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金型加工用工作機械の技術開発動向
森脇俊道

T. Moriwaki

1.

まえがき

3.

プレス加工や鍛造などに代表される各種塑性加工，鋳最近における工作機械技術の進歩

造，射出成型など各種金型を用いた加工は，高精度，高3.1 工作機械の要素技術
上述したように最近における工作機械要素技術の進歩

能率で多量生産を可能にする加工法として，機械産業には著しい．特に高速主軸についてみれば，高速マシニンおいて広く活用されている．金型には高い加工精度に加グセンターの最高主軸回転数が 50,000min-1 を超えるもの

えて良好な仕上げ面粗さが求められるため，これまではもあり，DmN 値についてみてもこれまでの目安とされて比較的企業規模の小さな工場において，技能者によっていた 1,000,000 をはるかに超えて，2,000,000 近くのもの製造されることが多かった．また金型製造には高度な加もある．その多くはセラミック玉軸受と特殊な潤滑法を工技術が要求されるため，金型の加工技術がその国の機採用したものである．一時期待された磁気軸受は，コス械加工技術を象徴するものであった．近年，金型加工にト／パフォーマンスの点で市場で広く使われるには至っ

は高精度・高品質に加えて短納期，低コストが求められ，ていない．
主軸と並んで重要な送り軸駆動には，従来のボールね金型産業に大きな変革がもたらされつつある．
金型製造における技術的な問題としては，１）複雑なじ駆動に加えてリニアモータ駆動の採用が広がっている．

形状が増え，CAD/CAM を駆使した加工が求められるこ

リニアモータ駆動は高速性に加えて，バックラッシなどとから，技能から技術への転換，２）工作機械と工具をによるロストモーションがないことなどから，高精度の含む切削加工技術の進歩による加工法の転換，３）各種駆動系に向いており，最近では後述する超精密工作機械

光学部品などの製造に必要な超精密マイクロ金型の加工の駆動系に広く用いられつつある．５軸マシニングセン技術の確立，などがあげられる．本稿ではこのうち主とターや複合加工機においては，高速，高精度の回転テーして２）と３）の観点から最近の技術について紹介し，ブルが使用されることが多いが，そのためのダイレクト将来展望を試みる．

ドライブモータの開発も進んでおり，直線駆動，回転駆動ともに最近における駆動系の進歩は著しい．

金型に用いられる材料は焼入れ鋼や超硬合金などいわ3.2 多軸加工機による金型加工技術
最近では３次元的に複雑な形状をした金型が多く用い

ゆる難削材であり，切削加工が困難であることが多い．

られるため，これまでのいわゆる直線３軸のマシニング

そこで金型の加工には被削材の硬度によってあまり影響センターよりも回転軸を付加した４軸，あるいは５軸マを受けない放電加工が多用され，現在でも放電加工の必シニングセンターが広く用いられつつある１）．しかしな要性は高い．こうしたことから金型の製造において切削がら現実問題として５軸同時制御加工はプログラミング

加工が用いられるのは，調質前の粗加工が主であった．

が複雑であり，必ずしも広く用いられてはいない．現状

一方で近年，焼入れ鋼など難削材の切削加工技術が進歩で広く利用されている技術はいわゆる３＋２軸加工と呼したため，一部の磨き加工を除いて，切削加工で金型がばれるもので，あらかじめ回転の２軸を利用して，工具製造されることが多くなった．その基礎となったものとして，以下のような技術進歩があげられる．

に対する工作物の姿勢を変えておいて通常の３軸加工を行うものである２）．この方法の主たる利点は，図１に示１）高速，超高速主軸に代表される工作機械要素技術の進すように，

2.

金型加工における切削技術の重要性

１) エンドミル工具のオーバーハング長を短くすること歩，ができるため，重切削が可能である，

２）５軸加工機など多軸複合加工機の普及とその運用を支援する CAD/CAM 技術の進歩，

２) 深い壁の面や穴を容易に加工することができるため，

３）焼入れ鋼の切削を可能とする CBN 工具など工具技術加工時間の短縮が図られる，
３) ボールエンドミルの場合，最適な工具位置を使用しての進歩，加工を行うことができるため，切削条件の最適化が図

４）高速主軸回転，小切り込み，高送りによる小径エンドられる，ミル工具による難削材の加工など，切削加工技術の進

４) ジグや取り付け具の簡素化が図られる，歩．などである．３＋２軸加工と通常の５軸加工を比較すると図２のようになる．４軸あるいは５軸同時制御加工においては，CAD 情報から CAM 情報を作るための CAD/

