三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

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特集論文

高速・高剛性５面加工機 MVR-Dχの開発
High-Speed High-Rigidity 5-Face Milling
Machine MVR-Dχ
山 村 洋 之＊1

吉睦＊2

川Hiroyuki Yamamura

Mutsumi Yoshikawa

田 内 拓 至＊3

谷 川 佳 史＊3

Hiroyuki Tauchi粂隆

Takayuki Kume

行＊3

Yoshifumi Tanigawa

近年，大形部品加工においては，より効率的な加工を目指し，更に高い重切削能力を追求するだけでなく，高送り工具を使用した加工も，小径のドリル・タップ加工も行いたいという要求が高まってきている．
この要求に門形 5 面加工機で対応するには，重切削が可能な高剛性構造と高剛性・高トルク主軸を有し，かつ高送り工具に対応できる高速性，小径工具に対応できる高い主軸回転数を有するという相反する要求を解決する必要があった．この問題を当社の保有する解析技術を駆使して解決し，MVR-Dχを開発・発売した．これにより従来機以上の加工能力が可能となった．

1．はじめに原動機・産業機械・建設機械などの重厚長大産業は近年の BRICs を中心とした需要増を背景に，設備増サドル左右（Y）強を図っており，高効率加工機の潜在的要求が高まっている．

ラム上下（Z）

この要求に応えるためには，従来どおりの深い切り

クロスレール上下（W）

込みでバリバリ削る重切削ができ，高送りカッタによる重切削が可能で，かつ小径の工具へ対応できる高い

テーブル前後（X）

主軸回転数が必要となる．
当然の事ながら，非切削時間の短縮も行う必要があ

図１

るため，今まで以上の早送りの高速化も実現しなけれ機械構成ばならない．
この実現のためには，

れクロスレール前面に主軸を備えたラム・サドルがあ● 構造体は高剛性，かつ軽量であること．

る．クロスレール全体の上下とサドルを貫通するラム● 主軸は低回転域から剛性高く，かつ高回転まで回るの上下で主軸の上下移動（W・Z）を行い，サドルがこと．
● 送り系は高い推力を持ち，かつ高速送りに対応できクロスレール前面を横方向に移動することで，主軸が横方向（Y）に移動する．

ること．

ワークはテーブル上に載せＸ方向に移動する．の 3 つの技術が必要である．
こ の 問 題 を 解 決 す る 技 術 的 な 取 組 み を 中 心 に，MVR-Dχの開発を紹介する．

2．機 械 の 構 成

また各軸はボールネジとリニアスケールにより，精密に駆動．ラム上部に配置したギヤボックスで，主軸を回転しテーブル上に積載された加工ワークを切削す
る．

3．機 械 の 仕 様

図１に示すように，主軸ヘッドを備えた門形構造物の中をテーブルが前後方向（X）に動く．
＊1＊2

機械仕様の設定に当たってはモジュラ設計を取り入

門形構造はコラムブリッジとクロスレールで構成され，あらゆるニーズにマッチした仕様の洗い出しを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

