五軸加工：精度を実現する 10 の重要自動化要素

Phoenix Proto の新しい五軸マシン（6 ステーションパレットプールとパレットロードシステム搭載）そして同様に装備された三軸マシンの 1 台を観察すれば、自動化が素人眼にも明らかです。しかし、ショップの五軸プロセスを構成する、より微妙だが重要な自動化要素が他にもあります。実はこれらの要素こそが、アルミニウム金型部品に要求される公差と表面仕上げを繰り返し達成しながら、加工精度とスループットに悪影響を与える固有の変数を、最小限の、あるいはゼロの人的介入で補正し続けることを可能にしています。

このスループットのポイントが重要です。ミシガン州センタービルのこのショップの目標は、組立済みアルミ金型を 3 週間以内に顧客へ納品することであり、高品質な機械加工工具部品の迅速なターンアラウンドが不可欠だからです。

社長のボブ・ラモン氏によれば、アルミニウムはプロトタイプおよび「ブリッジ」金型（新製品のプラスチック射出成形を、鋼製量産金型完成までの間一時的に可能にする金型）の製造に広く使われ続けています。しかし、従来の鋼製金型に代わる量産用アルミ金型への関心が高まっていると感じています。

「射出成形部品の形状と樹脂によりますが、無コートアルミ金型でも 5 万ショットは可能です」とラモン氏は説明します。「場合によってはこれで量産需要を賄えます。しかし、当社が使用するニボア硬質ニッケルコーティングプロセスなどの技術でアルミ金型を 54 HRC まで硬化させれば、非研磨性樹脂で 100 万ショット以上、研磨性ガラス入り樹脂でも 25 万ショット程度が可能になります。」

同ショップが製造する金型の用途は、家電、自動車、民生、医療、火器など多岐にわたります。これにより、短納期で対応しなければならない金型サイズ、形状、幾何学のハイミックスが発生します。ラモン氏は、最も複雑な金型部品について、長時間の無人／ライツアウト生産を実現するため、高速五軸加工プロセスを自動化するのが自然な解決策だと考えました。最近のミシガン工場訪問で、これが実現されていることを確認しました。

自動化の追加要素

Phoenix Proto には高速マシン 3 台と従来型 CNC マシン 3 台があります。最初に導入した自動化マシニングセンターは、2012 年購入の Roeders RXP500 三軸マシンです。この 42,000 rpm リニアモーターマシンは、6 ステーションパレットプールを備えた RCE 1 パレットチェンジシステムを搭載。現在は主に金型ベースやキャビティブロックなどの部品加工に使用されています。

現在、金型キャビティとコアのほぼすべての加工は、より大型の RCE 2 パレットチェンジシステムを備えた新しい五軸 Roeders RXP601DSH で行われています。これが同ショップ初（現時点では唯一）の五軸マシンで、2016 年初頭に導入されました。高速三軸 Roeders と同様、42,000 rpm 主軸と 1 ナノメートル分解能のリニアモータードライブを備えます。リニアモーターは高速移動の鍵で、早送り速度 2,362 ipm を実現。ボールネジより摩擦が少なく、消費電力も低減します。

21.3×25×15.7 インチの加工エンベロープ、最大ワーク重量 440 ポンドの五軸マシンは、A 軸スイング ±115 度のトunnion 型設計を採用。もう一つの回転運動は、トunnion 上の C 軸プラッターが提供。Roeders of America 社長のマット・バイヤーズ氏によれば、主軸に回転軸動作を持たせないこのトunnion 設計は、代替五軸プラットフォームより剛性が高く、重切削を可能にする傾向があります。また、ワークの低重心により慣性力が低く抑えられ、高速動作時の傾きや倒れ込みを抑制します。

バイヤーズ氏はまた、このマシンの独自制御技術が、Phoenix Proto が行うタイプの高速フライス加工に利点をもたらすと考えています。効果的な高速フライスを実現するための重要な 2 パラメータは、ルックアヘッドとブロック処理速度です。このマシンの PC ベース RMS6 CNC は、10,000 ブロックのルックアヘッドと 0.1 ミリ秒のブロック処理速度を提供します。

高速加工技術を用いたマシンの高速サイクルタイムによる高スループットは、このプロセスに組み込まれたすべての自動化要素によって補完されます。訪問中に気づいた 10 の自動化要素を紹介します：

1. ローディングシステムとパレットプール

五軸マシンの RCE 2 自動パレットチェンジシステムには 6 ステーションパレットプールがありますが、ショップでは 1 パレットに複数部品を固定することもあります。各パレットは 23.6 × 15.7 インチ。

