがワークピースや治具に落ちるためであり、重要な領域での切りくずの詰まりを防ぐために、クーラントの方向と治具の設計にさらに注意を払う必要があります。

2軸横形マシニングセンタ

デュアルスピンドル水平マシニングセンターは、両方のスピンドルを水平に配置し、パレットの垂直面に取り付けられたワークピースを指します。水平方向には、自然な切りくず落下の利点があります。つまり、重力によって切りくずが切削ゾーンから引き離され、切りくずコンベアに落ちます。これは、サイクルタイムが短く、切りくずの管理が表面品質と工具寿命に直接影響する大量生産では特に重要です。横型デュアルスピンドル機械は、自動車のパワートレイン加工において主流の構成であり、エンジン ブロック、シリンダー ヘッド、トランスミッション ハウジング、および同様のコンポーネントが厳しい公差で非常に大量に生産されます。

本当の生産性の向上: 実際に得られるもの

2 スピンドル マシニング センターの理論上の出力が 2 倍になるということは説得力があるように聞こえますが、実際の生産性の向上は、機械がどのように適用、プログラム、統合されるかに大きく依存します。ここでは、利益がどこから来るのか、そしてどこに限界があるのか​​を正直に内訳します。

サイクルタイムとスループット

両方のスピンドルが同一部品に対して完全に同期して動作すると、生産的な切削時間は単一スピンドル機械と同じになります。利益は純粋にスループットです。サイクルごとに 1 つの部品ではなく 2 つの部品が完成するため、機械の稼働時間は同じまま、シフトごとに生産される部品の数は 2 倍になります。サイクルタイムが 4 分の部品の場合、シングルスピンドル機械は 1 時間あたり 15 個の部品を生産します。デュアルスピンドル機械の同じサイクルにより、同じフロアスペースから、同じオペレータの注意を払って 1 時間あたり 30 個の部品が生産されます。

非生産的な時間の削減

デュアルスピンドル マシニング センターは、実際のサイクル タイムを超えて、生産される部品の数に対する非生産時間 (セットアップ、ロード、アンロード、プローブ) の割合を削減します。 2 つのワークピースをデュアル治具にロードする場合、1 つをロードする場合よりもわずかに時間がかかるだけなので、部品あたりのロード時間は約半分になります。ツールの交換、プロービング サイクル、およびパレットの変更も同様に 1 つの部分ではなく 2 つの部分で償却され、多品種、中規模から大量の環境での設備全体の効率 (OEE) が大幅に向上します。

利益が制限される場所

すべてのオペレーションが同じように恩恵を受けるわけではありません。一方のスピンドルが他方のスピンドルよりも著しく早く動作を終了する場合（切込み深さ、フィーチャの複雑さ、またはツールパスの長さの違いにより）、サイクルが終了して部品がアンロードされる前に、速いスピンドルが他方のスピンドルの完了を待機してアイドル状態になります。この「不均衡なサイクル」問題により、実効スループットのゲインが理論上の 2 倍を下回ります。バランスの取れたサイクルを実現するには、慎重なプロセス計画が必要で、場合によっては 2 つのスピンドル間でフィーチャーを再配分したり、サイクル時間を均等化するために切削パラメータを調整したりする必要があります。非対称性の高いフィーチャー分布を持つ部品の場合、機械が完全に独立した動作をサポートしない限り、デュアルスピンドル加工の利点が制限される可能性があります。

デュアルスピンドルマシンが優れた産業と用途

デュアルスピンドル マシニング センターは万能のソリューションではありません。特定の生産シナリオで最大の価値を提供します。一貫して高い投資収益率を示している業界と部品の種類は次のとおりです。