工作機械事業部技術部大形機設計課

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表１
テーブル作業面（mm）

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主仕様一覧

MVR28/34Dχ

MVR33/39Dχ

MVR38/44Dχ

MVR43/49Dχ

2 000

2 500

3 000

3 500

幅
長

4 000〜

5 000〜

各軸移動量（mm）
テーブル送りX軸

サドル左右有効ストローク

Y軸

テーブル長 ＋ 1 000

ラム上下

Z軸

標準1 000・オプション1 200

クロスレール上下

W軸

1 200〜3 200（門高による）

4 300
3 400

4 800
3 900

5 300
4 400

6 000
4 900
2 200〜3 200（門高による）

主軸仕様
主軸回転数（min-1）

7〜4 000

主軸出力（kW）

37（連続）／45（30 分定格）
各軸送り（mm/min）

テーブル

早送り

X軸

サドル左右

早送り

Y軸

ラム上下

早送り

Z軸

クロスレール上下

早送り W 軸〜24 000
15 000標準 3 000・オプション5 000
X・Y・Z

最大切削送りATC 収納本数
工具最大長さ
工具最大質量〜20 000
30 000

（本）
（mm）
（kg）

5 000

10 000W 3 000・5 000

60〜
標準 500・オプション 800
30
標準：ダミープレート
ライトアングルヘッド（30 kW）
ユバーサルヘッドなど各種対応可能

ATT （アタッチメント）
装着可能な ATT
NC 装置

FANUC 31i

行って，標準・オプション・お客様ごとのカスタマイた上でできる限り軽量化を計り，クロスレール・コラズ部を切り分けてユニットのモジュール化・標準化

ム・ブリッジ・ベッドの材質は従来の溶接構造体からを進め，テーブル幅 2 000 〜 3 500，テーブル長 4 000

鋳物に変更し，解析技術を駆使してより動剛性を高め〜 10 000 以上，積載質量 100 ton まで対応し，門高もることとした．

2 050 〜 4 050 とニーズに合わせた豊富な機械サイズ

4．2を準備し，さらに納期短縮も図った．表１に主な仕様

機械の切削能力と，静・動剛性値の関係は，いまだを紹介する．

完全に解明されていない問題である．
そこで当社では過去に製作した種々の機械の切削能

4．高剛性を実現する技術
4．1

目標静・動剛性の決定

力と静・動剛性の関係をまとめ，データベース化する

最適な構造体の素材選定

ことで，目標切削能力から目標静・動剛性を決定して高い切削能力を発揮するためには高い剛性が必要である．ここで言う

剛性とは静剛性を示すのが一般的だが，切削加工は振動現象を伴うため，機械に要求いる．
このノウハウを用い，MVR-Dχの静・動剛性目標値を決定した．

される高い剛性とは振動しにくいこと，つまり高い動4．3高い剛性を実現する構造体の形状決定プロセス剛性も必要である．

今まで機械構造体の 形状は， まず機械のどこにバネウィークポイントがあるか知り抜いたベテラン設計者の３つのファクタをバラの経験と勘で構造体の形状を決め，FEM 解析で目標ンス良く成り立たせる必要がある．従来機は高い弾性剛性を達成していることを確認し決定していた．この係数を持つ鋼の溶接構造体を用いていたが，FEM 解方法では，目標剛性を一回で達成することができない析を使用して，弾性係数が鋼に対して劣る鋳物構造で場合が多く，形状決定に時間を要する原因の一つとも，質量の増加を最小限とし溶接構造と同等の静剛性なっていた．

振動しない構造にするには，振動を支配する定数 ・ 減衰係数 ・ 質量を確保できるようになった．

この問題は，剛性を決定する多くの条件を同時に勘各構造物である，ラム・サドル・テーブルの材質は案することが困難であることが原因と考え，解決策と従来同様鋳物を使用し，高速化のために剛性を維持しして品質工学を利用して機械の基本寸法を決定する方

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50法を採用した．

るには，ベアリングの予圧を大きく取るが，予圧を上品質工学を用いることで，設計的に実現可能なすべての寸法パターンを網羅でき，切削方向や位置の変化による剛性変動を最小にし，かつ軽量・高剛性を実現できる基本寸法を導くことができた．

げすぎるとベアリングの発熱が大きくなりそのままでは高速回転ができなくなる．
この問題を解決するには，精度良く熱解析を実施し，より良い冷却方法を検討する必要があるが，通常ベア

次にこの基本寸法を基に各構造体のモデルを作り，リングの発熱や，各部品間の熱伝達率などが精度良くFEM 解析を行って構造体の全ての部材に対して，応推定できず，なかなか精度が上がらない．しかし当社力の高い部材は肉厚を上げる・リブを追加するなどのでは各種製品で培ったノウハウを有し，正確な熱解析補強を行い，応力の低い部材は肉厚を減らす・鋳抜きが可能であるため，図３に示すように，ベアリングの穴を空けるなどの軽量化を行った．このプロセスを全発熱を効率よく冷却し，ベアリングの温度上昇を最小ての構造体で行うことで，質量増加が最小限でかつ高限にすると同時に，熱変位の原因であるラム本体の温剛性な形状を導き出すことができた．

度上昇を抑えることができた．この技術によって７〜最後に決定した構造体を組合せ機械全体の解析を行い，各部のつながりが良いかを確認，微修正を行って4 000 min− 1 のどの領域でも高精度・高能率に削れる主軸が完成した．

目標仕様を満足させ，最終形状を決定した．この方法によって主要構造体を板金構造から剛性面で不利な鋳物に変更したにもかかわらず，質量アップをミニマムに抑えかつ静剛性・動剛性は従来機同等以上とするこ

