同時 5 軸マシニングセンタによるファン翼の複製とその加工面評価*
和合 健**、飯村 崇**
同時 5 軸マシニングセンタ（M/C）を使用してファン翼の複製を行った。ファン
翼の複製では 5 軸 CAM を用いて同時 5 軸 M/C 特有のツールパスを作成し、3 軸 M/C
では実現できない加工法が実現できた。さらに、ファン翼の固定で必要になる固定治具を製作する過程で得られた 5 軸制御ボールエンドミル加工と旋削加工での鋼材(SKH51)加工面の表面粗さを比較して、5 軸制御ボールエンドミル加工の有効性を考察した。その結果、5 軸制御ボールエンドミル加工では刃先を擦る現象が低減し、工具寿命の延長が期待できる。
キーワード：同時 5 軸マシニングセンタ、5 軸 CAM、ファン翼、表面粗さ

Fan-Blade Duplication using Simultaneous Five-Axis Machining Centerand Machining-Surface Evaluation
Takeshi Wago and Takashi Iimura
We duplicated a fan wing using a simultaneous five-axis machining center. This showedthat this processing method applies not only to three-axis machining centers but also tofive-axis machining centers with five-axis computer-aided machining, because of theresulting flexible tool path. Based on ball-end-mill processing with five-axis control, wecompared the roughness of the machined surface with that obtained by lathe turning. Thisapproach required the fabrication of a fixed jig made of non-hardened steel (SKH51) to holdthe fan wing. The results suggested a longer tool life when using ball-end-mill processing
with five-axis control because it decreases rubbing between the tool blade and theworkpiece surface.
key words : simultaneous five-axis machining center, five-axis computer-aided
machining, fan wing, roughness
1 緒
言
5 軸マシニングセンタ（以下、5 軸 M/C という）は、箱物形状ワークピースの場合に底面を除く 5 面の加工ができることから特に鋳物製造における仕上げ加工で多く利用されてきた。この場合の 5 軸 M/C は、通常、5 面加工機と呼ばれワークピースの姿勢変更が自動で行えることから現在において広く普及している。この 5 面加工機と呼ばれる 5 軸 M/C は、言わばワークピースの姿勢変更が自動で機械的に行える 3 軸 M/C であり、本報で対象とする同時 5 軸制御 M/C とは大きく異なる。本報で対象とする 5 軸 M/C は、一斉に X 軸、Y 軸、Z 軸、A 軸、C 軸の 5 軸を駆動させて加工が行える同時 5 軸制御ができる加工装置であり、精度、能率、機能など多くの項目について現状水準を超える高付加価値化が期待できる。
ここでは①ファン翼の複製、②円錐治具加工における加工面の表面粗さ評価の二つに取り組んだ。①ファン翼の複製を行うことで同時 5 軸 M/C を使用するための工具ツーリング、ワークピースの保持方法、ワーク座標系の定義方法、工具パス生成及び切削シミュレーションによる干渉確認など同時 5 軸 M/C 加工で必要となる 3 軸 M/C***

平成 24 年度 基盤的・先導的技術研究開発事業
ものづくり基盤技術第２部（現 素形材技術部）とは異なる独特の加工方法の有効性が確認できる。また、②円錐治具加工を対象に同時 5 軸 M/C 加工と他の汎用切削加工での加工面粗さを比較評価することで同時 5 軸M/C 加工の有効性が抽出できる。
2 加工装置
表 1 に同時 5 軸 M/C、表 2 に CAD／CAM の主な仕様を示す 1）。実験に使用した同時 5 軸 M/C は、立型 3 軸
M/C のテーブル部に A 軸（揺りかご式）と C 軸（ロータリテーブル軸）が設置された方式である。この方式は主軸側に首振り機構を与えていないため、加工可能な測定物の大きさは制限されるが剛性が高く高精度加工に有利な構造である。また、実験に使用した CAD／CAM はCAD と CAM の連携を強く意識した設計思想を持つ。この連携の利点は、同時 5 軸 M/C 加工では干渉問題が非常に大きな比重を占めることから、加工物の他に工具ツーリング、ワークピース保持治具などを総合的なモデリングが必要になり、CAD／CAM 連携が強いことが図 1 に示す切削シミュレーションを利用して工具ホルダとワークピース、治具などの干渉確認に大きな威力を発揮する。

岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（2016）

旋回軸
回転軸
最大回転数
ツールシャンク-1

min-素材

第1工程コダマコーポレーション）
TOPsolid Ver6.13J (コダマコーポレーション）
Parasolid
パラメトリック・フィーチャ・ベース
パラメトリック・フィーチャ・ベース3次元モデラ
ワイヤフレーム，サーフェース，ソリッド次元ドラフティング
2次元ドラフティング
Parasolid, ACIS, STEP, IGES他多数
IGES

CAM部
型式
軸数
加工方式
ツールパスシミュレーションコダマコーポレーション）
TOPcam Ver6.13J (コダマコーポレーション）
軸，3軸，4/5軸
2軸，3軸，4/5軸
等高線，走査線，面沿い，ペンシル加工他
加工手順の入れ替えでパス自動生成可
切削シミュレーション，モディファイ他

図 1 切削シミュレーション（干渉確認）

4×M5深さ1098

第第3工程

Plate1

Plate2

第第2工程

表 2 CAD／／CAM の主な仕様
CAD部
型式
カーネル
モデリング方式
取り扱い要素2次元ＣＡＤ
インターフェース

φ2515φ100

38

HSC 55 Linear (DMG/MORI）(DMG/MORI）
Heidenhain iTNC 530
リニアガイド・駆動
450600400+10/-110360
28000
HSK-A6380

作業範囲

X軸,mm
Y軸,mm
Z軸,mm
A軸,deg
C軸,deg15

表 1 同時 5 軸Ｍ/Ｃの主な仕様
軸Ｍ Ｃの主な仕様
型式
NC装置
駆動ガイド方式

Plate1

Plate3
4×φ5貫通完成

図 3 加工工程の説明図の説明図（全 3 工程）
第 1 工程（左：実加工、右：CAM
工程（左：実加工ベリファイベリファイ）

第 2 工程（左：3 軸加工、右：4軸加工軸加工）

第 3 工程（上段：加工開始前、下段：加工後）工程（上段：加工開始前 下段：加工後）
図 2 プラスチック製ファン翼（左：表側（左：表側、右：裏側）

3 ファン翼の複製
3-1 加工工程
図 2 に原型となるプラスチック製ファン翼の写真、図3 に加工工程の説明図、図 4 に加工工程毎の進捗図を示す。5 軸 M/C 加工の優位性の一つは、ワークピース姿勢加工の優位性の一つは、ワーク姿勢変更が容易に行えるため治具からの取り外しを極力少な容易に行えるため治具からの取り外しを極力少なくできることが挙げられる。最小の取り外し回数を検討した結果、ファン翼を複製するためには上面、側面、底面の全面を加工する必要があり、そのためにはワーク面の全面を加工する必要があり、そのためにはワークピースを一旦取を一旦取り外して付け替える作業をり外して付け替える作業を 3 回実施する必Plate2

