三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

特集論文61

小型精密５軸加工機μV1-5X の高精度化技術と加工事例
Technology of High Precision 5 -Axis
Machining µV1-5X and Machining Examples
若 本 弘 幸＊1

Hiroyuki Wakamoto

若 名 智 宏＊1

窪 園 拓 真＊1

Tomohiro Wakana

Takuma Kubozono

近年，日本の小型精密加工分野では３軸加工機に求められる加工要求精度±１μm が普通になりつつある中，同様に５軸加工機でも±１μm という加工精度を要求され始めている．しかし，５軸加工機は３軸加工機に比べて構成要素が増え，精度悪化要因も増えるため同等の高精度加工を実現することは困難である．そこで，当社独自の高精度化技術により３軸加工機と同等の高精度加工を実現する小型精密５軸加工機μV1-5X を開発した．このμV1-5X により５軸加工機でなければできない立体的な複雑形状の加工はもちろんのこと，これまで３軸加工機で行っていた高精度加工についても実施することが可能である．

1．はじめ促進するためにも 3 軸機加工精度と同等の高精度５軸に加工機を市場投入する必要があり小型精密５軸加工機

近年，日本の小型精密加工分野では金型加工を含めてより高精度化を実現するため５軸加工機の導入検討が盛んになってきている．具体的には段取り替えに伴う加工誤差を極力小さくするため，一回のワーク

μV1-5X を開発したので，その高精度技術と性能加工評価について紹介する．

2．μV1-5X の特長

固定で５面加工できる５軸加工機へのシフトや，ボー当社では３軸加工機で実績のある小型精密加工機

ルエンドミルを多用する精密金型加工においては加工

μV1 をベースとした小型精密５軸加工機μV1-5X を面品位を上げるために周速がゼロになる工具先端での開発した．μV1-5X の外観図及び主な仕様を図１，表加工を避け，ワークに対して常に工具を傾斜させて加１に示す．μV1-5X の構造形態は，テーブル上に傾斜工するなどがあり，またそれに伴いソフトウエアなど軸（B 軸）と回転軸（C 軸）を付加したテーブル旋回の周辺機器も急速に充実してきている．５軸機導入を形である．図２にμV1-5X の機械構造図を示す．傾斜表１ μV1-5X の仕様
移動量

テーブル主軸送り速度

自動工具交換装置

機械サイズ

図１＊1

μV1-5X 外観図

工作機械事業部技術部技術開発課

X, Y，Z 軸（直線軸）軸（傾斜軸）
C 軸（回転軸）

450×350×300 mm
130°（−10°〜＋120°）

作業面の大きさφ100 mm

360°（連続）

最大ワークサイズ（外径） φ160mm（形状制限有り）
20kg
最大積載質量400〜40 000 min-1
回転速度
主軸テーパ穴HSK−E32

X, Y，Z 軸（直線軸）

15 000 mm/min
75 min-1

B軸（傾斜軸）C 軸（回転軸）

100 min-1

収納本数18本（op : 30本）

最大工具径
最大工具長さφ40 mm
130 mm

高さ幅×奥行き

2 370 mm
1 920×2 054 mm

質量5 500 kg

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3．μV1-5X の高精度化
X

５軸加工機では，３軸加工機が持っている幾何学的偏差 ( 以下，幾何偏差 ) に傾斜，回転軸の幾何偏差がZ上乗せされるので，この幾何偏差の累積をいかに抑えるかによって５軸加工機の加工精度向上を図ることが可能になる．そこで３軸加工機と同等の加工精度を持

Y

つ５軸加工機μV1-5X を開発するに当たり，各機械要B素の幾何偏差及び位置決め精度について加工精度への影響度をシミュレーション解析し，最適値を算出した．

C

機械構造より主軸側と傾斜円テーブル側の幾何偏差について幾何偏差 13 項目を抽出した．図３に主軸側，傾斜円テーブル側の幾何偏差を示す．これに各軸の位置決め精度を加えた計 23 項目に対して，φ 80 の同時５軸円錐加工で真円度が２μｍ以下になるように最適

図２

値を決めた．この最適値を基に機械の作り込みを行っ

μV1-5X 機械構造図

た結果を表２に示す．なお，最適値に対して実績値の軸である B 軸は Y 軸に平行に配置し，ワークの長手方向の移動は主に主軸側の X 軸とすることで，ワーク側である B 軸，C 軸と主軸側とは双方の軸移動に対して加工時の加減速よる慣性力が加工精度に影響しない構造形態とした．また，この構造形態により加工時に発生する切粉は傾斜円テーブルの前面及び左右へ

