精密丸物部品に対応するエキスパート金型・ダイショップ

製造業の多くのジョブショップにとって、金型・ダイワークは通常、非対称な部品の製造を指します。板金部品は様々な形状があり、射出成形プラスチック部品は電話機からコンピュータキャビネットまで多岐にわたります。

しかし、金型・ダイ製造の世界には、丸い部品が非常に多く存在します。キャップ、シール、ガスケットなどは、丸い金型・ダイコンポーネントを必要とする部品のほんの一部です。

非対称部品の金型キャビティとダイセットの加工については多くのことが書かれてきました。この記事では、丸い金属・プラスチック部品を生産する多数の金型・ダイコンポーネントの製造に適用されるハードターニングに焦点を当てます。

この製造ニッチについて知るため、Reliance Tool and Manufacturing（イリノイ州エルジン）を訪問しました。50年の歴史を持つジョブショップで、ハードターニングの専門性を確立し、丸い製品を生産する金型コンポーネントとダイセットの製造に活用しています。

プラントマネージャーのデール・シュライバー氏に話を聞き、Relianceがハードターニングからどのように恩恵を受けているかを探りました。

順送型と複合型ダイ

ダイセットには多数のコンポーネントが組み込まれます。これらはしばしばダイプレートの上部と下部に取り付けられる個別の部品です。この設計により、ダイセット全体ではなく、個々のコンポーネントで調整が可能です。

順送型ダイでは、板金コイルがダイセットの上半分と下半分の間に供給されます。プレスが閉じるたびに、プレスの仕上げ端で完成部品が排出されます。

順送型ダイには、完全なスタンピングを生成するために、2、4、あるいは16の異なるステーションがある場合があります。プレスが1ストロークを完了すると、コイルが1つのダイステーションから次のステーションへ送られます。一部のダイセットは、平らな形状を順送でスタンピングし、その後スタンピングを3D部品に折り曲げるように設計されています。これらはすべて1台のプレス、1つの順送型ダイで行われます。

複合型ダイは、プレスの1ストロークで完全なスタンピングを作成する点で順送型と異なります。複合型ダイは、成形、穴あけ、成形をプレスの1回のヒットで行います。

順送型ダイと同様に、複合型ダイも上下のプレートに取り付けられたコンポーネントから作られます。Relianceが製造・組立てるのはこれらのコンポーネントです。ほとんどの顧客向けには、これらのコンポーネントは丸い形状です。

なぜハードターニングなのか

約6年前、Relianceはハードターニングの実験を開始しました。従来の研削作業を補完し、より柔軟で、より多くの部品をショップに流せるプロセスを導入するのが目的でした。

ハードターニング導入前、Relianceはダイセットと金型コンポーネントを従来の方法で製造していました。荒旋削で研削代を残し、熱処理してから仕上げ研削を行っていました。

どのジョブショップと同様、より速く部品を納入する圧力が、代替技術の探求を駆動しています。Relianceが新しい製造方法を検討する際に課した唯一の条件は、研削で作られたものと同等かそれ以上の品質の部品を顧客に提供することでした。

「最初は試行錯誤でハードターニングに取り組みました」とRelianceでハードターニングプロセスを開発したジェフ・スタイス氏。「一部のアプリケーションでは、研削に対する利点がすぐに明らかになりました。」

ハードターニング対象の作業の多くは公差0.0005インチが要求されます。しかし、R0.005インチという微小なRと、テーパーをRにブレンドする必要がある場合、単一ポイント旋削は研削に比べて明確な利点があります。ドラフト角と部品形状に必要なテーパー（内径・外径両方）も、ターニングセンタで容易に生成できます。

「微小なRを維持したり、研削砥石でテーパーを生成したりするには、頻繁なドレッシングが必要で、生産プロセスが遅くなります」とシュライバー氏。「最後の数千分の1インチを仕上げ研削するのも時間がかかります。仕上げ砥石の細かい砥粒が荒砥石より速く目詰まりし、切削速度を制限するからです。」

学んだこと

成功するハードターニングの鍵は、軟らかい状態での旋削（ソフトターニング）から始まります。硬化ワークで一貫した表面仕上げと寸法精度を達成するには、熱処理前の荒旋削で適切な量の代を残すことが必要です。

薄肉部などの幾何学的特徴は、熱処理でわずかに歪む傾向があるため、ハードターニング用により多くの代を残す必要があります。薄肉部を厚めにして、熱処理による寸法変化を吸収できるだけの代を確保するのが狙いです。

「熱処理業者は歪みを最小限に抑える良い仕事をしてくれます」とシュライバー氏。「薄肉断面ワークにはセラミックプレートを使用し、他の技術で寸法変化を制御しています。熱処理出荷前にラックに載せて一貫性を制御することもしています。」

ハードターニング用の代を一定に保つことは、工具摩耗の観点から重要です。一般的にハードターニングプロセスは2ステップです：1回以上の荒取りパスに続いて仕上げパス。荒取りパスで除去代を最小限に抑えると生産時間の節約になりますが、より重要なのは荒取り用ハードターニング工具の寿命を延ばせることです。「荒取りハードターニング工具の摩耗は、最終パスの表面仕上げと寸法に影響します」とスタイス氏。

Relianceの選択工具はCBN（立方晶窒化ホウ素）です。極めて短いロットや断続切削にはセラミックを使用しますが、大量生産ではCBNほど摩耗しません。

「CBNは汎用性が高いです」とスタイス氏。しかし、インサート選択は制約要因です。「インサートを設計し、工具サプライヤーに特注してもらっています。既存インサートを再加工して必要な形状を作ることもあります」とスタイス氏。「CBN用のインサート形状と幾何学のバリエーションはまだ十分ではありませんが、改善されつつあります。」