ラム本体の温度上昇を最小にとができた．
4．4

MVR-Dχの剛性

動剛性の実測と FEM 解析値の比較を図２に示す．
実測・解析ともに目標動剛性を満足しており，かつ固ベアリングの発熱を速やかに冷却する有値の周波数・ピークの高さも良く一致している．
動剛性解析は種々の境界条件を考慮する必要があり，今までは動剛性精度の良い予測は困難であったが，数多くのノウハウを蓄積することで，計算精度が向上し，その結果計算段階で非常に精度良く解析できるようになった．この高い計算精度と剛性を作り込む設計

図３

主軸熱解析結果プロセスの相乗効果で，MVR-Dχは剛性バランスが5．2非常に良い機械となった．

Y 軸早送りの高速化

本機の Y 軸ガイドには，剛性が高く，送りの高速コンプライアンス（dB）

20

コンプライアンス目標値

弱い

実測と解析の実測と解析の誤差が少ない
誤差が少ない100

送り推力を維持しながら，従来から 24 m/min と高速だった Y 軸早送りを 30 m/min と更に高めた．

FEM 解析−10

これによって高剛性・高精度を維持しながら非切削強い

30507090110

周波数（Hz）

図２

イングも抑制できるリニアローラガイドを採用した．
また，Y 軸送りモータの能力を更にアップすることで，実測−2010化にも適し，さらに Y 軸移動によるラム・サドルのヨー

MVR-Dχ動剛性実測値・計算値比較

計算精度が高く，精度良く予測できている．

時間の短縮も図ることができた．
5．3

Z 軸ツインフィード

Z 軸の早送りは 15 m/min と従来機と変化はないが，油圧シリンダによるラムのバランス装置を廃し，ツインボールネジ駆動とした．これによって送り剛性を向5．高速性を実現する技術
5．1

主軸の高速化

上，さらに重心駆動となるようボールネジの配置にも配慮することで，バランス装置の発生する力と駆動装置の発生する力の不一致により発生していたモーメン

バリバリ削る重切削では，大きな切削荷重が発生し，トを原理的に０にした．この変更により高精度な駆動これに耐え得る高剛性主軸が必要となる．剛性を上げを実現することができた．同時にバランス装置を廃し三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

（切削条件）
工具径 ：φ250 mm
切削幅 ：200 mm
切込み ：10 mm
送り速度：625 mm/min
切削速度：200 m/min
切削量 ：1 250 cc/min
被削材 ：SS400

図４

フライス切削ラム主軸のフライス加工とその条件．

51（切削条件）
工具径 ：φ250 mm
切削幅 ：190 mm
切込み ：1.5 mm
送り速度：7 200 mm/min
切削速度：220 m/min
切削量 ：2 052 cc/min
被削材 ：FC250

図６

ライトアングルヘッドによるフライス切削

高送りカッタを使用したライトアングルヘッドのフライス加工とその条件．

また，近年一般的になってきた高送りカッタを使用した加工では横主軸で 2 000 cc/min 以上の切削量を達．
成しており，本機の剛性の高さを証明している（図６）（切削条件）
工具径 ：φ63 mm
切削幅 ：31 mm（径方向）
切込み ：60 mm（軸方向）送り速度：565 mm/mni
切削速度：90 m/min
切削量 ：1 050 cc/min
被削材 ：SS400

図５

エンドミル切削

ラム主軸のエンドミル加工とその条件．

7．まとめ

MVR-Dχはモジュラ設計を取り入れた幅広い機械仕様への対応と，当社が持つ豊富な解析ノウハウを結集して開発することにより，高速性と高剛性を両立し，今まで以上に多様な加工に対応できるようにした．
今後も本機で得られたノウハウをいかし，幅広いニーズに対応したコストバリューに優れた機械を提供していく．

たことで，工作機械の中で最も電力を消費するユニットの一つである油圧ユニットを小形な物に変更でき，消費電力も抑えた．

6．加工

例

これまで説明してきた技術によって得られた高い剛性を背景に，従来機で使用していたΦ 200 のフライス

山村洋之

吉川睦

田内拓至

谷川佳史

カッタより，さらに剛性が必要となるΦ 250 のカッタを用いても，深切り込みで 1 250 cc/min と従来機以上の加工を実現し，ヘリカルエンドミルに関しては従来
機 560 cc/min から 1 050 cc/min へと倍近い能力向上．
を達成した（図４，図５）

粂隆行