長径比が20を超える細長い軸を、より効率的に旋削加工するにはどうすればよいか？

超細長い軸部品の解析回転この方法では、振動理論に基づき、力学モデルを構築し、指針となる防振案を提示する。理論の指針に従い、径変化のある超細長軸の旋削加工専用工作機械を開発した。実証試験の結果、この専用工作機械は、径変化のある超細長軸部品の加工における寸法精度、表面品質、および処理効率, 量産化を実現する。

長径比が20を超える軸を細長軸と呼び、 細長軸の旋削加工は難易度の高い加工技術であり、従来の細長軸部品は一般に普通旋盤で加工されてきたが、加工品質は作業者の技術レベルに大きく左右され、かつ効率も低い。より先進的な自動化CNC技術を応用して超細長軸部品を生産することは必然的な傾向である。 筆者は、径が変化する超細長軸部品の加工に関する比較的革新的な方法を提案し、実証試験を経て良好な成果を得た。

1. 細長い軸部品の加工における課題の分析

1）細長い形状を持つ軸類の部品は、剛性が低く、長径比が大きい。切削加工を行う際、振動や熱膨張による変形が生じやすいだけでなく、一定のテーパーも必要となる。

2）細長い軸を高速旋削する際、局所的な温度が急速に上昇し、その結果、大きな線膨張が生じる。放熱性が低いため、細長い軸に曲げ変形が生じ、最終的に旋削精度に影響を及ぼす。

3）軸が細長くて軸方向の寸法が大きいため、旋削時には小さな送り量が必要となり、工具の摩耗が極めて起こりやすい。実際の加工においては、工具の破損（刃の欠けや食い込みなど）が生じやすく、その結果、竹節状の誤差やねじれ状の誤差が発生する。

2. 細長い軸の振動に関する基本理論

細長い軸の旋削における振動問題は、連続系の振動に分類され、無限の自由度を有しており、偏微分方程式を用いて記述することができる。細長い軸の切削における応力モデルを構築する際、テールストック部を単純支持として簡略化することができる。追従チャックはX方向およびY方向の変位のみを制限し、 Z方向は自由に移動できるため、追従ツールホルダーを片支持として簡略化できる。また、自動センタリングチャックを固定支持として簡略化することで、図1に示すように、細長い軸の旋削時の応力図を構築することができる。

図1 細長い軸の旋削における応力概略図

1—テールストック 2—テールストックホルダー 3—自動センタリングチャック

主切削力、軸方向切削力、半径方向切削力、および拘束が共同して作用する下で、細長い軸は主に半径方向の振動および軸方向の振動を示すことになる。細長い軸の材料が理想的な弾性体であり、かつ以下の3つの条件を満たすと仮定する。第一に、質量が均一に分布していること、 第二に等方性、第三にフックの法則に従うことである。これらを満たして初めて、細長い軸の半径方向および軸方向の振動について理論的な導出を行うことができる。

3. 径変化を伴う超細長軸の旋削加工専用工作機械の設計

筆者は、加工対象となる部品の特性に基づき、専用CNC工作機械を設計し、型番3,000のCNC旋盤を対象にCNC化改造を行った。基本的な機械改造を完了した後、細長い軸部品の加工における難点について分析を行い、繰り返しの試験を経て、最終的に油圧式可動式ツールホルダー、引き出し式テールストック、および二重チャック構造を組み合わせた加工案を確定した。具体的な改造案は以下の通りである。

（1）油圧式適応機能を備えた追従チャック（図2参照）。この専用工作機械向けに、油圧式適応追従チャックが設計された。取り付け作業を行う際は、クランプリムと工具との距離を正確に決定するとともに、油圧式追従チャックの3つの爪が細長い軸に完全に接触していることを確認する必要がある。必要なクランプ力に応じて油圧ユニットの出力圧力を調整することで、旋削送り中に、油圧式センターフレームの3つの爪が、径が変化する超細長軸の形状に合わせて自動的に調整される。油圧式追従センターの具体的なパラメータは以下の通りである。作動圧力は0.1～3.0MPa、最大圧力は4MPa、最大クランプ力は2.4kN、作動範囲内の中心精度は0.02mm、繰り返し位置決め精度は0.05mmである。集中潤滑方式を採用した追従チャックには専用の潤滑油ポンプが備わっており、このポンプはチャックの3つのベアリングに潤滑油を供給します。日常の使用においては、加工が円滑に行われるよう、貯油タンクに十分な量の潤滑油を適時に補充するように注意してください。

