三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015) 工作機械特集

技 術 論 文19

大型エンジン部品加工に対応した量産加工ライン用
横形マシニングセル“M-CM5BG”“M-CM5BG”,
Horizontal Machining Cell for Mass Production Lines of Large Size Engine Parts

小 松 洋 平 *1

吉 川 啓 祐 *1

Yohei Komatsu

Keisuke Yoshikawa

若 本 弘 幸 *1

中 村 和 人 *2

Hiroyuki Wakamoto

Kazuto Nakamura

重 川 英 文 *2
Hidefumi Omokawa

現在の工作機械市場では，国内トラック・バスメーカの最大サイズである排気量 13000cc（全長1000mm）級エンジン部品を全加工できるマシニングセンタがない。このため，専用機を含む専用ラインを構築する必要があり，投資効率が悪くフレキシブル性のない加工ラインとなっていた。エ
ンジン部品として代表的なシリンダブロックのクランク穴加工には，ラインボーリングと呼ばれる長尺工具が必要である。このニーズに応えるため，最大 1 350mm の長尺工具自動交換装置（工具収納数：４本）を備えた横形マシニングセル“M-CM5BG”を開発した。長尺工具の加工に必要なＺ軸 1700mm ストロークを３点支持にて実現した高剛性ベッドの他，保守性，自動化，省人化のために，本機に搭載した技術の特徴を述べる。

|1. はじめに国内メーカが製造するトラック・バスに搭載されるエンジンの主要部品であるシリンダブロック（以下 CB）及びシリンダヘッド（以下 CH）については，生産量の多い排気量 10000cc（全長800mm）級ワークを全加工可能なマシニングセンタ（以下 MC）は市場に多く投入されている。しかし，最大サイズである排気量 13000cc（全長 1 000mm）級ワークを全加工できる MC はなく，その生産量は排気量 10 000cc（全長 800mm）級ワークよりも少ないにも関わらず，加工設備として専用機を用いた専用ラインを引く必要があり，投資効率が悪い上に生産ラインのフレキシブル性もないことが問題となっている。
したがって，排気量 13000cc（全長 1000mm）級エンジン部品（CB/CH）を全加工できる生産性の高い MC を開発してほしいという強い市場ニーズがある。また，保守性が高く自動化・省人化が可能，かつ将来を見越して“燃費向上を目的とした部品軽量化を狙ったアルミ化”に対応するため，ＭＣの高負荷加工と高速加工を両立させたいという更なるニーズもある。
当社はこれらの市場ニーズに応えて，トラック・バスに搭載する中・大型エンジン部品の加工で高い生産性を発揮する横形マシニングセル注）“M-CM5BG”を開発した。表１に主要仕様を示す。
注） マシニングセルは，量産ラインに特化したマシニングセンタで，特に生産性，信頼性，スペース効率が向上しており，量産ラインやセル生産システムの構成要素として使用される。

以下に，その搭載技術の特徴と性能について紹介する。

*1 機械・設備システムドメイン工作機械事業部技術部*2 機械・設備システムドメイン工作機械事業部技術部 主席技師

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表１ M-CM5BG 主要仕様
ストローク

主軸

送り速度

APC

長尺ATC標準ATC

Ｘ軸
Ｙ軸
Ｚ軸（標準／オプション）
テーパ形状
最高回転速度
軸径（6 000/15 000min-1）
早送り速度
（加速度）

mmmmmmmin-1mm
Ｘ軸 mm/min(G)Ｙ軸 mm/min(G)Ｚ軸 mm/min(G)mm
kg
枚本mmmm
本mm
mm

パレットサイズ
最大積載質量（パレット含む）
パレット枚数
工具収納本数
最大工具長
最大工具径
工具収納本数
最大工具長
最大工具径

1 250
1 200
1 150/1 700
HSK-A100/KM10080
6 000/15 000
φ120/φ10060（0.4）60（0.6）50（0.6）
□800
2 500
24
1 350
φ140120800
φ350

