これは一言で言えば CNC 回転ですが、それが何を変えたのかを正確に捉えているわけではありません。彼が私に見せてくれた部品 - は、医療機器用であることが判明しました。手術器具の一部のコンポーネント。公差は±0.0005インチ程度と狭かったです。手動旋盤の場合は、非常に熟練した機械工が必要で、おそらく 5 つの部品のうち 1 つはスクラップになるでしょう。 CNCは？その日はスクラップゼロ。ガイは、その週に 500 個を不良品なしで生産すると言いました。
私はおそらく 15 年ほど製造業について調べてきました。CNC 旋削は業界を完全に変えたテクノロジーの 1 つですが、実際に物を作らない限り、どういうわけか目立たないままになっています。
手動旋盤の問題 (これが重要な理由)
少しバックアップしてみましょう。伝統的な旋盤は - から存在しています。わかりませんが、古代エジプトか何かでしょうか?間違いなく何世紀も。基本コンセプトは決して変わりません。部品を回転させ、切削工具を当てて、材料を除去して形状を整えます。単純。
問題は、手動旋盤には高度な技術が必要であるということです。クリーブランドの専門学校で機械工の達人が - これは 2017 年だったと思います - が 45 分間かけて生徒たちに部品の向き合い方を教えているのを見ました。先端を平らにするだけです。些細なことでも 45 分かかります。-必要な手と目の調整、素材の感触、道具がいつ鈍くなったかを知ること-、それを教室で教えることはできません。何年もかかります。
それでも、一貫性を保つのは難しいです。同じ機械工、同じセットアップ、部品はバッチごとにわずかに異なります。許容範囲内かもしれないし、そうでないかもしれない。ミルウォーキーのその店の男性は、CNC が導入されるまで 20 年間手動旋盤で働いていたと私に言いました。 「すべてがうまくいき、部品が完璧に出来上がった日もありました。また、機械のすべてのシフトと格闘しても結局スクラップになってしまう日もありました。その理由はまったく分かりませんでした。」
CNC が実際に行うこと (コンピュータ部分)
CNC - コンピュータ数値制御。基本的に、コンピュータに座標と切断パスをプログラムすると、機械はそれらに正確に従います。毎回。変動なし、休日なし、「よく眠れなかったのでパーツが少し規格外です。」などありません。
旋削部分とは、具体的には旋盤{0}}タイプの機械での作業を指します。部品が回転し、切削工具がプログラムされたパスに沿って移動して、希望の形状を作成します。 CNC フライス加工とは対照的に、工具は回転し、部品は静止します。人々はそれらを混同しますが、まったく異なる動物です。
2018 年か、- ダラスで開催された Haas のオープンハウスでプログラマーと話したときのことを覚えています。彼は、ブレークスルーは実際にはハードウェアではないと言いました。ハードウェアは非常に単純です。 「魔法は制御システムとプログラミング言語にあります。G-コードは単純そうに見えますが、複雑な部分を最初に正しく理解するのは、芸術です。」
プログラミングの状況 (思ったより厄介)
- のプログラミングといえば、これは人々が予期しない方法で厄介になります。さまざまなコントローラ、さまざまなソフトウェア パッケージ、さまざまなポストプロセッサがあります。-ファナック、シーメンス、ハース、マザック - にはそれぞれ独自の特徴があります。
G- コードは標準言語です。理論的には。実際には、各マシンは特定のコマンドをわずかに異なる方法で解釈します。ミシガン州の委託製造会社のエンジニアが -、これはおそらく 2020 - で部品が 0.003 インチずれている理由のデバッグに 2 時間費やしているのを見ました。彼らの Mazak は、ある特定の G- コード コマンドを Haas マシンとは異なって解釈したことが判明しました。同じプログラムでも異なる結果。
「これが、セットアップに高額な料金を請求する理由です」と彼は言いました。 「新しいパートはすべてパズルです。たとえ以前に似たようなパートを実行したことがある場合でも。」