図 4 加工工程
加工工程毎の進捗図

同時 5 軸マシニングセンタによるファン翼の複製とその加工面評価
4×φ6

表 3 工具表12

図 5 プレート接続治具

第 1 工程→第 2 工程

103

φ5760

□5540

3×M4深さ10Jig plate

図 7 円錐治具第 2 工程→第 3 工程

図 6 CMM によるオフライン測定要があることがわかった。ここで素材はφ100mm で高さ80mm の円柱形状のアルミ材ブロックである。
第 1 工程は図 5 に示すプレート接続治具を Plate1 の位置にネジ止めし、このプレート治具を利用して、加工機械テーブルに固定したベース治具と接続固定する。第 1工程ではφ25mm のポケット円筒を除去加工する 2 次元
ポケット加工とプレート治具をネジ止めするための M5ネジ穴 4 個を加工する工程である。この 2 次元ポケット加工は第 3 工程でワークピースを円筒治具にネジ止めするためのネジの挿入口として利用され、このポケットの底面はファン翼の上端面となるため最終仕上げ加工が必要となる。
第 2 工程は一旦 Plate1 をベース治具から取り外し、Plate2 で固定するため Plate1 の姿勢を Plate2 に引き継ぐことが必要になる。ここでの姿勢引き継ぎ方法は、図 6に示す CMM を利用してオフライン測定により Plate1 とPlate2 の回転軸及び X、Y 軸のゼロ点を 50μm 程度以内で一致させた。第 2 工程では Plate2 でベース治具に固定し、ファン翼の下面側を加工し、最後に第 3 工程で円錐治具にネジ止めするためにファン翼中心円筒部にφ5mm バカ穴を 4 個穴開けした。
第 3 工程は、ファン翼表側上端面部の除去加工である。
第 2 工程と同様に CMM のオフライン測定により Plate2の姿勢を Plate3 に引き渡した。ワークピースの固定方法
は、図 7 に示す円錐治具を利用してファン翼の中心部円筒内面の上面と側面を円錐固定治具に密着させ、M4 ネ
ジ 3 本でネジ止めした。
3-2 加工方法
表 3 に第 1 工程～第 3 工程で使用した工具表、表 4 に加工表を示す。ここで FEM はフラットエンドミル、BEMはボールエンドミル、CD はセンタドリル、DR はドリル、TP はタップである。工具はすべてハイス鋼を使用し、エンドミルの刃数はすべて 2 枚刃とした。刃数を 2 枚刃とした理由は、ブロック材からの削り出しが加工の多くを第1工程
工具
工具
番号
T1CD
T2DR
T3TP
T4 BEM
T5 FEM

工具直径 刃数(mm)（刃）
Co-HSS
62HSS42HSS52Co-HSS
62Co-HSS
102

全長 突出 ホルダ長 刃長(mm) (mm)(mm)(mm)
12217105624255187431813514681755512024169
4912045

材質

第2工程
工具
工具番号
T1 FEMT2 FEM
T3 BEM
T4CD
T5DR

Co-HSS
Co-HSS
Co-HSS
Co-HSS
HSS

工具直径 刃数(mm)（刃）162102825252

全長 突出 ホルダ長 刃長(mm) (mm)(mm)(mm)
1726710567176561204517454120342295017962425618650

第3工程
工具工具番号
T1 FEMT2 FEM
T3 BEM

工具直径 刃数(mm)（刃）
Co-HSS
162Co-HSS
102Co-HSS
82

全長 突出 ホルダ長 刃長(mm) (mm)
(mm)
(mm)
1726710567
17656
120451745412034材質

材質

表 4 加工表
第1工程
加工工程

工具番号

ポケット荒取T5(FEM)

荒取（等高線）
3D仕上（等高線）
センタ穴
ドリル穴
ネジ切り

T4(BEM)
T4(BEM)
T1(CD)
T2(DR)
T3(TP)

切削方式
側面切削（スパイラル）
曲面切削
曲面切削
ドリリング
ドリリング
タッピング

工具番号
T1(FEM)
T1(FEM)
T2(FEM)
T3(BEM)
T3(BEM)
T3(BEM)T2(FEM)
T2(FEM)
T3(BEM)
T3(BEM)
T4(CD)
T5(DR)

切削方式
側面切削
溝切削
溝切削
曲面切削
曲面切削
曲面切削
溝切削
正面切削
曲面切削
曲面切削
ドリリング
ドリリング

工具番号
T1(FEM)
T1(FEM)
T2(FEM)

切削方式
側面切削
溝切削
溝切削

T3(BEM)

曲面切削

T3(BEM)

曲面切削

第2工程
加工工程
3軸荒取（上面除去）
4軸荒取（外周面）
4軸荒取（外周面）
4軸面沿い（羽表）
4軸面沿い（羽裏）3D輪郭（羽先）
3軸荒取（円筒内部）
面削り（円筒ネジ座部）
3軸仕上（等高線）
面沿い（円筒側面）
センタ穴
ドリル穴
第3工程
加工工程
3軸荒取(Z0.5～Z-13)
3軸再荒取(Z-12～Z-23)
3軸荒取(Z0.3～Z-23)
等高線仕上（羽部，Z-12～Z-23)
3軸面沿（円筒上面部）占めていたことから底刃を利用したポケット加工時に切り屑の排出性を考慮した。また、ワークピース材がアルミであることから工具の芯厚（剛性）よりも鋭利で薄い切れ刃（切削性）を重視したエンドミル刃数の選択が適岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（2016）
表 5 加工条件
項目