• 自動車パワートレインコンポーネント: エンジン ブロック、シリンダー ヘッド、クランクシャフト ベアリング キャップ、コネクティング ロッド、トランスミッション ハウジング、およびディファレンシャル ケースはすべて、同期デュアル スピンドル処理に最適な、幾何学的に一貫した大量の部品です。主要な Tier 1 サプライヤーおよび OEM 加工ラインは、これらのコンポーネントのデュアルスピンドル横型マシニング センターに大きく依存しています。
• 油圧および空気圧: バルブ ボディ、マニホールド ブロック、シリンダー エンド キャップ、およびポンプ ハウジングは通常、一貫した形状で中量から大量に機械加工される角柱部品であり、パレット自動化を備えたデュアル スピンドル VMC に最適です。
• 医療機器のコンポーネント: 整形外科用インプラントのコンポーネント、手術器具の本体、および埋め込み型デバイスのハウジングは、多くの場合、チタンまたはステンレス鋼から適度な量で製造される小型の精密部品です。デュアルスピンドル加工により、これらの高価値でコスト重視の用途において部品あたりのコストが大幅に削減されます。
• 航空宇宙構造コンポーネント: アルミニウムまたはチタンで製造されるブラケット、フィッティング、リブ、およびファスナーのコンポーネントは、両方のスピンドルに専用の治具を使用するのに十分な年間生産量がある場合、デュアルスピンドル加工の恩恵を受けます。
• 家電製品の筐体: エレクトロニクス製品用のアルミニウム製ハウジング、ヒートシンク、および構造フレームは、一貫した形状で非常に大量に生産されるため、自動生産ラインに統合されたデュアルスピンドル VMC に最適です。
• 一般受託加工： 同じ部品ファミリーの繰り返し注文を生産するジョブ ショップは、部品のコア グループが一貫して稼働し、ツーアップ生産に必要な設備投資を正当化できる場合に、デュアル スピンドル マシンの恩恵を受けます。

デュアルスピンドルマシニングセンタを評価する際に比較すべき主な仕様

さまざまなメーカーのデュアルスピンドル CNC マシニング センターを比較する場合、標準的な仕様セットによってアプリケーションのパフォーマンス、機能、適合性が定義されます。各仕様の実際的な意味は次のとおりです。

2 つの主軸加工におけるツーリングと治具の考慮事項

デュアルスピンドルマシニングセンターのツーリングと治具の要件は、シングルスピンドルマシンよりも複雑であり、この投資を過小評価することは、マシン自体の回収を遅らせるよくある間違いです。

適合する工具セット

同期モードで実行すると、両方のスピンドルが同じ工具を使用して同じツールパスを実行します。 2 つの部品間の寸法の一貫性を確保するには、各スピンドルの切削工具が一致している必要があります。つまり、同じインサート材種、同じ工具形状、同じ振れ公差、そして理想的には同じ工具寿命ステージである必要があります。スピンドル 1 の摩耗した工具とスピンドル 2 の新しい工具では、異なる表面仕上げと寸法結果の部品が生成されます。デュアルスピンドル生産における部品の品質を維持するには、ペアの工具交換や一貫したプリセッターの使用など、規律ある工具管理が不可欠です。

デュアル治具とパレット設計

2 つの部品を同時に実行するには、2 セットのワークホールディング、つまり 1 つのパレット上の 2 つの独立した治具、またはパレット チェンジャー システムにロードされた 2 つの別個のパレットのいずれかが必要です。治具の設計では、スピンドルのピッチに一致する正しい間隔で各ワークピースを正確に配置し、両方のスピンドルからの切削力に対して同時に部品をしっかりと保持し、簡単で繰り返し可能なロードとアンロードを可能にする必要があります。 Schunk、Lang、Vischer & Bolli、Jergens などのサプライヤーが提供するモジュール式治具システムは、ジョブごとに専用の治具を最初から構築することなく、さまざまな部品ファミリーに迅速に適応できるため、一般的に使用されています。

共有ツール マガジンと独立したツール マガジン

一部のデュアルスピンドル マシニング センターは、両方のスピンドル間で 1 つの工具マガジンを共有し、工具チェンジャが工具を正しい主軸にルーティングする役割を果たします。これによりマガジンのハードウェアが簡素化されますが、両方のスピンドルで同時に工具を交換する必要がある場合、工具交換中にボトルネックが生じる可能性があります。独立したマガジン (各スピンドルに 1 つ) を備えた機械では、この制約がなくなり、完全に非同期の工具交換が可能になります。これは、2 つのスピンドルがそれぞれのプログラムの異なるポイントにある可能性がある独立動作モードで特に重要です。

コスト分析: デュアルスピンドル マシニング センターには投資の価値がありますか?

