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Dec 06, 2023

5 軸加工は、ここ数年で珍しいものから主流のものに進歩しました。 より広範なジョブショップ環境でその移行がどのように展開するかを評価するには、5 軸構成を超える利用可能な多くの工作機械オプションを解明する必要があります。

イリノイ州ホフマン・エステートにある DMG 森 USA の国内エンジニアリング部門ゼネラルマネージャー、ジェフ・ウォレス氏は、多軸加工に関してジョブショップのオーナーの間で「大きなパラダイムシフト」が起きていると報告しました。 2～3年前には、DMG森のジョブショップ顧客（航空宇宙以外）のうち、多軸プラットフォームを効果的に利用していたのはわずか約30％だったが、「控えめに見ても、当社のジョブショップの50～60％が導入しているか、導入中であると言えるだろう」抱きしめる、多軸。」

オハイオ州ロレインにあるアブソルート・マシン・ツールズ社の営業担当副社長であるクラウス・ミラー氏は、これがトレンドであることに同意したが、小規模なジョブの場合、移行は大規模な切り替えではなく「一度に 1 台のマシンずつ」行われると警告した。 「その市場の大部分は依然として 3 軸マシニング センターと 2 軸旋盤です」と彼は言いました。

阻害要因は価格だとミラー氏は説明した。 「3 軸 32 × 20 立形マシニング センターの価格は約 85,000 ドルです。その機械に適合する最大サイズの 5 軸トラニオン テーブルは直径約 15 インチしかないため、作業範囲は限られています。そして、その機械は約 8 万 5,000 ドルから始まります。最低でも20万ドル。」 その一方で、ジョブショップのオーナーは、5 軸加工機への先行投資を 2 倍にすることで、1 台あたりの生産量を 2 倍にできることを理解していると同氏は述べました。 人材不足により、これはますます魅力的なものになっているとミラー氏は付け加えた。 これは基本的なトレードオフです。3 軸でワークピースのすべての面を加工するには複数のセットアップが必要ですが、5 軸では 1 つのセットアップですべてを行うことができます。

ケンタッキー州フローレンスのマザック社マシニングセンター製品グループマネージャー、ジャレッド・ライク氏は次のように述べています。 1 つのセットアップであらゆる部品を機械加工できることは大きな利点となり、ショップの競争力を維持できます。」

ウォーレス氏は、シーメンス (または同等の) 制御を使用すると、オペレータは「文字通り、必要な場所から約 5 ミリメートル以内の多軸機械のテーブル上に部品を置き、その部品を調べ、セットアップを完了できる」と観察しました。必要なのは、その部品の中心を見つけることだけです。部品をテーブルの中心に完璧に配置するために、資格のある固定具やダボ、プラグはもう必要ありません。」 おそらく、3 軸マシンよりも 5 軸マシンで多面ジョブを実行する方が簡単です。 また、マザックの中西部地域担当ゼネラルマネージャーであるケビン・ベイツ氏は、「クイックチェンジツーリング、工具プリセットシステム、工具管理、および自動工具設定システム」により、マルチタスクターニングセンタの複雑なセットアップが大幅に削減されたと付け加えた。

3 軸と 4 軸を維持するもう 1 つの要素があります。それは、一部の部品は単純に多軸加工を必要としないことです。 大量生産される部品の場合、おそらく非常に価格競争力が高くなります。 おそらく、マシンを他のジョブに適応させる必要はないと確信できるでしょう。

マザックのアドバンテックグループの製品マネージャーであるケンジー・ローデン氏は、これがよりシンプルなマシンのレシピであると考えています。 「これらの部品を大量に生産しなければならない場合は、複数のスピンドルが必要になります。そして、より高価な装置の負担率を正当化するのは非常に困難です。3 軸および 4 軸の垂直市場は、絶滅危惧種のリストには載っていません。」 」