APC: Automatic Pallet Changer（自動パレット交換装置）
ATC: Automatic Tools Changer（自動工具交換装置）|2. “M-CM5BG”搭載技術
2.1 シリンダブロック特有の加工対応(1) 課題シリンダブロック特有の加工として，図１，２に示すクランク穴加工がある。この加工の為に専用機を採用しているのが現状であり，本工程を MC に取り込むためには長尺工具の自動工具交換化と長尺工具抜差し可能なストローク確保（工具全長 1 350mm，工具質量 80kg，Ｚ軸ストローク 1700mm）が必要となる。これを実現するためには，長く重い工具を落下させることなく，また，ポット摩耗に影響されることなく，安定的に工具を収納させなければならない。また，工具形状はワーク形状に合わせた設計となるため常に同一の形状とは限らない。さらには量産ラインへの適用を考慮し，できるだけ狭間口にしたいという省スペースの課題がある。表２に課題と解決方法をまとめる。

図１ シリンダブロック断面

図２ クランク穴加工

表２ 長尺工具自動交換装置 課題と解決方法
課題

解決方法

長尺重量工具が自動交換動作中に落下しないこと

工具両端を２点支持した専用搬送装置を開発した

工具収納用ポットの耐久性が高いこと（ポット摩耗の影響により不安定な動作にならないこと）

収納ポットを使用しない固定ラック方式とした

ワーク毎にサイズの異なるクランク穴加工に柔軟に対工具先端受け部のみ専用設計とし工具径・工具長違いに応できること柔軟に対応できるようにした

省スペースであることデッドスペースを活用して専用収納ラック（標準マガジンに収納しない）を配置した

三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)21(2) 解決方法
通常，各装置のコンセプト立案・機械構想は設計で行うが，本開発ではクロスファンクションチーム（CFT）を編成し，設計だけでなく，組立，調達，生産管理といったメンバーを招集し，バリュー・エンジニアリング(VE）手法を用いて，装置の果たすべき“機能”をお客様の立場からとらえて分析し，その達成手段について様々なアイデアを出し合い，前述の課題に対する最適な解決法を探った。
その結果，図３に示す長尺工具を自動交換する構造とすることで，図４の通りデットスペースを活用し設備幅を広げることなく装置を構成し，工具を標準マガジンに収納する場合に比べ間口を 500mm 短縮可能にした。また，工具を固定ラックに置くことで，ポット摩耗の影響を排除することができた。さらに，ワークに合わせて変わる工具形状に対応するために，図５に示す工具受け皿方式を採用し，工具先端受け部のみ専用設計することで，ワークの変更に迅速に対応できる構造とした。

図３ 長尺工具の自動交換装置

図４ デットスペースを活用した工具収納

図５ 工具受け皿三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)22

2.2 保守・精度維持の容易化(1) 課題
工作機械は，基礎の経時変化による機械精度の悪化を抑制すること，また，機械精度が悪化した場合の精度調整の容易化が課題となる。しかし，2.1 項で述べたように，長尺工具で加工するには，1 700mm のストロークが必要であり，このストロークになると通常，多点支持ベッドが採用される。多点支持ベッドでは，ジャッキ調整に時間を要し保守性の低下を伴うという問題がある。
(2) 解決方法
図６，７に示すとおり，機械全体及び３点支持ベッドの 3D モデルを作成し，数値解析手法（FEM：有限要素法）を用いて，鋳物構造体内部のリブ形状，厚み，配置を最適化することで1700mm ストロークに対応しつつ３点支持ベッドを実現した。
本堅牢ベッドは，基礎のレベル変化の影響を排除し機械精度の悪化を抑制するだけでな
く，図８，９に示す通り 1 700mm ストロークで真直度の変化を 3.2μm 以内に抑え機械の高精度維持を実現した。

