小松地域建設機械製造業の活性化支援
小松市は、機械金属業を基幹産業として経済基盤を整え、石川県第二の中核都市として発展を遂げてきた。とりわけ大正十年に小松で産声を上げた小松製作所（略称コマツ）がこの地に誕生し、建設機械を中心とした機械金属業の裾野が広がっている。１）
しかしながら、その多くは親企業からの指示（出図）形態となっていることや、加工機械、加工技術が建設機械用に特化していることなどから、他分野・他業界の高付加価値製品への取り組みが遅れていた。
一方、景気低迷が長期化している中で、産業構造のグローバル化とともに空洞化現象が加速的に進み、新規分野への参入を強いられているのが現状である。こうした状況を克服し、当地域の活性化を図るためには、信頼性の高い生産体制を確立し、中核企業として自立化を目指す必要がある。このため平成５〜９年度の５ヶ年計画で小松地域建設機械製造業活性化支援事業（国庫補助事業）を実施し、「設計・加工・検査」の総合的な技術力を向上することにより提案型の受注生産形態（サイマル方式）の促進を目指した。以下にその内容について報告する。
小松鉄工機器協同組合内に、傘下企業１２社と工業試験場で構成した小松ＳＳ（精密測定）技術研究会を新たに設置した（図１）。
また、同研究会には切削・溶接の二部会を設け、(1)設計システムを用いた最適設計/機構設計、(2)加工技術実態調査、(3)焼入れ鋼部品の高効率加工の開発、(4)異種金属材料を用いた溶接構造物の開発、(5)人材育成及び情報提供を行った。
従来の製品開発では、図２に示すように製品製作後に応力、振動、熱等の性能試験を行い、改良点を設計にフィードバックしながら機能・性能を高める方法が取られていた。この方法では、最終製品までに幾度となく製品試作を繰り返さなければならず、開発に莫大なコストと時間を要していた。近年、製品開発を効率的に行うため、コンピュータ上で応力、振動、熱解析等を行い、製品試作前に欠陥を見つけだして、対策を行う構造解析システム（ＦＥＭ）が利用されるようになってきた。このため当地域の設計技術者を、工業試験場に研修生として受け入れ、最適な構造・機構設計を行う技術指導を行った。
本システムを用いて建設機械用部品の強度を検討した事例を図３に示す。解析の結果,外部から応力(3kN)を受けると、接合部付近に応力が集中し、使用材料の許容応力を上回ることが確認できた。対策として、応力集中を緩和するため補強板を付加して、再び解析を行った。この結果、製品強度を２０％以上アップさせることができ、実用上問題がないことが判った。
小松鉄工機器協同組合の傘下企業に対し、加工技術の実態を把握するためアンケート調査を実施した。調査は、同地域で最も多い業種の切削と溶接加工業について行った。アンケート回収率は、切削加工業が約82％（55社中45社回答）、溶接加工業が約75％（31社中23社回答）であった。切削加工業では、高精度加工（重要部品には焼入れ鋼が多く使われている）が要求されており、回答企業の６０％以上が焼入れ鋼の切削経験を持っている（図４）。また、焼入れ鋼の加工では、Ｈ７級以上の寸法公差で、表面粗さ６．３μm以上の精度が要求されている。切削加工上の問題点についての問いでは、工具の寿命が短いと回答した企業が、３５％とトップを占め、次いで表面粗さが管理できないが１５％となっている。このことから、実験対象を問題点が多い焼入れ鋼に絞り、高精度加工へのトライを行うことにした。
一方、溶接加工業では、ロボット保有企業が約７８％を占め、自動化が進んでいるが、検査方法は依然として目視検査がほとんどを占めている。また高張力鋼と一般構造用炭素鋼などの異種金属材料の溶接も行われており、約７８％が経験をもっていると回答している。これらの検査は、同種溶接材料とは異なり、非破壊試験（磁気探傷試験機や超音波探傷試験機）機器を用いた検査が行われている。溶接加工の技術上の問題点として、溶接歪みやブローホールなどが上位を占めている。
同地域では、まだ量的に少ないが、今後ステンレスと一般構造用炭素鋼の異種金属材料の溶接は、食品加工機械などに用途が拡大される分野であることから、今回の実験では、ステンレスや合金鋼等と炭素鋼の異種金属材料の溶接方法と検査について検討を加えることにした。
５．１ サンプル加工
サンプル加工参加企業に、切削条件及び加工工具等の指定を行わずに、図５に示すサンプル加工を行ってもらった。加工条件の設定は、各社さまざまな設定を行っており、約５０％が推奨条件から外れていた。これは表面粗さの向上を考慮したものと推察される。
