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特集論

金型加工用立形マシニングセンタ
DCV50 の開発

文

Vertical Machining Center DCV50 for Die
Mold Cutting
横 本 俊 雄＊1
Toshio Yokomoto

本 多秀＊2

Shigeru Honda

佐 藤 欣 且＊2
Yoshikatsu Sato

立形マシニングセンタが主に利用される国内の金型加工業界においては，安価な中国製品の台頭に対して優位性を保つため，複雑で高精度な金型を短納期にて製作することで対応してきた．工作機械メーカ各社はその要求に応えるべく，様々な複雑な機能を搭載したマシニングセンタを投入してきたが，必ずしもユーザの満足を得るには到っていない．現在の金型加工における要求事項から機械コンセプトを再考した
結果，シンプルな構造ながら安定した高精度加工が可能なマシニングセンタ DCV50 の開発に成功したので，その概要を紹介する．

1．はじめ間連続運転における加工精度安定性能がより高精度でに求められるようになってきている．最近の傾向として日本の金型産業や付加価値の高い部品加工業界では加工面品位や加工形状で金型ユーザの満足が得られて中国の台頭に対抗するため，より高精度で複雑な部いないのは，機械の安定した状態が要求精度に対して品を短納期で製作することで生き残りをかけている十分ではないことによる場合が多い．

が，その加工精度と短納期にどれだけ対応できるかの

1．2 最近の工作機械の動向

鍵は，マシニングセンタの能力に影響されるものが多このような長時間加工精度安定性能というものに対い．当社においてはΣシリーズのシリーズ名を持して各メーカは，当社Σシリーズでも採用した熱変位つ立形マシニングセンタ M-VΣを市場投入してきた対策として補正という手段で対応してきた．ここで言が，高精度に必要と考えられる複雑な機能すべてを搭う補正とは機械の熱変位の元となる発熱源近傍の温度載しているため，価格面を含めるとハイエンドの要求をパラメータとし，一定の補正式により各軸移動量にに対して必ずしもユーザの満足を得ることができてい補正をかける方式である．しかし，この補正は，工場ない．そこで今回はユーザのニーズに応えるため今ま環境の差によってばらつきがあり，実際には各ユーザでの機能を見直し，シンプルな構造ながら VΣと同の工場環境下での個別の調整が必要となり，また高精等の長時間安定した高精度加工が可能なマシニングセ度が要求されるほど測定点が増え制御が複雑化していンタを開発した．本論文ではユーザニーズと，それにるのが現実である．

対する対応技術について述べる．
1．1

最近の金型加工への要求補正における制御にも限界がある．一般的に主軸，本体熱変位を含めた精度は±５μm 程度が限界であ

日本における金型加工は全体的にワークは小型化しり，実際のユーザ加工要求で増えてきている±２〜３ている反面，要求精度，納期が厳しく，段取作業の集μm 以下の要求精度と比較すると十分満足するもの

約や高速主軸による仕上レス加工，ワーク交換の自動ではなくなっている．この先さらに高精度の要求が生化や ID チップによるワーク管理など様々な面で新しじた場合の対応も必要になってくる．

いツールを導入することで高精度，短納期に対応している．粗加工済の材料を海外から調達し，仕上加工だ

2．長時間安定精度を得るための技術けを行い納期対応する金型メーカも増えてきた．加工

2．1 高精度加工のポイント

においては小径工具による微細加工が増えたため，１制御装置，ボールネジ駆動系の高精度化に伴い，各本の工具による加工時間が長くなる傾向にあり，長時社とも送り機構の位置決め精度に関しては大差がなく＊1＊2

工作機械事業部技術部マシニングセンタ・専用機設計課長
工作機械事業部技術部マシニングセンタ・専用機設計課

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なりつつある．現在において他社との差別化技術は長却能力を予測，追従することができるインバータ制御

時間高精度を維持するための発熱抑制技術と考えられ方式のものに変更した．その主軸冷却回路図を図１にる．この技術は一般的に工場環境温度の変化や主軸回示す．

転に伴う発熱等による機械姿勢変化を各送り軸方向にDCV50 は，20 000 min−1主軸を標準装備としてい補正するものと，主軸回転に伴う発熱による主軸自身る．実機で確認検証した結果，冷態時から主軸最高速の伸びを補正する２種類の補正を合わせて熱変位補正度の 20 000 minとして採用するケースが多いが，ユーザの加工要求精Z 軸方向の伸びは現行の 65 μm から 20 μm と約 1/3度が厳しくなるのに対し各メーカの熱変位補正後の数に減少した．更に，現行の制御方式が熱平衡状態まで値が保証されていない，または熱変位補正後の許容値60 分以上の時間が掛かっていたのに対し今回の制御が要求に対して大きいなど，確立した技術に至ってい方式では 20 分と，従来の 1/3 の時間で熱平衡状態にない．そこで，ユーザにおいては高精度加工を行う際到達した．これは，従来の 1/3 の暖機運転時間で高精にはこの補正を無効にし，長時間暖機運転することで度な加工結果が得られることを示唆している（図２）．

