生産最適化：ワンチャッキング加工でコスト削減を実現

旋削、フライス、穴あけが必要な複雑な部品の単価をどう最小化するか。Salinas Valley Precision（カリフォルニア州サリナス）の社長、スティーブ・ハットリ氏の答えはシンプルです。「ワンチャッキングで加工し、そのセットアップを可能な限りシンプルにすること」です。

以前、ハットリ氏は複雑な丸物部品を素材から加工するのに最低3台の機械が必要でした。材料を切断する帯鋸、旋盤、フライス盤・穴あけ用のマシニングセンタです。現在では、1台のマシンがこれらすべての作業を行い、未加工のバー材から完成品までを自動で加工し、多数のセットアップを1つに置き換えています。

「古いやり方を擁護する人は、フィッシングリールの加工を試したことがないだろう」とハットリ氏は言います。実際、地元のスポーツ用品メーカーからフィッシングリール部品の依頼があったとき、当初は断りました。当時は部品が複雑すぎて採算が合わなかったからです。直径3.25インチのリールは、素材の90%を削り出すアルミニウム製で、厚さ0.1インチ未満の反りやすい2つのフランジが、それほど厚くない中空のコアで接続されています。

この部品はあらゆる方向からアプローチする必要があります。各フランジには直径0.45インチの軽量化穴が12個ずつ。コアの外周にも12個の楕円形軽量化スロット。さらに片面にはカウンターボアがあり、フィッシングロッドのラチェット機構用の36個のセレーションと、直径公差0.0002インチのプレスフィットベアリング穴があります。

「この複雑な形状が問題の半分に過ぎません」とハットリ氏。「残り半分はロットサイズです。複雑な治具を使ってマシニングセンタとCNC旋盤で加工することもできましたが、多額のセットアップコストがかかり、ロットがしばしば100個程度では償却できませんでした。」

ハットリ氏はプロトタイプを加工しましたが、最初は量産入札を見送りました。しかしその後、プロセスを刷新したことで、この部品は従業員10名の同社にとって主要な収益源となりました。

ワンストップ加工

ハットリ氏の工夫の成果は、すべての旋削、フライス、穴あけを1台のマシン、マザック「スーパー・クイック・ターン」（SQT）15MS-Y CNCターニングセンタで行うプロセスです。このマシンは、フライス用の回転工具、裏面加工用の対向第2スピンドル、ストローク4インチのプログラマブルY軸を備えています。このY軸機能により、ワークを主軸または副主軸にチャッキングしたまま、オフセンターのフライス加工が可能です。

2つのスピンドル間の自動的な連携ハンドオフにより、人の介入なしでワークのあらゆる面に到達できます。すべての旋削、フライス、穴あけを「ワークを離さずに」行うため、重要なワーク位置基準が加工全体を通じて維持されます。

ワークブランクはマザック・カットフィーダーで供給されます。フライス・穴あけ機能がマシニングセンタを不要にしたように、カットフィーダーは帯鋸をプロセスから排除し、連続する部品サイクル間の遅延をわずか数秒に短縮します。カットフィーダーはバー材を送るだけでなく、0.60〜5.11インチの長さに切断します。この切断はSQTが現在の部品を加工している間に実行され、旋盤が次のサイクルの準備ができ次第、新しいワークをチャックを通してロードします。

自動フィーダーはセットアップ時間を最小化します。フィッシングリール用の直径3.25インチバーを最大5本ストックし、回転させずに送り出し・切断します。従来のバー送り方式とは異なり、カットフィーダーはバーを固定し、切断工具をバー材の周りで回転させながら徐々に送り込んで切断を完了させます。バーが回転しないため、丸くするための事前加工は不要です（角材や六角材でも可）。したがって、ハットリ氏はバーをフィーダーに投入するだけで、ターニングセンタが自動的に完成品に仕上げます。最終的なバリ取りのみがマシン外で行われます。

加工プロセスは20回の工具交換を伴いますが無人で運転可能なため、ハットリ氏はしばしば無人運転を行い、12フィートのバー1本から90個のリールを得ています。

想像力への投資収益

リールは8分ごとに1個のペースでターニングセンタから排出されます。マシンの高速主軸（主・副ともに5,000 rpm、回転工具3,000 rpm）を活用していますが、ハットリ氏はサイクルタイムが短い主な理由を創造的なプログラミングに求めています。元航空宇宙R&D企業の加工スペシャリストだった彼は、雇用主が倒産した後、独自の複雑なCNC加工戦略を追求するために10年前に開業しました。