図 8 4 軸加工
（左：（左：4 軸荒取り、右：4軸荒取り軸面沿い）

正であると考えた。表ると考えた。表 2 の加工表ではエンドミル加工のすべてで切削速度はで切削速度は 60m/min、60m/min、一刃送りは 0.1mm/刃とし刃とした。加工表では第 1 工程と第 3 工程はすべて 3 軸以下の軸駆動による加工であり、第 2 工程で 4 軸加工を多用する配置とした。これは CAM による加工表作成の過程で同時 5 軸 M/C による今回の加工の場合では、底面を除く
5 面の加工が第 2 工程に集約出来たためであり、つまり底面の加工が不要の場合はワーク底面の加工が不要の場合はワークピースピースの着脱は不要での着脱は不要で単工程のみのワンチャックで全加工が完遂できることがわかった。先の説明のとおり第 2 工程では図 8 に示す 4軸加工を多用しており、実際に 4 軸加工を体験した感触から、ワークから、ワークピース形状が円筒形状でその側面部を加工形状が円筒形状でその側面部を加工する場合には A 軸を 90°傾けた姿勢で°傾けた姿勢で C 軸を回転さな
がら X、Y、ZZ 軸を駆動して加工を行う 4 軸加工は能率及び面品位の観点から高精度かつ高効率に適した加工法であるようだ。
4 固定治具の加工面
治具の加工面の表面の表面粗さ評価
粗さ評価
4-1 目的
同時5軸M/C
M/C加工はワーク加工はワークピースの姿勢の姿勢変更が行える
行える
ため円錐形状の側面部の加工時に工具の突出し長さが短くできる利点がある
くできる利点がある。またエンドミル加工において A 軸を任意角度に傾斜させを任意角度に傾斜させ、CC 軸回転と X、、Y、Z 軸駆動を2）同時に行って加工する
同時に行って加工する加工方法
加工方法 は、エンドミル加工でありながら旋削加工に似た疑似連続切削による高品位面の達成が期待できるの達成が期待できる。ここでは
ここでは、ミーリングによるミーリングによる C 軸
回転 5 軸仕上げ加工と旋削加工を同一ワークピースで行軸仕上げ加工と旋削加工を同一ワークで行い、両者の加工面両者の加工面の表面粗さを比較した粗さを比較した。
粗さを比較した4-2 実験方法
同時 5 軸 M/C と NC 旋盤（型式：SL-153MC
153MC、メーカ：森精機）の異なるの異なる加工法のの 2 台の加工機を使用して円筒加工をした。
。旋削加工は、、NC 旋盤でワーク
ワークピース半径
半径方向軸（X 軸）を固定して軸）を固定してワークピースピース円筒軸方向（円筒軸方向（Z軸）のみに切削送りを与える加工方法で旋削加工をしたのみに切削送りを与える加工方法で旋削加工をした。
両者の加工条件を表
加工条件を表 5 に示す。に示す 使用したチップは超硬使用したチップは超硬+Ti
CVD コーティングコーティング材の菱形チップで先端材の菱形チップで先端 R は 0.4mm である。C 軸回転 5 軸仕上げ加工は、図
軸仕上げ加工は9 のとおり A 軸を傾けて C 軸回転と X、Y、、Z 軸の 5 軸を同時に軸駆動させる加工法である加工法である。使用した工具は超硬+(Ti,Al)N
使用した工具は超硬コーテ
ィング材の R3 ボールエンドミルであるボールエンドミルである。
両者の加工位置は両者の加工位置は図 100 のとおり同一円筒ワーク
同一円筒ワークピー
ピー
スを使用して最初に旋削加工を行いを使用して最初に旋削加工を行い 次に円筒上部位置を使用して最初に旋削加工を行い、次に円筒上部位置

