三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009) ものづくりを支える機械・技術特集

技 術 論 文2

クラス最高の高能率加工を可能とする
フロアタイプ横中ぐりフライス盤 MAF150R の開発
The Floor-type Horizontal Boring Mills MAF150R
which is the Highest Efficiency of Machining Operations in this Class
山村 洋之

古立 哲

Hiroyuki Yamamura

Satoshi Furutate

堂丸 宏之

長谷川

Hiroyuki Domaru

Tomoharu Hasegawa

智治

江草 誠
Makoto Egusa

近年，中・大形部品加工分野においても，切削性能が高く，非切削時間の短い，より生産性の高い機械が求められている．このような加工現場のニーズに応えるため，重切削性能と非切削時間の短縮を追及した，フロアタイプ横中ぐりフライス盤 MAF150R を計画した．その結果，当社の保有する FEM 解析技術を駆使することによって，解析結果どおりの高い切削能力を持つ横中ぐりフライス盤の開発に成功した．以下に，実加工事例を交えながら，その技術を紹介する．

|1. はじめに風力発電・太陽光発電・原動機などの新エネルギー産業の伸長とともに，中・大形部品加工で横中ぐりフライス盤が必要とされるワークの需要が急激に高まっている．
図１に各分野の参考ワークを示す．

チャンバ

ロータヘッド

図１ ワーク例

この需要拡大は,世界規模での広がりを見せており,これらの産業で使用される工作機械には，重切削性能や高速化など高能率に加工が要求されている．
当社では，このような要求に応えるため，MAF-RS シリーズで対応してきた．しかし，今回更なる高速化への要求に応えるため，重切削性能をそのままにして，高速化や自動化による非切削時間短縮を追及，同クラス国内最高水準の性能を持つフロアタイプ横中ぐりフライス盤 MAF150R を開発した．
MAF150R は，FEM 解析を駆使し，想定した切削の実現性を実際の加工姿勢でシミュレーションを行うことで，構造体形状や部品間の結合剛性などの最適化を図った．これによって，主軸高さや突き出しに影響を受けずに重切削ができ，同クラス最高の高速度・高加減速度特性も得ることができる高能率横中ぐりフライス盤を実現させた．
本技術論文では，上述を実現した技術内容について述べる．

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)3|2. MAF150R の開発コンセプト
MAF150R の開発コンセプトは“高能率な横中ぐりフライス盤の実現”である．競合製品に比べ，高い生産性で，お客様にメリットを提供することがねらいである．そのためには，切削時間と非切削時間をバランスよく短縮することが必要である．
図２には，建設機械のワークの加工時間を，MAF150R と同クラスの国内競合製品で比較した事例を示す．
重切削能力の向上による切削時間の短縮に加え，早送りの高速化による軸移動時間の短縮，アタッチメントの装着・割出・工具の取付けを高速化することで，この事例では約 35％の加工時間削減を実現した．

図２ 加工時間の比較

図３ 横中ぐりフライス盤の構成|3. 高い生産性を実現する技術
3.1 機械の構成
図３に機械の構成を示す．
MAF150R は，高速化の要求に対応するため，現行機 MAF-RS シリーズより一回り小さい新シリーズとして開発した．そのため，主軸を支えて繰り出されるラム(Ｚ軸)は，一回り小さいが，最適な剛性が確保できる 400 mm 角とし，狭い空間の中ぐり加工も，同クラスで最深部まで柔軟にこなせるようにした．その他の軸構成は中ぐり主軸の出入り(W 軸)，サドルのコラム上下(Y 軸)，コラムのベッド前後(X 軸)としている．

3.2 高い重切削能力
FEM 解析を駆使した機械本体の高剛性化によって，全加工領域でモータの持つ最大出力３７ｋＷのフルパワー切削可能とした．主軸が高い位置や長い突き出し量でも同じ重切削ができ，加工能率が向上した．以下に高剛性化のための構造体形状や部品間の結合剛性などの最適化の技術を紹介する．
(1) 最適な構造体とするための材料選定
高剛性を実現するために，主要構造体の素材選定から見直しを行った．従来は高い静剛性が得られる鋼の溶接構造体を主体としていたが，FEM 解析で得られた理論的な構造は複雑な形状であり，主要構造体には，その形成に有利な鋳物を採用した．その結果，断面剛性が上がり，高い静剛性が得られただけでなく，加工精度に影響する動剛性の向上にもつながった．
また，切削点に最も近い位置にあるラムは，特に高剛性とダンピング特性が必要であるため，素材にダクタイル鋳鉄(FCD600)を採用し，鋳物でありながら鋼並みの高い弾性係数を持つ材料とした．
(2) 構造体形状の最適化
コラムの剛性は，生産性を上げるために効果的な“高い位置での重切削”を実現する上で，非常に重要であった．また，コラムは質量を軽減して高速に動かす必要もある．そこで本機では，コラムのリブに二重壁構造リブを採用した．

