この新型CNCマルチスピンドル旋盤はあなたのショップに最適か？

Davenport Machine Companyは、今世紀に入ってすぐ、優れたマルチスピンドル機械設計を打ち出しました。同社社長Don Firm氏によれば、その設計は十分に優れており、ニューヨーク州ロチェスターの本社に展示されている1908年型DAモデルと、工場床で組み立て中の1996年型Bモデルの間で、多くの部品が互換性を持つほどです。

しかし、Davenportやマルチスピンドル自動旋盤全般を取り巻く世界は急速に変化しています。ロットサイズの縮小と公差要求の厳格化という市場圧力、熟練セットアップ要員の不足が加わり、由緒あるマルチスピンドル自動機の拡張が疑問視されるようになっています。

Firm氏は、次世紀に向けたマルチスピンドル機械の開発をDavenportで主導しています。CNCサーボ技術が、マルチスピンドルへの実用的応用段階に進化しました。

同氏はこの新機種（LS 522指定）を、ネジ切り盤ショップの問題解決策、および非ネジ切り盤ショップのプロセス代替案と見ています。最近の訪問で、IMTS 96での発表前のこの機械をプレビューする機会を得ました。

マルチスピンドルの基本

マルチスピンドル機械が部品を高速で製造できるのは、設計により複数の切削操作を同時に実行できるためです。一般的に（バリエーションは多々ありますが）、マルチの各スピンドルは2つの独立した工具運動軸と交差します。

一つはクロススライドで、切削工具をスピンドル中心線に垂直に動かします。二つ目はエンドスライドで、テールストック側からオン中心で動く端面加工工具を担います。それぞれ、単一点旋削盤のOD工具とID工具に相当します。しかし、マルチスピンドル機械では、各スピンドルでOD工具とID工具を同時に使用できます。Davenport機は5スピンドルなので、一度に少なくとも10本の工具を切削に投入できます。

スピンドルはインデックス可能なドラムの周囲に配置されます。マルチスピンドル機械のすべての切削操作が同時に発生するため、スピンドルドラムの1回インデックスごとに完成部品が1つ生産されます。5スピンドルDavenportなら、ドラム1回転で5個の部品が完成します。

量か質か

記憶する限り、マルチスピンドル自動機は回転対称小型部品の大量生産で覇権を握ってきました。しかし、他の機械設計より部品を速く削れるわけではありません。多くのマルチがバー機であるため、スピンドル速度はチャッカーと比較して保守的で、単軸CNC旋削センターと比較すると低速です。

マルチスピンドル処理速度の秘密は、累積サイクルタイム対加算サイクルタイムです。部品加工サイクルを多数の小さな操作に分割し、それらを複数スピンドルで同時に実行することで達成されます。

マルチスピンドルの機械サイクルタイムは、ステーションでの最長切削操作によって決まります。例：ステーション3にエンドスライド穴あけ操作があり、0.75秒（インデックス含む）かかる。次に長いのはステーション4のクロススライド溝入れで0.65秒。マルチスピンドルはすべてのステーションを同時に使用できるため、このジョブのサイクルタイムは実行される最長操作、この場合0.75秒を反映します。

一般的に、マルチスピンドル自動機は高精度より高速で知られてきました。カム、シャフト、レバーなどの機械式作動装置は、単純に不正確さを積み重ねすぎており、顧客が要求する多くの厳しい公差仕様を一貫して満たすことはできません。

より高い公差が必要な場合、多くのショップは単一点CNC旋削センターに目を向けます。「プログラマビリティとサーボ制御輪郭加工により、ほとんどの自動機より桁違いに厳しい公差が可能です」とFirm氏は言います。

単一点旋削は逐次プロセスであるため、これらの機械ではマルチスピンドル機械のような生産量は出せません。荒取りパスに仕上げパスが続き、面取り操作が穴あけ・ボーリング操作の前に行われます。

したがって、旋削センターのサイクルタイムは加算的です。各操作に必要な時間を足し合わせ、合計がサイクルタイムになります。切削速度と送りで各切削操作を高速化しても、プロセスは逐次的です。

自動機へのプレッシャー

マルチスピンドル自動機は、純粋な機械式運動制御の最後の砦の一つです。これらの機械の多くは、「ネジ切り盤部品」製造を専門とするショップにあります。これらのショップの多くは、生産する製品より、使用するネジ切り盤のブランドで知られています。Davenportショップ、New Britainショップ、Acmeショップなどがあります。

