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特集論

量産の基盤である金型つくりを支える高速・高精度金型加工機 MVR-FM

文

High-speed & High-accuracy Precision Die
Milling Machine: MVR-FM Developed for
Die & Mold Manufacturing as Base of Massproduction
山 村 洋 之＊1

吉 川

冨 松 桂 司＊3

津 村 憲 治＊4

Hiroyuki Yamamura
Keiji Tomimatsu

睦＊2

Mutsumi Yoshikawa

岩 田 康 二＊2
Koji Iwata

Kenji Tsumura

金型加工の加工時間とミガキ工程短縮のため，より高速・高精度でリーズナブルな価格の金型加工機が求められている．当社の門形汎用マシニングセンタ MVR をベースに，X 軸ツインボールネジ・ Z 軸直結駆動による高精度な送り系，低振動 12 000 min−1

高速主軸の標準装備といった機械系のブラッシュアップに加え，当社独自の高速加工輪郭制御技術である FM 制御を搭載した金型加工機 MVR-FM を発売した．
これにより産業の基盤である金型加工の発展に寄与できるものと考える．

1．はじめに工ワークを切削する．
2．2 X 軸ツインボールネジ駆動

産業の基盤である金型加工においても，金型製作費

門形マシニングセンタでは，重量ワークを積載した用の引き下げ・納期の短縮への要求がより強まっていテーブルをボールネジにより駆動するが，このワーク・る．

テーブルの慣性が大きいため加減速時にボールネジ系

この要求に応え，より賃率の低い海外メーカとの競にタワミ・ネジレが発生する．タワミ・ネジレは加減争に打ち勝つには，加工時間短縮とミガキ工程短縮が速時に位置指令との誤差を生じ，金型加工面の食い込不可欠となる．

みとなる．また駆動モータの駆動力によりボールネジ加工時間短縮（＝高速加工）とミガキ工程短縮（＝高精度加工）を実現するため，門形汎用マシニングセ系に振動を誘発し金型加工面の加工ピックの乱れとなる．

ンタ MVR をベースマシンとして，コストバリューの金型加工用 MVR-FM では X 軸駆動系に高い剛性が高い金型加工機 MVR-FM を発売した．以下に高速・必要であるため，図１に示すように，２本のボールネ高精度加工を実現する技術を中心に MVR-FM を紹介する．

2．高速・高精度加工を実現する技術
2．1

本機の構成

タイトル図に示すように，前後方向に配置されたベッド上を，テーブルが前後方向（X 軸）に走行する．
また二本のコラムとブリッジにより構成されるコラム
ブリッジ前面ガイド上にクロスレールが取り付けられ，上下（W 軸）に走行する．クロスレール前面をサドルが左右（Y 軸）に走行し，サドル内を貫通したラムが上下（Z 軸）に走行する．各軸はボールネジとリニアスクールにより，精密に駆動される．ラム先端

図１ X 軸ツインボールネジ

ベッドに 2 本のボ−ルネジを取付けベッド後端のモータで駆動する様子を示す．には主軸ユニットがあり，テーブル上に積載された加＊1＊2

工作機械事業部技術部大形機設計課長
工作機械事業部技術部大形機設計課主席＊3＊4

工作機械事業部技術部大形機設計課
MHI 工作機械エンジニアリング(株)専門部長

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ジと駆動モータによりテーブルを駆動している．これさくするだけでは十分でなく，制御系の遅れによる誤により通常の２倍の駆動軸剛性が得られる．またボー差等を補正する必要がある．MVR-FM は当社独自のルネジ径を太くして剛性を上げる場合に比べ，駆動系高速加工輪郭制御（FM 制御）を装備し高速・高精度のイナーシャ増加を抑えることができるため高い制御な輪郭制御を行っている．
一般に NC フライス盤などの，NC 制御工作機械は，性が得られ，誤差を小さくできる．
2．3

