JP2004142021A

JP2004142021A - 熱変位抑制装置及び工作機械

Info

Publication number: JP2004142021A
Application number: JP2002309793A
Authority: JP
Inventors: Keiji Mizuta; 水田　桂司; Tsuneo Sugita; 杉田　常男
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】熱変位抑制装置及び工作機械において、簡単な構成により特別な制御などを必要とせずに熱変位を抑制可能とする。
【解決手段】それぞれ対向する面板の厚さが異なる中空のコラム１６にて、厚いほうの面板の内面に断面積を変えず、且つ、前面側の面板と後面側の面板における熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定するような複数のリブ２６，２７を形成する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空構造物の熱変位を抑制する熱変位抑制装置、並びにこの熱変位抑制装置を用いてコラムやベッド等の構造物の熱変位を抑制する工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、マシニングセンタ等の工作機械には、中空構造物としてコラムが設けられており、コラムの前面には主軸ヘッドを有するヘッドストックが移動自在に支持されている。そのため、このコラムは前面側の面板の板厚を後面側の面板の板厚より厚く設定し、ヘッドストックの支持剛性を高く確保している。従って、周囲温度の変化に対して、コラムは前面側の面板と後面側の面板とで温度追従速度が異なり、コラムは前面側の後面側との温度変化により前後方向にたわみ（熱変位）が生じ、加工精度が悪化してしまうという問題がある。このような問題に対して、コラム内にエアを循環して熱変位を抑制するものとして、下記特許文献１の記載された技術がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１−１４０９４５号公報
【０００４】
この特許文献１の記載された技術は、工作機械の機体内部の室温にさらされにくい部分に室温空気を積極的に流すことで、機体各部の温度差をなくして熱変位を防止するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の熱変位を防止する技術（特許文献１）では、単にコラム内に室温空気を所定量流すだけであり、十分な時間の経過後はコラムの前面側と後面側は共に空気温度に接近して温度差がなくなるものの、それに接近する速度の差により一時的に前後の温度差が生じた結果、この間に熱変位が生じて加工精度が低下してしまう。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するものであって、簡単な構成により特別な制御などを必要とせずに熱変位を抑制可能とした熱変位抑制装置及び工作機械を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の熱変位抑制装置は、中空構造物における対向する少なくとも一方の内面に凹凸部を設けたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２の発明の熱変位抑制装置では、前記中空構造物の対向する一対の面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定したことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明の熱変位抑制装置では、前記熱コンダクタンスは、前記中空構造物内の内部流体と前記面板との熱伝達率に伝熱表面積を乗算して算出することを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明の熱変位抑制装置では、前記熱容量は、前記面板の厚さと比熱と密度とを乗算して算出することを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明の熱変位抑制装置では、前記中空構造物内に空気を流通させることを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明の熱変位抑制装置では、前記中空構造物内に空気供給手段が連結されたパイプを挿通し、該パイプに前記凹凸部に対向して空気噴射孔を形成したことを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明の熱変位抑制装置では、前記凹凸部は、駆動部材を有する移動部材が移動自在に支持された面板に形成されたことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項８の発明の工作機械は、ヘッドストックが支持されるコラムを中空形状とし、該コラムにおける前記ヘッドストックが支持される側の面板の内面に凹凸部を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項９の発明の工作機械は、テーブルが支持されるベッドを中空形状とし、該ベッドにおける前記テーブルが支持される側の面板の内面に凹凸部を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１０の発明の工作機械では、前記凹凸部側の面板と該凹凸部に対向する面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定したことを特徴としている。