現在、ほとんどの店舗では CAM ソフトウェアを使用しています - コンピュータ支援製造。 CAD でパーツを描画すると、CAM がツールパスと G- コードを生成します。自動化されているように聞こえますが、そうではありません。それでも、切削速度、送り速度、工具の選択、ワークの保持に関する深い知識が必要です。私は、30 年の経験を持つプログラマーがまだ新しいトリックを学習しているのを見てきました。
素材は人々が思っている以上に重要です
回転させている素材によってすべてが変わります。アルミニウムはバターのように柔らかく、工具に優しく、スピンドル速度も速いので切断できます。-鋼にはさまざまな速度と送りが必要です。ステンレスはグラグラなので、加工を強化していきたいと考えています。チタン？それは忘れてください。高価な材料、高価な工具、低速、異常な熱を発生します。
コネチカット州の航空宇宙サプライヤー - で、おそらく 2016 - がチタン製の着陸装置コンポーネントを加工しているのを見ていたのでしょう。彼らが使用した超硬インサートの価格は 1 つあたり約 40 ドルで、交換が必要になるまでおそらく 30 個の部品が使用できました。 「時々、原材料よりも工具に多くの費用を費やします」と運営マネージャーは私に言いました。
硬い材料では、機械にかかるストレスも異なります。安価なベンチトップ CNC 旋盤は、一日中アルミニウムを扱うことができます。硬化鋼を走らせてみると、異音が出始めるのが聞こえるでしょう。ベアリングの摩耗が早くなり、ボールねじが緩み、位置決め精度が低下します。
私がテキサス州で訪れたある店 - 家族経営の小さな作業店 - には、同じ外観の CNC 旋盤が 2 台ありました。- 「なぜ２つ？」私は尋ねた。オーナーは笑った。 「これはアルミニウムとプラスチック用です。あれはスチールとより硬い材料用です。アルミニウムの機械で硬い材料を加工すると、6 か月以内に耐久性が維持できなくなります。高価な方法でそれを学びました。」
公差（製造業以外の誰も考えないこと）
CNC 旋削加工が真価を発揮するのは公差です。ほとんどの手動機械加工は、±0.005 インチまたは ±0.010 インチを目標としています。手動操作にはかなり適しています。最新の CNC 旋盤は通常 ±0.0005 インチを保持しますが、適切な条件下では ±0.0001 インチを実現できるものもあります。
それは無意味な精度のように聞こえるかもしれませんが、非常に重要です。自動車部品 - のエンジン部品、トランスミッション シャフト - が適切に機能するには、厳しい公差が必要です。医療機器ではなおさらです。外科用インプラントを製造している男性に話を聞いたところ、インプラントの公差は 10 分の 1 - 0.0001 インチになることもあるとのことでした。 「そのレベルでは、店内の温度が重要です。熱による材料の膨張が規格外になる可能性があります。」
航空宇宙は最悪だ。または、視点によっては最高です。シアトル郊外の防衛請負業者を訪問しました -、NDA とその他すべての請負業者はわかりません -、ジェット エンジンの部品を加工していました。許容範囲はばかげていました。特定の機能では ±0.00005 インチなど。機械工は私に検査報告書を見せてくれた。 1 つの部品で 27 の測定寸法があり、すべてが数万分の 10,000 以内である必要がありました。-
「どうやってそれを正確に測定するのですか？」私は尋ねた。彼は温度管理された検査室を指さした。- 「温度は ±1 度に制御され、花崗岩の定盤、レーザー スキャナー。検査装置のコストは CNC 機械よりも高価です。」
ツールの選択 (秘密の複雑さ)
切削工具は、それ自体が複雑な世界です。超硬インサート、セラミック工具、CBN（立方晶窒化ホウ素）、ダイヤモンド。さまざまな形状、コーティング、チップブレーカー。すべての材料と操作には特定のツールが必要です。
