ニュース - CNC マシニングセンターの納品時に精度の測定が必要となる 3 つの主要項目を分析します。

CNCマシニングセンターの精度受入れにおける重要な要素の分析

概要：本稿では、CNCマシニングセンターの出荷時に精度測定が必要となる3つの主要項目、すなわち幾何精度、位置決め精度、切削精度について詳細に解説する。各精度項目の含意、検査内容、一般的に使用される検査ツール、検査上の注意事項を詳細に分析することで、CNCマシニングセンターの受入作業に関する包括的かつ体系的なガイダンスを提供し、マシニングセンターが出荷時に良好な性能と精度を備え、産業生産における高精度加工要件を満たすことを保証するために役立つ。

I. はじめに

現代の製造業における中核設備の一つであるCNCマシニングセンターの精度は、加工ワークの品質と生産効率に直接影響を及ぼします。納品段階では、形状精度、位置決め精度、切削精度について、包括的かつ綿密な測定と検査を実施することが不可欠です。これは、設備の初回稼働時の信頼性に関わるだけでなく、その後の長期にわたる安定した稼働と高精度加工を保証する上でも重要です。

II. CNC加工センターの幾何学的精度検査

（I）検査項目とその意味合い

一般的な垂直マシニングセンターを例にとると、その幾何学的精度検査はいくつかの重要な側面をカバーします。

ワークテーブル面の平坦度：ワークのクランプ基準となるワークテーブル面の平坦度は、ワークの取り付け精度や加工後の平面品質に直接影響します。平坦度が許容範囲を超えると、平面ワークの加工時に厚みムラや面粗度の悪化などの問題が発生します。
各座標方向における動作の相互直交性：X、Y、Z座標軸間の直交性のずれは、加工後のワークピースの空間幾何形状に扭曲変形を引き起こします。例えば、直方体のワークピースをフライス加工する場合、本来は垂直であるエッジに角度のずれが生じ、ワークピースの組立性能に重大な影響を及ぼします。
X軸およびY軸座標方向の移動時におけるワークテーブル面の平行度：この平行度は、工具がX軸およびY軸平面内を移動する際に、切削工具とワークテーブル面の相対的な位置関係が一定に保たれることを保証します。平行度が一定でない場合、平面フライス加工時に加工代が不均一になり、表面品質の低下や切削工具の過度の摩耗につながります。
X 座標方向の移動中の T スロット側面の作業台表面に対する平行度: T スロットを使用した治具の位置決めを必要とする加工作業の場合、この平行度の精度は治具の取り付け精度に関係し、ワークの位置決め精度と加工精度に影響します。
スピンドルの軸方向振れ：スピンドルの軸方向振れは、切削工具の軸方向への微小な変位を引き起こします。穴あけ、ボーリングなどの加工工程において、穴径の誤差、穴の円筒度の低下、表面粗さの増大につながります。
スピンドルボアのラジアル振れ：切削工具のクランプ精度に影響を与え、回転中に工具のラジアル位置が不安定になります。外径やボーリング穴をフライス加工する場合、加工部品の輪郭形状誤差が増大し、真円度や円筒度を確保することが困難になります。
スピンドルボックスがZ座標方向に沿って移動する際のスピンドル軸の平行度：この精度指標は、異なるZ軸位置で加工する際に、切削工具とワークピースの相対位置の一貫性を確保するために非常に重要です。平行度が低いと、深穴加工やボーリング加工時に加工深さが不均一になります。
主軸回転軸とワークテーブル面の垂直度：立形マシニングセンターの場合、この垂直度は垂直面および傾斜面の加工精度に直接影響します。ずれがあると、垂直面が垂直でなくなったり、傾斜面の角度が不正確になったりするなどの問題が発生します。
Z座標方向におけるスピンドルボックスの真直度：真直度誤差は、切削工具がZ軸方向に移動する際に理想的な直線軌道から外れることを引き起こします。深穴や多段面の加工では、段間の同軸度誤差や穴の真直度誤差が発生します。

（II）一般的に使用される検査ツール

幾何精密検査には、一連の高精度検査ツールが必要です。精密水準器は、作業台表面の水平度、各座標軸方向の真直度と平行度を測定するために使用できます。精密直角定規、直角定規、平行定規は、垂直度と平行度の検出に役立ちます。平行光管は、比較測定用の高精度の基準直線を提供します。ダイヤルゲージとマイクロメータは、スピンドルの軸方向の振れやラジアル振れなど、さまざまな微小な変位と振れを測定するために広く使用されています。高精度テストバーは、スピンドルボアの精度と、スピンドルと座標軸の位置関係を検出するためによく使用されます。

