縦形マシニングセンタの戦略的優位性：効率性を解き放つ

立形マシニングセンタ（VMC）サプライヤーは 2022 年を楽観視している。オートメーションの活用増加と、3 軸以上の装置による加工メリットの認識拡大を期待している。

工作機械メーカーによると、ワークのより多くの面を 1 回または 2 回のセットアップで加工できるのは、VMC の価値提案のほんの一部に過ぎない。機械前面にロボットを配置して自動化したり、回転軸を追加したりすることで生産性を確保し、機械キネマティクス（機械が時間とともにどう動くか）を理解することが再現性の鍵となる。

シンプルな 3 軸機から 5 軸機（3+2 軸と、程度は劣るが同時 5 軸）まで幅広い選択肢があり、ショップは低量産から大量生産まで VMC を活用できる。リショアリング部品の生産機会も新たなインセンティブだ。

VMC ビジネスは好調

まず、COVID-19 パンデミックが 3 年目に突入する不確実性と混迷する政策の中でも、VMC の需要は強い。しかし供給は、予想通り懸念事項だ。

「業界はかなり熱い」と DMG 森精機 USA のジェフ・ウォレス氏（ジェネラルマネージャー、ナショナルエンジニアリング、イリノイ州ホフマンエステーツ）は断言する。「ネジ止めされていないものは何でも売れる。ネジ止めされているものさえ売れる。良い悩みは在庫がすべて売れること、悪い悩みは 4-6 週間だった納期が 4-6 か月に延びていることだ」

VMC は多様な用途で人気だとウォレス氏。「『比較的単純な角柱部品を作る低量産センター』でも需要がある。縦形 3 軸機でさえ高い需要だ」

パンデミックで悪化した労働力不足を背景に、VMC の自動化が最大の関心事になっている。

「縦形機では、ワークの複数面にアクセスするために回転軸を後付けするケースを頻繁に見かけます。お客様は可能な限り自動化したがっています。3 軸縦形マシニングセンタの自動化でさえ検討されています。回転軸や二重回転軸を追加してワークを裏返し、別のバイスに取り直して別の機械へ移す必要をなくす、つまりその機械内でも別の機械でも、そうした手間を省くことは現在非常に人気です。お客様は VMC をどう最適化し、より多くの生産性を引き出せるかを模索しています」

「VMC の良いところは、比較的安価でセットアップが簡単なことです。床に置くだけで、ほとんどが 3 点レベリングシステムです。特に短納期生産への参入コストが非常に低い。ほぼすべての製品で需要が高く、業界全体にとって良いことです。当社だけでなく、他のメーカーも同様の状況です。パイは大きく、業界が健全なのは喜ばしい」

DMG 森精機は独自の ROI 計算ツールで、VMC が収益改善にどう寄与するかを説明している。特に「リショアリングが進んでいる今、米国への生産回帰が顕著です。過去 20 年間、海外に発注していた低コストの角柱部品が戻ってきています。中小規模ショップがこれらの汎用部品の効率的生産に非常に長けており、VMC がまさに適しています」

「注意点は人手と自動化の判断です。機械前面にシンプルなロボットを置くか、回転軸を追加するか。当社には社内オートメーション部門があり、コボットがこれらの VMC プラットフォームで普及し始めています。ドアにエアシリンダーすら追加不要で、ロボットがドアを開けます」こうしたステップで、顧客は 5-6% の生産性向上を見込めるという。

米国では多軸 VMC がより定着しつつあり、ここ数年で DMG 森精機では 10 倍の販売増を見たとウォレス氏は締めくくる。欧州が当初導入で優位だったが、「アメリカらしいと言えばそうだが、一度目覚めると『さあ、どけ』となる。アメリカが再び目覚めた。主に労働力問題がドライバーだ。人がやりたがらない、または人材が見つからない。どうすれば機械とのインタラクションを最小限にして部品を作れるか。そこが多軸の輝くところだ。素材を正しくセットアップできれば、完成までその部品に二度と触れずに済むかもしれない」

自動化を促進するのが、同社の Celos ヒューマンマシンインターフェース制御だ。機械オペレーターがさまざまなロボットを素早く操作し、多様なタスクを実行できる。「ロボットを機械前に置けば、オペレーターはロボットプログラマーである必要がありません。ドラッグ＆ドロップの GUI でオペレーターがプログラミングできます。このテクノロジーを現場の人々の手に渡し、自動化を恐れず快適に使えるようにするのが狙いです」

VMC の優位性

「一般的に設置が容易で、より短期間で稼働可能、日常業務への支障が少ない」と三井精機の COO ビル・マランシェ氏は説明する。「多くの横形よりコンパクトで、貴重な工場床面積を節約できる。当社マシンの設計により、より小さなプラットフォームでショップと大規模工場により多くの能力を提供する。Vertex シリーズでは Y 軸ストロークが X 軸より大きく、全幅を小さく抑えている。一般的な VMC は奥行きより幅が広い」