私はサンドビック コロマント テクニカル センター - (これはオハイオ州、おそらく 2015 -) で 1 日過ごしました。そこでは 50,000 種類もの異なるインサート オプションがありました。 5万。アプリケーションエンジニアは、チップ形状を微量変更することが切りくず形成、切削抵抗、表面仕上げ、工具寿命にどのような影響を与えるかを教えてくれました。
「ほとんどの店舗では、作業の 90% におそらく 10{4}}15 種類の異なるインサートを使用しています」と彼は言いました。 「しかし、残りの 10% - は奇妙な材料、厳しい公差、難しい形状です。ここで、使用する工具を理解することが重要です。」
コストも大きく異なります。基本的な超硬インサートは 1 つあたり 8 ～ 10 ドルかかる場合があります。ステンレスまたは外来材料用の派手なコーティングされたインサート? 40～50ドル。高硬度鋼用のCBNインサート? $200+. そしてそれらは消耗します。人々が考えていない CNC 旋削の隠れたコストの一部。
ライブツーリング (旋削とフライス加工の融合)
最新の CNC 旋盤には、部品が旋盤内にある間にフライス加工、穴あけ、タップ加工ができる「ライブ ツーリング」- 電動工具が搭載されていることがよくあります。旋削センターとフライスセンターの間の境界線がぼやけます。
ミネソタ州の油圧バルブボディを製造している店でこれを見た。複雑な部品、多数の十字穴、タップ穴、円筒体にフライス加工された平らな部分。以前は複数のセットアップが必要でした。- 旋盤をオンにし、フライス盤に移動し、場合によっては旋盤に戻ります。現在では、ターン ミル センターで 1 つのセットアップですべてを行っています。-
「段取り時間は 60% 短縮されました」と生産マネージャーは私に言いました。 「また、機械間で部品を移動させないため、精度が向上しました。部品を再チャックするたびに、潜在的なエラーが発生します。」
ただし、プログラミングはさらに複雑になります。これで、回転、工具の位置決め、ライブ工具の回転、クーラント - の多くの変数を調整できるようになりました。シカゴのカンファレンスで私が話をしたあるプログラマーは、ライブ ツールを学習することで当初のプログラミング時間が 2 倍になったと言いました。 「慣れるまでに2年くらいかかったかな。今は元に戻るなんて考えられない。」
スイス式旋盤（奇妙ないとこ）
スイス式旋盤はまったく別の品種です。-元々はスイスの時計製造のために開発されたもので、- という名前が付けられています。通常の旋盤ではたわむような細長い部品用に設計されています。
部品は、切削工具に近いガイド ブッシュを通って送られます。ツールは一度に部品の長さの 4 分の 1 インチ程度しか認識できません。残りはサポートされています。たわみの問題を発生させることなく、非常に長く細いパーツを回転させることができます。
カリフォルニア州-シリコンバレー地域-にある医療機器メーカーを訪問しました。このメーカーではスイスの機械を稼働させて小型の外科用コンポーネントを製造していました。部品はおそらく直径2mm、長さ50mmでした。ステンレス鋼。許容誤差は 10 分の 1 単位です。 「通常の旋盤で試してみると、部品が曲がり、びびりによって表面仕上げが台無しになります。許容範囲内のものは何もありません」と主任機械工は説明しました。
それにしてもスイス製の機械は高価ですね。エントリーレベルでは 10 万ドル、ハイエンドレベルでは 50 万ドル以上になります。-そして、彼らは気難しいのです。本当に正確な位置合わせが必要で、壊れやすい小さな工具、複雑なプログラミング。
ミネソタ州のある店主は私にこう言いました。「小さな部品の問題をすべて解決してくれると考えてスイス製旋盤を購入しました。安定して良好な部品を取り出すまでに 9 か月かかりました。ほとんどあきらめて、そのものを売りました。」最終的に彼らはそれを理解し、現在は 24 時間年中無休で稼働しています。しかし、学習曲線は急峻です。
自動化 (今後の方向性)
自動化は現在夢中になっています。原料を自動供給するバーフィーダー。ブランクを積み込み、完成した部品を降ろすロボット アーム。一部の店舗では、製造機械を無灯火で稼働させ、無人状態で一晩中稼働させています。{{3}