工具鋼の切削

Relianceで使用される材料の多くは、48〜64 HRCに硬化したA-3とD-2工具鋼です。CBNインサートカッターはこれらのハードターニング用途で良好に機能します。

CBNはダイヤモンドに次ぐ硬度ですが、CBN製インサートは脆い場合があります。一部の旋削プロセスは、この脆さを考慮して従来とは異なる修正が必要です。

一般的に、CBNインサートはプレフォームされたCBNエッジをろう付けやその他の方法で超硬基材に接合して作られます。この接合部がカッターの弱点になりがちです。

金型・ダイコンポーネントには高い寸法精度と優れた表面仕上げが求められます。ハードターニングでこれらを達成するため、スタイス氏はいくつかのガイドラインを開発しました。

「外径または内径の肩部への切削方向は、深さと壁面仕上げの厳しい公差が要求される場合に影響します」と氏。「内径または外径から面に切り込むのではなく、まず壁面を面取り方向に切削して余分な材料を除去します。仕上げパス用に0.0005〜0.0010インチの代を残します。

「荒取りパスが完了し、大部分の代が除去された後、仕上げパスで壁面に切り込みます。残りの0.0010インチ以下の金属を除去すると、特に小さな先端角の工具形状を使用する場合、インサートへの工具圧力が低減されます」とスタイス氏。

内径加工では、インサートのセンターハイトが寸法と仕面を保持する上で重要な要素です。バーがたわむと切削刃が中心線より下がり、工具寿命低下と仕面不良を招きます。スタイス氏はハードターニングに超硬ソリッドボーリングバーを推奨します。「たわみ問題を軽減し、より深い加工能力を提供します」と氏。

温度とワークホールディングの考慮

ワークがハードターニングされる頃には、その価値は大幅に増しています。材料費、荒加工時間、熱処理費が積み上がっています。この段階でそのような部品をスクラップにすることは絶対に避けなければなりません。

スタイス氏がこれらの部品を加工する際、特にCBN使用時は工具を注意深く監視します。一部の用途はドライ切削可能ですが、加工プロセスからの高温によって悪影響を受けるものもあります。これを制御しながらワークゾーンをクリアに見るため、Relianceは工場エアまたはコールドエアガンを使用して部品温度を維持します。

ワークホールディングも、丸い金型・ダイコンポーネント製造の考慮事項です。真円度はこれらの部品の多くで重要な寸法であり、頻繁に非常に薄肉です。

「ターニングセンタにマウントされた油圧チャックで保持される6インチ手動3爪チャックを使用します」とスタイス氏。「手動チャックのソフトジョーは、マシン上で0.0005インチ以内の同心度でボーリングされます。」

検査技術

Relianceが行う金型・ダイコンポーネント作業の多くは、寸法精度と表面仕上げの検査が比較的容易です。ANSI/ASQC Q9001-1994およびISO 9000の認定に必要なすべての検査設備、文書化、トレーサビリティ技術を備えています。

しかし、一部のワークピースは測定が容易ではありません。Relianceは、内径やワークの到達困難な場所の隠れた形状を検証する興味深い技術を開発しました。

「内径・外径形状については、定期的に部品を半分に切断して形状を確認していました」とシュライバー氏。「今は歯科用材料（高粘度ビニルポリシロキサン）で形状の印象を採取します。その材料を光学コンパレーターで検査します。正しく行えば非常に精度が高く、うまく機能する技術です。」

ジョブショップ・パートナーシップ

Relianceは丸い金型・ダイコンポーネント製造で素晴らしい評判を築きました。「私たちの最良の顧客の多くは、丸物部品製造の専門知識を必要とする他の工具ショップです」とシュライバー氏。「特に研削が難しいアプリケーションが持ち込まれたとき。ハードターニングの利点を見て、多くの仕事を依頼されます。」

これをパートナーシップと呼んでも専門化と呼んでも、かつて競合と見なし合ったショップが協力して顧客に良い部品を届けています。これは今日の製造環境の現実を反映した、契約ショップ運営のトレンドです。

Relianceのようなショップは、その専門性を必要とする他のジョブショップに特化したサービスを提供します。同様に、Relianceが自社の能力を超えるプロセス問題に直面したとき、他のショップに助けを求めます。

ISO 9000技術などを用いたプロセス文書の標準化が、ショップ間のビジネスを助けます。プロセス文書を見れば、そのショップが約束通りのことができるかどうかがすぐにわかります。

結果

Relianceも、ほぼすべてのジョブショップと同様、顧客からリードタイム短縮の極めて強い圧力を受けています。この圧力は、製品ライフサイクルの短縮とこれら企業内の継続的改善プログラムによって生み出されています。

他社向けのダイセットと金型コンポーネント製造に加え、Relianceは社内で立派なプレス加工ビジネスを持っています。多数の自社スタンピングを製造しています。

「ハードターニングにより、顧客への納期を平均16〜18週間から6週間に短縮できました」とシュライバー氏。「また、旋削専門知識を持たない他の金型・ダイショップから、一部アプリケーションで研削よりハードターニングの利点を見て、仕事を獲得しています。

「自社のプレス加工は、実質的に新しいプロセスと技術のベータテストサイトになっています。顧客のアプリケーションに試す前に、自社で試します」とシュライバー氏は付け加えます。

Relianceにとって、ハードターニングは機能しているようです。売上は44%増、顧客基盤は拡大し、今後数年間で15〜20%の成長が予測されています。