ミルターン複合加工の効果的なソリューション

Sep 16, 2024

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効率と精度は金属加工分野における永遠の目標です。 CNC テクノロジー、コンピューターテクノロジー、工作機械、および機械加工プロセスの継続的な発展により、従来の機械加工の概念はもはや速度、効率、精度の要求を満たせなくなりました。このような背景から、複合加工技術が登場しました。一般に、複合加工とは、単一の装置で異なるプロセスや方法を実行できる一連の加工技術を指します。現在の複合加工技術には主に 2 つのタイプがあります。1 つは異なるエネルギーまたは運動形式に基づくもので、もう 1 つは主に機械的であり、プロセス集中の原理に基づくものです。中でも、ミルターン複合加工は近年最も急速に成長している技術の一つです。

Mill-Turn Composite Machining

▲ミルターン複合加工

航空宇宙部品は、少量のバッチ、複雑なプロセス、一体型の薄肉構造や加工が難しい材料の広範な使用によってますます特徴づけられています。その結果、長い製造サイクル、高い材料除去率、低い加工効率、深刻な機械加工変形などのボトルネックが発生します。複雑な航空宇宙製品の効率と精度を向上させるために、エンジニアは長い間、より効率的で正確な加工方法を模索してきました。ミルターン複合加工装置の出現は、航空宇宙部品の精度と効率を向上させる効果的なソリューションを提供します。

従来の CNC 加工プロセスと比較して、複合加工の利点は主に次の領域に反映されます。

(1) 製造工程チェーンの短縮と生産効率の向上

ミルターン複合加工では、ほとんどまたはすべての加工ステップを 1 回のクランプで完了できるため、製造プロセスチェーンが大幅に短縮されます。これにより、位置変更に伴う補助製作時間が短縮され、治具の製作サイクルが短縮され、生産効率が向上します。

(2) クランプ数の削減と加工精度の向上

クランプ操作が少なくなると、基準変換によって生じる誤差が減少します。最新のフライス盤にはオンライン測定機能が備わっていることが多く、製造プロセス中の重要なデータの現場検査と精密管理が可能になり、部品の精度が向上します。

(3) 床面積の削減と生産コストの低減

ミルターン複合機の個別価格は高いかもしれませんが、プロセスチェーンが短縮され、必要な機器、備品、床面積、メンテナンスコストが削減されるため、全体的な投資、生産業務、管理コストを大幅に削減できます。

I の主要テクノロジー複合機械加工

従来の単一プロセス機械加工に比べて利点があるにもかかわらず、航空宇宙産業におけるミルターン複合機械加工の利用はまだその可能性を最大限に発揮していません。その主な理由は、航空宇宙製造におけるこの技術の適用時間が比較的短いことと、航空宇宙部品の構造プロセス特性に適したミルターンプロセス、CNCプログラミング、後処理、およびシミュレーション技術の継続的な探求にあります。ミルターン複合装置の機能を最大限に活用し、効率と精度を向上させるには、これらの課題を克服し、統合されたアプリケーションを実現することが不可欠です。

1. ミルターン複合加工技術

従来の加工装置とは異なり、ミルターン複合マシニングセンタは本質的に生産ラインです。効率的かつ正確な加工は、加工ルートがどのように計画されているか、クランプがどのように行われるか、部品の加工特性とミルターン加工の特徴に基づいて工具がどのように選択されるかにかかっています。

複合加工の最大の特徴は工程の集中です。したがって、科学的かつ合理的なプロセスルートがミルターン加工の効率と精度を向上させる鍵となります。バーストックをインペラ製造のブランクとして使用する場合、従来の加工ルートでは、CNC 旋盤でインペラの外形を旋削し、続いて基準面の精密旋削、溝加工のための 5 軸 CNC 加工、荒加工、中仕上げ、表面とハブの最終加工、そして最後に 5 軸マシニングセンターまたは穴あけ装置での穴あけです。 S192Fミルターンセンターを使用すると、一度のクランプで全工程が完了し、棒材加工の場合は切断、送り、羽根車の量産まで人手を介さずに自動化できます。プロセスルートは次のように設定できます。

棒材の主軸クランプ→外形粗旋削→外形精密旋削→溝加工用5軸フライス加工→流路荒加工→流路中仕上げ→流路精密加工→穴あけ→ バックスピンドルクランプ → インペラ底面の旋削 → 穴あけ。