【００１７】
請求項１１の発明の工作機械では、前記コラムまたはベッド内に空気供給手段が連結されたパイプを挿通し、該パイプに前記凹凸部に対向して空気噴射孔を形成したことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１に本発明の一実施形態に係る熱変位抑制装置を適用した工作機械としてのマシニングセンタの概略、図２にコラムの縦断面、図３にコラムの水平断面、図４にコラムの断面形状を設定するための概略説明、図５にコラムにおける前後の温度差を表すグラフを示す。
【００２０】
本実施形態の熱変位抑制装置が適用されたマシニングセンタにおいて、図１に示すように、ベッド１１上には左右の水平レール１２を介してテーブル１３がベッド１１の長手方向に沿って移動自在に支持されており、このテーブル１３上には図示しない被加工物を保持するクランプ台１４が装着されている。また、このベッド１１の一端部には水平レール１２と直交する前後のクロスレール１５が設けられ、このクロスレール１５によりコラム１６が移動自在に支持されている。そして、このコラム１６には垂直レール１７が設けられ、この垂直レール１７の前面にヘッドストック１８が昇降自在に支持されており、このヘッドストック１８に主軸１９が装着され、図示しない工具が着脱自在となっている。
【００２１】
従って、このマシニングセンタを用いて所定の加工を行うには、主軸１９に所定の工具を取付ける一方、テーブル１３のクランプ台１４上に被加工物を固定する。この状態でテーブル１３を送り移動しながら、コラム１６を左右に移動すると共にヘッドストック１８を上下左右に移動することで、主軸１９に装着された工具に切り込みを与え、被加工物を所定形状に加工することができる。
【００２２】
このように構成されたマシニングセンタでは、中空構造物としてのコラム１６は前面側でヘッドストック１８を昇降自在に支持するため、その支持剛性を高く確保できような板厚の設定となっている。また、気温の変化に対する熱変位を抑制するため、この前面側の面板の内面に凹凸部を設け、前面側の面板と後面側の面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定している。そして、コラム１６内に空気供給手段としてのパイプを挿通し、このパイプにより内部に冷却空気を流通させ、面板の凹凸部にエアを噴射してコラム１６を冷却するようにしている。
【００２３】
即ち、図２及び図３に示すように、コラム１６は左右の中空壁部２１，２２が複数の連結壁２３により連結されて構成されている。そして、各中空壁部２１，２２には前後を区画する縦壁２１ａ，２２ａが形成されると共に、上下を複数に区画する横壁２１ｂ，２２ｂが形成されることで、コラム１６の前面側に複数の前部区画室２４ａ，２５ａが設けられると共に、後面側に複数の後部区画室２４ｂ，２５ｂが設けられている。そして、縦壁２１ａ，２２ａ及び横壁２１ｂ，２２ｂに連通孔２１ｃ，２２ｃ及び２１ｄ，２２ｄが形成され、中空壁部２１にて各前部区画室２４ａと各後部区画室２４ｂとが連通すると共に、中空壁部２２にて各前部区画室２５ａと各後部区画室２５ｂとが連通している。更に、中空壁部２１，２２の対向する面板及び後面側の面板に貫通孔２１ｅ，２２ｅが形成されている。
【００２４】
そして、コラム１６の中空壁部２１，２２にて、各複数の前部区画室２４ａ，２５ａの前面側の面板の厚さは後面側の面板（あるいは縦壁２１ａ，２２ａ）の厚さに対して厚く形成され、且つ、前面側の面板の内面に凹凸部としての複数のリブ２６，２７が形成されている。そして、このリブ２６，２７が形成された前面側の面板とリブのない後面側の面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定している。
【００２５】
ここで、コラムの前面側と後面側の各面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定するためのコラムの断面形状について説明する。図４に示すように、例えば、コラム１０１の断面形状が矩形断面であり、一方の面板１０２の板厚をｔ_１、表面積をａ_１とし、他方の面板１０３の内面に凹凸部としての複数のリブ１０４を形成することで、その板厚をｔ_２、表面積をａ_２とする。面板１０２，１０３の熱コンダクタンスＣ_１，Ｃ_２は、コラム１０１内のエア（内部流体）と各面板１０２，１０３との熱伝達率に伝熱表面積ａ_１，ａ_２を乗算して算出するものであり、熱容量Ｑ_１，Ｑ_２は、面板１０２，１０３の板厚ｔ_１，ｔ_２と比熱と密度とを乗算して算出するものである。
【００２６】
従って、面板１０２，１０３に対して、熱伝達率、比熱、密度は同様であることから、熱コンダクタンスの比率Ｃ_１／Ｃ_２はａ_１／ａ_２であり、熱容量の比率Ｑ_１／Ｑ_２はｔ_１／ｔ_２となる。即ち、（ａ_１／ａ_２）＝（ｔ_１／ｔ_２）とすることで、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定することができる。また、（ａ_１／ｔ_１）＝（ａ_２／ｔ_２）として表すこともできる。図４に示すコラム１０１の場合、一方の面板１０２の板厚をｔ、表面積をａとし、他方の面板１０３の内面の板厚を２ｔ、表面積を２ａとすることで、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定している。