Phoenix Proto の要請で、ローディングシステムのグリッパーが改良されました。元々はパレットエッジからワークがはみ出せませんでした。グリッパーをパレット底面から把持するよう改良したことで、より大きなワークをロード可能に。今ではワークサイズはマシン能力のみで制限され、ローダーでは制限されません。

Roeders のジョブ管理ソフトウェアでジョブをスケジュール・管理。長時間ジョブを夜間・週末に割り当て、現在は週 5 日 1 交代 12 時間運転。あるいは、十分な短時間ジョブをセットアップしてマシンを自律稼働させます。

2. マシン

五軸加工自体が自動化の一形態です。五軸プロセスには輪郭加工とポジショニング（いわゆる「3+2」）の 2 タイプがあります。Phoenix Proto はこのマシンで 75% の時間を 3+2 ポジショニングに費やします。ここでは、2 つの追加回転軸でワークを角度傾け、その位置でロックした後、その姿勢で三軸加工を行います。利点の一つは、1 回の段取りで部品の 5 面に工具がアクセスできること。これによりセットアップ数、部品が通過するマシン数、結果として生産中に部品が「タッチ」される回数を最小化できます（これが「自動化」です）。

3+2 の部品傾斜機能により、工具が部品の深部まで到達し、深リブなどの厄介な金型形状を創れます。場合によっては、二次的なシンカー EDM 工程と、電極加工の必要性を排除できます。使用するシュリンクフィットホルダーはコレットタイプより小径で、追加のクリアランスを提供します。

3+2 では、より短く剛性の高いカッターが使用可能。長い工具が必要な場合に起こりうる振動やチャタリングのリスクを抑えつつ、より高速でアグレッシブな切削が可能です。振動とチャタリングは表面仕上げを悪化させ、Phoenix Proto の場合、金型部品の手作業ベンチワークや二次 EDM 加工を招き、全体の生産時間を延ばします。また、ボールエンドミルの工具寿命も向上します。部品を様々な角度で傾けることで、工具半径のより多くの部分（先端だけでなく）が使用されるからです。回転速度がゼロである先端以外の半径部分で加工することは、より良い表面仕上げにもつながります。

3. タッチトリガープロービング

新しい部品がマシンにロードされると、タッチトリガープローブによる自動プロービングルーチンが、部品または治具上の複数点の位置を特定し、部品のマシン上での正確な位置を確立します。マシンの CNC がネイティブワーク座標系を自動的に調整し、これに合わせます。これにより、手動シミング、部品のこじつけ位置合わせ、マシン座標系と完全一致させるための時間のかかる作業が不要になります。

4. 自動キャリブレーションサイクル

五軸マシンにはベース、レール、キャリッジなどに様々な冷却チャネルがあり、内部発熱による熱膨張を防いでいます。しかし、ショップ内の周囲温度変動（朝から夕方への変化など）に適応するため、タッチトリガープローブを使用した自動キャリブレーションサイクルを実行できます。

Roeders のキャリブレーションサイクルは、他の工作機械メーカーのプロセスとは異なるとバイヤーズ氏は説明します。一般的なサイクルでは、マシンに載っているパレットを取り出し、工具球を持つ別のパレットと交換する必要があります。この球をプロービングして、周囲温度変化による位置ズレ量を測定します。一方、Roeders のサイクルでは、ワーク付きの既存パレットを取り出す必要がありません。マシンのトunnion アーム鋳造部と C 軸モーター鋳造部に精密研磨プリズムがあり、これらをプロービングして位置変化を検出し、必要なら自動補正します。Phoenix Proto はこのキャリブレーションルーチンを月 1 回実施し、問題が見つかった時や重要な仕上げパス前にも実施することがあります。

5. 主軸成長補正

バイヤーズ氏によれば、一部の工作機械メーカーは出荷前に各マシンについて、異なる回転数と稼働時間での主軸伸び量を近似するアルゴリズムを作成します。しかし、顧客が日々マシンをどう使うか、すべてのバリエーションを考慮することは本質的に不可能です。Phoenix Proto の五軸マシンには、主軸伸び（または縮み）にリアルタイムで適応するオプションの自動主軸補正システムがあります。このシステムは、主軸フェイス近くに配置された L 字アームに取り付けられた非接触センサーを使用します。ナノメートル分解能のセンサーが、運転中の主軸伸び縮み量を検出し、その情報を CNC にフィードバックして Z 軸を上下調整し補正します。これは特に五軸加工で重要です。部品が傾いているとき、主軸成長は Z 軸だけでなく 3 つの直線軸すべての工具先端位置に影響するからです。自動補正は、良好で一貫した表面仕上げとブレンドを確保するのに役立ちます。