Z 軸直結駆動による高精度ラム駆動

プログラム指令の軌跡の通りに動くと思われている

自動車のボンネット・ドアなど外板部品の金型加工が，実際は送り軸のサーボ特性による軌跡の誤差が生では，Z 軸駆動系に歯車の歯当りのような周期的な変じる．その誤差は，軌跡の曲率が大きいほど，また速動要因が微小でも存在すると，金型加工面に等高線模度が速いほど誤差量が大きくなる．フライス加工，穴様の乱れが発生する．このため MVR-FM では駆動

あけ加工などの，位置決め，直線加工においては問題モータとボールネジを直結とした上で，ラム重量を補ないが，金型加工においては曲線加工となるため加工償する油圧バランサを装備し高精度な駆動を実現し速度を上げると形状がくずれ，加工形状を精度良く加た．

工しようとすると加工速度を落とさざるを得ないとい

2．4

高速・低振動主軸による高い生産性

MVR-FM では 12 000 min−1うジレンマに陥る．

高速主軸を標準装備しこの問題の改善に，形状誤差を小さくしようとするている．この主軸はビルトインモータ直結のため低振フィードフォワード制御という手法があるが，本機は，動でトルク変動が少なく，金型の仕上げ加工時間短縮

この形状誤差を小さくするのではなく，０（ゼロ）にと加工面の向上に寄与している．

する設計思想で，加工速度を上げても加工形状誤差が2．5

高速加工輪郭制御（FM 制御）生じない機械を開発した．

高精度な金型を加工するためには機械系の誤差を小

図２は，サーボ特性の遅れを速度フィードフォワー

サーボアンプ
速度フィードフォワード

NC データ

加速度フィードフォワード
送りモータ

NC
位置指令
速度フィードバック
フィードフォワード制御

位

パルスコーダ置

リニアスケール
伝達関数＝G（S）
リニアスケール位置＝位置指令×伝達関数 G（S）≠指令位置

図２

フィードフォワード方式 ブロック図

フィードフォワード制御の場合．

サーボアンプNC データ

送りモータ
NC

位置指令

逆伝達関数
１/G（S）
速度フィードバック
位

パルスコーダ置

超高精度逆伝達関数制御

リニアスケール
伝達関数＝G（S）
リニアスケール位置＝位置指令×逆伝達関数１/G（S）×伝達関数 G（S）＝指令位置

図３

超高精度逆伝達関数方式 ブロック図

超高精度逆伝達関数制御の場合．
三菱重工技報 Vol.42 No.2（2005-3）

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ドと加速度フィードフォワードで形状誤差の改善を行短い線分で近似したデータ）のため，処理ブロック

うフィードフォワード方式のブロック図である．R 形数が制限されると目標速度に達しないうちに減速す状加工時の形状誤差は，必ず内回りとなり，その内回ることになる．加速に必要な移動距離分のデータをり誤差（ΔR）は，機械特性により定まる加減速時定常に確保するために，加減速を多ブロックに渡って，ポジションループゲイン（KP）の逆数（T2）数（T1）実行する．

を含む定数項に加工速度（V）の２乗に比例し，仮想半径（R）に反比例する式（2）自動形状追従速度制御機能
コーナ形状部や曲率が非常に大きい（仮想半径が極めて小さい）形状部において発生する加速度が，許容加速度を超えると，機械振動要因となり，加工で表される．したがって，仮想半径が小さい程（曲率面精度が劣化する．したがって，事前に加工形状のが大きい程），形状精度を確保するために速度を落とコーナ部検出と曲率演算を行い，加速度を許容加速す必要があった．

度以内にする速度制御を行う．

図３は，サーボ特性の遅れをキャンセルし，形状誤（3）スムージング機能差を０とする超高精度逆伝達関数方式のブロック図で点群データの近似が粗い場合に生じる多角形形状ある．サーボ特性の伝達関数を G（s）とした時，位置を滑らかな加工形状とするため，点群データ間を曲指令にその逆伝達関数 1/G（s）を掛けてサーボに出力線で補間する．これにより高品位な加工面を得られすると更にサーボ伝達関数 G（s）を掛けた結果が機械ると共に，加工速度も向上する．