また、生材加工の仕上げには全社サーメット工具を使用し、焼入れ鋼では２／３の企業がＣＢＮ工具を使用していた。加工品の表面粗さは、生材加工で６．３μmの指示を満足したものが約７１％、焼入れ鋼では約９２％であった。真円度は、生材加工が約９８％、焼入れ鋼では１００％が３μmを達成しており、円筒度についても４μm以下を達成したものは、生材加工では約９０％、焼入れ鋼では約９２％であった。しかし寸法精度は許容精度（37.990±0.01）内に入ったものが、生材加工では約５６％、焼入れ鋼では約５２％と改善の余地を残した。また、企業の検査能力を知るため、加工後の寸法測定を行ってもらい、精密測定機での測定値と比較を行った。
この結果、３μm以内の測定誤差に納まったものが生材加工で約６５％、焼入れ鋼では５４％しかなく測定具の管理や取扱い上の問題点があることがわかった。
これらの結果を受けて、今後更に高精度化を促進するため、企業技術者に対して切削理論、実習等の研修会を開催した。研修会終了後、再度生材加工についてサンプル加工実験を行った結果を図６に示す。表面粗さについては指示値に対する達成率が約２０％向上し９０％に、寸法精度が約２８％向上し７２％に高まった。しかし、測定誤差については約１０％向上したにとどまり、７２％の達成率であった。
５．２ 切削実験
焼入れ鋼の実験希望企業９社により加工実験を行った。切削条件を表１に示し、工具摩耗の観察例を図７に示す。
| 被 削 材 | Ｓ４３Ｃ(表面焼入れ：HRC54〜56） | |
|---|---|---|
| 工 具 | チップ | ＣＢＮ（BN250）、ノーズ半径0.8mm |
| ホルダ | □25mm、ＰＴＴＮＲ−２５２５ │ | |
| 加工条件 | V=120m/min,f=0.05mm/rev、t=0.2mm | |
| その他 | 乾式切削、時間:70min、距離:９km | |
その結果、逃げ面摩耗幅（VB）は７０分切削で、０．１２〜０．１５mmであった。一般にＣＢＮ工具の摩耗幅が０．２mm前後に達したとき、再研磨加工が行われることから、今回の切削実験では、まだ２０〜３０分の切削が可能であると予想された。しかし中には、約２０分の切削時間が経過した時点でビビリが発生し、チッピングを生じたものがあった（１社）。この原因には、工作機械の性能やチャック保持力に起因していることが考えられることから、工作機械の性能を十分に把握しておく必要があるものと思われる。表面粗さの測定結果を図８に示すが、今回の実験では、７０分経過後もほぼ６．３μmとなっていた。ただし、一部表面粗さが逆に改善されたものがあった。
これはＢＮ砥粒の脱落により、新しい刃先が構成されたことによるものと推察される。このことは、工具刃先が後退することを意味しており、検査には留意する必要がある。図９は、真円度の測定結果を示すが７０分経過後もほぼ２〜３μmであった。これは、表面粗さの影響を多少受けるが、工作機械の性能（回転精度や加工物の突出し長さなど）に大きく支配されるものと思われる。
図７ ＣＢＮ工具の摩耗状態
図８ 切削時間と表面粗さ
図９ 表面粗さと真円度測定結果
５．３ 実製品での切削実証試験
５．３．１ 外径切削加工例
サンプル加工の実験結果を基に、工場ラインに流れているリング製品（SCM415H:φ140×Ｌ22mm,RC52〜58）を、ＣＢＮ工具を用いて外径切削を行った。なお、この製品の表面粗さの許容精度は、3.2μm以内である。この最適条件を見出すため、切削速度を１５０m/min、切込み０.１mmと固定し、切削送りを０.１、０.０２、０.０５mm/revの３種について実験を行った。
その結果を図１０に示すが、切削送りが０.０２、０.０５mm/revでは、１０個加工した場合でも３.２以下μmとなり,十分に実用に供する結果が得れた。ただし、図１１に工具摩耗の測定結果を示すが、切削送りが小さくなると工具摩耗が大きくなることから、この場合切削送り０.０５mm/revが最適条件と考えられる。
５．３．２ 断続切削加工例
図１２は、実製品のデフケース(SCM415H：φ43〜70、HRC58〜60)であり、端面の断続切削加工である。加工条件は、ＣＢＮ工具を用い、切削速度１００〜１２０m/min、送り０．１〜０．１５mm/rev、切込み０．１〜０．２mmで乾式切削で行った。この結果、表面粗さは最大高さが３．２μm、十点平均粗さが２．８μmとなり、均一化した粗さ波形を得ることができた。また真円度の測定結果も２．４〜４．４μmにすることができ、十分に実用化が可能であり、これまでの研削加工を切削加工に置き換えることが可能となった。このほか、ナットの端面加工や歯車の内面加工の実製品加工を行ったが、いずれも好結果が得られた。