*摂南大学工学部 マネジメントシステム工学科 教授-27-

図 3 代表的なマシニングセンターの制御軸

図 1 ３＋２軸加工の利点

図 4 ５軸制御マシニングセンターの例（オークマ）
す A 軸および C 軸を具備する形式のものである．縦型と横型を比較すると縦型のマシニングセンターが圧倒的に多い．代表的な５軸マシニングセンターの例を図 4 に示す．
５軸マシニングセンターとしては，この他多くの形態，寸法のものが生産され市場に出荷されており，マシニングセンターの主流になりつつある．
図 2 ３＋２軸加工と５軸加工の比較

複雑な形状の金型加工を行う新しい形態のマシニングセンターとして，パラレルマシンがある．これは従来のCAM 技術が重要となる．ここで課題となる事項をあげると以下のとおりである．

工作機械が，一つの運動軸の上に別の運動軸を重ねたい
わゆるシリアル型になっているのに対して，例えば 図 5１) カッターパスの創成，に示すように，６本のストラットの伸縮で主軸に X，Y，Z，

２) 同時加工の制御，
３) 最適な加工法の選択，A，B，C の運動を与えるパラレル機構を応用したものである．パラレルマシンにも多くの種類があり，図 5 に示

４) 衝突防止，すように６軸の運動をパラレル機構で実現しているもの

５) 工具姿勢の制御，の他，平面内の運動のみをパラレル機構を利用して実現

６) ポストプロセシング．

し，従来のシリアル機構と組み合わせたもの，工作機械の一部のみにパラレル機構を応用したものなど，多くの3.3 多軸複合加工機の動向
最近では，X，Y，Z の直線運動軸を有する通常の３軸制御マシニングセンターに対して，各軸周りの回転運動軸種類の工作機械が開発されている．実用されているパラレルマシンの例を図 6 に示す．パラレルマシンは比較的A，B，C 軸の内２つの回転軸を有する５軸制御マシニン

単純な機構で複雑な運動を実現することが可能であるが，グセンターが広く市場に出回り，金型加工に利用されている．最も一般的な５軸制御マシニングセンターは図 3 に示

回転運動における運動範囲が狭い，従来型の工作機械に比べて床面積当たりの加工範囲が狭い，複雑な座標変換-28-

4.2 超精密金型加工機の動向
超精密工作機械は一般のマシニングセンターのような汎用機とは異なり，用途が限られること，極めて高価であることなどの理由により，その市場は比較的小さく，またメーカの数も少ない．しかしながら超精密工作機械には最高の設計・生産技術が要求されることから，工作機械メーカにとっては技術の頂点を示す工作機械として位置付けられる面もある．
超精密工作機械の要素として最も重要な主軸には，高図5い精度を実現することが可能な静圧軸受が用いられる．

パラレル機構と座標変換

静圧を発生する媒体として空気あるいは油が使用されるが，その特性を比較すると表 2 のようになる．
表2

空気静圧軸受と油静圧軸受の特性比較

項目
回転速度剛性，負荷能力
振動減衰能
その他

空気静圧軸受
油静圧軸受
高速回転可
比較的低速
相対的に低い高い
低い
高い
多孔質型，オリフィス 発熱防止，油温の制型など多種類あり
御が重要

直線案内としては，すべり案内，転がり案内，静圧案内が用いられるが，空気，あるいは油の静圧案内が用いられることが多い．空気と油の特性の相違については，
図6

表 2 と同じように考えることができる．直線駆動方式とパラレルマシンの例（オークマ）

しては，ボールねじ駆動，静圧ねじ駆動，リニアモータ計算を実時間で行う必要がある，などの問題点が指摘さ駆動があるが，最近ではリニアモータ駆動が多く利用されている．しかしながら用途を限り，特徴を生かせば今れている．特殊な駆動法として静圧ねじ駆動があるが，後応用範囲はさらに広がるものと考えられる．

この方式を採用しているメーカは限られている．
最近生産されている超精密工作機械は複雑な形状に対4. 超精密金型加工応することができるよう５軸あるいは６軸制御のものが4.1 超精密マイクロ金型の動向
最近では各種電子デバイス，光学機器などを中心に様々多い．工作機械の形態としては様々のものが生産されてなレンズやミラーが数多く使用されている．これら光学一般に様々の防振対策，熱変形対策が施されている．代
表的な超精密工作機械の例を図 7 に示す．

