成果報告書詳細
管理番号20100000001178
タイトル平成19年度成果報告書 「高度機械加工システム開発事業 高剛性高減衰能構造材料と評価技術の開発」
公開日2011/1/8
報告書年度2007 - 2007
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所、東芝機械株式会社
プロジェクト番号P05024
部署名機械システム技術開発部
和文要約1.高剛性高減衰能構造材料と評価技術の開発
「高剛性高減衰能構造材料の開発」H17・18年度の研究で、片状黒鉛鋳鉄に適量のAl及びSnを添加することによりヤング率を維持したまま、優れた振動減衰能が得られることを確認した。この振動減衰能の改善は、Al、Sn添加によりFe-Al炭化物が形成されることによって、強磁性型減衰機構が発現されるためであると考えられた。本報告では、Al、Sn添加鋳鉄の特性のばらつきを抑え、ヤング率-対数減衰率特性を向上させる方法について述べる。また、開発材料のその他の物理的性質と機械的性質について調査した結果を報告する。また、開発材料を応用した実機部品鋳造ではヘッド(120kg)・サドル(260kg)・Xスライダ(260kg)の三部品を鋳造した。結果は物性値、外観ともに小型TPと同様良好な結果であった。上記開発材料の実機部品を採用した試験機を製造し、FC300を採用している通常生産機との比較試験の結果を報告する。比較試験は、振動測定、加工試験(プレーナ加工・エンドミル加工)を行った。
 「評価技術の開発」では、新規構造材料の開発も含め近年、高度化、複雑化している工作機械設計について、主としてその初期の設計段階を支援する方法を提案することを目的としている。このため、ロバスト設計手法に基づく概念設計評価手法と、有限要素法による詳細な構造変形の計算を組み合わせた工作機械設計支援ツールを提案した。概念設計支援手法では、構造計算用の有限要素法ソフトウェアを用いて部材の変形量を推定し、この値を概念設計ソフトウェアに投入した。これにより工作機械の設計パラメータ、構造変形などが性能に与える影響をより妥当に見積もることができた。この手法を開発材料を適用した工作機械構造の評価に適用し、減衰能向上による工作機械性能の向上効果を簡易的に推定した。また、概念設計における重要な決定事項として工作機械のタイプがあるが、異なる設計コンセプトを有する機械同士の比較を試みた。この結果、門形、ハイブリッド形、シングルコラムの各タイプにおける全体的性能、影響の大きい誤差要因、設計パラメータなどについて概念設計における設計指針となる知見を得た。同様に、本手法を5軸工作機械の設計評価に適用した結果、異なる軸構成の5軸工作機械の理論的な性能の優劣を判定することが可能であった。
英文要約1.1 Development of a high rigidity and high damping capacity structure material for machine tools
In a previous (2005/2006) study, we confirmed that a Young's modulus could be maintained while simultaneously achieving superior damping capacity by adding a suitable amount of Al and Sn into Flake Graphite Cast Iron. It was thought that this improvement in damping capacity was due to a vibration damping mechanism of ferromagnetic type which developed as the result of Fe - Al carbide being formed from the addition of Al and Sn. By means of this paper, we report a method of suppressing the unevenness of the characteristics of Sn, Al addition in cast iron and improvement to a Young's modulus - damping capacity(logarithmic decrement)characteristic. In addition, we report the result of our investigation into physical and mechanical properties of the materials that have been developed. Three parts (head (120kg) saddle (260kg) and X slider (260kg)) were cast in a real machine parts with developed material. It was excellent in both physical properties values and externals as the result as well as small TP. We produced precision machine composed of above three parts and compared the performances between produced machine and conventional machine.

1.2 Development of a design tool supporting conceptual design of machine tools
This research subject aims to develop a new design tool to support decision making at the conceptual design stages of machine tools. A design tool combining a new design tool based on robust design method, with an existing CAE method suitable for detailed design has been proposed. To determine the amount of error factors, an FEM tool was used to calculate structural deformations of machine tool components. Having a proper model, the implemented FEM software was able to calculate structural deformation rather precisely. And the proposed robust design tool could determine which error factors were critical and what was the key component to be designed carefully to improve performance of the machine tool. By using these information, a machine tool designer can decide basic structures and approximate sizes of machine tools. We applied this method to the machine tool structure in which the developed material was used. It was able to roughly estimate the effect of the new material in improving the machine tool performance. The method was also applied to evaluate machine tool design of 5-axis machine tools. As the result, it was able to clarify performance superiority of different structure types of 5-axis machine tools.
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