私はインディアナ州のファスナー メーカー - を訪問しました。これはおそらく 2021 - で、交代で 2 人のオペレーターが 20 台の CNC 旋盤を稼働させていました。休憩は自動化されました。バーフィーダーが機械への供給を維持し、部品がビンに投下され、コンベアが材料を移動させました。 「以前はこれらの機械を 2 台の機械につき 1 人のオペレーターで運転していました」と工場長は語った。 「現在は 10 人に 1 人のオペレーターですが、15 人に 1 人のオペレーターに向けて推進しています。」
ただし、投資は真剣です。優れたバーフィーダーの価格は 20,000 ～ 40,000 ドルです。ロボットセルは、複雑さに応じて 10 万ドルから 25 万ドルかかる場合があります。大容量を実行している場合にのみ意味があります。
小規模な店舗はこれに苦労しています。ペンシルバニア州のジョブショップのオーナーに話を聞いたところ、彼はこう言いました。「1回の作業でおそらく50～500個の部品を製造しています。セットアップに時間がかかるのですが、自動化を正当化できるほど生産量が高くありません。私たちはこの中間点で立ち往生しています。」
品質管理（検査問題）
CNC を使用している場合でも、多くのショップが苦労しているのは品質管理です。プログラムが実行されたからといって、部品が仕様を満たしているとは限りません。工具の磨耗、機械のドリフト、材質はさまざまです。
ほとんどのショップでは、最初の部分検査、実行中の無作為サンプリング、最終検査が行われます。{0}しかし、どのくらいの量が十分なのかについては議論があります。私はデトロイトの製造カンファレンスで、品質管理者と生産管理者の間で議論が行われているのを見ました - 2019 - だったと思います。
品質担当者: 「すべての部品を測定する必要があります。」
製造担当者: 「人件費が 2 倍になります。CNC は再現性があります。」
品質担当者: 「そうなるまでは。不良部品を出荷してしまい、顧客を失うことになります。」
簡単な答えはありません。部品、顧客、故障の結果によって異なります。医療と航空宇宙?すべてを測定します。賭け金の少ない商用部品ですか?-サンプル検査はおそらく大丈夫でしょう。
-プロセス内測定が役に立ちます。加工中に寸法をチェックするツールプローブは、寸法がずれた場合に自動的に補正します。初期費用はかかりますが、廃棄を防ぐことができます。
誰も教えてくれないこと (隠れた課題)
CNC 旋削には、マーケティング用パンフレットに掲載できない課題があります。
工具の破損は生産性を低下させる可能性があります。超硬は脆いので-間違ってぶつけると割れてしまいます。部品がスクラップになり、機械が損傷した可能性があり、ツールを交換して再起動する間に時間をロスしました。私がジョージア州で訪れたある店では、壊れた工具や破損した部品の写真が恥ずかしい-枚の壁に貼られていました。 「高価な間違いを思い出させてください」とオーナーは言いました。
切りくずの排出は思っている以上に重要です。金属を切断すると、- 個の切りくずが発生します。切りくずが適切に除去されないと、仕上げ面に傷がついたり、工具が詰まり、さらにはクラッシュを引き起こす可能性があります。切りくずの巣が蓄積してクーラントの流れが妨げられ、機械が停止するのを見てきました。
クーラント自体はすべてです。従来の洪水冷却剤は機能しますが、汚れが発生し、濾過が必要で、廃棄には費用がかかります。工具スピンドルを通る高圧クーラントは深い穴の場合に効果的ですが、特別な工具が必要です。ショップによってはミストクーラントを使用したり、ドライカットを使用したりする場合もあります。各アプローチにはトレードオフがあります。
次に、ソフトウェアの状況です。コントローラーの世代が異なれば、使用するプログラミング方法も異なります。古いマシンを設置しているショップでは、フロッピー ディスクや古いハード ドライブにプログラムが保存されている可能性があります。私は、ファナックのコントローラーを実行するために 90 年代後半の PC をまだ使用しているある店を訪れました。 「このコンピュータが壊れたら、我々は困ってしまいます」とプログラマーは認めた。 「コードの一部はおそらく最新のシステムにきれいに転送されないでしょう。」
