VMC技術が用途拡大と生産性向上を実現

高度なモデルがショップフロアでのVMCのリーチを拡大し続ける

高度な機能と特徴を備えた立形マシニングセンタ（VMC）が、機械ショップのCNC設備武器庫においてより生産的なメンバーとしてその地位を確立しつつあります。今日のVMCは、ショップのめったに訪れない暗い隅に追いやられたり、二次加工に限定されたりするという概念に挑戦しています。VMCは伝統的に横形マシニングセンタより低価格でしたが、生産能力では劣っていました。

ある程度、最新の先進技術の追加により、VMCは生産性のギャップを埋め、航空宇宙、医療、エネルギーなど同様に要求の厳しい業界における高速・高精度用途で競争力を確保できるようになりました。VMCの機能性は、4軸・5軸テーブルオンテーブルとトライユニオン構成、複数パレットチェンジャー、より多くの工具、高速スピンドルの追加により大幅に向上。VMCは、ジェットエンジン用ブレードローター、発電用タービンブレード、大型航空宇宙部品、精密金型など、最も複雑なワークピースの加工が可能です。

金型VMCケーススタディ

Werkzeugbau Leiss GmbHは、押出ブローモールドとストレッチブローモールドの世界有数の成功した生産者の一つと見なされています。ドイツ・バイエルン州ルードヴィヒシュタットに拠点を置く同社は、顧客と緊密に協力し、食品、医薬品、化学、自動車、化粧品業界向けの新しい包装設計を開発。約65名の熟練Leiss従業員によってダイスとモールドが設計・製造されています。

「ツール設計・構築のサービスプロバイダーとして、我々は顧客のパートナーと見なしています」とDaniel Leiss氏は同社の戦略を説明。父Fritz Leiss氏と共に経営。顧客との緊密なパートナーシップは、新しい包装設計の開発から始まることが多い。「プロセスを我々の経験で早期に支援すれば、関係者全員にとってダイス製造がより経済的になります」

これによりWerkzeugbau Leissは、年間250個の新規ダイス（総計約1,000キャビティ）、およびブローピン、マスク/パンチング、ダイス/ピンなどの周辺部品を製造可能です。

Werkzeugbau Leissは、大規模でモダンな施設で大量生産を管理。精密加工は、DMG Moriからの10台のCNC工作機械を含む強力な機械群によって行われます。2台のCTX旋盤に加え、DMG Mori DMC Vシリーズから5台の立形マシニングセンタが含まれます。これにはDMC 1150 V、DMC 1450 V、そして新しいDMC 1850 Vが含まれます。

機械はフル稼働で、Leiss生産の80%を占める高精度押出ブローモールドを加工。製造プロセスは、冷却システムの穴あけ・フライスから荒・仕上げまで多岐にわたります。「機械の高い安定性と精度の恩恵を受け、特に長行程機械用大型モールドの分野で仕上げ作業を最小限に抑えられました」とDaniel Leiss氏は、モールドの後工程研磨について言及しながら語ります。

DMC Vシリーズ最大モデルは2018年7月にフィールドテスト機として導入され、Daniel Leiss氏は完璧な追加と見なしています。「DMG Moriは、より大型・重量部品の加工における品質要求の高まりに、実証済みの機械コンセプトを適応させました」垂直マシニングセンタはX軸1,850mm、Y軸700mm、Z軸550mmの移動量に拡張。最大積載量3,000kg。

Daniel Leiss氏によると、DMC 1850 Vは金型メーカーの要件に理想的にマッチ。「機械安定性は2.5D加工と穴あけだけでなく、3D荒加工にも適用されます。その精度とダイナミクスで、3D仕上げ加工でも印象的で、したがってツール製造のすべてのフェーズで使用可能です」わずか数か月のフィールドテスト後、DMC 1850 Vは2交代制で使用され、それ以来信頼性高く稼働しています。

傾斜テーブル付きVMC

Mazak Corp.（ケンタッキー州フローレンス）は、ケンタッキーで設計・製造されるVMCラインを、トライユニオン型傾斜テーブルを備えたVC-500A/5X立形マシニングセンタで拡大し続けています。このVMCは、フル5軸加工による小型複雑部品の精密でコスト効率の良い加工向けに設計されています。VC-500A/5Xは、オンボードプロービング（部品位置決めとフィーチャー検査用）を備えた3軸・4軸・5軸加工機能を持つMazak VMCシリーズに加わります。VC-500A/5XにはMazatrol SmoothX CNCを搭載し、複雑部品生産のプログラム生成を容易にします。

