JP2003145373A

JP2003145373A - 工作機械の熱変形防止構造

Info

Publication number: JP2003145373A
Application number: JP2001348347A
Authority: JP
Inventors: Akira Watanabe; 亮渡邉; Tetsuo Ichikizaki; 哲雄市来崎; Keiji Mizuta; 桂司水田; Hirofumi Shirasawa; 博典白澤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2003-05-20

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単に、低コストで工作機械を一定温度に冷
却するようにして、工作機械の熱変形を防止し、工作機
械の加工精度を安定して高く保つ。【解決手段】伝熱部１２ａと、流路１２ｂを有する熱
交換部１２ｃと、断熱部１２ｄとを平面状に積層してな
るパネル１２を、工作機械を構成するコラム３の外面に
伝熱部１２ａが接触して、覆うように取り付けると共
に、パネル１２の流路１２ｂに冷媒供給手段を接続し、
冷媒供給手段により冷媒をパネル１２の流路１２ｂに循
環させるようにして、工作機械の温度を一定に保ち、工
作機械の熱変形を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工物（ワーク）
の精密加工を行う工作機械の熱変形防止構造に関し、特
にベッド、コラムなどの工作機械ベース構造体の熱変形
防止構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】加工物（ワーク）の加工を行う工作機械
に必要な性能としては、高く安定した加工精度、高い生
産能率、加工の融通性の高さ等があげられる。特に、ミ
クロンオーダーの加工精度を要求される精密工作機械に
おいては、加工精度に対しての要求が厳しい。

【０００３】工作機械は、主に加工を行う工具と、前記
工具を保持し、工具の主運動及び送り運動を支える構造
体と、加工物を保持、固定し、工具に対して送り運動を
行う構造体と、前記構造体を支えるベースの構造体から
なる。工作機械の加工精度は、加工中の加工物と工具と
の相対位置の精度によって決定される。相対位置の精度
は、加工物の工具に対する送り運動の位置精度が重要と
なるが、加工物、工具を保持し、送り運動の基準位置と
なる前記構造体の位置の安定性も重要である。そのた
め、前記構造体は、応力等により変形しないように、高
い剛性を持って設計されており、又、振動の影響を受け
ないような工夫もされている。

【０００４】ところが、前記構造体は、周囲の気温の影
響、工作機械自体から発生する熱の影響を受けて、構造
体自体が熱膨張を起こし、変形する。

【０００５】特にコラム型の工作機械において、上記問
題は避けられない問題である。一般的に、コラム型の工
作機械は、加工のための工具を保持し、前記工具の主運
動及び送り運動を支える構造体となるコラムにおいて、
前記工具をコラムの任意の一面にのみ有し、その他の面
には何も有しない構成であるため、その両対面におい
て、質量のバランスの差を生じている。その質量のバラ
ンスの差は、各面における熱容量の違いを意味する。し
たがって、周囲の気温の上昇等がある場合、熱容量の小
さい部分、即ち何も有しない面で、最初に熱膨張が始ま
り、その面での熱変形が起こる。そして、加工物に対す
る工具の相対位置について誤差を生じる。さらに、コラ
ムの熱変形は、各面の熱容量の違いのため、経時時間に
よって熱変形の方向、変形量が変化していき、安定して
高い加工精度を保つのは難しい。

【０００６】上記熱変形に起因する加工精度の問題に対
処するため、熱変形を防止する様々な手段が提案されて
おり、例えば、質量のバランス、即ち熱的なバランスを
取るために、熱源を中心とする対象構造の構造体とした
り、熱膨張係数の小さい材料を構造体に用いたり、構造
体自体を冷却する等している。構造体自体を冷却する手
段としては、コラム型の工作機械を構成する構造体であ
るベッド、コラムに、鋳造加工、切削加工等により流路
を成形し、その流路に流体（水、油等）を流すことによ
り、温度を一定に保ち、熱変形を抑えている。