図６ ３Ｄモデル作り込み

図７ ３点支持ベッド

図８ Ｚ軸真直度（YZ 平面）の変化状況

図９ Ｚ軸真直度（XZ 平面）の変化状況

2.3 自動化・高生産性への取り組み(1) 課題
変種・変量に対応した加工ラインは，複数のワークにおいて高い生産性を確保することが課題である。しかし,前述の専用機ラインでは，異なるワークを生産するためには生産ライン停止を伴う段取替えを余儀なくされているという問題がある。中・大型エンジン部品では，重いワーク，重い治具（ワーク質量 500kg，治具質量 1 500kg，パレット質量 500kg 計 2500kg）を短時間で段取り替えすることが求められている。また，いつも同じワーク／治具ではなく，状況に応じてサイズや質量が変わっても適切に対応できなければならない。
(2) 解決方法
本機では，図 10 に示す 2APC 方式（2 枚のパレットを旋回させ自動交換する方式）を採用する
ことで，治具（パレット含む）ごと自動段取り替えし，自動化・高生産性への対応を提案する。FEM
解析により想定荷重に耐えうる剛性を確保するとともに，ワーク及び治具の想定モデルを作成し，実際のパレット交換時の状況をシミュレーションすることで，アーム形状，架台剛性を最適化

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し，最大積載質量 2500kg，APC 交換時間 30 秒を実現した。ワーク／治具質量の変動に対しては，サーボ駆動化し質量に応じて速度切替えさせることで，最短時間で動作させ時間短縮に寄与できる構造とした。また，治具（パレット含む）ごと段取り替えする方式を採用したことで，無人搬送車（AGV）を使ったフレキシブル生産システム（FMS）の構築も容易となる。

図 10 2APC 方式

2.4 省人化への取り組み(1) 課題加工設備における省人化には，ライン構成を最適化し最少人員配置でライン運営するとともに，数分程度の短時間機械停止（チョコ停）を減らし，設備復帰のための作業工数を削減することが課題である。多くのチョコ停は切粉に起因し，熱をもった切粉が機械の精度悪化をもたらし，切粉堆積により治具等の動作不良・センサの誤作動を誘発し，切粉飛散により機械内の装置が破損する等の問題が発生する。
(2) 解決方法
本機では，図 11 の M-CM5BG 内部構造に示す通り直接ベッドに切粉を接触させないステンレスシュートを採用し，切粉の熱をベッドに伝えない構造とし熱変位を抑制している。機内は金属カバー（ATC シャッタ及び XY 軸・Ｚ軸スライドカバー）を採用し，切粉直撃に対する耐久性を向上させている。またセンタトラフのベッド構造とステンレスシュート採用により，切粉を機内に堆積させず，速やかな機外への排出を可能とした。さらに図 12 に示す当社独自の形状をしたクーラントカーテンを使った機内洗浄により，切粉堆積が生じない配慮をしている。

図 11 M-CM5BG 内部構造

図 12 クーラントカーテン

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2.5 将来対応(1) 課題トラック・バスのエンジン部品においても，将来を見越して，燃費向上を目的とした部品軽量化のためアルミ化対応が必要である。そのため，高負荷加工と高速加工を両立させたいという更なるニーズがある。但し，50 番テーパ主軸における高速化の最大の課題は軸受の発熱に伴う焼付き防止や熱変位の極小化である。
(2) 解決方法
当社独自のジェット潤滑を採用し，図 13 に示す通り主軸の内部と外筒へ機械本体温度に同調制御された冷却液を循環させることで熱変位の極小化と低速域での軸受予圧の最大化を両立した。また，軸受潤滑油を全量回収・再利用することで，給油不要，ランニングコスト低減，クーラントへの潤滑油混入抑制によるクーラント寿命向上を実現した。(1) これにより 50 番テーパ
主軸において 15000min-1 仕様を実現し，回転全域において高能率でかつ高精度な加工が可能になった。

図 13 主軸の内部冷却構造|3. まとめ
横形マシニングセル“M-CM5BG”搭載技術の特徴について紹介した。中・大型エンジン部品の専用機で加工していた工程を取込むことが可能な機械に仕上がっており，本機１台で全ての加工ができる。従来の専用機から M-CM5BG への置き換えにより変種・変量生産可能な柔軟性の高い生産手法を提案することで，大物部品生産現場の生産性向上に貢献していく。さらに，今後様々な業種のニーズをくみ取り，従来にはないソリューションを提供し広く製造業の発展に貢献できるよう努力していく所存である。
参考文献(1) 重川ほか，大型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），三菱重工
技報 Vol.49 No.3 (2012) p.33～36