ショップが特定ブランドの機械を専門とするのには十分な理由があります。これらの自動ネジ切り盤をセットアップできるのは、非常に熟練した技術者です。各機械には固有の特性があります。

マルチスピンドルのセットアップと運転は実地作業です。これらの機械を動かすメカニズムを「調整」するには多くの技術と経験が必要です。残念ながら、この仕事ができる人材がますます不足しています。

この人材不足は、マルチスピンドル機械をより頻繁にセットアップする必要性の増大によって悪化しています。長期受注ジョブ、ネジ切り盤業界の伝統的な命綱は、短期化の傾向にあります。

ショップは伝統的なネジ切り盤契約で激しい競争に直面しています。こうした契約が減っているためです。ジャストインタイム在庫要件への対応と、製品ライフサイクルの短縮に応じて、顧客は少量ロットをより頻繁に注文するようになっています。

一部のショップは、繰り返しジョブのために機械を永久にセットアップしたままにしています。受注完了時、機械はアイドル状態になります。ショップは、セットアップと撤去のコストと、機械を稼働させないコストの天秤にかけなければなりません。マージン圧力が高まる中、ショップリソースをフル活用しないことは正当化しがたくなっています。

新機能

ベースから見て、Davenportの新型LS 522は完全な新機械です。ベースはエポキシグレナイト混合物から鋳造された単一ピースです。この複合材料は優れた振動減衰特性と熱安定性を持ちます。

ベース設計は機械のテールストック側を開放しています。チップコンベアとクーラント回収タンクがこの開口部にスライドインし、機械の切削ゾーン直下に配置できます。チップとクーラントはベースに鋳込まれたトラフによってコンベアへ導かれます。

この新機械を可能にする技術はそのモーション制御システムです。「サーボ技術は今、マルチスピンドルへの応用が実用的な段階に達しました」とFirm氏。「5年前なら、LS 522に使用されるエレクトロニクスだけで、機械の予測基本価格より高かったでしょう。」

メインスピンドル駆動モーターを除き、LS 522には10本のプログラマブルリニア軸があります。各クロススライドとエンドスライドに専用サーボモーターを搭載。これらの電動モーターの動作は、機械式作動システムより大幅に静かです。

カムによるストローク運動をエミュレートするため、これらのコンパクトサーボは内蔵ギアボックスを使用し、サーボモーターの回転運動をリニア運動に変換して出力軸にストロークを生成します。リニアモーターがそれぞれの工具スライドに直接結合され、ボールねじが不要です。これらのモーターのストロークは完全にプログラマブルです。

ギアボックスはメカニカルアドバンテージを提供し、出力軸に十分な推力（スライドあたり800ポンド）を与え、ほとんどの材料に成形工具を送り込めます。

スピンドルキャリアのインデックス位置決めはワーク寸法精度にとって不可欠です。Hirthマルチトゥースカップリングを使用してスピンドルキャリアを着座させます。インデックスタイムは0.4秒。バー容量は丸材0.875インチ、角材0.625インチ、六角材0.75インチ。

メインスピンドル駆動は14 hp ACモーターで、遊星ギアシステムを通じて5つのスピンドルを駆動。回転速度はCNCでプログラマブルで、250〜6,000 rpmの範囲。個々のスピンドルをプログラムで停止させ、ストラドルミリング、クロスドリリング、クロスタッピング操作に対応できます。

新型Davenportの制御は486 PCです。軸スライドを作動させるため、モーション制御ボードがコンピューターとサーボ間の通信を行います。SERCOSループフィードバック（ファイバーオプティックケーブルでサーボとモーション制御ボードをリンク）が、位置決めデータをサーボモーターとの間でやり取りします。

精度は？

「Davenportマルチスピンドル機械式の寸法精度能力は、0.002インチ以上の公差が必要になると限界に達します」とFirm氏。「それ以上の公差を出すようには単純に設計されていません。」

それがLS 522開発のもう一つの動機です。カムの代わりにサーボモーターを採用し、スピンドルドラムにHirthカップリングを使用することで、新機械の精度を±0.0002インチに向上させました。

セットアップ高速化

「従来の機械式マルチスピンドル、Davenportを含め、新しいジョブへの機械セットアップに12〜48時間かかることがあります」とFirm氏。「この新マルチスピンドルの完全チェンジオーバーは約2時間、ファミリーパーツの実行ならさらに短時間です。これほどセットアップが短ければ、特定ジョブ専用に機械を割り当ててリソース利用を制限する理由はありません。」

