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時代が求める数々の技術や製品を提案

基本性能の着実な向上から、適材適所の機能や性能を持った工作機械を生み出す多様化へ。工作機械の開発トレンドは、ものづくりに新たな価値を注ぎ込む方向へと、大きく変わりつつある。その背景には、世界中で進行している“ものづくり革命”がある。工作機械の開発トレンドに追随して、機能や性能を大きく左右する“要”となる部品、軸受もまた、技術の方向性が変貌している。NTNは、価値ある工作機械の創出に寄り添い、時代が求める数々の技術や製品を提案していく。世界をリードする工作機械を生み出すうえで、NTNは強力なパートナーとなることだろう。



 世界中で、ものづくり革命が進行している。ドイツの「Industry4.0」や米国の「Industrial Internet」、中国の「中国製造2025」など、ICTを駆使した新しい工業生産の仕組みを構築しようとする国家レベルでの取り組みが相次いでいる。

 そして、世界のものづくり企業の中から、少品種大量生産を前提とした工場のあり方を見直す動きが出てきた。消費者のニーズや市況に合わせて、生産する製品の仕様や量を柔軟に最適化できる、スマート工場の実現を目指し始めた。もちろん、ファクトリーオートメーションをリードする日本企業も、この動きの真っ只中にいる。

多様化する工作機械

植田 敬一氏
NTN
産業機械事業本部
産業機械技術部 主査

 ものづくり革命では、ICT関連の技術だけではなく、実際に製品の生産に用いる工作機械の進化も欠かせない。 あらゆる製品を生み出す“マザーマシン”である工作機械では、これまで「高速」「高剛性」「高精度」といった基本性能の向上が何より重要だった。同じ仕様の製品を大量、低コストかつ高品質に生産することが求められていたからだ。こうした工作機械の基本性能の向上は、これからも当然追い続ける。

 しかし、ものづくり革命で必要とされる工作機械では、これだけでは足りない。NTN 産業機械事業本部 産業機械技術部 主査の植田敬一氏は、「工作機械は確実に多様化しています」という。いかに基本性能が高くても、「帯に短し、たすきに長し」といった利用シーンに合致しない工作機械では、ものづくり革命には対応できない。

 実際、工作機械の商品トレンドを見ると、基本性能の向上に加え、工程集約のための「複合化」、曲面など複雑かつ高精度な加工を実現するための「5軸化」、省エネルギーと省スペースのための「小型化」、操作性向上のためのNC装置の「多機能化」、信頼性向上のための「状態監視機構の付与」といった、新たな機能やコンセプトを持つ機種が次々と開発されるようになった。

軸受にプラス1の機能と性能を

 NTNは、時代の要請に応える工作機械の進化を支える、工作機械用精密軸受の技術や商品の開発を進めている。軸受は、工作機械の価値を大きく左右する“要”となる部品。当然、基本性能である「高速」「高剛性」「高精度」を高いレベルで実現するための技術も磨き続けている。それに加え、ものづくり革命での求めに応える「プラス1の機能・性能を軸受に盛り込む開発にも積極的に取り組んでいます」(植田氏)とする。

 工作機械用精密軸受の開発は、常に工作機械の技術トレンドに寄り添って進められてきた。その開発史を、軸受に対する要求の変遷に注目すると、3つの時代に分けることができる(図1)。

図1●工作機械用精密軸受に対するニーズの変遷
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 2000年ごろまでは、専ら工作機械の基本性能の向上が求められていた。例えば、潤滑の信頼性を高めたエアオイル潤滑などが登場し、超高速運転を可能にした。2001年頃から2014 年頃に掛けては、基本性能に加えて、長寿命と環境対応が重視されるようになった。エアオイル潤滑よりも環境負荷の少ないグリース潤滑軸受の耐久性を向上させる技術開発が進んだ。

 2015年以降は、小型工作機械の開発が盛んになった。小型化しながらも、基本性能や寿命、信頼性を高いレベルで維持することが求められるようになった。さらに、多様な加工ニーズに適合できる、さまざまな主軸(スピンドル)を設計するため、軸受メーカーからの技術支援サービスの提供も重要になった。

工作機械の進化に常に寄り添う

那須 惠介氏
NTN
産業機械事業本部
産業機械技術部

 NTNは、「第28回日本国際工作機械見本市(JIMTOF2016)」において、ものづくりの未来を探求し、軸受の提供を通じて工作機械の進化に寄り添いたいという意味を込め、「Navigate yourfuture」というテーマを掲げて出展した。そして、工作機械の基本性能の向上はもちろんのこと、それぞれの工作機器メーカーが考えるそれぞれの未来(yourfuture)を実現へと導く(navigate)、最新の技術と製品を披露した。

 その一例が、工作機械の基本性能である「高速」「高剛性」を、独自の空冷技術によって高レベルで両立させる「工作機械主軸用空冷間座付軸受」である。5軸加工機や複合加工機での厳しい要求に応える製品だ。

 「高速」と「高剛性」の両立には、運転中の発熱の低減が必須になる。工作機械主軸用空冷間座付軸受では、アンギュラ玉軸受背面組み合わせ(DB組み合わせ)の間に組み込んだ外輪間座に、エアオイル潤滑用の給油ノズルとは別に、空冷ノズルを設けている。空冷ノズルは、常温の圧縮空気(以下、空冷エア)を軸中心から軸回転方向へオフセットした位置で噴射するように向けられている。これによって、回転方向に沿って空冷エアが軸に巻き付くように滞留させることができ、効果的な冷却を可能にしている。さらに、設計時に解析を繰り返すことで、「空冷エアと軸受の回転に伴って生じるエアカーテン(連れ回り空気)との衝突で発生する騒音を抑える構造を追究しました。これによって低騒音化を図ることができ、作業環境を改善できます」(同社 産業機械技術部の那須惠介氏)という。

