加工の成功には、生産性のバランスが必要

多種多様な素材から様々な部品を製造するため、加工工程は多岐にわたります。しかし、すべてのメーカーに共通する目標は、一定品質のワークを一定時間内に一定数、適切なコストで生産することです。

はじめに

この目標を達成するために、多くのメーカーは工具の選択と適用から始まる狭い視野のモデルで、問題を受け身で解決しています。しかし、このやり方を変えれば、コスト削減と効率化が図れます。問題が発生するのを待って個々の加工オペレーションを調整するのではなく、まず、不合格品や予定外のダウンタイムを排除するための積極的な事前計画に焦点を当てるべきでしょう。安定した信頼性の高いプロセスが確立された後、生産経済学の概念を適用することで、メーカーは生産速度と製造コストのバランスを見つけることができます。そして、確実で経済的に強いオペレーションを基礎に、加工プロセスを完全に最適化する工具と切削条件を選択することができます。

生産経済学

金属切削加工を最適化するためには、不良品や予定外のダウンタイムを発生させない、安全で信頼性の高い工程が不可欠です。プロセスの安全性を確保するためには、安定した生産環境を構築することが必要です。工作機械のメンテナンス、CAMプログラミング、工具保持システム、クーラント塗布など、メーカーが分析しなければならない領域があります。パレットやロボットによる部品のロード/アンロードシステムなどのワークハンドリングオートメーションも評価の対象となりえます。

生産経済学の技術と科学は、最高の生産性と最低の生産コストを維持しながら、製造工程の最大限の安全性と予測可能性を確保することに焦点を当てています。金属切削工程と環境が安全で予測可能であれば、生産経済学は2次元の追求となり、メーカーの特定の状況に適した生産量と製造コストのバランスを見つけることができます。例えば、単純な部品の大量生産では、最小限のコストで最大限の生産量を確保することが第一に考慮されるかもしれません。一方、多品種少量生産で価値のある複雑な部品を製造する場合は、製造コストよりも信頼性と精度を重視する必要があります。

ミクロとマクロ

金属切削の生産高を最大化するための従来のアプローチでは、個々の作業における個々の工具の最適化に基づく、狭い視点のミクロモデルが使用されます。一方、マクロモデルでは、より広い視点から製造工程を検討します。これらのモデルは、与えられたワークを生産するために必要な総床面積時間に集中しています。

ミクロモデルとマクロモデルの関係は、絵画を制作する際の画家の視点に例えることができます。ミクロモデルでは、画家が一筆書きに集中するのと同じように、個々の細部に集中する。マクロモデルは、一歩下がって、絵画を全体的に見るように、部品の生産プロセスを全体的に見る。細部へのこだわりは必要だが、その代償として全体の目的を無視してはいけないことは明らかだ。

隠れたコスト

細部にこだわると、最終的な成果から目をそらすことになる。例えば、切削時間を10秒短縮するために、工具を1本追加すると、セットアップやインデキシングに10分かかるのは不利なことです。同様に、顧客の要求以上の品質を実現しようとすると、コストと生産時間が増大する。ほとんど真剣に、"機能的にはまだ許容できる、可能な限り最悪のワークを作るには、どれだけの時間とコストがかかるか？"と問うことができるでしょう。

運用コスト

加工費のモデルには、ミクロの視点とマクロの視点がある。ミクロモデルでは、切削条件を切削コストに直結させ、狭い視野で切削加工を考える。マクロモデルは、より広い視点から、与えられたワークを生産するために必要な全体的な時間を重視します。

製造業では、一定期間内に完成したワークピースや、作業終了までに要した総時間など、さまざまな方法で生産量を測定しています。生産速度には、ワークの形状要件や材料の特性、設備全体の製品の流れ、人員投入、メンテナンス、周辺設備、環境・リサイクル・安全問題など、多くの要因が影響する（サイドバー参照）。

製造コストの中には、固定的な要素もあります。ワークピースの複雑さと材料は、一般的に部品の製造に必要な機械加工工程の種類と数を決定する。設備の工作機械とそれを動かすための電力を取得し維持する費用は、基本的に固定費である。人件費は多少柔軟性があるが、少なくとも短期的には事実上固定費である。これらのコストは、加工された部品の販売による収入で相殺されなければならない。生産性（ワークから製品に変換される速度）を上げることで、固定費を相殺することができます。

個別の最適化

プロセスの生産性とコスト効率の全体像がマクロ的にバランスされ最適化された後、メーカーは個々のオペレーションを慎重に最適化することによって、さらなる改善を達成することができます。切削条件、すなわち切り込み、送り速度、切削速度は、生産性とコストのバランスを取る上で重要な役割を果たします。この3つのうち、いずれか、またはすべてが加工時間の短縮に貢献しますが、それぞれがプロセスの信頼性に与える影響は大きく異なります。切り込みは、基本的に工具寿命に影響を与えません。送り速度は工具寿命に若干の影響を与える。しかし、切削速度が工具寿命に与える影響、および切削工程の信頼性に与える影響は非常に大きい。

多くの工場長は、切削速度を上げるだけで、一定期間により多くの部品を生産でき、それによって製造コストを削減できると考えています。通常それは正しいのですが、トレードオフが伴います。一般に、加工が速くなればなるほど、安定性は低下する。高速加工は熱の発生が多く、工具と加工物の両方に影響を与えます。また、工具の摩耗や振動が部品の寸法を変化させ、表面仕上げを低下させることがあります。