いる．また超精密工作機械はその精度を発揮するために，部品の多くは，プラスティックの射出成型，あるいはガラスのホットプレス成型で多量生産される．そこで使用される金型には，高い加工精度と極めて良好な仕上げ面粗さが要求される．こうした光学部品の生産に使用される金型に要求される項目と要求内容は表 1 のようにまとめることができる．最近では，光学部品のコンパクト化に伴う金型のマイクロ化や，使用する波長の短波長化に伴う精度，仕上げ面粗さに対する要求の高度化，自由曲面を含む形状の複雑化，超硬合金など金型材料の難削化など，極めて高度な加工技術が要求されるようになっている．そのため後述するように，超精密工作機械のみならず新たな超精密加工法や超精密加工に適した工具の開発が進められている．
表1

図7

光学部品用金型に要求される項目と要求内容項目
形状
形状精度，仕上げ面粗さ
工作物材料

超精密工作機械の例（トヨタ工機）

上述したように，超精密工作機械は特殊な工作機械で要求内容
球面→非球面→非軸対象→自由曲面
マイクロメータ（nm）→ナノメータ (nm)
軟質金属（無酸素銅）→硬質金属（焼入れ鋼）→硬脆材料（超硬合金，セラミックス）

あるためその市場はあまり大きくはない．しかしながら，今後省エネルギーのために白熱電灯や蛍光灯に代わってLED が一般に使用されるようになると，そのために必要な光学部品を大量生産するための金型が必要になると考えられることなどから，近い将来簡便な超精密工作機械-29-

が数多く生産されることも予想される．
4.3
超精密金型加工の事例
超精密金型は一般に極めて鋭利に研磨された単結晶ダイヤモンド工具を用いて加工される．しかしながら，ダイヤモンド工具で焼入れ鋼を切削することは通常不可能であることから，一般にプラスティック成形に使用される金型は基本的に無酸素銅で作り，その表面に硬質のニッケルリンメッキを施して，ダイヤモンド工具で仕上げ加工を行う方法が取られている．
近年焼入れ鋼の超精密ダイヤモンド切削を可能にする技術として，超音波振動切削が注目を浴びている．特に
図9

筆者らが開発した超精密超音波楕円振動切削法は焼入れ焼結ダイヤモンド製多刃工具鋼の超精密加工法として応用が広がりつつある．超音波
楕円振動切削の原理と特徴については論文３）に譲るとして，実験室で加工された焼入れ鋼の金型の一例を図 8 に示す．

図 10

超硬合金製マイクロ非球面金型の加工例

工作機械技術について概観した．今後，金型にはより一層の高精度化，高品質化が求められ，一方では短納期，

図 8 超音波楕円振動切削による金型の加工例

コストダウンが要求されると思われる．より付加価値の携帯電話のカメラなどに利用されるガラスレンズは，高い金型製造を実現するために，工作機械ならびに関連ホットプレスによって多量生産される．この場合に使用する工具技術，加工技術および CAD/CAM 技術の一層のされる金型は高温・高圧に耐えることができる超硬合金高度化が求められている．特に工作機械に関しては，よや，セラミックスが用いられる．これらの硬脆材料は単り一層の高能率化，複合化，長時間の安定性が求められ結晶ダイヤモンドで切削することはほとんど不可能であるであろう．

ることから，研削加工が用いられることが多い．そのため超精密工作機械の多くは，別途研削主軸を付加するか，参考文献
1)

あらかじめ高速で回転することが可能な主軸を具備してT. Moriwaki: Multi-Functional Machine Tool, Annals of
the CIRP, 57/2 (2008)pp.736-749.

いる．
2)

超硬合金の金型を切削するため，円筒型の焼結ダイヤ(2006)pp.167-189.
3)

図 10 に示す４）．超硬合金やセラミックの金型に対する要M. Sato: Design and Performance of 5-axis Machines
in Japan, 第 12 回国際工作機械技術者会議テキスト

モンドの先端に多数の切れ刃を研削で作り，それを用いて超硬合金にマイクロ非球面金型を加工した例を 図 9，

社本英二，森本祥之，森脇俊道：楕円振動切削法（第2 報），精密工学会誌，65/3(1999)pp.411-417.

求は今後更に増大するものと考えられ，そのための加工
4)

技術の一層の開発が求められている．

H. Suzuki, T. Moriwaki et.al.: Precision Cutting ofAspheric Molds with Micro PCD Milling Tool, Annals of
the CIRP, 56/1(2007)

5. まとめ
切削加工法によって金型を製造する技術とそのための-30-