キャリアを通じて、マランシェ氏は米国内外の企業に数十台の縦形機を設置してきた。「今でも展示会で、私が設置した機械を覚えているお客様に偶然会うことがあり、『まだ持ってますよ、まだ数ミクロンの精度が出ます』と言われます」

三井精機はジグボーラータイプの機械を重視し、コンパクトなワークエンベロープで超高精度を実現する設計だと同氏。高付加価値・低量産に最適だ。

「複雑な航空宇宙部品を極めて厳しい公差で製造するお客様がいます」とマランシェ氏。「使用している縦形機は、量産だけでなく継続的なフィールドサポート向けに設計された部品ファミリーを生産しています。この環境では、機械がある日量産用に使われ、翌日には予期せずフィールドサポート要件への対応のために切り替えられる可能性があります」

「このお客様には熟練マシニストがいますが、作業レベルは単に『サイクルスタート』を押すだけではありません。ワークには多数の統合ボアと工程内チェックがあり、加工中にそれらを実施する必要があります」同社は三井精機 VMC 5 台から始め、現在は 16 台を運用している。

部品を機械から外して「工程内」CMM 検査を行い、次の工程へ進むケースでは、マランシェ氏によると「ゼロポイント治具ベースプレートで機械を配置し、同一部品を機械間、および CMM へ最小限のセットアップと検証ターンアラウンドで移動できるよう、プロセスを半自動化する支援を行いました」

ベースライン VMC に比較的小さなオプション改良を加えるだけで自動化支援になる場合もある。ツールプローブやスピンドルプローブで段取り替えを高速化し、高繰り返し精度のゼロポイントベースプレートを採用すれば汎用性が高まる。

「しかし最大の優位性は、5 軸加工対応機械を持つことにあると考えます」とマランシェ氏は断言する。「ほとんどの VMC に第 5 軸を追加するのは一般的に初期コストが高いが、投資する価値があり、クリティカルな用途では短期間で回収できる場合もある。機械構造に組み込まれた高精度ロータリー 5 軸テーブルの登場により、製造業者はプロセスフローにおいてさらなる汎用性を得られる」

三井精機は VMC プラットフォームを設計し、多くの独自の製造課題に対応できるようにしたと同氏。ベースライン 5 軸 Vertex シリーズは 3 サイズで、直径 500mm ～ 1200mm の部品に対応。「単なる共通プラットフォームにボールネジを延長してストロークを伸ばしただけでなく、長寿命を想定した個別の鋳鉄鋳造品で構築されています。最小の Vertex 550-5X（φ400mm ロータリーテーブル）は 20,000 ポンド（約 9,070 kg）、Vertex 100X はその 3 倍。これらは『使い捨て』VMC ではありません」

Vertex 機には、エアフォイル市場での輪郭制御向上に必要なダイレクトドライブ式ロータリ軸モーターなどのオプションがあると同氏。「複数プロセス対応のコンビネーションプラットフォーム機も設計しており、アディティブ/サブトラクティブ金属積層、フライス加工、研削、ゼネラル・エレクトリック社ライセンスの高速電気浸食プロセス『Blue Arc』に対応。これらのオプションで、セラミック、グラファイト、アルミニウム、チタン、インコネルなどを加工できます」

この柔軟性が、VMC の市場での地位回復を助けている。長年にわたり、より高い生産要求と労働力低下により、大型ツールチェンジャー、パレットチェンジャー、本格的な FMS を備えた HMC（横形マシニングセンタ）が主流になっていた。「比較的短期間で、VMC の需要は HMC に後退させられたように見えました」とマランシェ氏。「30 年前、中規模から中高生産のショップは、セットアップ時間、アクセス容易性、メンテナンス容易性、熟練工の確保、製品ミックスなど多くの理由で VMC に大きく依存していました。VMC は高精度部品加工市場で新たな命を得ています」

動く機械：キネマティクスの重要性

カリフォルニア州カーソンの YCM Technology USA は、北米市場向けに組み込みキネマティクス校正を搭載し、機械がどう動くかというキネマティクスという重要概念を強調している。これらのパッケージ（タッチプローブ、工具長測定、ツーリングボール搭載）は、YCM の 3+2 軸および同時 5 軸機で標準装備になると、中西部担当ビジネス開発マネージャーのブライアン・ハフ氏は語る。

機械が機能を実行するにつれ精度は変化する、とハフ氏。「オペレーターは『機械が不正確だ』または『ピックアップが不正確だ』と思うのが常です」それに対処するには、第 4・第 5 軸の回転中心を定義し、それらを校正可能にする必要がある。歴史的に、メーカーは機械設置時に回転中心を設定していた、と同氏。「お客様が精度で苦労すればサービスコールが必要で、再び回転中心を再定義しに来てもらうことになり、コストがかかります。物事は起こります。機械は動き、ワーク重量は変化し、その他のダイナミクスが作用します。一部のメーカーはキネマティクス校正の重要性をより早く受け入れてきました。そのため、ユーザーとオペレーターにとって容易にし、サービスコール不要で機械を最高精度に保てるよう関心を持っています」