−1を起動した場合，主軸発熱による機械を熱平衡状態とした上で高精度加工を実施していまた従来の油冷却装置では平衡状態後も冷却装置のる例も少なくない．金型の短納期化という要求から考バルブ開閉式制御方式の影響で±２μm 程度の幅で波えればこの暖機運転という方法は生産における無駄時打ち状態が発生しており，これがそのまま主軸の伸び間であり，相反する行為である．しかし，金型の長時／収縮となるため加工面にそのまま波打ち現象が転写間加工を考えた場合，仕上げ工程での精度不良によるされる悪影響が出ていたが，今回のインバータ方式は再製作により納期に大きな影響を与えることを考慮す±１μm 以下までその幅を抑制でき，加工面での品位ると，現在の各メーカにおける熱変位補正の実力に対向上につながった．

して，ユーザの選択としてはやむを得ない選択であり，2．2．2 本体の熱変位対策の見直しによる熱変位抑制

この点の改善が要求されている．
そこで本来要求されている長時間加工における加工

主軸内部に循環される冷却油は主軸外筒部にも同時精度の安定性を得るために，原点に戻って発熱を中心に循環させており，この効果が機械本体熱変位の安定に対策を再考してみた．
2．2

新機能の狙い

2．2．1 主軸冷却回路の見直しによる発熱抑制
長時間同じ主軸回転速度で加工を続ける金型加工において，主軸の長時間運転における発熱に対する安定現行システム

センサ性は極めて重要である．また最近の要求精度を満足す主軸

タンク：一定温度

主軸温度コントローラ

るためには補正では限界があるため，補正を抜きにしセンサて熱平衡までの時間をいかに短くすることが出来るかがポイントである．このことから立形Σシリーズでは，新規システム標準化されている主軸内部冷却の回路の見直しを行った．加工精度に一番大きな影響を与える Z 軸即ち主主軸軸の発熱による伸びの抑制に注目したΣシリーズで

図１

タンク

主軸温度コントローラ

主軸冷却回路図

は，機体温度に同調した一定温度冷却油を主軸内外部に循環させ，主軸発熱に伴う伸びを抑制していた．し10.0

ため主軸発熱に対して追従が鈍感であり，追従遅れを0.0生じた．今回考案した回路は主軸の発熱分だけ冷却す−10.0る制御方式による発熱抑制を試みたものである．事前に 30 000 min−1仕様の主軸にて検証した結果，この回路は主軸内部冷却回路から吐出される冷却油を本体

伸び （μm）

かし，冷却ユニット内部一定温度コントロール制御の：現行冷却方式：新冷却方式
0406080−20.0−30.0

平衡時間−40.0−50.0

温度に同調させる制御を行うことにより，発熱に伴う−60.0伸びを一定以下に抑制する効果が期待できることが判−70.0

明した．また温度に対する追従性をあげるために温度コントローラをその時の主軸発熱のボリュームから冷20

図２1/3 に抑制

min
20 000 min−1 回転時Z軸熱変位

主軸Ｚ軸方向熱変位量
三菱重工技報 Vol.42 No.2（2005-3）

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していたが，今回の８℃の変化は一般的な工場環境と性につながっている．
熱による機械本体の姿勢変化という現象のなかで，同等であり，一般的な工場においても高精度加工が実主軸回転に伴う軸受，主軸モータ等の発熱が機械本体現でき，熱変位に対するロバスト性が向上したことをに伝わることによるものは，高速回転主軸であればあ証明している．また，高価な恒温室を作らなくても一るほど，その影響度合いが大きい．そのためΣシリー

般的な工場で十分な高精度加工ができるということはズの補正は主軸から伝達する熱についても，主要ポイエンドユーザにとっては大変有益なことである．

ントの温度測定を行い，随時補正を掛けていた．しかまた補正を掛ける側から見ても６点による制御よりし，熱伝達遅れや，主軸の熱平衡状態補正が影響しても２点での補正で同じ精度を得られる方が誤差要因がいる時間も長く，高精度な熱平衡状態を得るには１〜少なくて済む．以上のことから，発熱を抑制すること２時間を要した．今回の制御方式では主軸の伸びを抑による長時間高精度の維持というエンドユーザの要求制するだけではなく，主軸からの発熱を抑えることにに対して対応することができた．
2．2．3も成功した．

送り軸の改善また本体熱変位は工場環境の変化，機械自身の発熱，DCV50 における送り軸においてテーブル前後の動加工熱等により姿勢変化を起こす．そのため姿勢変化作を行う Y 軸送り案内方式を改善した．M-VΣシリーを起こさないためには，熱の影響を極力減らすことがズにおいては Y 軸案内方式は加工ワーク重量変化に重要である．本体の発熱に関しては機械背面にある機伴う送り軸特性の影響を少なくするため油静圧摺動方

