加工技術に革命を：精度と柔軟性を両立する革新的な「マルチセンター」

金属加工製造に携わる誰もが痛感しているように、専用加工技術とフレキシブル加工技術の戦いは、世界中の機械加工現場で繰り広げられ続けています。ハイミックス・ローボリューム生産が金属加工製造に流入してくることは明らかで、おそらく不可逆的です。これは加工オペレーションのあらゆる側面に浸透しているようです。

これらの一般的な用語、ハイミックス・ローボリュームは相対的なものです。例えば金型ショップでは、ロット数5個が「大量生産」と見なされるかもしれません。一方、Tier 2サプライヤーでは50万個以上が「大量生産」かもしれません。そして相対的に言えば、過去数十年の全体的な製造トレンドに基づき、以前は100万個だった生産を50万個に調整したTier 2サプライヤーにとって、今日では同じ「大量生産」が5,000個程度かもしれません。相対的なものなのです。

今日の製造需要の現実を反映して生産を最適化できる資本設備を探す中で、選択肢となる工作機械構成は数多くあります。ここで紹介する設計の一つが「マルチセンター」と呼ばれるもので、ハイミックス・フレキシブル生産と大量・専用加工能力の間を橋渡しするようなものとして開発されました。

変形するロータリートランスファー

マルチセンターのコンセプトについて詳しく知るため、イタリア・ブレシア拠点のポルタ・ソリューションズの2代目オーナー、マウリツィオ・ポルタ氏にお話を伺いました。北米本部はコネチカット州ニューワシントンにあります。1958年に父オスカル氏によって設立された同社は、様々な用途向けの特殊工作機械の製造から始まり、専用生産とフレキシブル生産の要求の変化を見てきました。

「元々、私たちはロータリートランスファー工作機械を製造していました」とポルタ氏は言います。「これらのマシンは、部品が王様であり、その生産を最適化するための専用工具を作ることがゲームのルールだった時代を反映しています。」

従来のロータリートランスファー技術では、ショップがジョブを受注すると、その部品を中心に生産システムを設計しました。一部のジョブは数年間ほぼ変更なしで稼働し続けることもありました。しかし製品ライフサイクルが短くなるにつれ、専用生産マシンは多くの用途でコスト正当化が困難になりました。主な理由は、新しいジョブ向けにリツーリングするのが困難で高価で、通常は労力に見合わないからです。

2005年、ポルタ社は特定部品向けに設計された専用加工技術と、部品ミックスの変化に合わせて容易にリツーリングできるマシニングセンタプラットフォームを橋渡しするソリューションとして、マルチセンターを発表しました。

4ステーションのカルーセルを中心に、最も一般的な構成では3つの横形マシニングセンタ（HMC）モジュールを備えます。ワークテーブルの第4ステーションは、有人または自動のロード/アンロードステーションです。

各HMCモジュールは、各ステーションで3軸または真の4軸加工が可能です。マシニングセンタモジュールは進行的に動作しますが、独立して制御されます。1つの部品、複数操作の1部品、または複数の異なる部品を同時に生産できます。4つの異なる部品すべてが、ロード/アンロードステーションに戻る前に3つすべてのスピンドルで加工されます。

3つのスピンドルにより、必要に応じて加工操作を変化させられ、マシンの柔軟性を高めます。4ステーションのパレットキャリアの1回転で、完成品1個、完成品4個、またはそれらのバリエーションを生産できます。ただし、ポルタ氏によると、ほとんどのアプリケーションでは進行的な加工シーケンスを使用しています。

ポルタ氏は、あるアプリケーションで顧客がマルチセンターの1サイクルで3つの異なる部品を生産した事例を語ります。「これらの部品はアセンブリに組み込まれるため、マシンの1サイクルで完全な部品セットが生産されました」とポルタ氏。「加工後、部品は組み立てられ顧客へ出荷されました。非常に効率的なアプリケーションでした。」

マルチセンターとHMCの比較

HMCは、ハイミックス・ローボリュームワークを扱うショップで投資が増加しつつあります。固有の柔軟性があり、パレットシャトルシステムを使用してワークの搬入・搬出を容易に自動化できます。さらに、横形設計の切削工具容量は、最大の競合である立形マシニングセンタ（VMC）より優れています。

Production Machining誌の社内市場調査部門、ガードナー・インテリジェンスによる調査では、HMC購入予測が2017年比で85%大幅に増加しています。

しかしポルタ氏は、ワークピースの複雑さと生産量が1台以上のHMCを要求する場合、マルチセンターがそのニッチを見出すと指摘します。「これは、特殊専用機の超大量生産と、柔軟性を持つHMCのローボリュームの間の橋渡しです」と氏。「マルチセンターはこの2つの機械クラスの間に位置し、標準工作機械であるため、リードタイムがはるかに短いのです。」

このマシンは10インチ（約254mm）ワークキューブ向けに設計されていますが、より大きな部品にも対応できるスケーラブルな設計です。3つのマシニングセンタそれぞれに専用のツールチェンジャーがあり、標準で各12工具容量。必要であれば各最大40工具まで拡張可能です。各マシンスピンドルは工具先端で3軸を持ち、各ワークテーブルに第4の回転軸があります。すべての軸はマシンのFANUCまたはシーメンスCNCで制御されます。