最後に、オークリッジ国立研究所 (ORNL) のインテリジェント工作機械のグループ リーダーで、テネシー州ノックスビルにあるエネルギー省の製造実証施設と協力しているスコット スミス博士は、私たち全員が共感できる点を次のように述べました。かつては希少で高価だった工具は、今では一般的になっていますが、手動の工作機械に完全に取って代わられたわけではなく、手動の工作機械も依然として一般的で便利です。」

誰もが、古いマニュアルのブリッジポートなどをまだ置いている非常に洗練された店に行ったことがあるでしょう。 したがって、2 軸および 3 軸の NC マシンも今後数十年にわたって使用されることになるでしょう。

現在製造されている「5 軸部品」の約 70% は、5 軸すべての同時補間を必要としないということでコンセンサスがあります。 同様に、表面仕上げと精度の要件はこれらの部品によって異なります。

Bates 氏は、5 軸加工には 5 軸位置決めと完全 5 軸という 2 つの異なるカテゴリが考えられると述べました。 そのため、マザックなどは、「完全な 5 軸というよりも 5 軸位置決めに近いエントリーレベルの 5 軸機械」など、さまざまな精度と制御を備えた 5 軸機械を提供しています。 ベイツ氏は、5 軸マシンの価格は全体的に下がっており、エントリーレベルの 3 + 2 マシンはさらに魅力的な価格になっていると述べました。

複数の 3 軸セットアップとそれに伴う人的負担を排除したいだけの場合は、おそらく 3 + 2 マシン (または 5 軸位置決め) が最適です。 しかし、精密な表面仕上げを伴う輪郭加工機能が必要な複雑な部品を作成する場合は、「完全な 5 軸機械が必要になります」とベイツ氏は説明します。

一度に 1 つの切削工具が一度に 1 つの部品に係合する構成では、たとえその係合に 5 軸の同時補間が必要な場合でも、今日の CAD/CAM システムおよび制御ではこれが日常的です。 しかし、5 軸補間は 1 つのツールでできることの究極かもしれませんが、1 つのカッティング ヘッドと 1 つのワーククランプにとどまる必要はありません。

「実際には、コンピュータで同時に制御できる軸の数に機能上の制限はありません」と、Absolute の Smith 氏は述べています。 動作中に同時に制御される軸の数を増やすと、プログラミングとトレーニングの両方でマシンのコストと複雑さが増加しますが、実行可能であり、可能性が広がります。 たとえば、彼は、「オークリッジ国立研究所の製造実証施設にある MedUSA ロボット積層造形システムには、18 個の NC 軸に相当する 3 台のロボットと回転テーブルがあり、合計 19 個の位置決め軸が同時制御されています。」と提案しました。

マザックのマルチタスクおよびハイブリッドマシンの製品マネージャーであるジョー・ウィルカー氏は、マザックの INTEGREX マシンを指摘しました。 「下部タレットに 2 つ目のスピンドルがあれば、最低 9 軸が表示されます。そして、その上に加算ガントリーを設置して、さらに 5 軸を追加することもできます。つまり、14 軸になります。しかし、私はこれらすべてを使用しているでしょうか。同時に?いいえ、通常は一度に 5 軸です。」

なぜそのような構成が必要なのでしょうか? マザックの言葉を使えば、全面を機械加工する必要がある複雑な部品であっても「1 つで完了」します。 それは、あらゆる角度からアプローチして、再度固定して、以前は隠れていた側面を露出できる場合にのみ可能です。

Miller of Absolute の報告によると、7 ～ 9 軸のスイス式旋盤がジョブ ショップ市場で人気の商品であるため、これは共通のニーズであるに違いありません。 「こうしたショップの多くは、スイスの機械がはるかに効率的であることに気づいています。従来の固定主軸台タレット旋盤よりも何光年も速いのです。」 同氏は、これらの機械は医療製造において公差が厳しく、直径が小さく、長さ対比が長い部品を製造するために長い間使用されてきたが、ジョブショップが有力なバイヤーとして台頭したのはつい最近である、と付け加えた。