VC-500A/5Xの高度な機能により、特に同時5軸動作とフリーフォーム金型加工の微細増分プログラムで、可能な限り最短の加工サイクルタイムを確保と同社。これらの機能には、高ゲインフィードフォワード制御、高速回転軸速度、可変加速制御、インテリジェントポケットフライスが含まれます。特殊ギア設計ソフトウェアとメトロロジーユニットを、クローズドループギア加工プロセスに統合可能。

VC-500A/5Xの軸移動量は、直径19.88インチ（505mm）、高さ12インチ（305mm）までの部品サイズに対応。これら3つの直線軸の早送り速度は1,181ipm（30m/min）。VC-500Z/5Xは、鋼、アルミニウム、鋳鉄を含むすべての一般材料加工用の高性能12,000rpm CAT-40スピンドルを装備。オプションで15,000rpmと20,000rpmも利用可能。

60工具ATCがセットアップ時間短縮、冗長工具、無人連続運転の増加を支援。このプロセスにより、ジョブショップに標準工具で中小ロットギアを高精度・コスト効率よく加工するオプションを提供します。

単一機械自動化

ショップフロアスペースが貴重な中、小型フットプリント機械は広く評価され、利用可能な床面積を最適化できる自動化も同様です。立形マシニングセンタ向け単一機械自動化システムは、拡張可能でコスト効率の良いシステムで変化する生産需要に対応できる小規模ショップ向けの生産的ソリューションを提供。最小限の床面積で、ライツアウト運転を実現し、オペレーターが新しい部品のロード、品質管理チェック、その他のショップタスクに自由に取り組める間、機械スピンドルを切削状態に保ちます。

自動化に関して、Mazakのような工作機械OEMは、ワンサイズですべてにフィットするわけではないことを認識し、拡張可能な自動化システムの開発を継続しています。このようなシステムは、サイズ、コスト、能力において拡張可能でありながら、あらゆる形態の自動化の典型的なメリット（機械と労働からの出力増大、つまり少ないリソースでより多くのことを実現）を提供します。

Mazakが単一機械自動化のメリットをどう評価しているか。より大規模な自動化システムと比較して、単一機械自動化システムは劇的に小さなフットプリントを持ち、多くのジョブショップケースではそれが必要なすべてです。

今日の単一機械自動化システムは通常、標準化されたソリューションでありながら柔軟で拡張可能。例えば、MazakのMulti Pallet Pool（MPP）自動化システムは、6、12、18パレットを保持する3つの異なる構成オプションをショップに提供。システムは異なる生産方式で動作し、オペレーターはMPPシステムを低品種大量生産部品や頻繁な段取り替えを伴う短納期部品の実行に設定できます。

最初、ショップは3パレット2列の6パレットMPPから開始可能。この2段システムは、各列6パレットで合計12パレットのプールへ拡張可能。18パレットシステムでは、MPPは6パレット3列へ成長。構成に関わらず、MPPのフットプリントサイズは小さく、貴重なショップフロアスペースを節約します。

例えば、MPP 6パレットチェンジャーとMazak Variaxis i-600 5軸VMCの組み合わせでは、同容量の6パレットリニア型システムより29%少ない床面積。12パレットシステムと比較しても44%削減。Mazak Variaxis i-700 5軸VMCと組み合わせた場合、6パレットMPPは6パレットリニア配置システムより44%小さく、MPPの12・18パレットシステムは半分以下のスペースで済みます。

他の自動化システムとは対照的に、MPPは機械の既存パレット上に追加パレットを置くのではなく、実際の機械パレットを使用。Variaxis i-600のMPPは400mm角パレットで、直径600mm、高さ425mm、最大荷重300kgまで対応。

Variaxis i-700 MPPパレットは500mm角、荷重容量400kg。MPPは、工作機械に装着される典型的な2パレットチェンジャーと同じパレットクランプシステムで動作。MPP内では、サーボ駆動ロボットがパレットを機械内外へピック・アンド・プレースします。

MPPは、Mazakの大規模マルチマシンPalletech自動化システムを制御する同じSmooth PMCソフトウェアを使用。工作機械の制御画面に、別セルコントローラーユニットで動作するソフトウェアが表示されます。Smooth PMCソフトウェアにより、スマートフォン、PC、タブレットからほぼどこからでも自動加工システムを監視可能。ソフトウェアはスケジュールのオンザフライ変更、部品プログラムファイル管理、工具寿命/折損追跡、ショップフロアへの指示発行も可能にします。

図面から部品へ、より速く

会話型プログラミングを発明したHurco Companies Inc.が、CNCマシニングセンタで図面から部品へより速く到達するプロセスの合理化でリーダーであることは当然です。そして実際そうなります。

