大型部品加工に最適な横形マシニングセンタの性能を最大限に引き出す

多機能プラットフォームが最大効率で加工を処理

横形マシニングセンタ（HMC）は、汎用性の高い4軸、そしてますます5軸の機械プラットフォームとして、多面加工が必要な大型部品のワークハンドリングを最小限に抑えながら加工効率を最大化します。航空宇宙、自動車、発電、一般機械など多様な業界で採用されています。

ほぼ普遍的な生産能力を持つHMCは、製造業者に多くの選択肢を提供し、石油・ガスなど特定業界の景気循環の影響を受けにくい特性があります。HMCは自動化に適しており、通常ツインパレット（墓石取り付けワーク用、または単一ワーク用）を装備し、6パレット以上のパレットプールによる自動化も可能です。無人夜間運転（ライツアウト生産）には、ストッカー供給とレールガイド式オーバーヘッドガントリーロボットまたは据置型6軸ロボットによるタンディングを備えたリニアフレキシブル製造システムが利用できます。単一の大型ワークには、エンジンブロック、油田用ドリルビット、ポンプハウジング、マニフォールド、墓石取り付け部品ファミリーなどが含まれます。

大型部品にマシンをマッチング

大型部品の加工において、機械の剛性と基本構造は、プロセス効率、精度、一貫性にとって極めて重要だと、Kitamura USA Inc.のアシスタントセールスマネージャー、Sal Swierczek氏は語ります。

「キタムラのHXiGシリーズHMCは、テーブルサイズ250〜1250mm、8,000rpmまたは12,000rpmの4段ギア駆動スピンドルを備え、430〜900ft-lbのトルクで難削材の切削に対応します。これらのHMCは、キタムラの特許プロセスによりサブ4μm表面粗さに社内で誘導焼入れ・研削されたボックスウェイ上のオイル冷却デュアルボールネジを採用し、優れた摺合せ、精度、長期信頼性を実現。手掻き技術による職人技で、フルストローク±0.002mm、繰り返し精度±0.001mmの安定した精度を達成しています」

第一の考慮事項は、ワークが機械の作業包絡線に収まるかどうかです。テーブルに1個のワークを載せるか、スループット向上のため複数個を載せるかにかかわらず、Swierczek氏によると、「機械能力（全体サイズ含む）、スピンドル出力、剛性、工具本数、マガジンサイズ選択、工具テーパーとサイズ」が主要な選定基準となります。「キタムラの横形機は、標準で2ステーションAPC（自動パレットチェンジャー）を備え、現場でパレットプールによりパレット数を増やすオプションがあります」

Swierczek氏はさらに、「自動化対応は、熟練オペレーターの確保難や、無人加工に対応できる労働力不足という、現代の工場が直面する課題の一つに答えるものです」と付け加えます。

横形マシニングセンタは、部品加工における柔軟性を提供します。「3軸マシニングセンタと比較し、フル4軸マシニングセンタでは、ワークの裏返し回数を6回から2回に削減し、ワークハンドリングを最小限に抑えられます」とSwierczek氏。「4軸があることで、オペレーターは正面と両側からワークにアプローチし、最終仕上げのために再配置できます」

さらに、キタムラHMCは、工場のビジネス成長に合わせてフル5軸加工へ拡張可能です。キタムラ独自のアイコン駆動型CNC「Arumatik-Mi」を提供しており、FANUCプログラミングと互換性があります。Arumatik-Mi制御は、加工中のライブスピンドル負荷を監視することで工具摩耗を検知し、切削送り速度を自動制御。切削条件の変化に適応することで工具寿命を最大化し、サイクルタイムを大幅に短縮。非切削時間の削減、機械クラッシュおよび人為的エラーの防止といった追加メリットもあります。

大型部品向けマシン

大型部品加工向けに、Methods Machine Tools Inc.（マサチューセッツ州サドバリー）は、新潟とKIWA Japanの2つの横形マシニングセンタラインを提供しています。「KIWA Japanラインは、ジョブショップやTier1・Tier2自動車向けに、高速・高信頼性加工で知られています」と、オペレーション担当バイスプレジデントのDale Hedberg氏。「新潟ラインは、低周波加工と高金属除去率が求められる重切削用途向けに設計されています」

