あなたが高硬度材料 (工具鋼、合金鋼、さらにはインコネルのような珍しい金属を考えてください) を扱う製造業者であれば、おそらく共通の不満に悩まされているでしょう。標準的な旋盤ではこれらの高硬度材料にほとんどへこみを作ることができず、ましてや仕様を満たす精密部品を製造することはできません。私は何年もの間、工場の監督者や生産管理者が「重旋盤は硬化した材料を扱うことができるのか?」という質問を聞いてきました。誇大広告を打ち破って科学に迫り、さらに、適切な重量旋盤のセットアップが、耐久性のある高性能コンポーネントに依存するショップの状況をどのように変えるかを見てみましょう。
まず、材料を「硬化」させる原因について考えてみましょう。硬化金属 (通常、ロックウェル C 硬度 45 ～ 65 HRC まで熱処理) は、耐摩耗性、靭性、長寿命を実現するように設計されており、まさにギア、シャフト、金型に求められる特性を備えています。しかし、これらの同じ特性により、機械加工が非常に困難になります。標準旋盤 - 基本的な旋盤を使用しているかどうか従来の旋盤中型モデルでは、高硬度材料の加工に伴う切削抵抗、熱、振動に耐える剛性とパワーが不足しています。数え切れないほどの工場が工具ビットを焼き尽くし、高価なワークピースを台無しにし、これらの作業に小型の機器を使用しようとして何日も無駄にしているのを見てきました。そこで大型旋盤の登場です。
ここで重要なのは、「重い旋盤」は単なるマーケティング用語ではないということです。これは、重切削、大きなワークピース、および高硬度材料に必要な極端な力を処理するために特別に構築された機械を指します。硬質金属の加工を可能にする重量旋盤の 3 つの重要な要素、すなわち剛性、パワーとトルク、精度制御を分析してみましょう。
高硬度材の加工においては剛性は譲れません。 55 HRC 工具鋼を切断するとき、切削工具は単に材料を除去するだけではなく、軟鋼よりも 10 ～ 20 倍硬い材料を剪断します。標準的な旋盤には、薄い鋳物、脆弱なスピンドル アセンブリ、およびこの圧力下で曲がる緩い刃物台マウントが装備されています。このたわみによりビビリが発生し、表面仕上げが粗くなり、さらには切削工具の跳ね返りを引き起こし、部品の寸法が不均一になる可能性があります。一方、大型旋盤は、頑丈な鋳鉄フレーム (多くの場合、標準モデルよりも 2 ～ 3 倍厚い)、強化されたスピンドル ハウジング、および長さ全体に均等に重量を分散するように設計されたベッドで構築されています。 1 年前、工業用ブレード用の 60 HRC D2 工具鋼を加工していた顧客のことを思い出します。彼らは 16 インチの標準旋盤を使用していて、1 回の加工で 2 ～ 3 個のスクラップ部品が発生していました。に切り替える重旋盤スクラップ率を 0.5% 以下に削減し、サイクル時間を 30% 短縮しました。それが剛性の違いです。
次にパワーと低速トルク。硬化した材料の切断には、特に深い切り込みを行う場合や硬質超硬工具を使用する場合に、より大きな力が必要になります。標準的な旋盤には、回転数が低くなるとトルクが失われる高速モーターが搭載されていることが多いため、モーターの失速や焼き付きを避けるためには非常に低速で動作させる必要があります。大型旋盤には、高負荷下でも安定したパワーを供給する高トルク、低 RPM モーターが装備されています。たとえば、私が供給する 20 インチの大型旋盤には、50 RPM で 1,200 フィートポンドのトルクを供給する 30 馬力のモーターが搭載されており、50 HRC 4140 合金鋼で 0.2 インチの深さの切込みを苦労することなく行うのに十分です。これを、同じ RPM で 500 フィートポンドのトルクを備えた 15 馬力モーターを備えた標準的な 16 インチ旋盤と比較してください。切込み深さは 0.08 インチに制限され、同じ部品を仕上げるには 2.5 倍のパスがかかることになります。これにより、1 つの仕事につき何時間もの余分な労働が必要になります。
次に精密制御です。硬化した材料を厳しい公差 (多くの場合、±0.001 インチ以上) で機械加工するということは、旋盤の送りねじ、スピンドル、またはウェイに遊びがあってはならないことを意味します。大型旋盤では、バックラッシュ防止ナット付きの精密研削送りねじ、スピンドルのテーパーローラーベアリング、完璧なフィット感を実現する削り出しウェイ (フライス加工なし) が使用されています。これにより、寸法を狂わせるような動きが排除されます。さらに、多くの大型旋盤には可変速ドライブとデジタル表示機能が搭載されており、速度と送り速度をリアルタイムで調整できます。これは、切削パラメータを特定の材料の硬度に合わせるために重要です。たとえば、58 HRC H13 工具鋼を加工する場合、1 回転あたり 0.005 インチの送り速度と 100 RPM の速度が必要です。大型旋盤の制御システムでは設定と保守が簡単ですが、標準的な旋盤のアナログ制御では、これらの正確な数値を一貫して達成することはほぼ不可能です。