位置（＝リニアスケール検出位置）となる．即ち，機械位置＝位置指令× 1/G（s）× G（s）＝指令位置となり，形状の曲率や，加工速度に関係なく，形状誤差０の加工が実現できる．

3．金 型 加 工 例
MVR-FM のような門形金型加工機は主に自動車用プレス金型に使用される場合が多く，特に自動車外板基本原理は前記の通りであるが，実用のため更に以下の機能を付加している．

部品の金型（通称アウター）は高品位な加工面・高速加工への要求も高い．
図 4 はハッチバック車のリアトランクの金型を主軸（1）多ブロック加減速機能
金型加工の加工プログラムは点群データ（曲面を−112 000 min ，送り速度８ m/min で加工したもので，加工ピックの乱れの少ない加工面が得られている．加工面の乱れを定量化した往復加工ピックの深さの差（往復段差）は当社従来比 50 ％向上，また加工速度は30 ％以上向上している．
図５は自動車の内側板金部品金型（通称インナー）
でアウター程高品位な加工面・高速加工は必要ないが，複雑な形状が多く，MVR-FM のユニバーサルヘッドを始めとする様々なアタッチメントとクロスレールを任意の位置に精密に位置決めできることによる加主軸：
3 200 min-1
送り速度：
1.6 m/min
φ20 ボールエンド
ミル超硬ピック：
0.4 mm

主軸：12 000 min-1
送り速度：８m/min
φ30 ボールエンドミル
ピック：0.5 mm

図４ アウター金型加工例

自動車外板部品の金型加工例で加工ピックの乱れの少ない高品位な加工面を示す．

図５ インナー金型加工例

自動車内側部品の金型加工例で複雑な形状加工を示す．

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表１
テーブル作業面

幅
長さ

コラム門内幅
各軸移動量

X：テーブルMVR 25−FMMVR 30−FM

MVR 35−FM（mm）（mm）

1 500
3 000 〜 5 000

2 000
3 000 〜 5 000

2 500
4 000 〜5 000（mm）

2 000

2 500

3 200

XYZ

テーブル長さ＋200（mm）

Y：ヘッド左右Z：ラム
クロス
各軸早送り

主要仕様一覧

（m/min）
ラムクロス

2 500
700
800

3 000
←
←

3 500
700
1 100

30
30
103←
←
←
←

22
22
10
3

最大切削送り（m/min）

XY 軸 15 Z 軸 10許容平均切削送り（m/min）

6ATC

収納本数
工具最大長さ
工具最大重量
工具交換時間ATT

装着可能な ATT

50（OP. 60, 80, 100, 120）
標準：400（特殊：500）
25
５秒（６秒）（Tool to Tool）

（本）
（mm）
（kg）

標準：ダミープレート 30 kW/12 000 min−1
RH
30 kW/6 000 min−1
OP：エクステンション 22 kW/6 000 min−1
OP：ユニバーサルヘッド

AAC ラック
NC 装置

２個用＋上下式ラックFANUC 18 i

工自由度の高さにより，高生産性と省力化が実現できる．

4．仕15 kW/5 000 min−1（自動割出し５度毎 OP：１度毎）

様

MVR-FM は FM 制御技術などの技術開発により，金型つくりの生産性向上を実現できる．
コストバリューに優れた高速・高精度金型加工機
MVR-FM によって，産業の基盤である金型加工の発展に寄与できるものと考える．

自動車板金部品の金型を始めとする多様な金型加工に対応している．テーブルサイズ巾 1.5 〜 2.5 m，長さ３〜６ m とニーズにあわせた豊富な機械サイズとオプション機能を準備しており表１に主な仕様を紹介す
る．

5．まとめ

当社独自の FM 制御技術と高精度・高剛性の送り系

山村洋之

吉川睦

冨松桂司

津村憲治

岩田康二の採用により，加工データに対する高い追従性を得た．
これにより当社従来機に比べ加工面品位（往復段差）の 50 ％向上を実現し，金型磨き工程の大幅な短縮が可能となる．また上記送り系の技術と 12 000 min −１
高速主軸により，アウター加工時間を 30 ％短縮し，三菱重工技報 Vol.42 No.2（2005-3）