三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015) 工作機械特集

技 術 論 文47

マシニングセンタにおける高精度・高能率加工を実現する最新技術
The Modern Technology which Achieves
High Precision and Highly Efficient Processing for Machining Center佐 藤 欣 且 *1
YoshikatsuSato

自動車・半導体製造装置・電子部品等における比較的長尺な部品及び金型においても，近年，加工精度に対する要求が高まってきている。このワークサイズの領域は，マシニングセンタと大形機の中間に当たり，業界全体で見てもラインアップが少なく，要求精度に応えきれていないのが現状である。当社はマシニングセンタとしては最大級のサイズでありながら小型精密加工機並の加工精度を実現した LH250 を開発し，販売しているが，更に新たなオプション機能を開発し，工場環境を大きく変えることなく高精度加工を可能にした。

|1. はじめに
近年，自動車をはじめ人々を取り巻く多くの製品が高機能化する中，比較的大きな部品に対しても非常に高い加工精度が求められるようになってきている。一方，工作機械のラインアップをワークサイズで見ると，業界全体で見てもマシニングセンタと大形機の中間機種があまりないので，このようなサイズのワークの加工精度要求に応えきれていないのが現状である。自動車部品に限らず半導体製造装置や電子部品の製造工程で必要となる部品など，比較的長尺で高精度な部品は数多く存在するが，それら部品の製造現場ではトライアンドエラーを繰り返すなど，歩留りの悪さが問題となっている。
当社においては，高精度加工をターゲットとした小型精密加工機μV1 の要素技術と大形門型機の製造技術を融合，かつ高速主軸を標準化することにより，小型精密加工機並に長時間安定した高精度加工を実現した高精度門型マシングセンタ LH250 を開発し，販売を開始している（表１）。機械本体の開発に引き続き，更なる市場の要求に応えるべく新たなオプションの開発を進めてきているので，本稿にてその技術と実例について紹介する。
表１ LH250 主仕様
テーブルの大きさ（mm）

2 500×1 000

最大積載質量（kg）

3 000

各軸ストローク（Ｘ×Ｙ×Ｚ）（mm）2 500×1 000×600

主軸径（mm）

Φ80

主軸回転速度（min-1）

Max 20 000

主軸出力（kW）

22／18.5

工具収納本数（本）40 （オプション：64）

機械所要床面の大きさ（mm）

7 200×3 300

機械高さ（mm）

3 593

機械質量（kg）

21 000主軸テーパー

HSK-A63*1 機械・設備システムドメイン工作機械事業部技術部 グループ長

三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)48|2. 高精度門型マシニングセンタ LH250 の特長
2.1 高性能主軸
一般的なマシニングセンタでは，10 000min-1 程度の主軸回転速度を標準仕様とし，高速仕様をオプションとしている。これは，主軸を高速仕様とすると発熱が大きくなるので主軸を支持するベアリングの初期予圧を落とさざるを得ず，その結果，主軸の剛性が落ち，低速での荒加工ができなくなるため，荒加工を実施するお客様と高速領域しか使用しないお客様とで主軸の仕様を選択するからである。
LH250 は，μV1 にて開発した主軸内/外部冷却とベアリングへの特殊油潤滑を採用することで初期予圧を上げ，かつ最高回転数での発熱を抑え込むことに成功し，高速でありながら低速での荒加工も可能とした高剛性の 20000min-1 回転主軸を標準に設定している。荒加工から高速仕上げ加工まで１台の機械で対応できるため，加工能率を上げることができる。
また主軸を完全に冷えた状態から最高速度 20 000min-1 で回転させた場合でも，主軸の熱変位は電気的な補正を一切しなくても，Ｘ，Ｙ，Ｚ軸全方向に最大２μm 以下の変化に抑えられ(1)，かつ，主軸の振動も回転速度全域で最大２μmP-P 以内となっており，加工精度，加工面の品質向上に寄与している。

2.2 高精度送り機構
送り軸についてもμV1 と同様に大径で峡ピッチのボールネジや強固な支持方式を採用することで，高剛性で応答性の高い送り軸系を構成している。加えて独自の制御チューニングを施した“HGP2 制御”を用いることで，高速の形状加工においても形状崩れのない機械動作を実現している。例として平面２軸の同期にて加工する円加工（φ218mm）においては，小型精密加工機並の真円度 1.8μm を達成している(1)。
また主軸と同様にボールネジの内部，ナット，サポートベアリング，駆動用モータの取付フランジ部に冷却液を通して発熱を徹底的に抑制し，安定した高精度送り機構を実現している。

|3. サーモスタビライザー“W-2”
LH250 は機械の発熱源である主軸や送り軸を冷却しているため，機械自身の発熱による熱変位は抑えられているが，機械周囲の環境温度変化があった場合は，機械の熱変位は物理現象として避けられない。機械の各部へ温度センサを埋め込み，電気的に補正をかける方法もあるが，熱変位は単純な動きとは限らず，かえって悪影響を及ぼす場合もある。