「当社のスイス機械の売上高、あるいは多軸ミルターンセンターの売上高を押し上げている大きな要因の一つは、一人のオペレーターが旋盤のチャックに部品を積み込み、それから部品を取り外し、そして取り外すという状況です」とミラー氏は説明した。それをミル治具に置き、再び取り外し、別の旋盤に入れて旋盤サイクルの後半を実行します。1 台のスイス製機械を導入することで、これら 3 つの機械セルを完全に排除し、その部品を完全に落としています。 。」

ミラー氏は、オハイオ州北東部にある家族経営の商店の例を紹介しました。この商店では、2 か月の間に 2 人のメンバーが病気で亡くなり、生産量が 25% 減少しました。 スイスのターンを導入し、「3 週間以内に一晩中無人で稼働するようになりました。一晩で 8 本のバーを積み込むことができ、バーごとに 36 個の部品を入手できるようになりました。つまり、ほぼ 300 個の部品を無償で入手でき、労力はかかりませんでした。これら 300 個の部品は、作業に 2 日半か 3 日かかりましたが、代わりに、無人で 4 ～ 5 時間で完了しました。」

ミラー氏によると、ジョブショップ市場で最も人気のあるレイアウトには、ガイド ブッシュ (Z 軸と C 軸) を備えたメイン スピンドルと、Absolute が Nexturn 製品ラインで販売しているサブ スピンドルがあります。 多くの斜めのクロスカットやフライス加工を必要とするより複雑な部品の場合、Absolute は QuickTECH ラインを提供しています。 これらのミルターン機械は、2 つのターニング スピンドル、2 つのミーリング スピンドル、2 つの B 軸を備えた最大 10 軸を誇り、合計で最大 39 個の工具を備え、そのうち 24 個は B 軸ミーリング機能を備えたライブ ツールにすることができます。

マザックのウィルカー氏が示唆したように、これらの複雑な機械は通常、一度に最大でも 5 軸の補間で部品を加工しますが、ツインスピンドル旋盤では、メイン スピンドルで 1 つの部品の前端を加工しながら、メイン スピンドルで 1 つの部品の前端を加工する可能性があります。サブスピンドルの別の部品の後端。 Wallace 氏は、その理由の 1 つは、ツールの先端を追跡するシステムの能力の限界であると説明しました。 同氏は、シーメンスはTRAORIと呼ばれるこの自動機能を提供しており、ファナックはツールセンターポイント制御と呼ばれていると述べた。 ただし、いくつかのトリックを使用して複数のツールパスを生成し、それらを「ファイルを同期するための「前」後処理」と組み合わせない限り、CAD/CAM は 5 軸で最高です。

一例として、DMG 森が開発した、2 つの対向するスピンドル間のタービンブレード輪郭を同時に切断するピンチミリングプロセスがあります。 上部と下部のツールが軸の動きと同期して異なる輪郭パスをたどるため、これは思っているよりもさらに複雑です。 そして、一方が荒加工をしている間、もう一方が仕上げを行っているため、ツールはまったく異なります。 このアプローチには、「1 つのチャネルと 1 つのコマンド ラインで 2 つの別々の切削工具を駆動するための 11 軸出力」が必要だったとウォレス氏は説明しました。 彼はこれを、先ほど説明したタイプの多タレット旋盤と対比させました。 これらは 5 軸を超えるマルチチャンネル マシンです。 「しかし、それらは通常、1つのチャネル、単一のコマンドラインではなく、同期された別個のチャネルです」と同氏は述べた。 Wallace 氏は、DELCAM がこの課題に積極的に取り組む唯一のベンダーであると評価しました。