（III）検査上の注意事項

CNCマシニングセンターの精密調整後、CNCマシニングセンターの幾何学的精度検査は一度に完了する必要があります。これは、幾何学的精度の様々な指標が相互に関連しているためです。例えば、作業台表面の平坦度と座標軸の移動の平行度は、互いに制約し合う可能性があります。1つの項目を調整すると、他の関連する項目にも連鎖反応が起こる可能性があります。1つの項目を調整してから1つずつ検査すると、全体の幾何学的精度が本当に要件を満たしているかどうかを正確に判断することが難しく、精度偏差の根本原因を突き止め、体系的な調整と最適化を行うことにも役立ちません。

III. CNC加工センターの位置決め精度検査

（I）位置決め精度の定義と影響要因

位置決め精度とは、CNC加工センターの各座標軸が数値制御装置の制御下で達成できる位置精度を指します。これは主に、数値制御システムの制御精度と機械伝達システムの誤差に依存します。数値制御システムの分解能、補間アルゴリズム、フィードバック検出装置の精度はすべて、位置決め精度に影響を与えます。機械伝達の観点からは、リードスクリューのピッチ誤差、リードスクリューとナットのクリアランス、ガイドレールの真直度や摩擦などの要因も、位置決め精度のレベルを大きく左右します。

（II）検査内容

各直線運動軸の位置決め精度と繰り返し位置決め精度：位置決め精度は、座標軸の指令位置と実際の到達位置との偏差範囲を反映し、繰り返し位置決め精度は、座標軸が同じ指令位置に繰り返し移動する際の位置のばらつきの程度を反映します。例えば、輪郭加工を行う場合、位置決め精度が低いと加工後の輪郭形状と設計輪郭に偏差が生じ、繰り返し位置決め精度が低いと、同じ輪郭を複数回加工する際に加工軌跡にばらつきが生じ、表面品質や寸法精度に影響を与えます。
各直線運動軸の機械原点の復帰精度：機械原点は座標軸の基準点であり、その復帰精度は、工作機械の電源投入後または原点復帰操作後の座標軸の初期位置精度に直接影響します。復帰精度が高くない場合、後続の加工におけるワーク座標系の原点と設計原点との間に偏差が生じ、加工プロセス全体で系統的な位置誤差が発生する可能性があります。
各直線運動軸のバックラッシュ：座標軸が前進と後退を切り替える際、機械伝動部品間のクリアランスや摩擦の変化などの要因により、バックラッシュが発生します。ねじ切りフライス加工や往復輪郭加工など、頻繁に前進と後退を繰り返す加工タスクでは、バックラッシュによって加工軌跡に「段差」のような誤差が生じ、加工精度や表面品質に影響を与えます。
各回転軸（回転テーブル）の位置決め精度と繰り返し位置決め精度：回転テーブルを備えたマシニングセンターでは、円形割り出しやマルチステーション加工を伴うワークの加工において、回転軸の位置決め精度と繰り返し位置決め精度が非常に重要です。例えば、タービンブレードのように複雑な円形分布特性を持つワークを加工する場合、回転軸の精度はブレード間の角度精度と分布均一性を直接的に左右します。
各回転運動軸の原点復帰精度：直線運動軸と同様に、回転運動軸の原点復帰精度は、ゼロ復帰操作後の初期角度位置の精度に影響し、マルチステーション加工や円形インデックス加工の精度を確保するための重要な基礎となります。
各回転運動軸のバックラッシュ：回転軸が正転・逆転に切り替わる際に発生するバックラッシュは、円形輪郭加工や角度割り出し加工時に角度偏差を引き起こし、ワークの形状精度や位置精度に影響を与えます。

（III）検査方法及び検査装置

位置決め精度の検査には、通常、レーザー干渉計や格子スケールなどの高精度検査装置が用いられます。レーザー干渉計は、レーザー光を照射し、その干渉縞の変化を測定することで座標軸の変位を正確に測定し、位置決め精度、繰り返し位置決め精度、バックラッシュなどの様々な指標を得ることができます。格子スケールは座標軸に直接設置され、格子縞の変化を読み取ることで座標軸の位置情報をフィードバックします。これにより、位置決め精度に関連するパラメータのオンライン監視・検査が可能になります。