新潟ラインには、5軸のHN50E-5XとHN63E-5X、4軸のHN50〜HN1600、HN800〜HN1600-BAR、HN800とHN1000-FC面取り・輪郭加工機が含まれます。機械プラットフォームはテーブルサイズ500mm〜1,600mm。スピンドルテーパーはCAT-50 BIG Plus、HSK100A、スピンドルオプションは6,000、8,000、12,000、15,000rpmです。

「現在、横形マシニングセンタでは5軸プラットフォームへのトレンドが進んでおり、新潟は500mmと630mmの両サイズで提供しています」とHedberg氏。「航空宇宙とエネルギー業界では、新潟は低周波加工用途に注力しており、機械の固有減衰特性がメリットとなります。低周波加工は、チタンやインコネルの高トルク加工において工具寿命とスピンドル寿命を向上させるため、注目のキーワードになっています」

切削力の振動を減衰させる能力は、機械の鋳造構造と、摺合せ面粗さのために手掻きされた金属接触面に本来備わっています。エネルギー・発電分野の典型的用途には、フランジ、フラッキングヘッド、ブリスクなどがあるとHedberg氏は説明します。

HMCによる大型部品加工では、各軸の移動における径方向精度と剛性が、精度と繰り返し精度の達成に特に重要です。Hedberg氏は「5軸加工の美しさは、ユニークな部品で窓型治具や特殊なクランプ方法が必要な場合を除き、複雑な治具やカスタムワークホールディングが不要な点にあります」と語ります。

用途特化型HMC

Mitsui Seiki USA Inc.（ニュージャージー州フランクリンレイクス）は、顧客需要に基づき、大型部品加工用途で最も求められる現行モデルを中心に新しい横形マシニングセンタを開発しています。プレジデントのRobb Hudson氏によると、「現在、大型部品の需要は間違いなく航空宇宙から来ており、ジェットエンジン部品ファミリーと構造部品の両方で大きなドライバーとなっています。その他のターゲット市場には、金型、宇宙・防衛、産業用ガスタービンセクターがあります」

「当社の横形マシニングセンタは、1m以上のパレットと、1,000〜10,000ポンド（453〜4,535kg）の重量に対応するコンパニオンテーブル構成を備え、これらを大型部品機と位置づけています。重要なのは、このサイズレンジの機械はすべて顧客主導の開発から生まれたものだということです。機械を作ってから市場を探したのではなく、すべてが顧客の特定用途要件から派生しています」

大型部品製造向けと見なされるため、Mitsui Seikiの機械はすべて同じ主要技術的特徴を共有しています。Hudson氏は「私の考えでは2つのカテゴリーがあります。大量の材料除去を伴う大型部品と、単に形状が複雑で軽い切削で済む部品です。Mitsui Seikiは、難削材の重切削を必要とする大型部品分野で活動しています。したがって、当社の機械は大質量、高剛性、大型ボックスガイドウェイ、十分な推力を発揮する大径ボールネジ、強力な軸方向トルク、ワーク包絡線内でワークを移動させ必要な切削力に対応する特殊サーボモーターを備えています」

これらすべての特徴に加え、制御精度と構造精度が、用途に適した性能を提供するために必要だとHudson氏は述べます。また、治具は大型部品製造において重要な要素であり、しばしば保持するワークと同等に実質的で重量のあるものになると付け加えています。

自動化をより容易に

どのタイプの機械であっても自動化のセットアップは複雑ですが、HMCはその生産アウトプットの量から、自動化が比較的容易だと、YCM Technology (USA) Inc.のリージョナルセールスマネージャー、Mel Gay氏は語ります。

「HMC購入では、投資回収のスピードが常に最優先事項です」と同氏。「人気サイズは500/600mmで、小規模ジョブショップでは最小60〜120本工具容量、大規模工場では240本以上です。より多くの工具容量により、複雑なジョブを最小限のセットアップ時間で処理可能になり、特にマルチパレットセル構成で効果を発揮します」

IMTSでは、自動車など大量生産業界をターゲットに、NH500A 6 APCを出展。NH500Aは30hp、20,000rpmスピンドルと500×500mmパレットを装備しています。

「生産性は、リブ構造を持つ高剛性Tベース基礎から始まります」とGay氏。「YCMはこの基礎に、一体鋳造スピンドルヘッドストックと二重壁コラム設計を組み合わせています。ダイレクトドライブスピンドルは精密セラミックボールベアリングを採用し、より高い切削ダイナミクスと高スピンドル回転数を実現します」