「マルチタスキング旋盤は、プログラマーの想像力に対して、これまで使ったどのマシンよりも大きなリターンをもたらします」と彼は言います。「1台にこれほど多くの選択肢があるため、あらゆる形状を生み出す別の、そしてしばしばより良い方法が常に存在します。」

例えば、アルミ製リールの薄いフランジを高速で旋削してもたわまない、型破りな方法を見つけました。片面のすべての形状をメインチャックで加工した後、プログラムは第1チャックの把握を維持したまま第2チャックで把握させます。このように両側から把持することで、たわみ問題を解消します。2つのスピンドルがユニゾンで回転する中、2つのフランジ間の金属をまるで幅0.75インチの単一溝のように一気に削り出します。

Y軸機能はラチェットセレーションの加工に使用されます。従来の旋削フライス複合機ではスピンドルをインデックスして各切り欠きを加工しますが、ハットリ氏はメインスピンドルでワークを固定し、タレットをX-Y補間でセレーションからセレーションへ移動させます。タレットの移動はインデックスよりわずかに速いだけですが、36個のセレーションで乗算すると生産性向上は顕著です。

他のケースでは、Y軸は従来の3軸（X、Y、C）旋削フライス複合機で加工可能な形状を生み出します。例として、ロボット組立システムのタイミング機構用4340鋼ラチェットホイールがあります。直径3.25インチ、厚さ3/16インチのディスクに幅広の一体型ハブ、周囲に12枚の歯を持つノコギリ刃のような形状です。Y軸でブレード外周に12個の平面を加工します。「各平面は単純な切削です」とハットリ氏。「以前はマシニングセンタが必要でしたが、今ではワンチャッキングで完結するため、100個のロットで3時間短縮できました。」

3軸補間

この部品もセレーションに難しさがあります。地元の医療機器メーカー向けに、心臓電気マッピングカテーテルの制御ユニット用直径2インチのサポートを製造しています。制御ユニットを様々な姿勢で保持するヒンジジョイントの半分で、中心線に沿った長い平面があり、上部の半分が削り取られています。この平面はジョイントの2つの半分が接する面で、ピボット用の穴があります。このピボットを中心に30個のノコギリ歯状セレーションが対称的な放射状パターンを形成し、ヒンジのもう半分の類似パターンと噛み合います。

「2つの直線軸ではこの形状を加工できません。3軸必要です」とハットリ氏。「セレーションの山は同一平面上にありますが、工具パスはそうではありません。2つのセレーション間の谷の角度に合わせた特注エンドミルを使いますが、それでも2軸工具パスでは正しい形状になりません。ハブから離れるにつれて2回の切削間のスペースが厚くなるため、扇形の山になってしまうからです。」

この問題を解決するため、ハットリ氏は3軸補間で各切削を行います。特注工具の直径は、外周での山間距離とほぼ同じです。したがって、ハブ（工具が先端のみで切削）から開始し、XとZでパターンの半径方向に外側へ移動しながらY軸で工具を送り込みます。これにより、加工されたセレーションは外周でもハブと同じ山厚を持ち、1パスで加工されます。このサポートヒンジ部品もバー材からの一体加工で、総サイクルタイムは約12分/個です。

フィッシングリールとは異なり、サポートヒンジはマルチプロセッシングターニングセンタ購入前からハットリ氏の定常仕事でした。元々はCNC旋盤と立形マシニングセンタで加工していました。丸テーパーを出すために旋削を先に行っていました。「滑らかなプロファイルのため、立形マシニングセンタでのセットアップに時間がかかりました」とハットリ氏。「バイスが使えないため、専用治具にボルト固定する必要がありました。」

今ではその問題は解消されました。ターニングセンタのチャックが旋削とフライスの両方でワークを保持するからです。「SQTでのフライス加工時間はマシニングセンタと同じですが、今では誰もワークをボルト固定・解除する必要がありません」とハットリ氏。「大きな違いです。この1点だけで、ヒンジ部品のサイクルタイムを30%以上短縮できました。」