Z（Xs,Ys,Zs）
βXZ

αYZ

具の位置がオペレータの正面で容易に確認できる利点

Y

Om

X
Om

γXY

δYX
主軸側Y

図３
表２

（xT, yT, zT）θCC
RCαBCRB
δZ θB

αsβs

流されるので切粉の掃けが良く，加工中のワークと工がある．

ZZ（x,y,z）

主軸，傾斜円テーブルの幾何公差

最適値

実測値

加工精度

真円度（目標精度）

2.1μm /φ80 mm

1.95μm /φ80 mm

αYZ
αZS
βXZ

YZ 平面内におけるY 軸とZ 軸の直角度
YZ 平面内におけるZ 軸と主軸の平行度

2μm /200 mm
1μm /100 mm

2μm /200 mm
1μm /100 mm

XZ 平面内におけるX 軸とZ 軸の直角度

2μm /200 mm

1μm /200 mm

βZS

XZ 平面内におけるZ 軸と主軸の平行度

3μm /300 mm

3μm /300 mm

γXY

3μm /300 mm

2μm /300 mm⊿X

XY 平面内におけるX 軸とY 軸の直角度
X 軸位置決め精度±1μm±0.25μm⊿Y

Y 軸位置決め精度±1μm±0.35μm⊿Z

Z 軸位置決め精度
X軸のバックラッシュ量±1μm
1μm±1.0μm0.2μm

Y 軸のバックラッシュ量

1μm

0.1μm

Z 軸のバックラッシュ量

1μm0.4μm

YZ 平面内におけるB 軸とC 軸の直角度

3μm /300 mm

3.8μm /300 mm

YZ 平面内におけるB 軸とY 軸の平行度
B 軸傾斜角度の原点

3μm /300 mm

βBXZ

1μm /100 mm

1.4μm /300 mm
4μm /100 mm

γBXY

XY 平面内におけるB 軸とY軸の平行度

3μm /300 mm

3μm /300mm

δBC

XZ 平面内におけるB 軸とC 軸の一致度

3μm8μmδX
δY

B 軸傾斜中心座標の位置度（X 軸方向）1μm−

B 軸傾斜中心座標の位置度（Y 軸方向）1μm

δZB 軸傾斜中心座標の位置度（Z 軸方向）
B 軸の割出精度

1μm±2 秒−−±1.9 s⊿CC 軸の割出精度±2 秒±1.4 s

BRB
BRC

B 軸のバックラッシュ

2秒2秒2秒2秒

BRX
BRY
BRZαBC
αBYZ⊿BC 軸のバックラッシュ

B
δX

X

Y γBXY αBYZ 傾斜円テーブル側

幾何公差と位置決め精度

幾何偏差と各軸位置決め精度

δBC

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方が悪い項目が３項目あるが，それ以外の項目におい63でも得られた．て精度向上を図り対応しており，加工精度の結果は次4．2の加工事例で紹介する．

次にμV1-5X が単に高精度な仕上げ専用５軸加工

4．μV1-5X による加工事例
4．1

同時５軸円錐加工

溝入れ荒加工機ではなく，荒加工まで実現できる加工事例として，
φ 8 エンドミルの溝入れ荒加工を紹介する．溝入れ荒加工は，工具保持機構 HSK-E32 を採用した高速５軸加工機において，精度評価方法についての JIS

高精度主軸においてφ 8 エンドミルを使った場合の規格は現在提案中の状態であり，規格がないが，一般HSK-E32 の加工限界である切込量１mm とした．加的には NAS979（National Aerospace Standard）に工の様子を図６，切削条件を表３，真直度計測結果をよる円錐台仕上げ加工がよく知られており，μV1-5X

表 4 にそれぞれ示す．表４の計測結果より X，Y 軸方の高精度５軸加工の加工評価としても本規格に基づい

向ともに真直度２μm 台（面粗度含む）とびびりなくた同時５軸円錐加工（外径φ 80mm）にて評価を実施加工できており，μV1-5X が荒加工に耐える高剛性なしたので紹介する．まず，同時５軸円錐加工は３つの機械であることが判る．また，μV1-5X はこれ以外に直線軸（X，Y，Z 軸）と２つの回転軸（B 軸，C 軸）もこのクラスで一般的に使われている自動チャックのをそれぞれ同時制御して円錐台形状工作物の側面を仕治具プレート取付ねじサイズの M ６ねじ穴が加工で上げたときの断面の真円度を評価するものである．円錐加工の様子を図４，円錐加工による真円度結果を図５に示す．真円度結果より５軸すべての誤差要因を含DEMONSTRATION

THP TR300 U05.00/J 00.09
LS真円度の結果

データム

スピンドルフィルタ種類

ガウシアン

んだ同時５軸加工で，先に紹介した高精度化技術によフィーチャ名A

る機械の作り込みにより目標加工精度と同レベルの真測定番号02 フィルタ円度 1.95 μm /φ80 mm を実現することができた．参考までに同じ機械による X，Y 軸による２軸加工によ1-15 upr

1.95μm 形状

OE

100.0 ％

0.30μm 測定モード∠

外周面289.5 deg 測定日

12-06-2008
11：18：33

る真円度は 1.5 μm /φ40 mm であり，加工径は異な→

2.30μm

るが直線２軸の加工精度と同等の精度が同時５軸加工

スケール

5.00μmZ高さ

86.5 mm半径91.3930 mm

測定時刻

90°

真円度：1.95μm
180°

図４0°

同時５軸円錐加工270°

図５同時５軸錐加工の真円度結果

X軸
X軸

表３

Y軸
Y軸

溝入れ荒加工の切削条件

主軸回転数 （min−1 ）6 000

送り速度 （mm/min）

960

切込み量（mm）

工具
工具突出し

図６

溝入れ荒加工1φ8 超硬 4 枚刃エンドミル（mm）

25

ワーク材質

NAX55

外部給油

ドライ

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表４

溝入れ荒加工の真直度結果紹介した．今後は，ワークの段取り支援装置など周辺

X 軸方向Y 軸方向装置による作業性の効率化を図っていく．最後に，機2.7μm

2.0μm

械加工をされるお客様の高精度加工，高付加価値加工，高能率加工を支援するため，今後も理想の機械を追求しご提案していく所存である．

きるなどワークの治具取付はもちろんのこと，荒加工から仕上げ加工まで，この機械１台ですべての加工ができる能力を有している．

5．まとめ

各機械要素の最適化を図り開発したμV1-5X は，従来の５軸加工機にない高精度加工が可能であることを

若本弘幸

若名智宏

窪園拓真