VMC をどのくらいの頻度で校正すべきか？ 用途により週 1 回、月 1 回、あるいは毎日とハフ氏は助言する。

「よりクリティカルな仕事で偏差が大きいと感じたらキネマティクスプログラムを実行してください。高精度仕事ならキネマティクスを実行し、ジョブ前、毎日実行して確実に。1 週間で 0.0005 インチ（0.0127 mm）の偏差なら週 1 回でよいかもしれません」

理想としては、ハフ氏は「キネマティクスを日常会話にしたい」と考え、設置時に回転中心を定義する企業と、キネマティクス校正を容易かつ迅速に実行可能と考える企業のギャップを埋めたいとしている。「すべてのメーカーにとって生活の一部になりつつあります」

YCM が精度対策で採用しているもう一つの方法は、ケスラーとのパートナーシップだ。ケスラーのスピンドルとヘッドが YCM 縦形機に搭載され、A軸/C軸または B軸/C軸のクランプ力を確保し、切削工具先端の剛性を維持する。「標準スピンドルの当社ダブルコラム 5 軸金型機は 54 HP（40.2 kW）ピーク、HSK100、16,000 RPM、2,500 RPM でフル馬力発生。高剛性、高トルク、高 RPM、高馬力で非常に汎用性の高いスピンドル/ヘッド構成です。航空宇宙版は 18,000 RPM、HSK63 スピンドルで 94 HP（70 kW）、アルミ加工向けです」さらに、ケスラーとの提携で YCM は中西部にスピンドル修理拠点を持つ。

YCM Technology は特に 5 軸機に注力している。3+2 構成がより人気だが、フル 5 軸需要も伸びているとハフ氏。自動化需要の増加も実感している。

「機械パッケージの一部として自動化要請を一貫して見かけます。パレット化だけでなく、ピックアンドプレース自動化への受け入れと関心が高まっています。5 軸との相性は自然で、多くの場合 1-2 回のセットアップでワーク全面を加工完了できるからです。この場合ワークホールディングが重要で、治具やクランプがカッターの邪魔にならないことが必須。ワークを底面から保持し 5 面にアクセスできるのが理想的です。底面保持システムを設計するメーカーもあり、そうしたソリューション提供企業と協業中です。また、YCM 機とのパレタイズド自動化パッケージを提供し、協働型とピックアンドプレース自動化パッケージをさらに開発中です」

高生産を目指して

過去 2-3 年、チロンの VMC 導入の多くは、大型自動車・航空宇宙部品の加工需要に対応する堅牢な大量生産プラットフォームだったと、チロンアメリカのビジネス開発マネージャー、サイモン・ネヒト氏（ノースカロライナ州シャーロット）は語る。

「これらのマシニングセンタが確立され、北米のお客様に広く提供できるようになった今、製造スペクトラムの反対側、すなわち高精度マイクロ加工部品への製品ポートフォリオ強化を進めています」とネヒト氏。

本年、チロンはスイス開発の Micro5 マシニングセンタを発売する。50×50×50 mm 程度の小型ワーク向けだ。「この加工コンセプトの速度とダイナミクスは、生産性向上で顧客を支援するよう設計されています。高速と最小可動質量のベンチマークに加え、モジュラープラットフォームで統合自動化を装備可能。さらに Micro5 は柔軟な拡張性を考慮して設計され、複数台でシームレスな生産ラインを構築できます」

VMC は一般的にモジュラーコンセプトベースだと同氏。第 4 軸から第 5 軸レイアウトへの変更は一般的だ。「多くのお客様が、テーブル上の第 4・第 5 軸を利用して異なるテーブル設定へ機械構成を変更しています」

他社同様、チロンアメリカもオペレータースキルギャップに対処している。スマートオートメーションは「計画生産時間中のスループットを確保するソリューションの一翼だ」とネヒト氏。「オートメーション技術、特にロボットは通常高い技術的可用性と信頼性で稼働します。小ロット向けに設計されたプロセスとセルでは、自動化ソリューションで機械内の治具交換も可能です。手動セットアップでは治具交換に 1 時間以上かかることが多いが、ゼロクランプシステムで VMC を自動化すればスループットが向上し、機械を本来の目的である加工に戻せます。当社のマシニングテーブル軸構成はこれらのクランプ方式に対応しています」

e-モビリティへのシフトやパンデミックでストレスを受けたサプライチェーンなどのトレンドが、装置により多くの柔軟性を要求しており、セットアップ削減型 VMC が不可欠なツールになっている。「機械上で別ワークへ素早く切り替えられる能力が、セットアップ数削減と、できるだけ多くの工程を同一機械内で完結させるアプローチを駆動します」とネヒト氏。チロンの統合ワーク交換機能により、5 軸 VMC 稼働中に部品のロード/アンロードが可能だ。

この柔軟性を活用し、VMC を多様なワークに活用すれば「ROI の面からも具体的なメリットにつながる」とネヒト氏は締めくくる。「仕事やプロジェクト喪失後に遊休状態になる専用機械・装置を何度見たことか。メーカーが機械を最大限活用できていない」