前述したように、サブトラクティブ マシンに積層造形機能を装備するいくつかのアプローチには、追加の軸が必要です。 ウィルカー氏は、マザックは 3 つのアプローチを提供しており、そのうちの 2 つは軸を追加すると述べました。 最も簡単な方法は、切削工具チャックをアディティブヘッドに交換することであり、軸レイアウトの変更はありません。 2 番目のアプローチは、ミリング ヘッドとは別にラム ヘッドを追加し、ミリング ヘッドと平行に降下しますが、基本的には同じ構成です。 3 番目のアプローチでは、多軸ガントリーを使用して、部品全体を移動できる完全に別個の付加ヘッドを導入します。 3 つのアプローチすべてにおいて、マザックは粉末供給による指向性エネルギー堆積を使用しています。 また、粉末の代わりに熱線蒸着を使用したラム設計も提供しています。 「パウダーを使用するのではなく、ワイヤーを使用することには多くの利点があります」とウィルカー氏は言います。 「安全性の観点からは、粉が空中に浮遊していないため、マスクを着用する必要はありません。」

彼は、マシンが加算演算と減算演算を同時に実行することは決してないことを明確にしました。 これは、「蒸着プロセスは一般にワークピースが熱いことを好み、機械加工操作は一般にワークピースが冷たいことを好む。したがって、その側面の管理が問題である」という点で、加算プロセスと減算プロセスは本質的に矛盾しているというスミスの概念を物語っています。また、金属粉末と冷却剤はあまりうまく混ざりません。したがって、金属粉末を冷却剤から取り出すための戦略を立てる必要があるでしょう。」

さらに、ORNL のスミス氏は、2 つの作業ヘッドの代金を支払ったのに、一度に 1 つしか作業できないと指摘しました。 「したがって、これら 2 つのものを同じマシン内に置く代わりに、別のマシンを互いに近くに配置し、それらの間で部品を迅速に行き来させる方法の方が良いかもしれません。」 ORNL はそのようなデザインに取り組んでいます。 また、考慮すべき部品形状の多様性は言うまでもなく、添加剤の構築速度と材料除去速度の違いを考慮すると、各マシンタイプの非常に異なる数値を組み合わせたセルを想像するのは簡単です。

DMG森のウォレス氏は、「3D製造能力をフルに活用する人材はまだ誕生すらしていない。したがって、この先どうなるかは分からない」と総括した。

これまで議論してきた機械の多くは目がくらむほど複雑であるにもかかわらず、オペレータが新しい制御とソフトウェアをどのように受け入れているかについて、建設業者は一様に肯定的です。 ローデン氏は、スマートフォンやタブレットの進化により、工場の上級スタッフを含む誰もがタッチスクリーンに慣れており、工作機械のインターフェースはさらに改良され、より直観的になっていると述べた。 そしてシミュレーションは、特に若い世代にとって大きな助けとなっています。

「当社の会話型 Mazatrol プログラミング言語と組み込みのマシン シミュレーションを組み合わせることで、初級から中級レベルのオペレーターは『実行する前にそれを見る』ことができます」とローデン氏は述べています。 「この視覚的なシミュレーションにより、機械の動きに対する自信と理解が生まれます。」

マザックのベイツ氏は、新世代は手動機械を使う時間はほとんどなく、主に CAD/CAM システムとシミュレータで学習しているとまで述べました。 「彼らはコンピュータで育ち、コンピュータを信頼しているので、すぐに快適になります。...機械を操作する退役軍人の中には、コンピュータ上でシミュレーションを行いますが、それが機械で起こる可能性を依然として疑っている人もいます。彼らはそれを証明するためにプログラムを単一ブロックします。最近ある顧客は、彼のオペレーターは誰も機械をドライサイクルしないと言っていました。彼らはサイクルスタートを押し、急流をいっぱいにして、それを実行するだけです。タールが彼を怖がらせます!

「基本的に、私たちは誰にでもマザトロールを教えることができます」と彼は続けた。 「難しいのは、材料の切削特性、切削工具技術、ワークホールディングを学ぶことです。...それはむしろ部族の知識であり、経験から得られます。」

Absolute の Miller 氏は、「待機コード」は多軸ミルターン センターとスイス製機械の最大の学習曲線であると述べました。 「これらのマルチチャネル、多軸機械で、同じ主軸上で 2 つのタレットを同時に動作させる、または 2 つのチャネルを同時に動作させるには、干渉を防ぐために適切な場所に待機コマンドを構築する必要があります」 。」

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