新しい市場への拡大を決意した工場は、その取り組みをサポートするために、新しい機械加工装置を追加したり、新しい機械加工プロセスを採用したりすることを余儀なくされることがよくあります。True Die の場合、深絞り板金成形アプリケーション用の精密円形工具を製造することで製品ラインナップを多様化するために踏み出した一歩が、ハードターニングの効果的な戦略の開発につながりました。その目標は、64 HRC までの (主に) 硬化粉末金属円形工具の内径 (ID) と外径 (OD) の研削の必要性をなくし、同心度、表面仕上げ、寸法精度の点で研削で達成できるものと一致させながら、より高い材料除去率を達成することでした。それ以来、同社はそれを実現し、直径と半径を ±0.0002 インチの精度でハードターニングする機能を確立しました。

実際、ミシガン州ジーランドの工場に最近導入された機械のうち 2 台は、主にハード ターニング用に購入されたターニング センターです。True Die の技術スペシャリストである Mitch Stahl は、ターニング コーディネーターの Chris McCleary とともに、機械工チームを率いて工場のハード ターニング戦略を確立しました。簡単に言うと、この工場のアプローチは、全体的なプロセスの堅牢性の確立、適切なタイプの切削工具の実装、適切な切削データの適用という 3 つの相互に関連する概念に要約されると彼は言います。

ここでのキーワードは相互に関連しています。スタール氏は、これらの概念のうち 1 つまたは 2 つだけを実装してもうまくいかないと主張しています。効果的なハード ターニングを行うには、すべてを適切に対処する必要があります。「このようなプロセスを導入する際には、細かい点にまで注意を払うことも同様に重要です」とスタール氏は指摘しています。

真のダイ2015 年に同社を買収する前は Contour Tool and Engineering という社名だった同社は、プラスチック射出成形金型と順送金型セットの設計、機械加工、組み立ての専門知識を持っています。10,000 平方フィートの施設には、CNC ミル、旋盤センター、研削盤、ワイヤーおよびシンカー EDM 装置など、さまざまな機械加工装置が揃っています。

True Die の社長であるブライアン ブラウン氏は、深絞り金属成形業界は、同社がサービスを提供している他の市場を補完する新しい市場に進出するチャンスであると述べています。「深絞りスタンピングの応用に関する当社の専門知識により、当社はツール サプライヤーとして独自の地位を確立し、具体的なソリューションとより高性能なツールを市場に提供できるようになりました」とブラウン氏は言います。「絞りスタンピングの設計、開発、製造における合計 100 年を超える経験により、当社はこの業界特有の要件を徹底的に理解し、十分に準備を整えていました。」

買収当時、コンターは金型の製造のみを行っていました。深絞りプレス加工会社との戦略的パートナーシップを構築し、多様化と急成長の機会をもたらす 2 社の顧客を獲得したことで、同社はブラウン氏が「ディテール部門」と呼ぶ部門を設立し、新旧の深絞り工具や自動組立装置用の個別の部品を提供することで、提供品目をうまく充実させることができました。実際、ディテール作業は現在、同社の売上の 50% を占めており、同社はディテール市場に参入してから 2 年間でほぼ 700% 成長しました。

この円形工具は、主に自動車用途の燃料、ブレーキ、エアバッグ システムなどの部品を金属板 (通常はステンレス鋼) から (通常は円筒形の) 部品を作成するために使用される、複雑な順送型および深絞り型で使用されます。「当初は、円形工具に必要な公差と仕上げを得るには、より高性能な円筒研削盤を購入する必要があると考えていました」とブラウン氏は言います。「しかし、ハード旋削の経験を持つスタール氏は、ハード旋削プロセスなら工具に必要な精度が得られ、材料除去率が高いため研削よりもスループットが速いと提案しました。さらに、研削コストが高額で、場合によっては成形研削作業が必要になるような硬化材料の複雑な形状も効率的に旋削できます。」

True Die はジョブショップであるため、丸型工具のバッチサイズは小さく (多くの場合 1 個から 6 個まで)、製品ミックスは多様です。工具の長さは 20 インチ、直径は 0.1 インチから 12 インチの範囲で、多くのバージョンでは長さ対直径比 (L:D) が高くなっています。

この工場では主に、さまざまな金属と合金元素の粒子を組み合わせた粉末金属合金の棒材から丸工具を製造しています。粉末金属の「レシピ」は棒材の形に圧縮され、工場ではまず熱処理の前に柔らかい「グリーン」状態で機械加工します。熱処理により個々の粒子が結合し、硬化した部品が作られます。粉末金属合金の種類によって異なりますが、グリーン状態の工具の硬度は基本的に無視できるほど小さく、従来の旋削方法で効果的に機械加工できます。ただし、熱処理後は工具の硬度が 64 HRC に達することがあります。この工場で機械加工される一般的な粉末金属鋼には、CPM 3V、9V、10V、および M2 と M4 があります。

