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工作機械産業
5軸化・複合化進む マシニングセンター
マシニングセンター(MC)は工程集約と自動化がトレンドである。工程集約を実現するため、多面割り出し加工により段取り替えが大幅に低減できる5軸MCが主流になってきている。他工程との複合化も盛んで、研削も一部で実施されている。自動化はその障害となる切りくずの処理技術が着目され、人工知能(AI)を活用した切りくず洗浄技術や、クーラントタンク内のスラッジ回収能力を向上させてクーラント交換期間を延ばす技術が登場している。
5軸MCによる工程集約
日本の工作機械は国内だけでなく世界中の製造業の基盤となっている。日本工作機械工業会(日工会)によると、2023年の工作機械受注額は1・5兆円と高水準をキープしており、あらゆるモノづくり分野で活躍している。受注額全体に占める数値制御(NC)工作機械の比率は98・4%である。経済産業省生産動態統計確報(24年2月公表)から、金属工作機械の生産金額(合計1兆528億円)を機種別でピックアップした割合は図1のようになり、MCが38%を占め、旋盤と合わせると66%になる。
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図2 5軸マシニングセンターによる複雑形状加工の例(ヤマザキマザックのウェブサイトより)
近年、MCは5軸加工機にシフトしており、旋盤型複合加工機とともに、航空機部品、半導体製造装置部品、建設機械部品、医療機器部品などの加工に広く用いられてきている。5軸加工機の最大のメリットは工程集約である。多面割り出し機能によって、段取り作業が大幅に省略できるため加工精度および生産性が向上し、省人化に対応しやすい。さらに段取り替えをせずに複雑な形状の加工が可能である(図2)。
そのほか、工程ごとに必要だった機械台数の削減により、機械使用時のエネルギー消費の削減、工場スペースの有効活用ができる点も、5軸化の利点だ。また治具が減り、治具設計・製作の手間やコストを節約できる。さらにデジタル変革(DX)化に向けた変種変量セル型自動化生産ラインを構築しやすく、受注の仕様変更などにフレキシブルに対応可能となり、生産情報データの一元管理やオンライン対応も期待できる。
5軸MCは複数個のパレットチェンジャーや、多関節ロボットを装備するタイプも市場投入されており、各工作機械メーカーの主力製品の一部となっている。
MCによる研削ニーズへの対応
切削加工における工程集約が実現できるようになると、次工程の研削加工も同一機械で行うニーズが増え、特に海外からの要望が高いと聞く。
MC自体の主軸回転精度や、テーブルの位置決め精度、繰り返し位置決め製度、平行度などが向上し、スラッジや脱落砥粒の進入が懸念事項であった摺動部のシール性も向上しており、実際の研削適用事例も増えている。
筆者らは粗粒の小径軸付き砥石で良好な研削面を得ることができる超音波ヘリカルスキャン研削法を提案している。この方法は砥石軸方向に超音波振動する砥石を用い、砥石軸を送り方向に対して傾斜させて研削する方法である(図3)。砥粒軌跡が重なり合って研削が進行し、砥石の粒径が大きくても平滑な加工面となるため、板材のトリム加工や狭小壁面部の仕上げ研削(図4)などに有効である。
MCで大径の平形砥石による研削をする場合、研削液の供給に課題がある。一般的な研削盤とは異なり、MCでは、加工対象物(ワーク)形状に合わせて砥石外周の加工点の位置が変化する。そのため、あらゆる加工点を想定した研削液供給を考えなければならず、砥石周りの四方八方にノズルを配置しなければならない。筆者らは高速回転する砥石の外周表面に厚さ数十マイクロ―百マイクロメートル程度の薄い均一な研削液膜を形成させるフローティングノズルを開発している。このノズルを用いれば、必要最少量の研削液が砥石外周に安定して存在するので、加工点が任意の位置であっても確実に研削液が供給されて加工に寄与する。
一例として、MCで液晶パネル用ガラスの割断面を総形ダイヤモンド砥石によって仕上げトリム研削した時のフローティングノズルの効果を図5に示す。
フローティングノズルでは、研削液の流量を通常ノズルの30分の1に低減しても、ガラス加工面に焼けのない良好な加工面を得ることができる。このノズルは砥石外周の任意の位置に垂直配置でき、研削液を確実に安定して加工点に供給できる。節水と加工特性向上の両立が可能なため、地球環境にも配慮した技術である。
他工程の複合と放電加工機能
MCはレーザー加工機能を搭載したものも市販されている。レーザー加工との複合によって、切断、穴開け、溶接、マーキング、表面改質、焼き入れなど、ほかの工程を集約することが可能となる。また、付加加工の積層造形(アディティブ・マニュファクチャリング、AM)機能を搭載したMCが多数登場している。さらに、摩擦攪拌接合機能を搭載したものもある。
筆者らはMCに放電加工機能を搭載する研究に取り組んでいる。放電パルス電源を併設して、NCプログラムの切削送り(G01)で電極とワークの間隙を自動制御できるようにカスタマイズして切削と放電加工の両方を実現している。
前述で紹介したダイヤモンド砥石を利用した研削の場合、砥石のツルーイング、ドレッシングが問題となるが、放電ツルーイングによってメタルボンドダイヤモンド砥石を任意形状に成形できる(図6)。
その際に用いる電極の成形にはMCの切削機能が利用できる。現在、切削工具のリユース技術として、切削工作機械上で切削工具の機上放電成形と再研磨を実現する研究に取り組んでおり、研削機能の複合化と合わせて5軸複合加工機上で突っ切りバイトなどを再研磨する技術を提案している。
切りくず処理への対応
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AIチップリムーバーによる切りくず自動除去(DMG森精機のウェブサイトより)
自動化の隘路となる切りくず処理も画期的な技術が登場している。加工機内のワーク近傍で堆積する切りくずは、加工中に悪影響を及ぼすだけでなく、自動寸法測定や自動ワーク脱着の際に不具合の原因となる。複数のカメラで撮影した画像から切りくず堆積位置や分量をAI技術で判別し、洗浄ノズルの向きを自動制御して除去する技術が実用化されている(写真)。
またクーラントの定期的な交換を低減するため、クーラントタンクに微細なスラッジを残さない技術にも各社は取り組んでおり、クーラント状態の監視とともに、タンク内のクーラント流れの滞留を防ぐ流路設計や、サイクロンセパレーターの活用、高性能フィルターの採用など、これまで重要視されてこなかった加工液に関連する技術開発が加速している。
今後もMCを含め、さまざまな工作機械の複合化が進化すると思われる。いろいろな加工や生産工程が1台で可能となる工作機械は、今後のセル生産方式のコア技術となるであろう。生産を革新する各メーカーの技術開発に期待したい。
【執筆】
日本工業大学
基幹工学部 機械工学科
教授 二ノ宮 進一
(工業技術博物館 副館長)
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