通常、デュアルスピンドル CNC マシニング センターのコストは、構成、スピンドルの独立性、自動化の統合に応じて、同等のシングルスピンドル マシンより 30 ～ 70% 高くなります。その割増額の正当性は、理論上のスループット乗数だけではなく、生産要件の現実的な分析に基づいている必要があります。

• ボリュームのしきい値: 部品のツーアップを実行するために必要な治具への投資、プログラミング時間、およびプロセス エンジニアリングは、一定の年間生産量を超えた場合にのみ利益をもたらします。大まかなガイドラインとして、年間 500 ～ 1,000 個未満の部品を稼働させると、追加の複雑さを正当化するのに十分な節約がもたらされない可能性があります。年間数万個を稼働する大量生産部品が有力な候補です。
• 床面積の節約: 1 時間あたり 30 個の部品を生産する 1 台のデュアルスピンドル機械は、同じ生産量を生産する 2 台のシングルスピンドル機械よりもはるかに少ない床面積を占めます。床面積に制約がある施設では、これだけでも投資を正当化できます。
• 労働力の削減: 2 台の別々の機械を監督するのではなく、1 人のオペレーターが 1 台のデュアルスピンドル機械を管理できるため、部品あたりの人件費が直接削減され、オペレーターは付加価値のある作業に専念できます。
• エネルギー効率: スピンドルの起動、クーラントポンプ、チップコンベア、および制御システムが共有されるため、1 台のデュアルスピンドルマシンを稼働させると、同等の出力で 2 台のシングルスピンドルマシンを稼働させるよりも総エネルギー消費量が少なくなります。
• 回収期間: 適切に適合したアプリケーションの場合、マシンが 1 日あたり 2 シフトまたは 3 シフトで稼働している場合、回収期間は 18 ～ 36 か月が現実的です。部品とマシンの適合性が低い、稼働率が低い、または頻繁に転職する場合、投資回収が 5 年をはるかに超える可能性があります。

2軸マシニングセンタの大手メーカー

いくつかの工作機械メーカーはデュアルスピンドルマシニングセンター市場で高い評価を確立しており、それぞれが構成オプション、精度レベル、対象業界の点で明確な強みを持っています。サプライヤーを評価するときは、機械の仕様だけでなく、アプリケーション エンジニアリング サポート、スペアパーツ、およびローカル サービスの利用可能性も考慮してください。

• シロン グループ (ドイツ): 固定および可変ピッチ構成を備えた高速デュアルスピンドル立形マシニング センターを専門とし、自動車および医療用途で広く使用されています。非常に速い工具交換時間と高い精度で知られています。
• マザック (日本/米国): VARIAXIS および HCN シリーズ全体でデュアル スピンドル構成を提供し、柔軟な製造システム向けの強力なマルチチャネル CNC 機能とパレット自動化オプションを備えています。
• 牧野 (日本): デュアルスピンドル オプションを備えた a シリーズ横形マシニング センターは、剛性、熱安定性、精度で知られる自動車パワートレイン加工のベンチマーク マシンです。
• グロブ システム (ドイツ/米国): 自動搬送ライン システムに深く統合された、パワートレインおよび航空宇宙構造コンポーネント用の高度に専門化されたデュアルスピンドル 4 軸および 5 軸マシニング センターを製造します。
• ブラザー工業（日本）： Speedio シリーズのツインスピンドル タッピング センターとコンパクトな VMC は、エレクトロニクスや精密部品の製造における小型部品の高速加工に人気があります。
• 斗山 (韓国): DNM および DCM シリーズのデュアルスピンドル横形マシニング センターを提供し、中量の自動車および一般産業用途にコスト競争力のあるオプションを提供します。