True Die は、通常、工具をプレハードニングした状態で旋削した後、約 0.010 ～ 0.012 インチの余分なストックを残し、その後のハード旋削パスを可能にします。L:D が高い部品など、熱処理後にひどく反りやすい部品では、より多くのストックが残る可能性があります。反りが大きい場合、課題はサイズ許容値を達成することではなく、むしろ同心度許容値を厳密にすることです。「反った部品をまっすぐにすることは、サイズに合わせることよりも難しい場合があります」と Stahl 氏は言います。

True Dieがハード旋削用に購入した2つの最近の旋盤センターは マザック12 ステーション タレットを備えた Quick Turn Nexus 250 II モデル (どちらもライブ ツール ステーションはありません)。これらのマシンの最初のマシンは 2016 年 4 月に購入され、2 台目は同年 8 月に購入されました。これらのマシンは、ハード旋削工程の基盤を形成するために工場が必要とする堅牢性を提供します、と Stahl 氏は言います。

工作機械販売代理店の代表マイク・アッター氏によると、 アディマシナリー（ミシガン州グランドラピッズ）は、この機械をTrue Dieに販売したが、同社のMXハイブリッドローラーガイドシステムが剛性に大きく貢献しているという。「ローラーはボールベアリングよりも接触面が多く、スライドよりも摩擦が少ない」と同氏は説明する。「ローラーは弾性変形が少ないため、このシステムは高負荷容量にも効果的に対応し、高度な減衰能力を備えているため、工具寿命が延びます。また、X型設計により、ラジアル（時計回りと反時計回り）、逆ラジアル、横方向の4方向に負荷を効率的に分散し、コーナリング動作時の反転エラーを軽減します」。さらに、これらの機械で使用されている一体型スピンドルモーターは、ベルト駆動スピンドルを備えた機械よりも高負荷切断時の同心度が向上すると言われている。

スタール氏は、ハード旋削加工中はワークの保持と切削工具の剛性を考慮することも同様に重要だと言います。前者に対処するため、この工場ではジョーの代わりにコレットを使用して、バーストックとの接触面積を増やしています。「さらに、コレットを使用するとジョーが持ち上がることがないため、平行クランプが実現しやすくなります」とスタール氏は言います。「ワークピース、コレット、スピンドルノーズなど、すべての接触面も清潔でなければなりません。」

True Dieは ハーディングFlexC クイックチェンジ コレット システムは Nexus マシン (およびショップ内の他の多くの旋盤センター) に搭載されており、0.0004 インチ以内のトータル指示振れ (TIR) を実現します。FlexC は、従来のジョー チャックと比較して、セットアップと切り替え時間を短縮します。このシステムには、スピンドル マウント アセンブリ、コレット ヘッド、およびトリガー リリース付きの手動レンチが備わっており、マシンのチャックがクランプされていない位置にあるときに、コレット ヘッドを手動で取り付けたり交換したりするために使用します。

コレット ヘッドは、加硫プロセスによって結合された硬化鋼セグメントで構成されています。コレット シャンクがないため、コレット セグメントはストックに対して平行のままです。平行クランプはストックの「押し戻し」を最小限に抑え、従来のコレットと同じグリップ能力を達成するために必要なドローバーの力が少なくなると言われています。このシステムは 3.25 インチまでのバー直径に対応でき、一般的な FlexC コレット ヘッドは公称サイズより ±0.020 インチ小さいまたは大きいグリップ範囲を備えているため、異なるサイズのコレットに変更することなくバー ストックのサイズの変化に対応できます。このショップでは、3.25 インチを超えるワークピースの直径には、標準の 3 爪および 6 爪チャックを使用しています。

切削工具の剛性を確保するには、まずカッターを適切な工具中心の高さに配置することが重要だと McCleary 氏は説明します。「中心からわずか 0.002 インチずれるだけで、チャタリングや振動が発生する可能性があります」と同氏は言います。「さらに、ワークピースの直径が小さいほど、工具中心の高さが重要になります。」これは、工具がワークピースの中心から同じ距離にある場合、ワークピースの直径が小さいほど誤差の割合が増加するためです。

ツールホルダーからのツールの突き出しと張り出しも最小限に抑える必要があります。通常、決定要因は、テールストックを使用する場合の OD 旋削のツールクリアランスと、ID をボーリングする場合の穴の深さです。「突き出しが振動の原因になっている場合、最初のステップは速度と送りを変更することです」と McCleary 氏は説明します。「次のステップは、異なる切削ツールインサートのノーズ半径またはエッジの準備を検討することです。」

ほとんどの場合、True Dieは主にハード旋削加工に立方晶窒化ホウ素（CBN）切削工具を使用しています。 Sumitomoショップは、CBN はセラミックよりも非常に硬い材料に対して長持ちし、繰り返し使用でき、クーラントを使用して稼働できることを発見しました。その代償として、CBN カッターはセラミックよりも高価です。通常、連続切削にはスミボロン BNC200 グレードを使用し、断続切削には BNC300 グレードを使用します (円形工具の約 25 パーセントは断続切削です)。これらのインサートは、破損と摩耗に対する耐性のバランスが良好で、チタンアルミニウム窒化物 (TiAlN) コーティングが施されていると言われています。