図に示すように、1 回のクランプでインペラのすべての加工ステップが完了し、効率と精度の両方が大幅に向上します。

デュアルツールタワーを備えたミルターンセンターの場合、デュアルタワー装置にはデュアルチャネル制御システムが付属しており、上部と下部のツールタワーを独立して制御できます。同時加工は、コード内の同期コマンドによって実現できます。装置の能力を最大限に活用するために、部品上の複数のプロセスの同期動作を実現することができ、たとえば、外形の荒旋削と内穴の荒穴あけを同時に行うことができ、それによって加工効率が向上します。上部ツールタワーと下部ツールタワーの同期動作により、一連の穴の効率的な加工が可能になり、軸方向の穴あけ力のバランスによりワークピースの変形を最小限に抑えながら効率を向上させます。この機能を実現するには、最初のプロセス設計段階でプロセスルートのシーケンスと同期について徹底的に調査する必要があります。

2. ミルターン加工のためのCNCプログラミング技術

ミルターン加工技術の進歩により、CNC プログラミングにはより高い基準が要求されますが、これがミルターン装置を実際の生産に適用する際のボトルネックとなっています。特殊な複合加工ソリューションを使用しない場合、通常は一般的な CAM ソフトウェアを使用して加工プログラムの一部を計画し、複合加工の要求を満たすためにプロセスエンジニアがそのプログラムを手動で統合します。この方法では、プロセスエンジニアに高い要求が課されます。従来の CNC プログラミングと比較して、ミルターンプログラミングにはいくつかの課題があります。

(1)ディ詩のプロセス

プロセスエンジニアにとって、CNC 旋削、多軸フライス加工、穴あけなどのさまざまな加工方法のプログラミング方法を習得するだけでなく、操作とアプローチおよびリトラクトパス間の接続を正確に定義することも重要です。したがって、CNC プログラミング中、エンジニアは、後続の操作のプログラミングとツールパスの設定を容易にするために、各操作後のプロセスモデルと加工代の分布を明確に理解する必要があります。

(2) 抑止力一連の並列および直列操作のマイニングはプロセスルートに厳密に従う必要があります

多くの部品は、ミルターン複合マシニングセンターで原材料から完成品まで完全に機械加工できます。したがって、最終的な CNC プログラムはプロセスルートと一致する必要があります。さらに、CNC プログラミングプロセスでは、マルチチャネルの並列加工を徹底的に考慮する必要があります。したがって、効率的な複合加工を実現するには、プロセス、プログラミング、シミュレーションを組み合わせた統合ソリューションを開発する必要があります。

(3) ミルターン複合加工の一部の機能は、現在の一般的な CAM ソフトウェアではまだサポートされていません。

ミルターン複合加工は、従来の単体加工に比べて、より複雑な機械動作と加工機能を備えています。現在の一般的な CAM ソフトウェアは、オンライン測定、切断、自動送り、心押し台制御などの高度な機能を完全にサポートするにはまだ不十分です。その結果、一般的な CAM ソフトウェアによって生成されたプログラムは、自動ミルターン複合加工に適用する前に、多くの場合、大幅な手動または対話型介入が必要になります。

(4) プログラムの統合

一般的なCAMソフトウェアで生成されるNCプログラムはそれぞれ独立しています。自動化された複雑なミルターン複合加工では、これらの独立したプログラムを統合する必要があります。この統合は、部品のプロセスルートに基づいて行う必要があり、最初にどのプログラムが並列であるかを決定し、次にさまざまなプロセスの加工シーケンスを定義します。工具の交換、クランプの交換、基準の変換、およびアプローチ/リトラクトの動作についての正確な指示も提供する必要があります。

ミルターン複合加工用の CNC プログラミングが非常に困難であることは明らかであり、このプロセスに一般的な CAM ソフトウェアを使用する場合にはまだ多くの欠点や欠陥があります。これらの問題に対処するためのより現実的な解決策は、既存の汎用 CAD/CAM ソフトウェアをベースにして、製品プロセスや複合加工装置に対応した専用のプログラミングシステムを開発することです。このアプローチは、冗長なソフトウェア投資を削減するだけでなく、プロセスの知識を再利用できないことや、統合されていないプログラミングプラットフォームによって引き起こされる人員配置の複雑さなどの問題も回避します。

3. ミルターン加工の後加工技術

CNC プログラミング技術に対応するミルターン複合加工は、その複雑なプロセスと多数の可動部品により、現在の後処理ソフトウェアと技術に高い要件を課しています。従来の CNC 装置と比較して、ミルターン複合加工の後処理の課題は主に次の側面に反映されます。