全軸に高精度ローラー型ガイドウェイを採用し、早送り速度2,362ipm（60m/min）、切削送り速度最大1,575ipm（40m/min）を実現。精密パレットインデックスシステムは、単一コンポーネントまたは部品ファミリーの高スループットに対応する6パレットAPCを収容します。

「これらすべての機能により、最新の切削工具技術を活用し、部品加工を改善し、総所有コストを低減できます」と同氏。

米国製大型部品HMC

DMG Mori（イリノイ州ホフマンエステーツ）は、カリフォルニア州デービス工場で4モデルの横形マシニングセンタを製造しています。NHX 4000とNHX 5000は第3世代40テーパー機で400mmと500mmパレット、NHX 5500とNHX 6300は第2世代50テーパー機で500mmと630mmパレットです。

「当社の横形機は、エネルギー、航空宇宙、産業機器、受託製造業界のお客様が求める重切削と高精度の両方の要件を満たすよう設計されています」と、開発・製品管理担当エグゼクティブバイスプレジデント、John McDonald氏。

典型的なワークには、エネルギー業界向けの大型バルブとタービン部品、産業機器向けのエンジン・デフ・トランスミッションハウジング、航空宇宙向けの構造部品があります。材料は用途に応じてチタン、ステンレス鋼、鋳鉄、アルミニウムまで多岐にわたります。

「お客様は、ハイミックス生産向けパレットプールシステムや、横形マシニングセンタ標準装備のテーブル貫通型治具油圧を使用した専用ロボットローディングを活用し、自動化により高い生産性を達成しています」とMcDonald氏。「大型部品加工と重切削は、最適化された機械構造に依存します。当社のすべての横形機は、重厚な3点支持鋳鉄ベッド構造、powerMASTERスピンドル（50テーパー機）、ローラーリニアガイドを含む、完全な有限要素法最適化構造を備えています。リニアスケールを全機種標準装備し、お客様が機械の長寿命期間にわたり最高精度を維持できるようにしています」

標準50テーパーpowerMASTERスピンドルは12,000rpm、オプションで16,000rpmの高速版も用意。NHX 6300には、エキゾチック材や重厚な鋳鉄などの難削材向け重切削用に、オプションで8,000rpm高トルクスピンドルも用意されています。

DMG MoriのCELOS制御インターフェースは、プロセス最適化のためのアプリケーション選択を提供。インダストリー4.0イニシアチブに沿い、CELOS制御インターフェースは、単品生産から大量生産まで、構想から完成品までのすべての部品加工段階を簡素化・高速化します。

CELOSアプリは、ジョブ・プロセス・機械データの一貫した管理、文書化、可視化、および工場と上位企業構造の連携を可能にし、一貫したデジタル化・ペーパーレス生産の基盤を構築します。この機能は、CELOS PC版を使用してオフィスのコンピューターからも実現可能です。

「また、お客様が複雑な加工プロセスを容易に実現できるテクノロジーサイクルも提供しています」とMcDonald氏。「例えば、Machine Vibration Control（MVC）により、オペレーターは重切削時の安定した切削送りと回転数を見つけられます。一方、Machine Protection Control（MPC）は、スピンドル振動監視、工具負荷監視、衝突検知を提供し、損傷を防止または軽減します。これらのデータを収集・分析することで、CELOS制御インターフェースは、生産性の最大化、さらなる高精度化、スピンドル稼働時間の延長を支援します」

構造における能力

Okumaの横形マシニングセンタ（MA-600HIIなど）は、自動車、金型、エネルギー、航空宇宙業界で人気の選択肢だと、Okuma America Corp.のマシニングセンタ製品スペシャリスト、Errol Burrell氏は語ります。

「一貫した熱安定性により、大型部品の加工において精度と安定性を提供します。機械の熱プロファイルをテストし、起こりうる熱変形データをリアルタイムで制御にフィードバックし、OkumaのTAS（熱軸スタビライザー）ソフトウェアで必要な補正を行います」