True Die は、25 ～ 80 度 (通常はネガティブ ジオメトリ) のダイヤモンド型インサートと、0.004 ～ 0.031 インチのノーズ半径を使用します。55 度のインサートは、外径旋削によく使用され、0.030 インチのノーズ半径は荒加工に、0.015 インチのノーズ半径は仕上げ加工に使用されます。断続切削には、より強力な 80 度のダイヤモンド インサートが使用されます。穴あけ加工では、通常、ポジティブ ジオメトリの 80 度のインサートが使用されます。

マクリアリー氏は、ネガティブ ジオメトリとポジティブ ジオメトリのインサートを選択する際にはトレードオフがあると述べています。「ネガティブ ジオメトリのインサートはポジティブ ジオメトリのインサートよりも強度が高く、反転させて 4 つの使用可能な刃先を提供することもできることがわかりました」と同氏は説明します。ただし、これらのインサートは切削圧力が高く、クリアランスが少なくなります。ポジティブ ジオメトリのインサートはより自由に切削でき、クリアランスも大きくなりますが、刃先は弱くなります。

切削データに関しては、True Die のすべてのハード旋削アプリケーションに確実な値はありません。これは、材料の種類、硬度、ワークピースの L:D、切削条件などによって異なります。ショップでは、非常に硬い材料での中断の多い切削では 150 sfm 程度まで低く、硬度が中程度の比較的柔らかい材料では 550 sfm 程度まで高くなる可能性があります。

スタール氏によると、この工場で仕上げ作業に使用している一般的な切削深さ (DOC) は 0.003 ～ 0.004 インチですが、切削工具の担当者は DOC は少なくとも工具の先端半径と同じにすべきだと提案しています。しかし、True Die は、ワークピースの L:D が 20:1 を超える場合など、場合によっては、より深い切削の圧力によってワークピースが過度にたわみ、許容範囲を維持できなくなることを発見しました。この圧力によって部品にストレスがかかり、部品が歪むこともあります。

熱処理後に 0.010 ～ 0.012 インチのストックを除去することで、3 回のハード旋削パスを同じ 0.003 インチまたは 0.004 インチの DOC で実行できます。こうすることで、各パスのツール圧力は同じになります。

「前の部品が仕様通りに加工されていれば、オペレーターは、工具が部品をかすめる程度に、削り取ったばかりの材料の総量だけ工具を後退させることができるはずです」とスタール氏は説明します。「その後、最初のパスでワークピースを測定できる良好な表面を作り、2 回目のパスで測定して操作が繰り返されていることを確認し、最後のパスでワークピースを最終サイズに仕上げます。」

この方法を使用すると、ショップはツールを繰り返し使用しなくなるまで押し続けることができます。摩耗は正常で想定内であり、インサートが繰り返し可能な量だけ摩耗している限り管理できます。ただし、現在のエッジが繰り返し使用されていない場合は、インサートを変更するか、新しいエッジにインデックスを付ける必要があります。

断続切削を除き、この工場ではほぼすべてのケースでクーラントを使用しています。クーラントは、切りくずを洗い流したり潤滑剤を供給したりするためではなく、部品を冷却するために使用します。「クーラントの流れを不活性チップから遠ざけるようにし、場合によっては部品の反対側に流すこともあります」と McCleary 氏は言います。「高硬度の粉末金属材料はハード旋削中に大量の熱を発生し、熱による熱膨張が許容範囲を超えることがあります。さらに、クーラントを使用しない場合、オペレーターはハード旋削後にワークピースを冷却してから測定する必要があります。クーラントを使用すると、部品を即座に測定できます。」この工場では、切削刃が熱で破損する可能性があるため、断続切削にはクーラントを使用しません。

True Die の 2 台の Quickturn Nexus マシンのうち 1 台はハード ターニング作業用に確保されており、もう 1 台は従来の旋削に容量が必要な場合に使用されることがあります。実際、Stahl 氏は、可能であればターニング センターをハード ターニング プロセス専用にすることが重要であると考えています。「ハード ターニング仕上げ作業でマシンのスケジュールを埋める作業がある場合、なぜ荒加工も行ってそのマシンを酷使するのでしょうか?」と彼は尋ねます。「長期的には、ハード ターニング専用にマシンを 1 台維持する方が得策です。そうすれば、そのマシンがそれらの精密な作業を効果的に実行できる時間が長くなると私は考えています。さらに、適切な旋削、面取り、ボーリング ツールをすべてマシンにセットアップしておくことができるため、セットアップが速くなります。とはいえ、特に少量多品種のジョブ ショップでは、ハード ターニングにマシンを投入することが常に実用的であるとは限りません。」