切削速度
送り量
Radius depth
Axis depth
突出し長さ
刃物形状
刃数
先端R
刃物材質
刃物メーカ
刃物型式
突出し長さ
加工物材質

m/minmmmmmm
toothmmmm

軸仕上げ加工C軸回転5軸仕上げ加工（ボールエンドミル加工）

旋削

19.90.18(mm/tooth)
0.344
Auto26
ボールエンドミル
2R3
超硬+(Ti,Al)N+(Ti,Al)Nコート
三菱マテリアルVC-2MB
26

1000.15(mm/rev)
1.0
50
菱形チップ
R0.4
超硬超硬+Ti_CVDコート
京セラ
DNMG150404GU
68SKH51生材

図 9 C 軸回転 5 軸仕上げ加工

図 10 両者の加工位置

のみに C 軸回転 5 軸仕上げ加工により円錐形状に加工した。ここでボールエンドミルをツーリングしたホルダは2 ピース型の焼きばめ式を使用し、ホルダと加工機テーピース型の焼きばめ式を使用し、ホルダと加工機テーブルとの干渉を避けるためにホルダと工具を併せた全長を 200mm と大きく取り、一方でエンドミルの撓みを低減させて加工精度を高めるためにエンドミルの突出し長さを 26mm と短く設定した。
4-33 実験結果及び考察
図 11 に加工面の観察、図 12 に表面粗さの比較、図 13に断面曲線の比較、
図 14 にワークにワークピース上面の表面粗さ上面の表面粗さを示す。加工面の観察では、旋削加工は筋状の凹凸が見られ所謂、引物と呼ばれる加工面であることが分かる。
対してボールエンドミルによる C 軸回転 5 軸仕上げ加工
は連続した鱗状の加工跡が見られ、これは通常のボールは連続した鱗状の加工跡が見られ、これは通常のボール同時 5 軸マシニングセンタによるファン翼の複製とその加工面評価エンドミルを使用した加工跡と同じ軌跡であることがわかる。このことから C 軸回転を与えた 5 軸加工においてもエンドミル加工の鱗状の工具軌跡が踏襲されることが分かった。
図 12 に示した表面粗さではボールエンドミル加工がRa0.79μm に対し旋削加工が Ra2.44μm であった。
であった。Rz
ではボールエンドミル加工が 4.19μm に対し旋削加工が10.08μm であった。これはボールエンドミル加工は切れ刃による切削と同時に切れ刃の裏面でこする動作が交互刃による切削と同時に切れ刃の裏面でこする動作が交互に繰り返される加工に繰り返される加工原理であるためこする動作により加であるためこする動作により加工面を押し潰す動作が行われたために表面粗さが旋削工面を押し潰す動作が行われたために表面粗さが旋削に比べて小さくなったと予想される比べて小さくなったと予想される。一方
一方、旋削加工は連旋削加工は連続的にチップの切れ刃で削る加工法であるため規則的に鋭利な加工軌跡であることがわかる
鋭利な加工軌跡であることがわかる。
図 13 に示した断面曲線は粗さ曲線がフィルターをかけて高周波成分のみを抽出した波形形状であるのに対しけて高周波成分のみを抽出した波形形状であるのに対し、断面曲線は切削面を単に輪切りにして横方向から覗いた脚色していない脚色していない断面形状である断面形状である。ボールエンドミルによ
ボールエンドミルによる C 軸回転 5 軸仕上げ加工は、2軸仕上げ加工は枚刃による断続切削の影響から不規則な凹凸形状になっている。一方、旋削加影響から不規則な凹凸形状になっている
削加工の断面曲線は粗さ曲線と類似した規則的な凹凸形状が見られる。両者両者をそれぞれの理論粗さで比較するとボーをそれぞれの理論粗さで比較するとボーμm
切削方式
ボールエンドミル：R3mm
旋削：コーナR0.4mm