【００２７】
なお、図４では、コラム１０１を単純な断面形状として前面側と後面側の各面板１０２，１０３にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定するようにしたが、本実施形態のコラム１６の中空壁部２１，２２であっても、コラム１０１と同様、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様となるように、前面側の面板と後面側の面板との板厚と表面積をそれぞれ設定している。
【００２８】
また、図２及び図３に示すように、コラム１６の中空壁部２１，２２の下部には、それぞれ前後区画室２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂを水平に挿通して第１エアパイプ２８，２９が配管されると共に、各前部区画室２４ａ，２５ａ及び各後部区画室２４ｂ，２５ｂを鉛直に挿通して第２エアパイプ３０，３１，３２，３３が配管され、下部が第１エアパイプ２８，２９に連結されている。第２エアパイプ３０，３２には、各前部区画室２４ａ，２５ａにてリブ２６，２７に対向するエア噴射孔３０ａ，３２ａが前面側を向いて形成されている。また、第２エアパイプ３１，３３には、各後部区画室２４ｂ，２５ｂにてエア噴射孔３１ａ，３３ａが後面側を向いて形成されている。この場合、第２エアパイプ３０，３２に形成されたエア噴射孔３０ａ，３２ａは各前部区画室２４ａ，２５ａにてらせん状に複数形成されている。そして、第１エアパイプ２８，２９の基端部に空気供給手段としてのファン３４，３５が装着されている。
【００２９】
このように構成されたマシニングセンタでは、ファン３４，３５を駆動することで、エアが第１エアパイプ２８，２９から第２エアパイプ３０，３１，３２，３３に送給され、各エア噴射孔３０ａ，３１ａ，３２ａ，３３ａから中空壁部２１，２２の各区画室２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂに供給される。このとき、前部区画室２４ａ，２５ａでは、前側の面板の内面、つまり、リブ２６，２７に向かってエアが噴射し、後部区画室２４ｂ，２５ｂでは、後側の面板の内面に向かってエアが噴射することで前後の面板を冷却すると共に、前後の区画室２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂ内をエアにより攪拌することで、温度分布の偏りを抑制している。そして、各区画室２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂに供給されたエアは、貫通孔２１ｅ，２２ｅなどから外部に排出される。
【００３０】
そして、コラム１６の中空壁部２１，２２は、ヘッドストック１８を支持する前面側の面板の厚さが後面側の面板の厚さに対して厚く形成され、且つ、この前面側の面板の内面に複数のリブ２６，２７が形成されることで、前面側の面板と後面側の面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定しており、前後の面板の温度差がなくなって熱膨張率と同様となり、気温の変化による熱変形を防止することができる。
【００３１】
即ち、図５には、一日の気温の変化（±５℃）に対するコラムにおける前後の面板の温度変化及び熱変位を表すグラフである。この図５のグラフに示すように、従来のコラムは、一日の気温の変化に対して±１℃程度の温度変化があり、±１０μｍ程度の熱変位が発生している。一方、本実施形態のコラム１６は温度変化及び熱変位の発生がほとんどないことはわかる。
【００３２】
なお、上述の実施形態では、中空構造物としてコラム１６を適用し、このコラム１６にて、気温の変化に対する熱変位を抑制するため、前面側の面板の内面にリブ２６，２７を設けることで、前面側の面板と後面側の面板における熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率が同様となるように設定したが、この技術を適用する空構造物はコラム１６に限るものではない。例えば、本実施形態のベッド１１は上面部にてテーブル１３を移動自在に支持しており、このベッド１１を中空構造物とし、上面側の面板の内面に凹凸部を設けることで、上面側の面板と下面側の面板における熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率が同様となるように設定してもよく、このベッド１１内にエアを供給可能なパイプを挿通することも可能である。
【００３３】
また、本発明の熱変位抑制装置は、例えば、ホブ盤、歯車型削り盤、歯車研削盤等の歯車加工機械やボール盤、旋盤、円筒以外の研削盤等、他の工作機械に適用することが可能である。また、工作機械以外でも、発熱体により変形が生じる中空構造物を備えた機器に本発明の熱変位抑制装置を適用して、熱伝達率を高めることで温度差を低減することが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の熱変位抑制装置によれば、中空構造物における対向する少なくとも一方の内面に凹凸部を設けたので、気温の変化による前後の面板の温度差をなくし、簡単な構成により特別な制御などを必要とせずに熱変位を確実に抑制することができる。
【００３５】
請求項２の発明の熱変位抑制装置によれば、中空構造物の対向する一対の面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定したので、簡単な手法により前後の面板の温度差をなくすことができる。