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)

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図４にそのモデルを示す．構造体の壁を二重とし，その間の空間にリブを入れることで剛性が上がることは良く知られているが，それでは質量がかなり増加するだけでなく，鋳物を形成するには極めて困難となる．そこでモデルのように，内壁を部分的に取り除くことで鋳物の形成を容易化し，質量増も最小限に抑えることができる．この構造にすることで，従来の単純リブ構造に対して 1.6 倍もの断面剛性を持たせることができた．
次に，図５にベッドのモデルを示す．全移動質量を受ける摺動面直下を，モデルのようにハニカム構造を用いることで，質量を増加することなく剛性を保つことができた．このように FEM 解析により，質量低減と剛性アップの相反する設計要素を，高度にバランスよく両立させることができた．
(3) 部品間の結合剛性などの最適化
構造体の大きな質量を支えるＸ，Ｙ軸は対向型静圧軸受(図６)，Ｚ軸はラムを４面拘束したすべり案内面方式を採用したことで，各軸が高い支持剛性を維持しながら，低速から高速までの全領域で円滑な高速送りを可能とした．

図４ コラム二重壁構造

図５ ベッドのハニカム構造

図６ 対向型静圧軸受

3.3 非切削時間短縮による高い生産性の実現(1) 各軸早送り速度の高速化
各移動軸の早送りを高速化することで，軸移動する際の位置決め時間短縮をねらった．毎分 24000 mm の 早 送 り ( Ｘ 軸 ) は ， 同 ク ラ ス の 国 内 競 合 製 品 に 比 べ 約 ２ 倍 の 速 度 ． 同
20000 mm(Y・Z 軸)と，スピーディな機械動作を実現した．
(2) 主軸の高速化
MAF150Ｒの主軸回転数は同クラス約２倍の 3000 min-1 とした．駆動系からの発熱を抑えるた
めにスプラインシャフトの内部に温度制御した冷却油を送り込み，内側から冷却する方式を採用，また，主軸ベアリングだけでなく駆動系の全軸受８箇所をミスト自動潤滑方式とし，ベアリング外筒には温度制御した冷却油を送り込むことで熱変形を抑えている．さらに主軸ベアリングには温度監視機能を装備して，異常発生を初期段階で検知することで，メンテナンス時期を通知し，突然の機械停止を防ぐ機能を盛り込んだ．

3.4 重心変化や熱変位を補正する高精度化機能(1) サドルバランス装置
本機能は，水平軸の繰り出しによる主軸先端点の垂下がりを低減することを目的としたバランス補正機能である．中ぐり軸又はラムを水平に繰り出しながら加工を行う際に，繰り出された主軸が自重によって撓んだり，主軸先端が垂れ下がると，仕上げ加工面精度に影響が出る．そのため，これらを最小限にすることを目的に採用した補正機能である．
主軸の曲がり角度(振回し，垂れ下がり)が最小限となるよう，サドル前後の吊り力を変化させて，主軸先端の垂れ下がり量を制御する．このため，サドル前側の吊り部にはシリンダを内蔵しており，Ｚ軸位置情報から圧力を線形補正，W 軸も同様の補正により移動体の重心変化を補償する．

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)5(2) 熱変位抑制
本機では，熱変位抑制機能として，以下の４点を装備した．
①外気温度変化によるコラムの変形(熱膨張)を抑制するため，形状の異なるコラム材料の前後体積(肉厚)を熱容量等価となるよう温度解析して，周辺温度変化に対するコラムの起き・倒れ量の変化を小さくした．
②主軸軸受及びドライブギアボックス内の軸受は冷却油を循環させ，主軸高速回転時の温度上昇と熱変位を抑制した．
③高い支持剛性を持つＸ,Ｙ軸の対向型静圧軸受は重心変化を極小にして，高精度な運動を実現するとともに静圧潤滑油を機械の温度に温調制御することで，軸移動による熱変形を抑制した．
④主軸回転に伴う Y, Z 軸方向の機械の熱変位を補正できるようにした．

3.5 ユーザフレンドリー
近年，生産性の向上とともに，メンテナンスや操作の容易化の要求が高まっている．
メンテナンス性向上のために，潤滑機器を集中配置し，給油作業，廃油処理，機器メンテナン
ス作業などの保守管理の容易化を図るとともに，定期のメンテナンス項目はその時期ごとに機械操作盤に表示することで，必要な点検項目をオペレータに知らせるようにした．
操作性向上のためには，５面加工ソフト(加工面座標展開方式)を開発した．これにより，90°ごとの４側面はもとより，１°ごとのどんな傾斜面でも，ＸＹ平面とみなしてプログラムすることができ，ボルトホールサークルなど，パターン化されたサブプログラムも 16 種類と豊富に取り揃えてあるた
め，複雑な加工面のプログラムでも短時間で容易に作成できる．また，この５面加工ソフトはNC 機能をベースに開発し，特別な自動プログラミング装置を必要としないため，お客様が使いやすくしている．さらにこのソフトにより，ライトアングルヘッド・ユニバーサルヘッド・ボーリングツール
ヘッド・スピンドルサポートとバリエーション豊富に取り揃えたアタッチメントの性能を最大限に引き出すことができる．

