三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012) 工作機械特集

技 術 論 文33

大形工作機械の高精度加工技術
特殊ジェット潤滑と熱変形補償技術（ATDS）
High Precision Technology for Large Type Machining Center.

粂隆 行 *1

重 川 英 文 *2

Takayuki Kume

Hidefumi Omokawa

小 松 直 隆 *3

古 立 哲 *4

Naotaka Komatsu

Satoshi Furutate

中 村 真 吾 *5

山 田 泰 成 *5

Shingo Nakamura

Yasunari Yamada

産業機械の加工部品や自動車の大形金型の高精度化に伴い，大物部品加工では従来以上に高精度加工のニーズが高まっている．高精度加工を実現するためには，大形工作機械の機械内外の温度変化に伴う機械の熱変形を低減することが課題である．従来技術の主軸発熱による熱変形補正ではその高精度化ニーズに対応できなくなり，新たな高精度加工技術が必要になってきた．そこで，小型精密加工機で培った主軸内部冷却と特殊ジェット潤滑による主軸熱変形低減技術を大形機で採用するとともに機械全体の熱変形補償技術（ATDS）を開発した．

|1. はじめに産業機械の加工部品や自動車の大形金型の高精度化に伴い，大物部品加工では従来以上に高精度加工のニーズが高まっており，±10μm の加工精度を要求されることも増えてきた．このような高精度加工を実現するためには，機械を恒温室工場に設置したり，仕上げ工程のみを別工程で実施する等といった熱変形対策を行うことが通常であった．しかし，空調のない汎用工場に設置した環境でもこのような高精度加工を実現したいとのニーズが増えてきた．従来，主軸発熱等内部要因による熱変形に対しては熱変形補正による対策，機械周囲の室温変動の外部要因に対しては断熱板や熱対称構造等による対策を実施しているが，このような高精度化ニーズに十分対応できなくなっている．そこで，汎用工場下でも高精度加工を実現できる新たな熱変形補償技術を搭載した門形五面加工機 MVR を開発したので以下に紹介する．

|2. 従来技術の問題点と課題
大形工作機械の大物加工ではワークと機械の双方が大きいため，機械温度１℃あたりの熱変形量はマシニングセンタに比べて数倍大きく，加工精度に大きな影響を及ぼす．そのため高精度加工を実現するためには，大形工作機械の機械内外の温度変化に伴う機械の熱変形を低減することが課題であり，主軸と機械本体の両面からの対策が必要である．従来の熱変形補正は主軸の発熱量に応じた熱変形量を補正することで熱変形補正精度は±15μm 以下のレベルであった．しかし，この熱変位補正精度は加工精度の要求レベル±10μm に対して不足しているため，主軸軸受の発熱を効率的に取り除き，主軸の熱変形補正精度向上を図る必要がある．また，汎用工場下での高精度加工ニーズに対応するため，１日の温度が大きく変動する環境下でも熱変形しにくい構造とし，安定した高精度加工を実現する必要がある．そこで主軸だけでなく機械全体での熱変形を補償する技術を開発した．
*1 工作機械事業本部技術部主席チーム統括*2 工作機械事業本部技術部主席技師*3 技術統括本部高砂研究所主席研究員*4 工作機械事業本部技術部課長*5 工作機械事業本部技術部

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)34|3. 主軸の熱変形低減技術
3.1 目的
主軸の熱変形に対するニーズとして，高速回転時においても主軸の熱変形量が小さいことや熱変形が安定するまでの時間が短く暖機運転の時間を短縮できること，また長時間にわたる加工においても熱変形量が安定していること等がある．これらのニーズに対応するため，小型精密加工機で培った主軸の内部冷却技術と転がり軸受の特殊ジェット潤滑技術とを大形機 MVR に採用した．以下にこの特殊ジェット潤滑主軸の構造と効果を示す．