コンパクトなフットプリント、少ない電力

マルチセンターの設計上の利点は、生産数を達成するために3〜4台のHMCが必要な典型的な顧客が、それらを単一プラットフォームで実現できることだとポルタ氏は言います。運転がより容易で、消費電力が少なく、床面積も少なくて済みます。

付帯する搬入・搬出エリアを含むHMCの床面積は無視できません。「それを3倍にすると、かなり大きくなります」とポルタ氏。「マルチセンターは本質的に3台のHMCを単一プラットフォームに統合しているため、わずか87平方メートルで済みます。付帯自動化を含む典型的な3台のHMCなら240平方メートル必要だと計算しています。」

マルチセンターは、同等生産量で3台のスタンドアロン横形マシニングセンタと比較して50%のエネルギー消費削減を実現するとポルタ氏。マルチセンター51kWh対3台のマシニングセンタ120kWhという消費数値を示しています。

これらの数値は、冗長な付属装置の削減によって正当化されると氏。例えば、3台のマシニングセンタは3つの自動化システム、3台のチップコンベア、3台のパレットチェンジャーを駆動します。さらに、3台対1プラットフォームではメンテナンスも増大します。

二つのターゲット顧客層

ポルタ氏によると、マルチセンターには二つのターゲット顧客層があります。同社が高量専用機械で築かれた歴史を持つため、マルチセンターは量産センターとして設計されています。

「一部のお客様は、特殊機のようにマルチセンターを単一部品専用にしています」とポルタ氏。「これらのショップでは、自動車量産レベルで、年間70万〜100万個を製造しているケースもあります。3つのマシニングセンタを1プラットフォームに統合した固有のメリット（床面積削減、エネルギー削減、労働力削減によるコスト減）は、これらの用途でも適用されます。」

マルチセンターが特殊機の系譜と異なるのは、ローボリューム用途でもコスト競争力を発揮できる点です。「一部のお客様は、ハイボリュームではなくハイミックスの生産オーダーをマルチセンターで履行しています」とポルタ氏。

この第二のターゲットグループでは、500〜5,000個のバッチが典型的です。これらのショップは一般的に在庫用ではなく、「スポット」オーダーを履行するために部品を作ります。

これらのショップは、受注に応じてマルチセンターの能力を活用します。これらのジョブショップのマシンは、専用生産ではなくフレキシブル生産向けにツーリングされています。

クイックチェンジ・ワークホールディング

マルチセンターの構造はHMCとかなり異なります。マシンベースは、ポルタ氏が「クローズドボックス構造」と表現する溶接構造物です。ボックス内部に、加工パレットを載せた4ステーション回転テーブルがあります。ボックスの3面にマシニングセンタモジュールがあり、それぞれ独自のリニアガイドウェイを持ちます。第4の壁は開口しており、ロード/アンロードステーションがワークゾーンにアクセスできます。

マルチセンターの開発において、ポルタ社はワークホールディングシステムをフレキシブルに設計しました。マシンの3つのパレットそれぞれにレシーバーが取り付けられ、パレットによって位置決め用にインデックス、またはB軸で連続的に輪郭加工用にインデックスできます。レシーバーは標準化され、パレット上に固定されたままです。

特定ワークピース用のクランプがレシーバーに取り付けられ、CNCと油圧で開閉し、油圧は制御装置によって常時監視されます。チェンジオーバーは、レシーバー上のクランプを単純に交換するだけで完了します。これにより、チェンジオーバータイム30秒を実現します。

ワークピースの第5面へのアクセスのため、治具は90度インデックスしてその面をスピンドルに露出させるように設計されています。この操作は通常スピンドル3で行われますが、必要であればすべてのスピンドルで可能です。治具はまた、単点旋削で部品を仕上げる必要がある場合のU軸オプションにも対応できます。

プログラムの実行

3スピンドル・マルチセンターのプログラミングは比較的シンプルです。各マシニングセンタモジュールがFANUCまたはシーメンス制御装置で独自のページを持つため、プログラミングは基本的にB軸付き3軸マシンを1台ずつプログラミングするのと同じです。プログラミングはスピンドル1から2、3へと進行します。

実質的に3つの別々のプログラムが同時に実行されますが、別個の同期制御は不要です。ポルタ社が使用する両CNCブランドとも、制御装置のバックグラウンドでプログラムの同期を処理します。

マシンに3つのスピンドルがあり、通常は順次操作を実行するため、デッドタイムを排除するためのサイクルタイムバランシングが重要です。ポルタ社はマイクロソフトと共同で、「エナジー・キャラクタリゼーション」と呼ばれるソフトウェアパッケージを開発しました。

スピンドルモーターの消費電力を読み取り、軽切削では電力を減らし、より多くの電力を使っているスピンドルへ回生ブレーキを通じて転送します。その結果、消費電力が最適化されます。

ポルタ社はインダストリー4.0接続機能と互換性があります。一部の開発プログラムは比較的高度です。生産が100万個であれ500個であれ、利用可能な情報はあらゆるメーカーにとって価値があります。データは切りくずと並ぶ、金属加工製造における通貨となっています。