【０００７】図４は、従来の工作機械の熱変形防止手段
を示す図であり、特開平５−３０９５３６号公報にて開
示されたものである。

【０００８】図４に示すコラム型工作機械２１は、一般
的なコラム型の工作機械の概略を示している。上記コラ
ム型工作機械２１を構成する主要な構造体は、基部とな
るベッド２２と、図示していない加工用の工具を有する
主軸頭２４と、ベッド２２上に設置され、前記主軸頭２
４を支持するコラム２３とから構成されている。

【０００９】上記コラム型工作機械２１では、コラム２
３内部を、低熱伝導率の材料、合成花崗岩２５で充填す
ることで構成している。そして、前記合成花崗岩２５内
部に冷却パイプ２６を設け、前記冷却パイプ２６に冷却
水を流して冷却している。このことにより、コラム２３
内部に熱伝導率の低い、熱容量の大きい部分を持つこと
になり、コラム２３自体が熱的に安定し、外部からの熱
の影響を受け難くなるため、コラム２３自体の熱変形を
抑えることができる。

【００１０】図５も、従来の工作機械の熱変形防止手段
を示す図であり、特開昭６２−２１８０４６号公報にて
開示されたものである。

【００１１】図５は、コラム型の工作機械のコラムの部
分を概略して表したものである。図５に示すように、コ
ラム２７は、工具の送り動作の基準面となるガイドレー
ル２８をその一側面に有する。上記コラム２７は、コラ
ム２７中央部に、コラム２７の長手方向上下に貫通する
ように角孔３１を持ち、この角孔３１の内壁には、冷却
パイプ３０が接触するように螺旋状に配設されている。
この冷却パイプ３０は冷却装置２９に接続され、冷媒が
流されることにより、コラム自体を冷却し、熱変形を抑
えている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】通常、工作機械のコラ
ム、ベッドを冷却するには、コラム、ベッドの構造体内
面に冷却用の流路を成形するのが一般的である。しかし
ながら、鋳造加工、切削加工を用いても冷却用の流路を
成形するのは容易ではない。コラム、ベッドは送り動作
の基準面となるガイドレールを取り付ける部分であり、
それなりの加工精度を要求される。そのような構造体の
内面に冷却用の流路を複雑に成形することは、要求され
る加工精度の困難性を高くしてしまう。又、鋳造加工に
よる方法では、リークの可能性も完全には否定できな
い。

【００１３】図４、図５で示した従来の工作機械の熱変
形防止手段においても、様々な工夫をして、冷却用の流
路を形成しているが、特殊な加工の工程が必要であり、
コストがかかる。又、加工にともなう冷却用の流路の設
置作業も容易ではない。

【００１４】従って、本発明では、上記課題に鑑み、工
作機械が安定して高い加工精度を保つべく、簡単に、低
コストで工作機械を一定温度に冷却して、熱変形を防止
する構造を提供する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明に係る工作機械の熱変形防止構造は、伝熱部と、流路
を有する熱交換部と、断熱部とを平面状に積層してなる
パネルを、工作機械を構成する構造体の外面に前記伝熱
部が接触して、覆うように取り付けると共に、前記パネ
ルの前記流路に冷媒供給手段を接続し、冷媒供給手段に
より冷媒を前記パネルの前記流路に循環させるようにし
たことを特徴とする。上記発明では、冷媒用の流路を持
つパネルを工作機械の構造体の外面に取り付け、その流
路に冷媒を循環させることで、工作機械の構造体を任意
の温度に冷却することができる。

【００１６】上記課題を解決する本発明に係る工作機械
の熱変形防止構造は、複数の前記パネルを工作機械を構
成する構造体の外面を覆うように取り付け、複数の前記
パネルの流路を互いに接続して、１つ又は複数の冷媒の
経路を形成し、前記冷媒供給手段により冷媒を前記経路
に循環させるようにしたことを特徴とする。上記発明で
は、冷媒用の流路を持つパネルを複数組み合わせて、工
作機械の構造体の外面に取り付け、互いの流路を接続し
て、それらの流路に冷媒を循環させることで、工作機械
の構造体を任意の温度に冷却することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明は、工作機械の構造体外
面、例えばコラム、ベッド外面に、冷却用の流路をもつ
パネルを取付け、このパネルの流路に冷媒を循環させる
ことにより、簡単に実現できる。上記手段により、工作
機械の構造体の温度変化を最小とし、その結果、工作機
械の構造体の熱変形を抑え、加工精度を安定して高く保
つことができる。