IV. CNCマシニングセンターの切削精度検査

（I）切削精度の性質と意義

CNC加工センターの切削精度は、幾何学的精度、位置決め精度、切削工具の性能、切削パラメータ、加工システムの安定性など、さまざまな要素を総合的に考慮し、工作機械が実際の切削工程で達成できる加工精度レベルを反映した総合精度です。切削精度検査は、工作機械の総合性能の最終検証であり、加工されたワークが設計要件を満たすかどうかに直接関係しています。

（II）検査区分及び内容

単一加工精度検査
- ボーリング精度 - 真円度、円筒度：ボーリング加工はマシニングセンターでよく使われる加工工程です。回転運動と直線運動が連動するボーリング穴の真円度と円筒度は、工作機械の精度レベルを直接反映します。真円度誤差は穴径の不均一につながり、円筒度誤差は穴軸の曲がりを引き起こし、他の部品との嵌合精度に影響を与えます。
- エンドミルによる平面フライス加工における平坦度と段差：エンドミルで平面をフライス加工する場合、平坦度はワークテーブル面と工具移動面の平行度と工具刃先の均一な摩耗を反映し、段差は平面フライス加工中の異なる位置における工具の切込み深さの均一性を反映します。段差がある場合、工作機械のX平面およびY平面における動作の均一性に問題があることを示しています。
- エンドミルによる側面フライス加工の垂直度と平行度：側面をフライス加工する場合、垂直度と平行度は、それぞれスピンドル回転軸と座標軸の垂直度、および側面を切削する際の工具と基準面の平行度関係をテストします。これは、ワークピースの側面の形状精度と組み立て精度を確保する上で非常に重要です。
標準総合試験片の機械加工の精密検査
- 横形マシニングセンタの切削精度検査内容
  - ボア穴間隔精度（X軸方向、Y軸方向、対角方向、穴径偏差）：ボア穴間隔精度は、工作機械のX軸およびY軸平面における位置決め精度と、各方向における寸法精度の制御能力を総合的にテストします。穴径偏差は、ボア加工における精度安定性をさらに反映します。
  - エンドミルによる周辺面のフライス加工における真直度、平行度、厚み差、垂直度：エンドミルで周辺面をフライス加工することで、多軸リンク加工時にワークの異なる面に対する工具の位置精度関係を検出できます。真直度、平行度、垂直度はそれぞれ面間の幾何学的形状精度をテストし、厚み差は工具のZ軸方向の切削深さ制御精度を反映します。
  - 2軸リンク式直線フライス加工における真直度、平行度、垂直度：2軸リンク式直線フライス加工は、基本的な輪郭加工操作です。この精密検査は、X軸とY軸が協調して移動する際の工作機械の軌跡精度を評価することができ、様々な直線輪郭形状を持つワークの加工精度を確保する上で重要な役割を果たします。
  - エンドミルを用いた円弧フライス加工の真円度：円弧フライス加工の精度は、主に工作機械の円弧補間動作における精度をテストします。真円度誤差は、ベアリングハウジングやギアなど、円弧輪郭を持つワークピースの形状精度に影響を与えます。

（III）切削精度検査の条件と要件

切削精度検査は、工作機械の幾何学的精度と位置決め精度が合格と認められた後に実施する必要があります。適切な切削工具、切削パラメータ、ワーク材質を選択する必要があります。切削工具は優れた切れ味と耐摩耗性を備え、切削パラメータは工作機械の性能、切削工具の材質、ワーク材質に応じて適切に選択し、通常の切削条件下で工作機械の真の切削精度を検査できるようにする必要があります。また、検査工程では、加工されたワークを正確に測定し、座標測定機や形状測定機などの高精度測定機器を使用して、切削精度のさまざまな指標を総合的かつ正確に評価する必要があります。

V. 結論

CNCマシニングセンターの出荷時に、幾何精度、位置決め精度、切削精度を検査することは、工作機械の品質と性能を確保するための重要なポイントです。幾何精度は工作機械の基本精度を保証し、位置決め精度は工作機械の運動制御精度を決定し、切削精度は工作機械全体の加工能力を総合的に検査するものです。実際の受入プロセスでは、関連する規格と仕様を厳守し、適切な検査ツールと検査方法を採用し、さまざまな精度指標を包括的かつ綿密に測定・評価する必要があります。これら3つの精度要件がすべて満たされた場合にのみ、CNCマシニングセンターは正式に生産・使用を開始でき、製造業に高精度・高効率の加工サービスを提供し、工業生産の高品質化・高精度化を促進します。同時に、マシニングセンターの精度を定期的に再検査・校正することも、長期にわたる安定した稼働と加工精度の継続的な信頼性を確保するための重要な対策です。