チェンジオーバー時間短縮の鍵は、サーボドライブのプログラマビリティです。機械式機械では、クロススライドとエンドスライドの運動はカムで生成されます。ストロークの微調整（軸補正）は、10本の可動スライドそれぞれに機械的調整が通常必要な、試行錯誤の時間のかかるプロセスです。

カムに代わるサーボ技術がこのプロセスを劇的に変えます。プログラマブルストロークにより、高速移動と送りがキーストロークで設定可能。工具オフセット補正はコントローラー上で実行されます。

各スピンドルに2つの基準点を使用。縦方向ゼロはクロススライドの出発点。スピンドル中心線はエンドワークスライドの径方向ゼロポイント。すべての軸移動はこれらの出発点からの正の数値です。カム式機械と同様、各軸移動はプランジです。標準成形工具が新型Davenportで使用可能なので、ショップは在庫工具を廃棄する必要がありません。

オペレーター/プログラマーは単に開始寸法と終了寸法を入力するだけ。常駐データベースが0.0002〜0.050インチ/回転の送り率を計算。各スライドで入力を繰り返し、操作割り当てと順序はプロセスプランニングシートで行います。

生産旋削操作を形作る力は、ショップにワークピース処理を別の視点で見ることを要求しています。サイクルタイムはほぼ唯一の生産性指標であり、ジョブ入札成功の重要なベンチマークでした。

顧客とショップは依然としてサイクルタイムを強く意識しています。その重要性は否定できません。しかし、ランの総サイクルタイム——部品が切削される前後に何が起こるか——も無視できません。生産ロットの短縮とJITスケジューリングへの迅速な対応ニーズにより、総サイクルタイムは効率のますます重要な指標となっています。ショップがいかに速くジョブを切り替えられるかが、生産ランからより多くのマージンを絞り出す鍵です。そして、ショップの総合的なスループット能力が、契約獲得か喪失かの決定的要因であることが多々あります。

新世界の開拓

新型Davenport LS 522がネジ切り盤ショップで歓迎される市場を見つけるのは、ほぼ確実です。この機械のサーボ作動システムは、機械式機械の機能性と速度を忠実に再現します。

機械式マルチスピンドルで培われたジョブ処理経験は、CNC機械に直接移転可能です。工具も改造なしで新機械に適用可能です。

「同時加工の効率は議論の余地がありません」とFirm氏。「長いチェンジオーバーの負担からショップを解放し、より高い公差生産を可能にし、操作をシンプルにし、すべてを機械式と同等以上の部品処理速度で維持する——これがこの新機械の約束です。」

非ネジ切り盤生産旋削領域では、DavenportはLS 522が単軸単一点旋削センターのプロセス代替案になると期待しています。これらのショップはプログラミングを知っていますが、多くは成形工具と同時操作のプロセスプランニングに不慣れです。

これらのショップが、2軸単一点輪郭旋削から単軸成形工具旋削への移行を遂げれば、Firm氏は中〜高生産旋削ショップがこれらの新マルチスピンドル機械を適用し、スループットを劇的に向上させると見ています。

あなたに適しているか？

本質的に、この新マルチスピンドル機械を検討する可能性のあるショップは2種類あります。ネジ切り盤ショップと、現在単一点旋削センターで中〜大量、高ミックス旋削用途を行っているショップです。

ネジ切り盤ショップは、機械式同等の機能性を失わずにセットアップ要件が削減されることを生産上の福音と認識すべきです。今日の製造環境では、より短いロットとより厳しい公差を経済的に含めるようショップ能力を拡張することは理にかなっています。

単軸単一点旋削を使用しているショップにとって、複数スピンドルと成形工具への移行は、加工技術の重大な変更を意味します。「部品の加工方法を変えるのは決して容易ではありません」とFirm氏。「成形工具と単一点工具のコスト比較を考慮する必要があります。ワークピースを加工する異なる方法であり、学習が必要です。」

しかし、品質要件を維持しながら大幅な生産増加が実現できれば、その変更に値するかもしれません。マシンあたりのスループット増加は、より多くのジョブを各マシンに割り当てられることを意味します。

したがって、高ミックス精密部品の中〜高量旋削があなたのビジネスなら、これまでCNCマルチスピンドル機械を検討してこなかったショップも、この新機械工具を単一点旋削センターの補完、または自動機の代替として検討する価値があるかもしれません。