最大差Z
12.414.0

理論粗さ
9.97.0

図 13 断面曲線での比較

切削方式
ボールエンドミル：R3mm

Ra0.40Rz
1.94

Rt
3.79μm理論粗さ9.9

図 14 ワークピース
ピース上面の表面粗さ
上面の表面粗さ

図 11 加工面の観察

切削方式
ボールエンドミル：R3mm
旋削：コーナR0.4mm

Ra0.792.44Rz
4.1910.08

図 12 表面粗さでの比較
表面粗さ

Rt6.3410.92μm
理論粗さ
9.97.0

ルエンドミルC
ルエンドミル 軸回転 5 軸加工では最大差 Z が理論粗さよりも 2.5μm 大きく、旋削加工では最大差 Z が理論粗さよりも 7.0μmm 大きい結果となった。ここで、ボールエンドミル C 軸回転 5 軸加工の理論粗さは CAM が計算して示した最大スキャロップを使用し、旋削加工では図中に示した式により算出した。その結果、旋削加工で最大差 Z と理論粗さで倍の差が生じているが、切削加工領域における最大差 7μm の数値は工具摩耗の進行で容易に生じる大きさであるため、ここでの結果では理論粗さとほぼ一致したと言える。
図 14 にワークピース上端面のボールエンドミルにワーク上端面のボールエンドミル 3 軸仕上げ加工による表面粗さを示す。図 1 のボールエンド
ミル C 軸回転 5 軸仕上げ加工の表面粗さと比較するとRaでで3軸仕上げ加工の方がほぼ半分の数値になっている
軸仕上げ加工の方がほぼ半分の数値になっている軸仕上げ加工の方がほぼ半分の数値になっている。
Rz、、Rt も同様に 3 軸仕上げ加工の方が数値が小さい。これは 3 軸加工ではまさに典型的なボールエンドミルの先端点による切削速度 0 かつ、擦る加工が行われている証明であると考えられる。対して 5 軸加工では切削速度 0の切削点を避けた切れ刃による良好な切削が行われた効
果からこする加工が低減されたために、表面粗さが大き岩手県工業技術センター研究報告

くなったと考えられる。このことから 3 軸駆動によるボールエンドミル加工に対して 5 軸制御によるボールエンドミル加工は切れ刃が適正に切削し、こする現象を低減したために表面粗さが小さくなったとする仮定が正しければ、5 軸制御によるボールエンドミル加工は工具摩耗を低減させ工具寿命を延ばす方策に成り得る。
5 結言
同時 5 軸マシニングセンタと 5 軸 CAM を利用してファン翼の複製に取り組んだ。その中でファン翼加工を実施するために必要となる 5 軸 CAM によるツールパス作成及び固定治具製作を通して同時5軸M/C加工を適正に行うための知見が得られたので以下に示す。
1）ファン翼の複製に取り組み 5 軸 CAM によるツールパスを作成し、3 軸 M/C では実現できない同時 5 軸 M/Cにより一斉に 5 軸を駆動し、工具姿勢を意図した向きに傾けることができる特殊な加工方法によりファン翼が複製出来た。
2）
ファン翼の複製では底面を含めた全面加工をするためには最終工程で固定治具の活用は必須であり、最小工程数で 3 つの工程が必要であった。つまり、ファン翼の底面を含めた全面加工を行うためには 3 回の取り外し後の取付けが必要になる。

第 18 号（2016）

3）固定治具を製作する過程で同時 5 軸 M/C で特徴的な加工法であるボールエンドミルによる C 軸回転 5 軸仕上げ加工法と旋削加工で得られた加工面の表面粗さを比較した。その結果、ボールエンドミルによる C 軸回転 5 軸仕上げ加工法は C 軸回転を与えてもボールエンドミルによりワークピース表面を掘り起こす切削現象が変わらないため、通常の 3 軸 M/C によるボールエンドミル加工で見られる鱗状の切削跡は踏襲される。
4）ボールエンドミルによる C 軸回転 5 軸仕上げ加工による加工面の表面粗さと、同一のボールエンドミルを使用した 3 軸加工による加工面の表面粗さと比較した
結果、C 軸回転 5 軸仕上げ加工による加工面で表面粗さが大きくなった。これは切れ刃により擦る現象が低減し、適正な切削原理である切れ刃による削る切削が行われていたことが理由であると仮定すれば、C 軸回転 5 軸仕上げ加工法は工具摩耗の低減に寄与し、工具寿命の延長に繋がることが期待できる。
文
献1) DMG/森精機：HSC 55 Linear カタログ（2012）2) コダマコーポレーション：TopCAM v6.12J
4／5 軸トレーニングガイド