待って、重旋盤はどれも同じなのでしょうか?いいえ、標準的な重旋盤と旋盤には違いがあります。頑丈な金属旋盤高硬度材料用に特別に設計されています。多くの店は、標準モデルの単なる大型バージョンで、余分な重量を追加した「重い」旋盤を購入していますが、硬質材料の加工に特化したコンポーネントは何もありません。硬化した材料に最適な製品には、3 つの追加機能があります。つまり、刃先交換式超硬インサート (高速度鋼工具だけでなく) と互換性があり、高圧、大容量のクーラントを切削ゾーンに導くクーラント システムがあり、大きなワークピースに十分なスイングとベッド長を提供します。刃先交換式超硬インサートは、硬化した材料の加工の高温に対応できるため、不可欠です。HSS 工具は、たとえクーラントを使用したとしても、数分で柔らかくなり摩耗します。高圧クーラントは切りくずを洗い流すだけでなく、刃先の熱を低減し、工具寿命を2～3倍に延ばします。私はかつて顧客を、100 PSI でのみスプレーするクーラントを備えた標準的な大型旋盤から、500 PSI のスルーツールクーラントを備えた大型金属旋盤に切り替えたことがあります。55 HRC A2 工具鋼での工具寿命は、インサートあたり 20 部品から 65 部品に向上しました。これは、ツールだけでも大幅なコスト削減になります。
よくある誤解についてもお話しましょう。 「クーラントと鋭利な工具を使えば、標準的な旋盤で硬化した材料を扱えるのではないか」と考える人もいます。これは、非常に小さな部品または軽いカットの場合にのみ当てはまります。大量生産されるものや大きなワークピースを使用するものには、標準的な旋盤では対応できません。もう一つの迷信は、大型旋盤は小規模店にとっては高価すぎるというものです。高品質の重旋盤は初期費用が高くなりますが、スクラップの削減、サイクルタイムの短縮、工具寿命の延長による節約により、ほとんどの工場では 1 ～ 2 年で元が取れます。私が仕事をしている多くの中小規模の精密機械工場では、軟鋼用の標準的な旋盤で始まり、その後、硬化した部品を加工する最初の仕事に就いたときに重旋盤を追加しました。現在では、重旋盤が最も価値のある設備となっています。
特定のアプリケーションについてはどうですか?建設トラック用の硬化 4340 合金鋼シャフトを機械加工しているとします。これは 50 HRC で、直径 12 インチ、公差 ±0.002 インチが必要です。標準的な旋盤の加工には 8 ～ 10 時間かかり、スクラップ率は 10 ～ 15% で、工具インサートは 5 ～ 6 個使用されます。大型旋盤では同じ作業を 4 ～ 5 時間で行い、スクラップ率は 1% 未満で、1 ～ 2 個のチップを使用します。多くの場合 55 ～ 60 HRC 鋼が使用される金型や金型の加工の場合、射出成形される部品に必要な滑らかな表面仕上げ (Ra 0.8 以上) を得るために大規模な金型メーカーが大型旋盤に依存している点が異なります。この剛性とパワーがなければ、手作業で研磨することなしにはその仕上げを得ることができず、それには何日もかかる労力がかかります。
ここで、ニーズに合った適切な重旋盤を選択する方法について説明しましょう。まず、スイングとベッドの長さをワークピースに合わせます。直径 20 インチまでのシャフトを加工する場合は、少なくとも 24 インチのスイングを備えた旋盤が必要です。次に、モーターのトルクと馬力を確認します。トルクは低 RPM でピークに達し、少なくとも 20 HP を目指します。次に、スルーツールクーラント、バックラッシュ防止フィード、超硬工具との互換性などの機能を探します。汎用性を高めるための優れたオプションは、万能旋盤硬化した材料を扱うのに十分な重さに作られていますが、他の作業で軟鋼やその他の柔らかい金属を扱うこともできます。そうすれば、2 台の別々のマシンは必要なくなります。非常に大きなワークピース (直径 40 インチ以上など) を扱う場合、大型旋盤必要な追加の容量と剛性が得られます。
特に標準設備を中心にショップを構築している場合、重い旋盤に切り替えるのは大きな一歩のように感じるかもしれません。しかし、旋盤製造業界で 15 年間働いてきた私は、硬化材料に適した重旋盤に投資しているショップが、競争に追いつくだけでなく、他のショップができない仕事を引き受けることができるため、より多くの仕事を獲得していることを見てきました。昨年、私はある工務店と仕事をしましたが、その工務店は、標準的な旋盤では作業を処理できないという理由で、硬化歯車の 20 万ドルの契約を断りました。 6 か月後、彼らは大型旋盤を購入し、同じサイズの契約をさらに 2 件獲得しました。それがこの装置が与える影響です。
最初の質問に答えると、はい、重旋盤は硬質材料を確実に加工できますが、それは硬質材料の加工に特化した剛性、パワー、機能を備えた適切な種類の重旋盤である場合に限られます。それは力ずくだけの問題ではありません。それは、50 HRC 以上の金属を切断するという極限の条件下でも、機械のあらゆる部品を安定に保つ設計です。硬化した材料を処理できるように装置をアップグレードする準備ができている場合、または特定の用途にどの旋盤が適しているかについて質問がある場合は、当社のチームに連絡してニーズについて話し合ってください。
参考文献
- 機械加工科学、「高硬度工具鋼の切削パラメータ」、Vol. 22、No.3、2018
- 米国工作機械協会、「超硬金属の精密機械加工の剛性要件」、2020 年
- Tooling Magazine、「高硬度材料加工のための重旋盤の能力」、2021 年 6 月
- Society of Manufacturing Engineers、「硬化合金の機械加工におけるトルクと動力の考慮事項」、2019 年