 ものづくり革命で求められる新しいニーズに向けては、小型製品の加工や精密微細加工に用いられる小型スピンドルの長寿命と低振動を可能にする小径高速アンギュラ玉軸受を投入した(図3参照)。その他にも、工作機械に新たな価値をもたらす多様な技術や商品をそろえている。

 ものづくり革命の下で、価値ある工作機械を生み出す時、NTNは欠かせない開発パートナーとなることだろう。

内部構造の徹底見直しで誕生した、小型機に新たな価値を注ぎ込む軸受

 NTNは、小さな製品の加工や精密微細加工に向けた小型工作機械用スピンドルの低振動と長寿命を実現する「ULTAGEシリーズ 工作機械主軸用小径高速アンギュラ玉軸受」を開発した。軸受やモーターを一体化したビルトイン構造のスピンドルでの利用を想定している。軸受内径10mm~50mmの製品を市場展開する。

冷却と寿命が両立できないジレンマ

 新興国での生産を想定した、低価格・省スペースの小型工作機械の開発が活発化している。さらに、スマートフォンなど小型製品や、医療機器部品など、精密微細加工を要する製品の需要が増している。今後は、ものづくり革命の進行に合わせて、小型工作機械を数多く設置し、製品仕様の変更や生産数量の増減に柔軟に対応できる生産ラインを構築する動きが広がる可能性が高い。

 小型工作機械に搭載されるスピンドルの多くでは、内蔵している軸受やモーターの冷却と外部からの異物侵入防止を兼ねて、スピンドルのリア側から内部に圧縮空気を流す構造が採用されている(図2)。複雑な冷却機構が不要で、なおかつ圧縮空気は工場内で日常的に利用できるため、スピンドル構造を小型化できる利点があるからだ。

図2●小型スピンドルでの圧縮空気を使った冷却例
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 こうしたスピンドルに用いる小径の軸受では、長寿命に有利な潤滑方法として、圧縮空気に潤滑油を混ぜて圧縮して流す技術が使われていた。しかし、付帯設備が不要なグリース潤滑を求める声が根強い。しかし、簡単にグリース潤滑は採用できない。0.2~0.3MPaの圧縮空気を細いスピンドルの中に流すと、軸受からグリースが徐々に流出し、潤滑寿命の低下を招く場合があるからだ。グリースの流出を抑えるには、シールを取り付けた密封型軸受が有効だが、圧縮空気がスピンドル内部を流れにくくなり、冷却や異物侵入防止の効果が低下してしまう。まさにジレンマを抱えた状態だった。

空気を流すことを前提に設計

古山 峰夫氏
NTN
産業機械事業本部
産業機械技術部 主任

 実は、これまで抱えていたジレンマは、スピンドルメーカーと軸受メーカーの製品開発での思惑が擦り合っていなかったことに原因があった。スピンドルメーカーは、スピンドルの性能を維持・向上させるため、グリースの入った軸受内に空気を積極的に流したいと考えていた。しかし、軸受メーカーは軸受が長寿命であることを第一に考えたため、軸受内を空気が貫通するような利用法は推奨外だった。そして、シール付きの軸受を提供していたものの、内部に空気を流すことを前提として設計した軸受は用意していなかった。

 今回NTNが開発した小径高速アンギュラ玉軸受は、「軸受内部に冷却用の空気を流すことを前提として、構造を徹底的に見直しました」(NTN 産業機械技術部 主任の古山峰夫氏)というスピンドルメーカーに寄り添った製品である(図3)。

図3●小径高速アンギュラ玉軸受の特徴
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 開発品では、圧縮空気が貫通しやすく、かつ、軸受内にグリースをより多く保持できる新発想のシールを設計。圧縮空気を流す領域を確保し、同時にグリースの流出を抑え保持する領域も確保した。また、内外輪を幅広にしてグリースの封入空間を拡大するとともに、外輪にグリースポケットを設けてグリースの保持性を高めた。設計時には流体解析を繰り返し、圧縮空気の流れやすさと、グリースの保持を両立できる構造を探求した。加えて、圧縮空気が流れる方向に左右されないように、軸受の両側でグリースの封入量を増やした。

新発想の構造で大きな効果

 構造を徹底的に見直した効果は大きい(図4)。同社の従来品と比較してグリース保持性は4 倍以上に向上し、高速耐久性は10倍に当たる6000時間以上にまで延びた。スピンドルメーカーの要求は、連続運転で最大運転2000~3000時間耐えることだ。今回の製品は、この要求に応えることができる。

図4●圧縮空気供給下の500時間運転後のグリース残存量
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 加えて、内外輪の軸受軌道面の精度を高める加工法を採用することで、従来比約50%の振動低減を実現した(グリース潤滑、定位置予圧、軸受内径10mm、回転速度は毎分6万回転、主軸内に0.3MPa、30NL/minの圧縮空気を供給した場合)。

 近年、極めて高い回転速度で、磨いたり、表面加工をしている例が増えている。スマートフォンの筐体加工では、2万回転以上で切削する。加工精度や加工面のきめ細かさなど、外観品質の向上には、低振動化が絶対条件になる。スピンドル構造を小型化し、長期間にわたって高性能を維持できる開発品は、小型工作機械の精度向上と低コスト化に大いに寄与することだろう。

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