【００３６】
請求項３の発明の熱変位抑制装置によれば、熱コンダクタンスを中空構造物内の内部流体と面板との熱伝達率に伝熱表面積を乗算して算出するので、簡単な手法により面板の熱コンダクタンスを算出することができる。
【００３７】
請求項４の発明の熱変位抑制装置によれば、熱容量を面板の厚さと比熱と密度とを乗算して算出するので、簡単な手法により面板の熱容量を算出することができる。
【００３８】
請求項５の発明の熱変位抑制装置によれば、中空構造物内に冷却空気を流通させるので、空気により中空構造物の熱伝達率を高めて温度差を低減することができる。
【００３９】
請求項６の発明の熱変位抑制装置によれば、中空構造物内に空気供給手段が連結されたパイプを挿通し、このパイプに凹凸部に対向して空気噴射孔を形成したので、凹凸部周辺の空気を効率よく循環することで、面板全体の熱伝達率を高めることができる。
【００４０】
請求項７の発明の熱変位抑制装置によれば、凹凸部を駆動部材を有する移動部材が移動自在に支持された面板に形成したので、十分な支持剛性を確保する必要がある側の面板の表面積を拡大することで冷却効率を向上することができる。
【００４１】
また、請求項８の発明の工作機械によれば、ヘッドストックが支持されるコラムを中空形状とし、このコラムにおけるヘッドストックが支持される側の面板の内面に凹凸部を設けたので、コラムにおける板厚が厚い側の表面積を拡大することで前後の面板における温度差を低減することで、簡単な構成により特別な制御を必要とせずにコラムの熱変位を抑制することが可能になり、熱変位による加工誤差を低減することができる。
【００４２】
請求項９の発明の工作機械によれば、テーブルが支持されるベッドを中空形状とし、このベッドにおけるテーブルが支持される側の面板の内面に凹凸部を設けたので、ベッドにおける板厚が厚い側の表面積を拡大することで前後の面板における温度差を低減することで、簡単な構成により特別な制御を必要とせずにコラムの熱変位を抑制することが可能になり、熱変位による加工誤差を低減することができる。
【００４３】
請求項１０の発明の工作機械によれば、凹凸部側の面板とこの凹凸部に対向する面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定したので、簡単な手法により前後の面板の温度差をなくすことができる。
【００４４】
請求項１１の発明の工作機械によれば、コラムまたはベッド内に空気供給手段が連結されたパイプを挿通し、このパイプに凹凸部に対向して空気噴射孔を形成したので、コラムまたはベッドの内部に空気を噴射して熱伝達率を高め、気温の変化による温度差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱変位抑制装置を適用した工作機械としてのマシニングセンタの概略図である。
【図２】コラムの縦断面図である。
【図３】コラムの水平断面図である。
【図４】コラムの断面形状を設定するための概略説明図である。
【図５】コラムにおける前後の温度差を表すグラフである。
【符号の説明】
１１　ベッド（中空構造物）
１３　テーブル
１６　コラム（中空構造物）
１８　ヘッドストック（移動部材）
１９　主軸（駆動部材）
２１，２２　中空壁部
２４ａ，２５ａ　前部区画室
２４ｂ，２５ｂ　後部区画室
２６，２７　リブ（凹凸部）
２８，２９　第１エアパイプ
３０，３１，３２，３３　第２エアパイプ
３０ａ，３１ａ，３２ａ，３３ａ　エア噴射孔
３４，３５　ファン（空気供給手段）

Claims

中空構造物における対向する少なくとも一方の内面に凹凸部を設けたことを特徴とする熱変位抑制装置。
請求項１記載の熱変位抑制装置において、前記中空構造物の対向する一対の面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定したことを特徴とする熱変位抑制装置。
請求項２記載の熱変位抑制装置において、前記熱コンダクタンスは、前記中空構造物内の内部流体と前記面板との熱伝達率に伝熱表面積を乗算して算出することを特徴とする熱変位抑制装置。
請求項２記載の熱変位抑制装置において、前記熱容量は、前記面板の厚さと比熱と密度とを乗算して算出することを特徴とする熱変位抑制装置。
請求項１記載の熱変位抑制装置において、前記中空構造物内に空気を流通させることを特徴とする熱変位抑制装置。
請求項５記載の熱変位抑制装置において、前記中空構造物内に空気供給手段が連結されたパイプを挿通し、該パイプに前記凹凸部に対向して空気噴射孔を形成したことを特徴とする熱変位抑制装置。
請求項１記載の熱変位抑制装置において、前記凹凸部は、駆動部材を有する移動部材が移動自在に支持された面板に形成されたことを特徴とする熱変位抑制装置。
ヘッドストックが支持されるコラムを中空形状とし、該コラムにおける前記ヘッドストックが支持される側の面板の内面に凹凸部を設けたことを特徴とする工作機械。
テーブルが支持されるベッドを中空形状とし、該ベッドにおける前記テーブルが支持される側の面板の内面に凹凸部を設けたことを特徴とする工作機械。
請求項８または９記載の工作機械おいて、前記凹凸部側の面板と該凹凸部に対向する面板にて、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率を同様に設定したことを特徴とする工作機械。
請求項８または９記載の工作機械おいて、前記コラムまたはベッド内に空気供給手段が連結されたパイプを挿通し、該パイプに前記凹凸部に対向して空気噴射孔を形成したことを特徴とする工作機械。