(1) 工程間の正確かつ厳密な動作遷移

ミルターン複合装置ではさまざまなプロセスが行われるため、現在の作業が完了した後、正確さと安全性を確保するために、機械はタイムリーに加工方法、工具、可動コンポーネントを自動的かつ正確に切り替える必要があります。これを実現するには、適切なアプローチとリトラクトの工具経路、自動工具交換やクーラントのオン/オフのタイミングを設定する必要があります。さらに重要なことは、工具交換時や加工時の可動部品と非可動部品間の衝突を防止し、安全で安定したプロセスを確保するために、現在の操作中の非可動部品の位置を指定する必要があることです。

(2) 工程シーケンスとCNCプログラムの自動決定

複合加工では、加工ルートが比較的長く、後処理後に手動で NC コードを整理して統合することは効率が悪いだけでなく、エラーが発生しやすくなります。理想的なソリューションは、後処理システムがツールパスファイルに埋め込まれた加工シーケンスと加工方法を自動的に決定し、これらが後処理後に NC コードに確実に保持されるようにすることです。したがって、CNC プログラミング後に生成されるツールパスファイルには、加工方法と工具位置データだけでなく、加工シーケンス、工具タイプ、工具番号も含まれている必要があります。これにより、後処理中のプロセスのシーケンス、方法、ツールの自動決定が可能になります。

(3) 加工方法に応じた後処理

ミルターン複合加工の後処理プログラムは、多軸 CNC フライス加工、旋削、穴あけのほか、切断、自動送り、心押し台制御、プログラムループ呼び出しなどの機能を処理する必要があります。ミルターン複合加工の後処理アルゴリズムは、既存のすべての CNC 加工方法を網羅し、異なる加工方法と動作の間でシームレスに統合および調整する必要があります。

(4) 制御システムの先進機能を最大限に活かす

ミルターン複合マシニングセンターで使用される CNC システムは、Bumotec S192FT で使用される FANUC 31i システムや WFL 150 で使用される SINUMERIK 840D システムなど、非常に高度です。これらの高度な制御システムは、自動送りの最適化、工具ベクトルのスムージング、優れた先読み性能と高速・高精度な補間を実現します。したがって、ミルターン複合装置の機能を最大限に活用するには、後処理中に生成される加工コードの適切なセクションにこれらの高度な CNC システム機能を反映することが重要です。

(5) 非カット関数の処理と呼び出し

複合マシニングセンタは、旋削、フライス加工、穴あけ、ボーリングの機能に加え、自動送り、アンロード、主軸ドッキング、心押し台制御など、工程移行に必要な非切削機能も備えています。これらの関数は、後処理フェーズでプログラムから呼び出し可能な共通モジュールとして扱う必要があります。これらの呼び出しの順序とタイミングは、処理ルートに従って決定する必要があります。現在、後処理ソフトウェアはこれらの機能を完全にはサポートしていません。

4. ミルターン加工のシミュレーション技術

ミルターン複合加工には多数の可動部品と複雑な機能があるため、プログラミング後のシミュレーションが特に重要になります。中国の航空宇宙製造業界でミルターン複合加工が採用されたのは比較的最近であるため、現時点では成熟したシミュレーションアプリケーションテクノロジはありません。ほとんどのメーカーは、プログラムの検証と最適化を試行切断に依存しており、プロセス準備サイクルが長くなり、開発リスクが高まり、加工コストが増加します。

ミルターン複合加工の適用を改善し、プログラミング効率を高めるためには、シミュレーション技術の導入を大幅に促進する必要があります。現在、ミルターン複合加工シミュレーションに使用される主なソフトウェアには、トップソリッドそしてギブス、しかし、これらは一般に高価であり、中国の航空宇宙製造分野ではあまり一般的ではありません。実際、ミルターン複合加工シミュレーションは、ベリカットまたはNCサイマル。機械の構造、動作特性、特殊機能、CNCシステムに基づいたマクロ機能をカスタマイズ開発することで、加工プロセスのシミュレーションが可能です。

一般的なCNCシミュレーションソフトを用いてミルターン複合加工シミュレーションを実現するには、まずシミュレーションシステム内に比較的現実的な機械環境を構築する必要があります。機械のさまざまな可動部品の相対運動関係と幾何学的位置を確立することに重点を置く必要があります。この基礎に基づいて、加工プロセスで使用される工具ライブラリと対応する工具番号を設定する必要があります。次に、CNC システムと機械の加工基準を設定し、後処理段階で生成された NC コードをシミュレーションシステムにロードして、加工プロセスシミュレーションを実行します。従来の CNC 加工とは異なり、一部の機能 (マルチチャンネル加工や心押台制御など) を完全に実装するにはマクロ機能の開発とカスタマイズが必要な場合があります。