【００１８】図１は、本発明に係る実施形態の一例を示
すものであり、熱変形防止手段を施したコラム型の工作
機械を表している。

【００１９】コラム型工作機械１は、主な構造体とし
て、装置の基部となるベッド２と、ベッド２上に設置さ
れるコラム３と、加工物（ワーク）１１を固定するテー
ブル４と、主軸７ａを有する主軸頭７を有している。主
軸７ａに工具９が取付けられる。上記構造体について
は、後述する図２、図３において詳細に説明する。

【００２０】図１の工作機械１において、点で表す領域
は、流路を有するパネルが複数取付けられた部分を示し
ており、上記工作機械１のベッド２、コラム３外面は、
流路付きのパネルで覆われている。上記複数のパネル
は、互いの流路が繋がるような手段を持っており、その
手段により、一つ、又は複数の冷媒の循環路となる経路
を形成できる。前記冷媒の経路には、冷媒供給手段とし
て、冷媒となる一定温度の冷却水を循環させるチラー１
３を接続しており、冷媒を複数のパネルに循環させ、パ
ネルを常に一定の温度に保つことで、工作機械１のベッ
ド２、コラム３を一定の温度に保っている。なお、工作
機械１においては、冷媒として、冷却した水を使用して
いるが、冷媒を水に限定する必要はなく、パネルを適切
に冷却できれば、他の液体で代替してもよい。但し、水
が伝熱性能、安全性、対環境で優れている。

【００２１】図２は、図１にて示したコラム型工作機械
１のＡ−Ａ線矢視断面図である。図２に示すように、コ
ラム３はコラム３内部にコラム３の構造を支え、剛性を
保つコラムリブ３ａを有しており、流路付きパネル１２
がコラム３全周囲を覆うように、その外面に取付けられ
ている。取付方法は、接着法を基本とし、ボルト接合も
ある。

【００２２】コラム３の任意の一面には、主軸頭７がＹ
方向（高さ方向）に移動できるように設置されている。
即ち、コラム３の任意の一面に、２本のガイドレール５
が、コラム３のＹ方向（長手方向）に平行して設置さ
れ、２本のガイドレール５の間には、送りネジ６がガイ
ドレール５に平行して設置されている。前記送りネジ６
に主軸頭７の一部が係合して取付けられており、送りネ
ジ６が回転することで、主軸頭７がガイドレール５を案
内として、Ｙ方向（高さ方向）へ移動する。送りネジ６
は、図示していない駆動手段、例えばモーター及びギア
等により回転駆動する。

【００２３】主軸頭７は、回転運動を行う主軸７ａと、
主軸７ａを回転させる動力源のモーター８ａと、主軸７
ａの回転運動を利用して加工物１１を加工する工具９を
有しており、工具９は加工物１１の方向に向けて、主軸
７ａに取り付けてある。上記構成により、加工物１１に
対して、工具９がＹ方向の送り運動を行い、加工物１１
のＹ方向の任意の位置での加工を行うこととなる。

【００２４】図３は、図１にて示したコラム型工作機械
１のＢ−Ｂ線矢視断面図である。図３に示すように、床
の上に配置した支持ブロック１４により支えられている
ベッド２は、ベッド２内部にベッド２の構造を支え、剛
性を保つベッドリブ２ａを有しており、流路付きパネル
１２がベッド２全周囲を覆うように、その外面に取付け
られている。

【００２５】ベッド２の上面には、テーブル受け台１０
がＺ方向に移動できるように設置されている。即ち、ベ
ッド２の上面に、２本のガイドレール５が、ベッド２の
Ｚ方向（長手方向）に平行に設置され、その２本のガイ
ドレール５の間に、送りネジ６がガイドレール５に平行
して設置されている。前記送りネジ６に、テーブル受け
台１０の一部が係合して取付けられており、送りネジ６
が回転することで、テーブル受け台１０がガイドレール
５を案内として、Ｚ方向へ移動する。送りネジ６は、図
示していない駆動手段により回転駆動する。