図2 油圧式可変ツールホルダー

（2）引き式テールストック（図3参照）。従来、細長い軸の加工に使用される旋盤のテールストックは、一般的にセンター式構造を採用していたが、実務上、センター式テールストックは径が変化する超細長い軸の加工には適していないことが判明した。筆者は、ある種の弾性テールストック張力装置を設計した。その動作原理は、細長い軸に一定の引張力を加えることで、旋削加工中の細長い軸にかかる応力状態を変えるというものである。テールストック装置は、軸方向の引張力と、細長い軸の自重による半径方向の力を同時に受け止める必要があるため、支持部材には円錐ローラーベアリングを採用した。引張装置のテールストックベアリング内部の潤滑が困難であるため、グリース潤滑方式を採用した。細長い軸向けに設計されたクイックチェンジ装置があり、細長い軸にはさまざまな直径規格がありますが、この装置を使用することで、取り付けや交換を容易に行うことができます。

図3 引き出し式テールストック

（3）図4に示すようなダブルチャックという構造が存在する。一連の分析と調査の結果、主軸箱の外側に突き出た細長い軸があり、工作機械が高速回転している際に、この軸に比較的大きな振動が発生することが判明した。 この振動が加工部に伝わり、その結果、細長い軸の加工表面品質が低下してしまう。筆者は、主軸箱の両側にチャックを設置する「二重チャック構造」を特別に設計した。旋削加工の過程において、突出した細長い軸から生じる振動は、まず外側のチャックに伝わり、続いて内側のチャックに伝わる。 ダブルチャック構造による減振効果を経て、加工領域に伝わる振動は極めて小さくなる。このダブルチャック構造の設計により、細長い軸の加工品質をさらに向上させた。

図4 ダブルチャック構造

4. 実際の加工例

以下では、実際の加工を例に、その専用工作機械による加工工程を詳しく紹介します。試作ワークは細長い軸で、材質はばね鋼、加工長さは2,250mm、 直径は36mm、長径比は約1対60であり、所定の長さ範囲内で径変化加工を行い、直径を24mmから36mmへと段階的に変化させる必要があります。 旋削加工の手順は以下で説明する通りであり、旋削加工後の径変化を施した細長い軸は、図5に示すような状態となる。

図5 旋削加工後の径が変化した細長い軸

1）加工に先立ち、加工対象となる部品について分析を行い、それに基づいて溝切り工程に関するCNC加工プログラムを作成するほか、荒加工工程および仕上げ加工工程に関するCNC加工プログラムも作成する必要がある。

2）ワークをクランプし、フレキシブル油圧式ツールホルダーを用いてワークを固定し、引き出し式テールストックでワークを固定する。誤りがないことを確認してから、加工を開始する。

3）プログラムを実行し、旋削加工を開始する。荒旋削のパラメータを設定する。その際、主軸回転数は400r/min、送り速度は0.6mm/sとし、 切り込み深さは2.0～2.5mmの範囲に設定する。同時に、仕上げ旋削のパラメータ設定も完了させる。具体的には、旋盤回転数を450r/minに設定し、送り速度を0.8～1.0mm/sの間とし、 切り込み深さは0.3～0.5mmの範囲に限定した。試験による検証の結果、細長い軸の表面品質が良好な状態にあることが明らかになり、加工効率も大幅に向上したことが確認された。

5. 結び

径が変化する超細長い軸部品の加工プロセスには特定の特徴が見られるため、本論文ではこれに対応した研究開発を行い、専用のCNC旋盤を開発した。 この旋盤は、油圧式可変追従ツールホルダー、プル式テールストック、およびダブルチャック構造を組み合わせたソリューションを採用しており、繰り返しの切削試験を経て、加工プロセスパラメータの最適化も行われた。数多くの検査および試験による検証の結果、 この専用工作機械は極めて高い生産効率を発揮し、加工後に得られる径変化のある細長い軸部品の精度が要求を満たしていることから、量産化が可能となった。