Hurco VMCは、コンパクトフットプリント価格重視モデルのVM CNC VMCから、VMX 5軸シリーズ機械、最大航空宇宙部品向けの2m・3m X軸を持つDCXシリーズ二重柱マシニングセンタまで幅広く展開。Hurco VMCは、自動車、航空宇宙、医療機器、エネルギー、射出工具・金型、輸送、エレクトロニクス業界の部品製造に使用されています。

ハイエンドCNCマシニングセンタでは、より高速・簡単な処理のためデュアルスクリーン制御を提供。データブロック検索により、オペレーターは部品プログラムを編集してフィーチャーを修正可能。例えば、コード行を検索する代わりに、プログラマーがグラフィック画面で編集が必要な部品フィーチャーを選択すると、対応するコード行がもう一方の画面に表示され、迅速に変更できます。

Hurcoの同時プログラミング機能は、デュアルスクリーン制御で強化。マシニングセンタが1つの部品を加工している間、オペレーターは加工サイクルを中断せずに次の部品をプログラミングできます。

DXF転送により、オペレーターはCAD画像をインポートし、望むフィーチャーを選択し、WinMax CNC制御が自動的にプログラムを作成。部品プログラムは、Hurcoの検証グラフィックシステムで画面上でチェック可能。これには、動的回転とリアルタイム工具表示付きの3Dソリッド工具パスレンダリングが含まれ、部品を再描画せずにあらゆる角度から確認できます。

最近のHurco制御とソフトウェア機能は、サイクルタイム最適化から工具情報取得まで、あらゆることを合理化するよう設計されています。UltiMotionはサイクルタイムを最大30%削減し、Hurcoによると表面仕上げ品質を大幅に向上させます。

UltiMonitorにより、任意のWebブラウザから機械をリモート監視可能、または機械のUSBカメラから制御画面やビデオを見ることが可能。絶対工具長により、工具セットアップを部品と機械から独立させます。その結果、工具情報を一度だけ取得すればよく、他のマシニングセンタで工具を使用可能にし、オフライン工具プリセッターの利用を促進。さらに、工具交換最適化が部品プログラムを分析し、プログラムを最適効率のために並べ替えて工具交換回数を自動削減します。

本格的なVMC能力

おなじみのFANUC RoboDrillは、立形マシニングセンタのフライス、穴あけ、タッピング、面取り、ポケット、スロッティングなど、VMCができるすべてを模倣すると、Methods Machine Tools Inc.のRoboDrillプロダクトマネージャー、Ken Corklin氏（マサチューセッツ州サドバリー）。

「RoboDrillは20×30インチと20×40インチVMCと非常に良く競合し、40テーパー20×30インチVMCと同量の仕事を15〜50%高速でこなせます。理由は高速工具交換、高速スピンドルオン/オフ、高加速モーターです。40テーパーでもより重い荒加工は可能ですが、RoboDrillはスロッティング、タッピング、穴あけ、ポケット、円弧補間で勝ります。荒加工ありで通常15%高速、荒加工なしでは20〜40%高速です」

北米に7,000台以上のRoboDrillが設置済み、約半分がジョブショップ、半分が業界特化型ショップ。用途には、航空宇宙部品用アルミ高速加工、医療部品・銃部品用チタン・コバルトクロム、一般機械加工が含まれます。

「BIG Plusスピンドル技術により、30テーパーCフレームスタイルRoboDrillが、40テーパー機が苦労する重い高品質切削を稲妻のような速さで実行できる表面接触面積を得ました」とCorklin氏。「例えば、RoboDrillは高速ボールエンドミルで、50m/min（200ipm）以上の送り速度で典型的な金型・医療用途加工が可能です。高速加減速レートのおかげです」

RoboDrillはショートベッド、ミディアムベッド、ロングベッドの3サイズで、最新FANUC 31i-B5 Nano CNC制御を搭載。ショートベッドモデルのX/Y/Z移動量は300×300×300mm、ミディアムは500×400×330mm、ロングベッドは700×400×330mm。早送り速度は3モデルとも2,125ipm（54m/min）。BIG Plusスピンドルは10,000rpmと24,000rpm、21工具ATC。

RoboDrillの最新追加機能には、タレット用サーボモーター（サイクルタイム短縮）、Ai Overlap（Z軸で円弧半径移動可能、90°コーナーでの停止不要でサイクルタイム短縮）などの機能があります。FANUCのタッチスクリーンiHMI制御により、RenishawのGo Probeのようなアプリの利用が拡大。

RoboDrillは、標準自動化パッケージまたはカスタマイズ自動化ソリューションでFANUCロボットとシームレスに連携するよう設計。Methodsは、新Plusシリーズで多数の標準「ボルトオン」自動化ソリューションを用意、Plus Kを含みます。