【００２６】テーブル受け台１０の上面には、テーブル
４がＸ方向に移動できるように設置されている。即ち、
テーブル受け台１０の上面にも、ベッド２同様の機構が
あり、２本のガイドレール５が、テーブル受け台１０の
Ｘ方向（長手方向）に平行に設置され、その２本のガイ
ドレール５の間に、ガイドレール５と平行に送りネジ６
が設置されている。前記送りネジ６に、テーブル４の一
部が係合して取付けられており、送りネジ６が回転する
ことで、テーブル４がガイドレール５を案内として、Ｘ
方向へ移動する。送りネジ６は、駆動手段となるモータ
ー８ｂにより回転駆動する。上記構成により、テーブル
４がＺ方向、Ｘ方向の任意の位置へ移動する。即ち、工
具９に対して、加工物１１のＺ方向、Ｘ方向の送り運動
を行い、加工物１１のＺ方向、Ｘ方向の任意の位置での
加工を行うこととなる。

【００２７】図２、図３で示した流路付きパネル１２
は、拡大して図示する断面において、構造体であるベッ
ド２、コラム３との熱伝導を行う伝熱部１２ａと、伝熱
部１２ａとの熱交換を行い、熱交換のための冷媒を流す
流路１２ｂを持つ熱交換部１２ｃと、外部の温度の影響
を排除するための断熱部１２ｄの３層の構造からなって
おり、これらを積層してパネル状としている。流路付き
パネル１２は、平面状のパネルであるため、広い面積で
温度制御可能であり、しかも、その温度分布も一様とな
る。

【００２８】上記構造のような流路を有するパネルは、
例えば、床暖房システムの床暖房マットとして使用され
ている公知のものである。本発明の場合、同様な構造の
ものを冷却用に使用し、一定温度の冷媒を循環させて、
温度を一定に保つようにしたことが特徴である。

【００２９】上記流路付きパネル１２は平面状の適度な
大きさを持っており、工作機械のベッド、コラムの大き
さに応じて複数のパネルを組み合わせて使用することも
可能である。そのため、流路付きパネル１２の流路１２
ｂの端部には、流路付きパネル１２同士の流路１２ｂ
が、互いに簡単に接続できるような接続手段、例えば、
クイックカプリング等を有しており、互いの流路を接続
することで冷媒の循環路となる経路を１つ又は複数形成
することができる。冷媒の循環路となる経路を複数形成
することで、複数の構造体を独立して温度制御すること
も可能となる。

【００３０】伝熱部１２ａは熱交換の効率のため、熱伝
導率の大きい材料を任意に選択できる。上記流路付きパ
ネル１２は、平坦な面に取付けて使用するが、工作機械
に曲面がある場合、伝熱部１２ａを熱伝導率の高い、可
塑性のある材料を選択し、熱交換部１２ｃ及び流路１２
ｂもフレキシブルな配管等を選択することにより、多少
の曲面に対応することは可能である。

【００３１】熱交換部１２ｃは、伝熱部１２ａの熱を効
率よく交換できる構造とし、例えば冷媒の流路となる配
管を、伝熱部１２ａの表面上に蛇行するように密着させ
て配置してもよい。

【００３２】上記実施例では、流路付きパネル１２を複
数組み合わせて構成しているため、一部のパネルにて目
詰まり等のトラブルが発生した場合でも、そのパネルを
交換するだけですみ、交換のコストにしても、ダウンタ
イムの短縮にしても効果が大きい。

【００３３】又、発熱が特に大きい構造体のみ、独立し
た別の流路の経路を持つパネルを取り付け、パネル自体
も熱交換効率が高くなるよう、流量を大きくしたり、熱
交換の配管の流路を密にしてみてもよい。例えば、上記
実施例では、ベッド２及びコラム３に流路付きパネル１
２を取付けたが、熱変形の起こり得る構造体や発熱して
いる構造体、例えば、主軸頭７等に取付けてもよい。