6. マシン上レーザー工具セッティング

各工具交換後、新しい工具の長さと径が、マシン上の Blum レーザー工具セッティングプローブで自動測定されます。（レーザープローブとタッチプローブのキャリブレーション用工具球は、工具交換装置内にあり、チップとクーラントから保護されています。）ショップは各工具の径に許容バンドを指定します。プローブが工具径の許容外を検出すると、その工具での加工を許可しません。例えば、0.250 インチボールエンドミルが ±0.0002 インチ以上のズレなら使用されません。これは工具長にも適用されます。

これに先立ち、レーザーは交換前の工具が折損していないか判定します。折損していた場合でも、パレットプールにキューイングされている後続ジョブでその工具が予定されているなら、それらのジョブを止めません。「例えば ATC ポジション 5 の工具が折損していると検出されたら、その工具を使っていた部品を取り出し、次の予定ジョブをロードして、そのジョブをポジション 5 の工具が使われる段階まで実行します」と、ラモン氏の息子スコット氏（同社運営ディレクター、五軸マシンのプログラミング・セットアップ担当 2 名の 1 人）は説明します。「その後、その部品を取り出し、キューの次のジョブへ移ります。このプロセスはロード済みの各ジョブで継続されます。」

7. クーラントノズル自動調整

手動位置決めが必要な従来のフレキシブルクーラントノズルだけでなく、五軸マシンには、工具長に関わらずクーラント流を切削点へ自動的に向けるクーラント供給システムがあります。ノズル方向は、スピンドルに装着される次の工具の既知の長さに基づき、M コードで調整されます。

8. オートチルトプログラミング機能

Phoenix Proto のエンジニアリングマネージャーで、五軸マシンのプログラミング・セットアップも担当するクリス・クラー氏によれば、2010 年に同社は従来の CAD/CAM ソフトウェアと Cimatron ソフトウェアのタイムスタディを比較しました。「他ソフト比 30% のプログラミング時間短縮が判明し、Cimatron へ切り替えました」とクラー氏。「評価している時間短縮機能の一つが五軸オートチルト機能です。マシン構成要素、ワーク、治具、工具すべてがソフト内で 3D モデリングされているため、オートチルト機能がカッターまたは工具ホルダーが部品に干渉する深さを判断し、自動的に部品を傾けて干渉を回避し、加工を継続させます。」また、これら 3D モデルを用いて、プログラマーがオフラインシミュレーションで潜在的な衝突を検出することも可能です。

9. 構文チェック

プログラマーが Cimatron で各プログラムのオフラインシミュレーションを実行するほか、Roeders 制御装置の構文チェック機能も使用し、プログラムとポストプロセッサを自動的に校正し、ジョブがスケジュールされる前にエラーを特定します。

10. プログラム再開

プログラムの途中でマシンを停止する必要がある場合、プログラマーが投稿済みプログラムに手動で入り、マシンが停止した行番号を探し、その上のコードをすべて削除して、中断位置から適切に再開させる必要はありません。Roeders 制御装置では、オペレータがコマンドファイルに行番号を入力するだけで、プログラムを自動的に読み取り、そこから再開します。

自動化による安心感

Phoenix Proto の無人加工戦略には相応の思考が注がれましたが、予期せぬ事態は起こり得ると認識しています。そのため、三軸と五軸の両 Roeders マシンは、エラーメッセージ付きのテキストまたはメールアラートを送信するよう設定されています。また、オンライン「Team Viewer」ソフトウェアでマシンの制御装置にリモートログインし、Roeders のサービス技術者と同様にリモート診断が可能です（ドライブチューニングもこのソフトでリモート実行可能とバイヤーズ氏）。

それでも、ショップにはもう一つ選択肢があります。2 台の Roeders マシンの間に天井からカメラを吊り下げ、プログラマーがスマホからアクセスして現場を確認できます（ページトップのスライドショー写真参照）。カメラをパン・ズームして、マシンやその CNC 画面を確認し、現在稼働中のジョブのステータスを視覚と聴覚で把握できます。「今は忙しいので、夜中に特定の時間にスマホでチェックします。マシンが止まるとスケジュールが大きく狂うからです」とクラー氏。「まるでマシンの前に立っているのと同じです。」