スキルギャップの問題 (誰もが不満を抱いている)
熟練労働者の不足は現実であり、さらに悪化しています。私が話をする店主は皆、そのことについて言及します。経験豊富な CNC プログラマーや機械工が見つかりません。古い世代は退職し、若い人たちは製造業がキャリアとして存在することを知りません。
ウィスコンシン州 - 2020 または 2021 - の専門学校にいて、機械加工プログラムのディレクターと話をしていました。同氏は、地元企業からの求人の方が卒業生の数よりも多いと述べた。 「企業は必死だ。ここではCNC機械工の初任給は時給25～30ドルに達しており、場合によってはそれ以上になることもある。それでも十分な人員を確保できない。」
問題の一部は認識にあります。 CNC 加工には、プログラミング、工具の選択、トラブルシューティング、計測技術 - の本当のスキルが必要ですが、- 製造業は汚くてスキルが低いと考えられています。-そうではありません。現代の CNC オペレーターは、設計図を読み、形状を理解し、コンピューターを操作して問題を解決する必要があります。それは技術的な仕事です。
店舗によっては一から研修しているところもあります。未経験者を雇用し、社内トレーニング プログラムを受けさせます。-時間はかかりますが、少なくともあなたの特定のプロセスを学ぶ人々を獲得できます。
次はどこへ行くのか（おそらく）
AIと機械学習は今バズワードです。切削パラメータを自動的に最適化し、工具の摩耗を予測し、その場で送りと速度を調整するシステム。うまくいくものもあれば、誇張されすぎているものもあります。
2022 - シカゴで開催された「AI{0}} を活用した」機械加工展示会 - を展示している会社を訪問しました。正直に言って、そのデモは印象的でした。システムは、さまざまな材料や形状に最適な切断パラメータを学習しました。しかし、実店舗での導入について尋ねると、営業マンは曖昧な態度をとりました。 「私たちは、よりアクセスしやすくすることに取り組んでいます。」
言い換えると、高価でセットアップが複雑です。たぶん10年後にはこれが標準になるでしょう。現時点では、予算が十分にある高級店で販売されていることがほとんどです。
積層造形- 3D プリンティング メタル - は、CNC の代替として提案され続けています。買わない。 Additive は、複雑な形状や少量の体積には適していますが、体積の単純な丸い部品には適していますか? CNC 旋削はより速く、より安価です。ある航空宇宙エンジニアは私にこう言いました。「不可能な形状には添加剤を使用します。それ以外は依然として CNC です。添加剤は置き換えではなく増強です。」
ナノ精密加工はもう一つのフロンティアです。部品はミクロン単位で測定され、公差は 1 桁のマイクロメートル単位です。-。半導体装置、医療機器、精密光学機器。特殊な機械、管理された環境、本格的な専門知識が必要です。ニッチ市場だが成長中。
これが実際に重要な理由
CNC旋削は目に見えないインフラです。ほぼすべての製造製品は、サプライ チェーンのどこかでコンポーネントになっています。自動車、飛行機、医療機器、家庭用電化製品、産業機械 - はすべて、精密旋盤加工された部品に依存しています。-
新型コロナウイルス感染症のサプライチェーンの混乱中、人々は突然気づきました。 「待って、これらの部品は入手できないのですか？」そうです、製造している機械工場が閉鎖したり、原材料が入手できなかったり、労働者を失ったりしたからです。
米国にはおそらく 10,000-15,000 の機械工場が CNC 作業を行っています。大変そうに思えますが、多くは 5 ～ 10 人規模の小規模な作業です。何かがそのエコシステムを混乱させると、多くのものが機能しなくなります。