II ミルターン加工技術の応用展望と開発提案

近年、ミルターン複合マシニングセンターが、航空機、航空エンジン、付属品工場などの中国の航空宇宙製造産業に導入されています。設備には主に以下の製品が含まれます。オーストリアのWFLシリーズとスイスのブモテック社フライス旋削センター。しかし、生産現場での応用が始まったのは比較的最近であるため、製品や装置の特性に合わせた成熟した機械加工プロセス、プログラミング技術、後処理技術が一般に不足しています。その結果、導入したミルターン複合加工機の稼働率は比較的低いのが現状です。

航空宇宙製品の製造における主な課題は、長いプロセスルート、複雑な手順、低い加工効率、大きな変形、および高コストです。航空機とエンジンの製造分野はどちらも、ミルターン複合加工の応用に大きな可能性を秘めています。

たとえば、機体フレームのフライス加工には、材料の準備、内外形の粗加工および精密加工、穴開け、手作業による仕上げ、検査といった数十のステップが含まれており、複数回の再クランプが必要です。同様に、航空宇宙エンジンにおける一体型ブレードディスク加工は、ブランクの鍛造から始まり、旋削、フライス加工、研磨、表面処理、探傷が含まれます。これらの部品の生産サイクルは長く、機械が何百時間も占有されることが多く、さまざまなタイプの CNC 機械、多数の治具、ツール、測定器が必要です。頻繁に再クランプを行うと、待ち時間が長くなるだけでなく、位置決め誤差が蓄積され、部品の精度や最終品質に影響を及ぼします。

ミルターン複合加工は、ほとんどまたはすべての操作を 1 回のセットアップで完了できるため、複雑な航空宇宙部品を効率的かつ正確に加工するための新しい道を提供します。利点は主に次の点に反映されます。

クランプ時間の大幅な短縮、機械やクランプ方法の変更によって生じるエラーを排除しながら、効率を向上させます。
プロセス集中、加工プロセスチェーンを短縮し、待ち時間と機械が稼働していない時間を削減します。
機械加工における多用途性位置決めを変更せずに旋削、フライス加工、穴あけなどを行うことができるため、必要な治具の数が減り、一貫した寸法精度が確保されます。
機上測定機能により、加工サイクル全体にわたって精度を制御するためのプロセス内およびプロセス間の測定が可能になります。

これらの利点により、航空宇宙部品製造における現在の欠点に効果的に対処でき、製品の精度と効率が大幅に向上します。

高度な複合加工装置の可能性を最大限に活用し、航空宇宙製品の製造効率と品質をさらに向上させるには、いくつかの重要な領域に注意を払う必要があります。

複合加工プロセスの研究プロセスルート、クランプ方法、ツール、冷却戦略、切断パラメータの決定など、航空宇宙部品の特性に合わせたものです。
CNCプログラミング、後処理、シミュレーションシステムの開発とカスタマイズ装置の構造とプロセスの特性に適合するものを選択し、プロセス、プログラミング、後処理、シミュレーションの統合ソリューションを作成し、それによって高度なスキルを持つ人材への依存を軽減します。
プロセス基準の確立シミュレーション、試し切り、実生産による経験の蓄積により、その後の部品製作の指針となります。
人材育成複合加工は加工分野の最先端技術を代表するものであるためです。プロセスプログラミングと運用保守の両方が従来の装置よりも複雑であるため、効率的で健全な装置の運用を確保するには高レベルの研究開発チームが不可欠です。

Ⅲ 結論

現在、複合加工装置は、より幅広いプロセス能力、より高い効率、より大規模な操作、およびモジュール化に向けて進化しています。航空宇宙製造部門は、常に高度な製造技術にとって重要な段階であり、航空宇宙製品のアップグレードのペースが加速するにつれて、分散プロセス機器は、集中プロセスを備えた柔軟な自動機器に徐々に置き換えられるでしょう。この変化により、複合加工技術には開発と応用のためのより広いスペースが提供されます。

より統合された柔軟な製造システムへの傾向は、現代の航空宇宙製造の需要とよく一致しています。航空機および航空宇宙部品がより洗練され、生産スケジュールが短縮されるにつれ、メーカーはプロセスを合理化し、精度を向上させ、コストを削減するために、ミルターン複合システムなどの高度な機械加工技術にますます依存するようになります。機器の自動化とモジュール化の進行中の開発により、柔軟性がさらに強化され、メーカーが新しい設計や生産要件に迅速に適応できるようになり、航空宇宙産業が技術革新の最先端に留まり続けることが保証されます。