|4. 加工事例の紹介
もくろみどおりの加工ができているかどうか，実機にて加工試験を行った．その加工事例を
図７，図９に示す．
図７の加工データは，Y 軸高さ 2700mm Z 軸繰り出し 700 mm で行ったものであり，主軸ロードメータの読みで 37 kW の実出力を確認しており，当初の目標どおり高い位置での重切削が行えることが実証された．これを A 社の加工事例と比較すると，切削量で 1.6 倍の差があり，重切削における加工時間短縮が実現できるのが分かる．またこれにより，Y 軸高さ 2700mm までの範囲は Z軸繰り出し距離にかかわらず，クラス最高出力である 37 kW の加工が可能であることが言える．
さらにこの結果を，A 社と比較しグラフ(図８)に表す．グラフの範囲は機械の Y-Z 加工エリアと定義した．このグラフで分かるように，MAF150R は A 社よりも高い出力である 37kW が全領域で加工でき，その加工能力の高さは一目瞭然である．

MAF150R

A社

被削材 : SS400
工具: φ200 mm
回転速度 : 320 min-1
切込深さ : 6 mm
切削幅 : 180 mm
送り速度 : 1 300 mm/min
切削量 : 1 400 cc/min

被削材 : SS400
工具: φ200mm
回転速度 : 210min-1
切込深さ : 6mm
切削幅 : 150mm
送り速度 : 1000mm/min
切削量 : 900cc/min↑↑
約 1.6 倍図７ 本機主軸加工データ

図８ 加工領域の比較

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)

6

次に，主要アタッチメントであるライトアングルヘッドの加工データを図９に，その外形図を図１０に示す．この加工は Z 軸繰り出し 550mm で行ったものであり，加工点は主軸先端から 1000mm もの位置になる．この加工位置でもライトアングルヘッドの最高出力である 30 kW の重切削加工が可能であり，アタッチメントの剛性の高さも実証された．また，これは A 社のアングルヘッド(MAX10kW)の３倍の出力であり，五面加工機としても高い能力を有する．

被削材
工具
回転速度
切込深さ
切削幅
送り速度
切削量

MAF150R: SS400: φ200 mm: 320 min-1: 5 mm
: 180 mm
: 1 000 mm/min: 900 cc/min

図９ ライトアングルヘッド加工データ

図１０ ライトアングルヘッド外形図|5. 機械の仕様
機械の仕様に当たっては，大物・長尺ワークに対応すべく，X 軸ストローク 5 000～21 000 mm，Y
軸ストローク 2500～3500mm，Z+W 軸ストローク 1400mm に設定した．モジュラー設計を取り入れることで，幅広い仕様ながら納期の短縮も実現した．表１に本機の主な仕様を紹介するとともに，競合機との仕様差を示す．仕様一覧表で見て分かるように，本機はこのクラスで突出した能力を有する．
表 1 仕様一覧表
中ぐり主軸径mm

主軸テーパ

MAF150R

A社

B社

φ150

φ150

φ150
7/24 テーパ ISO50

7/24 テーパ ISO50

7/24 テーパ ISO50

主軸出力kW30/37

22/26

22/30

主軸回転数

min-1

7～3 000

5～1 500

16～1 600

X 軸移動量（コラム前後）

mm

5 000～21 000

6 000～10 000

4 500～9 000

Ｙ軸移動量（サドル上下）mm

2 500～3 500

2 000～3 500

2 500～3 500

Ｚ軸移動量（ラム左右）

mm

700

750

450

W 軸移動量（中ぐり主軸左右）

mm

700

900

1 000
（W+Z 最大移動量は 1 000）

早送り速度

Xmm／min

24 000 （Xst ＝5・6m）

10 000

10 000Ymm／min

20 00010 000

10 000Zmm／min

20 000

6 000

8 000

Wmm／min

10 000

6 000

8 000

切削送り速度mm／min

1～10 000

1～4 000

1～4 000

自動工具交換装置

本60, 80, 100

60, 8050|6. まとめMAF150R の開発では，当社の持つ豊富な解析ノウハウを結集し，最適構造を追及した．結果として，もくろみどおりの機械を一発で完成することができたのは，解析能力の向上と，その精度の信頼性によるものである．今後も新機種開発では同様の手法を用い，開発のスピードアップに取組んでいく．

執筆者紹介
山村洋之
工作機械事業部
技術部
大形機設計課課長

古立哲
工作機械事業部
技術部
大形機設計課主席

長谷川智治
工作機械事業部
技術部
大形機設計課江草誠
工作機械事業部
技術部
大形機設計課

堂丸宏之
工作機械事業部
技術部
大形機設計課