工具が破損し、ワークが傷つくこともあります。さらに、信頼性の限界に近い工程では、通常、無負荷運転や半負荷運転ができないため、省力化の可能性がなくなります。切削速度が極端に速く、加工条件が厳しいと、機械のメンテナンスコストや、機械の故障によるダウンタイムが増加する可能性があります。

このような問題を認識し、20世紀初頭、アメリカの機械技師F.W.テイラーは、工具寿命を決定するためのモデルを開発しました。このモデルは、切込みと送りの組み合わせに対して、工具の劣化が安全で予測可能、かつ制御可能な切削速度の窓が存在することを示した。Taylorのモデルは、切削速度、工具摩耗、工具寿命の関係を定量化し、コスト効率と生産性のバランスをとり、加工に最適な切削速度を明確に示すことができる。

一般的にメーカーは、工具クランプ、ワーク固定具、工作機械の安定性、工作機械のパワーを条件として、それぞれの加工で可能な限り大きな切り込み深さと高い送り速度を選択する必要があります。また、切りくずの発生と排出、振動、ワークの変形など、加工上の安全性についても考慮しなければならない。バランスの取れたアプローチとして、切削速度の低下とそれに伴う送り速度や切り込み深さの増大があります。切り込み深さをできるだけ大きくすることで、必要な切削パス数を減らし、加工時間を短縮することができます。送り速度も最大にする必要がありますが、過度の送り速度は加工物の品質や仕上げ面に影響を与える可能性があります。ほとんどの場合、切削速度を維持または低下させながら送り速度と切り込み深さを増加させると、切削速度だけを増加させた場合と同等の切り屑処理速度を得ることができる。

生産コストは、工具コストと機械コストの合計である。切削速度を上げると加工時間が短縮され、機械加工費は減少する。しかし、工具の寿命が短くなると、工具費と工具交換時間が増加し、機械コストの削減を上回るため、ある時点から全体のコストが上昇します。

送り速度と切り込み深さの組み合わせが安定し、信頼できるものになると、切削速度を操作の最終校正に使用することができるようになります。目標は、機械加工時間を短縮しつつ、工具の摩耗を促進して切削工具のコストを過度に上昇させないような高い切削速度にすることです。

非切断の問題

環境・安全問題は、生産経済においてますます重要な要素となっています。製造業は省エネルギーの必要性に迫られています。クーラントや切削油の使用や廃棄は、ますます規制が厳しくなり、コストも高くなります。切削条件へのバランスの取れたアプローチは、メーカーがこれらと同様の懸念に対処するのに役立ちます。切削速度を下げ、送り速度を上げ、切り込み深さを小さくすることで、金属の除去に必要なエネルギー量を削減することができます。また、バランスの取れた条件は工具寿命を延ばし、工具の消費と廃棄の問題を軽減します。エネルギー消費の低減は、熱の発生を抑えることにつながり、最小限の冷却水またはゼロ冷却水での加工の機会を提供します。

結論

生産経済学の概念を取り入れるには、加工環境の全体的な分析を行い、多くの確立された金属切削の手法に反する考え方を受け入れる必要があります。しかし、推奨される戦略を実行することで、コスト削減とワーク品質を向上させ、より環境に優しい生産を可能にすると同時に、全体的に安定した信頼性の高い製造プロセスで生産性と収益性を維持することができます。

施設全体の観点

加工工程をマクロな視点で見ることのメリットは、個々の金属切削加工にとどまりません。広い視野で見ると、生産におけるすべてのステップの相互関係が考慮されます。簡単な例として、2台の工作機械を直列に使用して部品を生産する場合を考えてみましょう。工作機械Aの出力を最適化しても、工作機械Bの結果が改善されない場合、最初の機械の部品は半完成品として次の機械を待つことになり、コストが増加する。この場合、1号機の切削コストを（生産高ではなく）最適化するだけで、生産高を維持したまま加工費全体を下げることができるのです。

一方、機械Bが機械Aの部品を加工するために待機している状況では、最初の機械の出力を上げれば、全体の生産高が増加します。工場の生産フローがライン、バッチ、パラレルのいずれで構成されているかによって、大きく異なります。

工作機械の取得コストは、メーカーの事業全体との関連で評価することもできます。典型的な例としては、ある工場でフライス盤を週40時間フル稼働させ、より高価で高性能、高速な機械に買い換えることを決めたというものがある。しかし、新しい機械が稼動すると、その半分の時間はアイドル状態になってしまう。

しかし、新しい機械が稼動すると、その半分の時間は遊休状態になってしまうのである。さらに、新型機の能力をフルに発揮できるような仕事は、店の他の事業や市場とは相容れないかもしれない。それよりも、まず全体像を把握し、新しい機械がもたらす成果を予測することが先決であったろう。より安価で、より高度な機械の方が、現在および将来の部品要求や生産量に適合するかもしれない。また、旧型の機械と組み合わせて、より慎重に工作機械を選択すれば、予定された、あるいは予定外の機械のダウンタイムに対応できる柔軟性と冗長性を確保できるかもしれない。

プロセスの最適化を包括的に捉えるには、非常に基本的でシンプルな行動と分析も必要です。使用されている工具を調査することで、工場で何が起こっているのかを幅広く把握することができます。例えば、一般的に12mmの切れ刃のチップを使用しているにもかかわらず、工具の摩耗パターンが2mmまたは2.5mmにしかならない場合、その工場では、使用する工具に対して大きすぎるチップを使用している可能性があります。6mmの切れ刃を持つ工具で十分であり、6mmの切れ刃を持つ工具は12mmの切れ刃を持つ工具よりかなり安価である。このような単純な観察により、生産性に影響を与えることなく、工具のコストを50％近く削減することができるのです。

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