【００３４】本発明は、既存の工作機械、又は冷却等に
より温度を一定に保つ必要のある他の用途の既存の装置
であっても、上記流路付きパネル１２を用いれば、装置
等を構成する構造体に特殊な加工を行う必要も無く、簡
単に、しかも低コストで冷媒供給手段を設置することが
できる。装置等の設計段階においても、冷却のための複
雑な流路を考慮する必要も無く、装置等の構造体を簡単
な構成のものとすることができ、装置等自体のコストを
下げることもできる。本発明は、後づけで、簡単に、し
かも低コストで取付可能であるため、その効果は大き
い。

【００３５】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、伝熱部
と、流路を有する熱交換部と、断熱部とを平面状に積層
してなるパネルを、工作機械を構成する構造体の外面に
前記伝熱部が接触して、覆うように取り付けると共に、
前記パネルの前記流路に冷媒供給手段を接続し、前記冷
媒供給手段により冷媒を前記パネルの前記流路に循環さ
せるような構成としたので、前記工作機械の温度を一定
に保つことができ、工作機械の熱変形を防止し、工作機
械の加工精度を安定して高く保てる。又、本発明によれ
ば、簡単に、低コストで上記効果が実現できる。

【００３６】請求項２に係る発明によれば、複数の前記
パネルを工作機械を構成する構造体の外面を覆うように
取り付け、複数の前記パネルの流路を互いに接続して、
１つ又は複数の冷媒の経路を形成し、前記冷媒供給手段
により冷媒を前記経路に循環させるような構成としたの
で、前記工作機械の温度を一定に保つことができ、工作
機械の熱変形を防止し、工作機械の加工精度を安定して
高く保てる。又、本発明によれば、簡単に、低コストで
上記効果が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施形態の一例を示し、熱変形防
止手段を施したコラム型工作機械の外観の斜視図であ
る。

【図２】本発明に係る実施形態の一例を示すコラム型工
作機械のＡ−Ａ線矢視断面図である。

【図３】本発明に係る実施形態の一例を示すコラム型工
作機械のＢ−Ｂ線矢視断面図である。

【図４】従来の熱変形防止手段を施したコラム型工作機
械の概略図である。

【図５】従来の他の熱変形防止手段を施したコラム型工
作機械のコラム部分の概略図である。

【符号の説明】

１コラム型工作機械２ベッド２ａベッドリブ３コラム３ａコラムリブ４テーブル５ガイドレール６送りネジ７主軸頭７ａ主軸８ａモーター８ｂモーター９工具１０テーブル受け台１１加工物１２流路付きパネル１２ａ伝熱部１２ｂ流路１２ｃ熱交換部１２ｄ断熱部１３チラー１４支持ブロック２１コラム型工作機械２２ベッド２３コラム２４主軸頭２５合成花崗岩２６冷却パイプ２７コラム２８ガイドレール２９冷却装置３０冷却パイプ３１角孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水田桂司広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者白澤博典滋賀県栗東市六地蔵130番地三菱重工業株式会社工作機械事業部内Ｆターム(参考） 3C048 BB01 EE03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝熱部と、流路を有する熱交換部と、
断熱部とを平面状に積層してなるパネルを、工作機械を
構成する構造体の外面に前記伝熱部が接触して、覆うよ
うに取り付けると共に、前記パネルの前記流路に冷媒供
給手段を接続し、前記冷媒供給手段により冷媒を前記パ
ネルの前記流路に循環させるようにしたことを特徴とす
る工作機械の熱変形防止構造。
【請求項２】請求項１記載の工作機械の熱変形防止
構造において、複数の前記パネルを工作機械を構成する構造体の外面を
覆うように取り付け、複数の前記パネルの流路を互いに接続して、１つ又は複
数の冷媒の経路を形成し、前記冷媒供給手段により冷媒
を前記経路に循環させるようにしたことを特徴とする工
作機械の熱変形防止構造。