図１ 機械周囲温度差によるコラムの変形

例えば機械周囲の前後や上下で温度差があった場合，コラムが変形し主軸が傾いてしまう（図１）。この時，Ｘ軸方向の変位を補正しようと電気的にオフセットすると補正できる場合もある
が，例えばＺ軸を動かしてしまうと補正がより変位の方向に働いてしまう場合もある（図２）。直角度補正や空間補正という考え方もあるが，工具長の違いや単純な傾きでなく反りが出た場合など，補正が困難となる状況は様々に挙げられる（図３）。

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図２ 主軸傾きを補正する場合のＺ軸移動による悪影響

図３ 主軸傾きを補正するのに困難な状況例

このため LH250 では，電気的な補正は行わず，コラムの内部に温度制御媒体を入れ，循環・温調することによってコラムの温度を均一化して傾きや熱変位を抑える方式“サーモスタビライザーW-2（オプション）”を採用した（図４）。ベッドは熱容量の大きい床に近いため比較的安定していて温度差も付きにくいことから，ベッドに基準温度センサを付けて，ベッドの温度と同じになるように温度制御媒体を温調している。前述した主軸や送り軸に通している冷却油もこのベッドの温度を基準として温調しており，更に切削油温度コントローラ（オプション）を付加することにより，主軸，送り軸，コラム，ベッド，テーブル，ワークすべてが同じ温度になり，機械の姿勢変形や熱変位を抑えられる。

図４ サーモスタビライザーW-2 の構成

実際に機械周囲の環境温度変化に対する機械の熱変位を測定した結果を図５に示す。
W-2 有りの場合は W-2 無しの場合と比較して熱変位が約半減していることが分かる。

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図５ W-2 有り/無しでの機械熱変位比較|4. 撮像式工具測定システムの大径工具対応“撮像式工具測定システム”とはμV1 のオプションとして独自に開発した機上工具測定アプリ
ケーションである。特長は，CCD カメラを用いて加工と同じ回転速度で工具を回転させながら測定することで，熱変位が飽和し安定状態になったことを確認でき，熱変位や工具交換による加工誤差を抑えることができるというものである。
μV1 の主軸は HSK-E32（ツールホルダフランジ径φ32mm）で，使用する工具の仕様は最大でもφ10mm 程度であり，撮像式工具測定システムもそれに合わせた仕様としていた。一方
LH250 の主軸は HSK-A63（ツールホルダフランジ径φ63mm）で，使用できる工具の仕様を最大φ125mm としている。撮像式工具測定システムで原理的には大径工具も測定可能であるが，精度良く測定できるレンズの焦点の合う範囲（被写界深度）は非常に狭いため，回転する工具先端が被写界深度内に入る確率は，工具径に比例して低下してしまう（図６）。このため大径工具の測定では，測定精度が安定しない，測定に時間がかかる等の懸念があった。

図６ 撮像式工具測定システムによる大径工具測定概念図

大径工具でも高精度に測定できるようにするため，これまでランダムに複数枚撮像していた方式を，主軸の回転速度に合わせて効率的に撮像する方式に変更した。実際に工具径φ125mmの工具を撮像式工具測定システムにて測定した状況と撮像した画像の例を図７に示す。従来のランダムに撮像する方式と今回開発した方式で５種類の工具について繰返し測定した結果を表２に示す。

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図７ 撮像式工具測定システムによる大径工具測定例
表２ 撮像式工具測定システムによる工具測定結果
Ｎｏ．

工具種類

工具径φ（mm）

１２３４５

エンドミル
エンドミル
フライス
フライス
ボーリング

10205012536

刃数

主軸回転速度（min-1）2466
110 0004 000
2 000800
500

３回繰返しの測定時間（No.１の従来方式を１とした場合）
従来方式
新方式
10.69
1.05
0.93
1.08
1.07
1.12
1.28
1.25
0.77

10 回繰返し測定のばらつき（No.１の従来方式を１とした場合）
従来方式
新方式
10.67
1.78
1.33
3.44
1.56
6.78
1.22
2.0
1.56

今回開発した測定方式により，測定精度を向上させることができ，また工具刃数や主軸回転速度等の条件によって異なるが，測定時間も概ね短縮させることができた。また，主軸の回転角度に関連付けながら工具の刃を１枚ごとに測定できるため，これまで困難であった刃先の高さの不揃いやチッピングなどの検出も可能となり，更なる高精度化，加工面の品質向上に寄与することができる。

|5. まとめ
高精度門形マシニングセンタ LH250 の特長と新たに開発したオプションについて紹介した。
LH250 は，マシニングセンタや大形機では加工しにくい中間サイズのワークを高精度・高能率で加工する技術を擁している。新たに開発を進めたオプションは，工場環境を大幅に改善しなくても歩留りの悪さを解消するなどのメリットがあると考えている。
今後も市場のニーズに応えるべく，更に機械本体，オプション，加工技術を高度化し，製造業の発展に少しでも貢献していけるよう努める所存である。

参考文献(1) 佐藤欣且ほか，高精度門形マシニングセンタ LH250 の高速・高能率加工実現技術，三菱重工技報，Vol.50 No.1（2013） p.54～p.59