大手自動車会社 - のサプライ チェーン マネージャーに話を聞いたところ、NDA のどれであるかは言えません - は、サプライ チェーン内にさまざまな旋盤部品を製造する機械工場が数百あると述べました。 「人々は大手サプライヤー - がモジュールやアセンブリを製造している Tier 1 のことを考えています。しかし、個々の部品を製造している小さな工場も何千もあります。そこに脆弱性があります。」
テクノロジー自体は進化し続けています。機械はより正確で、信頼性が高く、より高速です。ソフトウェアはより洗練されています。しかし基本的には、正確な形状を作るために鋭利なツールを使用して材料を除去しています。古代エジプトの旋盤と同じ原理が、今ではコンピューターによって実現されています。
ミルウォーキーの店に戻ります。帰る前に、オーナーは 1980 年代に手動旋盤で作った部品を見せてくれました。- は比較のために保管していました。新しい CNC で作られた同じ部品と比較します。表面仕上げはCNCの方が優れていました。寸法の一貫性が向上しました。サイクルタイムは以前の数分の一に。
「この技術は 2 年で元が取れました」と彼は言いました。 「これまでで最高の投資。もっと早くやっておけばよかった。」
私にとっては理にかなっています。
さらに詳しく知りたい場合は
Modern Machine Shop や Cutting Tool Engineering などの業界出版物では、CNC 旋削加工が定期的に取り上げられています。新しいテクノロジーやテクニックを追い続けるのに適しています。
機械メーカー - ハース、マザック、DMG 森、オークマ - には技術文書とトレーニング資料があります。機械が稼働しているところを見ることができるオープンハウスを運営しているところもあります。近くにあれば参加する価値があります。
Sandvik Coromant、Kennametal、Iscar などの工具メーカーは、Web サイトに詳細な技術リソースを掲載しています。アプリケーション ガイド、速度と送りの計算ツール、トラブルシューティングのヒント。予想以上に便利です。
NIST (国立標準技術研究所) は製造に関する研究を発表しています。学術的ですが、場合によっては精密測定や工作機械のダイナミクスを理解するのに役立ちます。
シカゴの IMTS、カリフォルニアの WESTEC、マサチューセッツの EASTEC など、さまざまな展示会で機械工、プログラマー、店主と長年にわたり有益な会話を交わしてきました。-ほとんどの有益な情報は、公式のプレゼンテーションからではなく、フロアを歩き回り、実際に仕事をしている人々と話すことから得られました。
データと例は 2023 年時点のものです-2024 年。製造は非常に速いスピードで進んでおり、特定の数値とテクノロジーを検証する必要があります。インターネット上で誰かの名前を引用するだけでなく、可能であれば実際の店舗に行ってください。
ああ、もう 1 つ - 精密製造を検討している場合は、彫り込み放電加工も検討する必要があります。まったく異なるプロセス (切削ではなく放電) ですが、CNC 旋盤では解決できない問題を解決します。硬い材料、複雑な空洞、物理的に切削工具を入れることができないもの。先ほど言ったコネチカット州の航空宇宙店ですか？複雑な部品の半分は旋削後に放電加工を経ました。精密な作業に真剣に取り組んでいる場合は、理解する価値があります。
補足説明 - は、硬化した材料や複雑な作業については、彫り込み放電加工を確認してください。技術は違いますが（放電加工）、旋削との相性は抜群です。オハイオ州で金型作業に使用されているのを見た。知っておく価値があります。
補足: - は最近、特に精密な金型製造や複雑なキャビティ用途向けに、彫り込み EDM を検討しています。 CNC 旋削とはまったく異なるプロセスですが、精密な製造が随所に現れるのは興味深いです。 EDM がエレクトロニクス製造にどのような変化をもたらすかについて興味がある場合は、ここにそれについて書いています。シンカー放電加工。ほとんどの人が考えていない、目に見えないインフラストラクチャに関する同様のテーマ。