MA-600HIIは50テーパー機で6,000rpmスピンドル、標準40工具マガジンを備え、60工具、さらに285工具や400工具へのアップグレードが可能で、ジョブショップから量産まで幅広く対応。MB-8000Hはほぼ同一プラットフォームで800mmテーブル、次サイズのMB-10000Hはコラムではなくボックスインボックス設計を採用しています。

Okuma機は、各摺合せ面を手掻きすることで、長期間にわたる精度と生産性の向上、コスト削減、最大収益性を実現しているとBurrell氏。

典型的な油田部品であるポンプハウジングは、Okuma独自のTurn-Cut機能の恩恵を受けます。「ポンプハウジングでは、Turn-Cut機能によりフランジをOkuma横形マシニングセンタで旋削加工できます」とBurrell氏。Turn-Cutは、Okuma HMCで利用可能なプログラミングオプションで、円形・角度特徴を含む穴と径を加工可能。標準CNC加工機能を実行する同じプラットフォームで、大型アンバランスワークの旋削加工が可能になり、専用機、工具、治具、アドオンコンポーネントの購入が不要になります。

Turn-Cutは機械の性能や寿命に影響を与えません。重切削が必要な場合でも、Turn-Cut搭載Okuma HMCは従来通りの能力を発揮します。バルブ、パイプ、マニフォールドタイプ部品がTurn-Cutの理想的な候補です。

IMTSでは、Okumaはタワーパレット自動垂直パレットシステムを展示。20×20インチ（500×500mm）パレット12枚を2段でストック、各パレット最大荷重1,100ポンド（500kg）。統合APCシステムは、サーボモーター駆動スイベルシステムにより高速ロード/アンロードと無人運転を実現すると同社。

フル4軸、自動化

Mazak Corp.（ケンタッキー州フローレンス）は、大型ブリッジ型立形マシニングセンタ、旋削付き5軸立形（INTEGREX）、VARIAXIS 5軸トライユニオン型マシンに加え、フルラインのHMCを提供しています。プロダクトスペシャリストのJared Leick氏によると、

「50テーパースピンドルによる大型部品加工は、800〜1,600mmテーブル/パレットを持つ機械で実施され、1,250〜1,600mmテーブルのQuillシリーズHMCや、自動車・エネルギー部品向け大型エンジンブロック用の630mmテーブルHCN-6800が含まれます」

50テーパーラインには、HCN-8800、HCN-10800、HCN-12800の3モデルが追加され、標準10,000rpm、オプションで8,000rpmと6,000rpmの50hpスピンドルでチタン、ステンレス、その他エキゾチックメタルの高トルク加工に対応。航空宇宙・半導体業界向け大型アルミ構造部品加工用に16,000rpmスピンドルも用意されています。

Mazakはフル4軸HMCを提供しており、同社HMC販売の約60%を占めるとLeick氏。標準0.0001度ポジショニングの4軸HMCでは、2面または4面治具を回転させ複合角度穴あけ、90度インデックス、逆回転が可能。フル4軸動作により輪郭加工が可能になり、複雑部品の加工を容易にしサイクルタイム短縮に貢献します。

利用可能な自動化には、多数の機械をFMS構成で収容しレールガイドロボットを備えたMazakのPALLETECHシステム、400mmと500mm機械向けの新しいMulti-Pallet Pool（MPP）単一機械自動化システムがあります。「6軸FANUCロボットをレール上で自動化し、レーザーマーキング、洗浄、デバリの各ステーションにワークを位置決めしています」とLeick氏。

Mazak HCN-5000 HMCは、同社のMPPシステムで利用可能になりました。これはコンパクトなフットプリントで基本的な自動化ソリューションを提供します。従来のリニア横形パレットストッカーを設置する床面積がない工場でも、継続生産のための自動化が可能になります。

MPPは、より大型のMazak PALLETECHシステムの利便性を維持しながら、最大30%のスペース削減を実現。各軸のサーボモーターと、各パレットをストッカー中心から同じ距離に保つ2段パレット配置により、高速かつ安定したロード/アンロードを確保。

生産ニーズの成長に合わせて拡張設計されており、標準10パレットストッカーを16パレットに再構成して出力増大が可能。HCN-5000の大型・重量部品加工を考慮し、Mazakはこの最新MPPを部品サイズ容量の面で最大版としました。システムは500mm角パレットを収容し、直径800mm、高さ1,000mmまでのワークに対応します。