Plus Kは、拡張自動工具交換装置と自動パレットチェンジャーによりRoboDrillを無人運転可能にします。カスタム自動化ソリューションは、Methods Automationの長年の焦点分野だと同社。

FANUC 31iB5制御により、RoboDrillは5軸対応。AICCIIや千ブロックルックアヘッドなどのオプションで高速輪郭加工とマシニングが可能。そのサイズと1.5G加速度により高い機動性を持ち、標準VMC比で15〜50%のサイクルタイム短縮が可能だとCorklin氏。

リニアガイドとボックスウェイVMC

多くの工作機械メーカーが現在、リニアガイドウェイ機専用に傾いています。しかしDoosan Machine Tools America（ニュージャージー州パインブルック）は、リニアとボックスウェイ両方のVMCを提供し、幅広い加工オプションを提供しています。

DNMシリーズはリニアガイドウェイ、BIG Plus 40・50テーパースピンドル（Doosan VMC標準装備）、8,000〜15,000rpmスピンドル速度を特徴とします。Sモデルは15,000rpmとより高速な早送りを装備。X軸移動量はモデルラインナップで20.5〜85インチ（520〜2,160mm）。

より硬い材料での重加工向けには、Mynxシリーズがボックスウェイ設計、BIG Plus 40・50テーパースピンドル（モデルによりギアヘッドまたはダイレクトドライブ）、6,000〜12,000rpmレンジを特徴とします。

生産ショップ向けモデルには、ロータリーパレットチェンジャー付きVCシリーズ、ツインスピンドルと2工具チェンジャー付きDMP 500/2SPがあります。DMPは47.2×20.5インチ（1,200×520mm）テーブル、各スピンドルからほぼ同一フットプリントでアクセス可能な最大40工具マガジン。各スピンドルをW軸でわずかに調整可能で、ワークホールディングや治具高さの完璧なアライメント不要。

Doosanの5軸立形機には、機械プラットフォームに統合された2軸トライユニオンテーブル付きDNMがあります。ダイレクトドライブ40テーパー12,000rpmスピンドルとロータリーテーブルの組み合わせで、標準VMCからのステップアップを提供。

最後に、DVF 5軸機はより完全に統合されたソリューションを提供し、カンチレバー型5軸またはトライユニオン型テーブルのいずれか。VCFシリーズ5軸固定テーブルVMCは、機械移動量とテーブルサイズが大きいためより広い部品範囲を提供。追加軸はB軸旋回ヘッドスピンドルまたはビルトイン上部ロータリー軸にあります。

高度VMC評価チェックリスト

市場に出てくる最新立形マシニングセンタモデルには、VMCでは考えられなかった信頼性と効率レベルに貢献する高度な機能、構造属性、コンポーネントが備わっています。北米金属切削オペレーションとそのグローバル関連会社へ加工ソリューションを提供するEllison Technologiesによると、次期VMCに取り入れたい新世代の特性と能力は以下の通りです。

好ましいVMC特性の議論については、「New Generation VMCs Are More Productive and Efficient Than Ever」（Manufacturing Engineering、2017年6月）を参照。これには以下の情報が含まれます：「機械の構造を見て、10年、15年、おそらく20年後にも設置日と同じ精度で稼働し続けるか確認してください。メーカーがスピンドルヘッド、ベース、コラム、サドルの鋳造設計に有限要素解析（FEA）を使用しているか確認。構造の固有振動数を機械の動作範囲外に出すことが狙いです。

「また、鋳造方法がMeehanite Worldwide機構によってライセンスされているか確認。この特許プロセスは最高品質の製鉄手順を要求し、機械寿命を通じた長期剛性、重切削能力、適切な振動減衰を提供します。

「品質機械のその他の構造ハイライトには、ベッドに手掻きされたアーチ型ピラミッドコラムがあり、2つの鋳物がほぼ一体化して振る舞い、部品精度に反映されるタイトな機械ジオメトリを確保。高品質セラミックスピンドルベアリング、ダブルアンカープリテンションボールネジ、リニアローラーモーションガイドも考慮すべき構造面です。ローラーガイドはボールベアリングモーションガイドの3倍の剛性と2倍の寿命を持ちます。

「健全な構造の上に、スピンドル、クーラントシステム、チップ搬送機構などの追加コンポーネントを精査。これらすべてが効率に貢献します。BIG Plusのような二重接触スピンドル（テーパー/面）、工具負荷監視、スピンドルスルークーラント、最適工具適用とサイクルタイムのための適応送り制御などの機能を探してください。さらに、機械が熱をどう扱うように設計されているか理解してください。議論の余地はありますが、近年の最大の進歩は様々な熱安定性改善の適用です。」