械制御盤の影響を受けないように断熱板にて遮蔽し，式を採用した．それに対し DCV50 はオーソドックス

工場環境に関しては全体をガードで覆いその影響を少な面摺動タイプに変更した．これは最大ワーク重量がなくした．

700 kgf（等分布）でありワーク重量変化における移この結果本体熱変位補正も簡素化されたので紹介す

動軸特性の影響は誤差範囲であることから，シンプルる．これまでは本体に６点の温度センサを取り付け，な機構である面摺動タイプを採用した．また従来面摺この温度をパラメータとした補正式により補正をかけ動タイプにて問題になっていた送り時に摺動面油にてていた．今回は主軸自体の発熱を抑えた結果，従来の発生するテーブルの持ち上がり現象（フロントアップ

６点測定と同等な結果を２点の温度測定による補正に現象）の対策としては，ギブの採用と摺動面油供給用よって得ることができた．その結果を図３に示す．本の油溝の幅を半減し，油溝のピッチを細かくすること

グラフは工場環境を 24 時間で幅８℃上下させた時ので油の圧力を開放することができ，結果持ち上がりのテーブルに対する主軸端の各方向の変化量を測定した量は最大送り速度＝ 24 m/min 時において従来の 1/5 にものである．従来方式では幅で４℃の工場環境を想定押え込むことができた．

室温

変位・補正量（μm）

1050−5−101050−5−10X軸

８℃ 変化

制御前５μm補正シミュレーション

1制御後２μm

0358Y軸1215時間（h）

1821024

制御前 13μm

1
制御後５μm

縦2.0μm/cm
横 500.0μm/cm

１μm段差
01050−5−10358Z軸

1215時間（h）

18210241

制御前 11μm

拡大写真
スキャン方向制御後６μm030358

室温

1215 18時間（h）

212402725200

縦2.0μm/cm
横 500.0μm/cm

温度幅８℃10μm24

図３6810 12 14 16 18 20 22 24
時間（h）

２点温度センサにおける本体熱変位補正

微細段差加工サンプルモデル

図４

微細加工段差サンプル加工

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Rv：4.1μm 以下

図５

金型 マウス サンプル

図７

加工面粗さ：Ry ＝ 4.1 μm

携帯電話銅電極と放電加工後加工面

以下．

図６はデジタルカメラのモデルで銅電極の加工をDCV50 にて行い放電加工を施したものである．放電加工においては電極の加工精度が転写されることから，放電加工後の金型表面面粗度 Ry ＝４μm 以下となっており電極が均一にできていることが確認された．図７の携帯電話の銅電極加工も同様である．
以上の４点のサンプルワーク加工から今回の新機種
DCV50 が長時間安定した機械精度を維持できる機械であることが証明された．要求精度も現在における要求条件を十分満足する結果が得られた．

3．これからの機械の進む方向性
図６

デジタルカメラ銅電極と放電加工後加工面

滑らか連続形状がきれいに放電加工により転写されている．

今回の機械性能は最大で 20 分の暖機運転をするだけでハイエンドの要求精度に応えることができた．こ

2．2．4 新機能によるワークでの評価

れからはますます高精度，短納期にて加工を行う要求

次に長時間安定加工を実際にワークを加工し確認をした．

が出てくる．さらに主軸高速化も進むことから，さらに主軸の発熱の抑制や制御方法などの工夫が要求され

図 ４ のワークはと称る．単純な追従式制御方式から今後は回転数から予測し，波形状のサンプルを加工した後に微細深さ加工にした先行冷却制御方式や現在では冷却しきれていないよる機械名称の文字加工を実施した．この機械名称

主軸テーパ近傍の発熱抑制方法などが課題となる．

DCV50

微細段差加工サンプルの文字加工は D から順番に１μm，２μm，また重要なのは市場要求を現在の延長だけではな

３μm，５μm，10 μm と文字の部分だけ表面から深く，新しい提案を行うことによって解消することも大く加工する文字加工とした．加工時間は文字の仕上加切である．実際のユーザの使い方から従来想定してい工時間９時間 30 分の長時間加工であり，その間に上なかったユーザのムダ時間を短くし，さらに安定した記段差を得るという難易度の高い加工である．結果は精度を得るということでユーザの満足を得ることがで１μm の段差加工でも追従しており，最後の 10 μmきると確信している．さらに今後ますます難しくなる段差まできちんと機械が追従した．これは送り軸が確要求に対して本質を見抜いた対応を行いたいと考えて実に１μm の送り動作を行っていることと，主軸連続いる．

運転時の主軸の伸び量が安定していること，本体の姿勢変化が安定していることを証明している．
次に実際の精密金型加工を実施し評価を行った．図５の加工サンプルは当社において一般的な金型加工の4．まとめ

以上述べてきた技術を今後の新機種に採用し顧客の生産に寄与していきたい．

評価として各機種にて加工されているマウス形状サンプルである．本ワークは仕上加工に 20 000 min−1にて２時間以上連続加工を行うため長時間安定加工を評価することができる．加工後における面粗さ測定を実施したところ Ry ＝ 4.1 μm 以下であることが確認された．

横本俊雄

本多秀

佐藤欣且

三菱重工技報 Vol.42 No.2（2005-3）