3.2 主軸の内部構造
図１に主軸先端部分の概略構造を示す．発熱源となる転がり軸受に，発熱に応じて冷却された潤滑油を供給することで軸受自体を効率的に冷却し，また従来から実施している軸受外側の外筒冷却に加え，回転する主軸内部にも冷却油を循環させることで主軸の温度上昇を抑えている．

図１ 主軸の内部構造

3.3 主軸の内部冷却と軸受の特殊ジェット潤滑の効果
これら主軸の熱変形低減技術により主軸の熱変形量±5μm 以下を達成し高精度加工ニーズに対応した精度を実現した（図２）．また，軸受の潤滑油は全量回収する機構を設けることで主軸からの油ダレゼロを実現しており，油を嫌うカーボンやセラミック，樹脂加工などにも適した主軸である．

図２ 主軸熱変形の実測値

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)35|4. 機械の熱変形補償技術（ATDS）
4.1 目的
一般に大形工作機械での高精度加工のために実施されている対策では，設備投資費用や生産効率の低下が問題になっている．そこで“環境温度変化に強い機械”のコンセプトに基づき，お客様の生産性向上と高精度加工の付加価値提供を目指した新熱変形補償技術を開発した．

4.2 環境温度変動に強い機械構造設計
工作機械の熱変形は工場の環境温度変化により構造体の温度変化が生じることで発生する．
そのため環境温度が変化しても構造体の温度が変化しにくいことや，機械全体を均等に温度変化させ傾きやねじれを発生させないことが重要である．そこで環境温度変化時にも熱変形が発生しにくい機械構造体の最適シミュレーションを行い，クロスレールやコラムの構造体形状の最適化や断熱板の配置を決定した（図３）．

図３ 熱変形解析例

4.3 熱変形補償技術“ATDS（Advanced Thermal Displacement Suppression System）”
この熱変形補償技術は発電タービン等で培った当社の熱解析技術を工作機械に応用して開発した技術であり，熱解析シミュレーションに基づいた，1.機械構造，2.冷却システム，3.熱変位予測・補正技術の３つの“熱解析技術”をバランスよく融合させることにより，熱変形の影響を大幅に低減，暖機運転不要で長時間にわたり安定した精度での加工を可能としている．

図４ ATDS システム概略図

図４にそのシステムの概要を示す．環境温度変化に対するロバスト性を高めて熱変形を低減したことに加え，機械各部の温度をモニタリングして発生した熱変形を補正する手法を採用した．また，コラムの熱変形による傾きをリアルタイムに計測して主軸位置を補正する技術や，脱着可能な

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)36

アタッチメント（付加主軸）の変形量も３次元補正する技術を開発し，機械トータルでの熱変形を補償することを特徴としたシステムである．
図５に ATDS を適用したときの熱変形実測値を示す．一般工場環境の室温変化（8.4℃/40 時間）でも恒温設備に設置した機械と同レベルの安定した精度±10μm 以下を確保でき，室温変化や主軸回転数の変化を気にすることなく長時間にわたり安定した高精度加工を実現できる．

図５ ATDS 搭載機の熱変形実測値|5. まとめ
大形機ではオンリーワン技術として特殊ジェット潤滑と主軸熱変形低減技術，機械本体の熱変形補償技術を開発した．この技術により主軸回転数の頻繁な変化を伴う加工や大物ワークの長時間加工を実施する場合でも高精度加工を実現可能とした．また，機械周囲の工場室温の急激な変動が発生しやすい汎用工場下でも，大物ワークでの要求加工精度の向上のニーズに対応し安定した高精度加工を実現することが可能となる．このシステムは，機械を使用されるお客様の視点に立ち，“より生産性が高く”“より環境にやさしく”という御要求に応えるシステムと考える．今後もお客様の機械加工に共通の悩みである熱変形に対し，門形加工機のパイオニアとして最適か
つ先進的な提案を続けお客様の生産性向上に寄与していく．