JP2005177956A - 工作機械の温度調節方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ナノメータオーダの精度を要する工作機械の加工に際しては、工作機械の各部の温度変化や工作物の温度変化が工作精度に大きく影響するが、従来のオイル供給による冷却では大量のオイルを供給する装置が必要であり、精密な温度調節も困難であった。
【解決手段】 ｎ−ペンタデカン等の物質を乳化し、乳化液を冷却装置１で冷却して内部の物質を結晶化し、この結晶化した物質を含む乳化物スラリをその融点の温度±０．０１Ｋに調節して工作機械２に供給する。工作機械２の内部及び工作物が温度上昇するとき、これと接触する結晶化した物質の潜熱によって冷却され、結晶化した物質の一部は液体となるが、このときの工作機械の各部及び工作物は融点近傍±０．１Ｋ程度の温度差に調整される。その後この乳化液は冷却装置に入り、再び結晶化して循環する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の加工時に発生する熱、及び周囲からの熱による悪影響を防止するための工作機械の温度調節方法及び装置に関し、特に、ナノレベルの機械加工を行う際に大きな影響を与える加工時の温度を精密に調節することができるようにした工作機械の温度調節方法及びその方法を実施するための装置に関する。

例えば旋盤やフライス盤等の工作機械の作動に際して、加工部分から発生する加工熱は当然として、そのほか軸受、ブレーキ等から損失熱が生じ、工作機械各部の不規則な熱膨張、及び加工物の熱変形等によって加工精度に大きな影響を与える。そのため加工部分からの熱については大量の切削油や冷却液を供給し、またこの切削油や冷却液をクーラーで冷却して循環させることが行われ、またある場合にはクーラーで冷却したエアーを所望の箇所に供給すること、等が行われている。

また、軸受、歯車、ブレーキ等の機械内部から発生する熱は、熱発生部分に対する適切な潤滑油の供給構造と供給量調節により各部の温度変化を減少させ、また工作機械内部に冷却液流路を別に設け、要部の温度を計測して各部に供給する冷却液量を調節して各部の温度変化を減少させる温度調節も提案されている。更に電動機による直接駆動機構の採用等によって軸受や歯車を減少させ、これらの部分から発生する熱を減少させる等、構造的な改良によってもその対策がなされてきた。

工作機械の熱による影響は、上記のような内部からの熱ばかりでなく、例えば室内温度、空気流動及びその変化、日光、照明、人間からの熱輻射等によっても影響を受ける。これらは工作機械自体の問題ではないので、その工作機械の利用者が管理しなければならないことが多い。しかしそのための設備費が高価になり、また適切な管理が行われないことも多いため、例えば工作機械の周囲をプラスチックのシートで覆い、中の温度を一定に保って恒温室を形成することにより容易に温度管理を行うことができるようにした温度調節手段も提案されている。

このように工作機械の加工部分から発生する熱や、軸受、歯車、電動機で生じる熱等の内部熱、及び室内温度や各種輻射熱等の外部熱によって工作機械は熱変形を生じて加工精度が低下し、更に、加工物自体も熱変形を生じて常温時の寸法とは異なった加工が行われ、加工物の寸法精度が低下する。その対策として前記のような種々の手段が採用されている。

また、近年はより精密な加工の要求、及び微少な機械部品の精密加工の必要性が増加しており、ナノメータオーダーの加工精度が要求されるようにもなっている。そのため特に工作機械及び加工物自体の熱変形は加工精度に大きな影響を与え、その対策としての工作機械各部の温度を所定値に維持し、また加工物の温度も所定値に維持するための適切な手段を講じることが重要となっている。

即ち、工作機械によって各種金属をナノメータオーダの加工精度で加工を行おうとしたときには、工作機械及び加工物が熱により変形するオーダーも当然ナノメータオーダが要求される。例えば長さ１０ｃｍの金属を１００ｎｍの熱膨張差に抑えることを考えると、各種金属で許容される温度差は図５に示す表のようになる。この表から明らかなように、例えば炭素鋼では０．１℃変化すると１００ｎｍ以上変化し、アルミニウムでは２００ｎｍ以上変化する。したがって、ナノメータオーダの加工を行うためには、工作機械の加工時の各部の温度、及び加工物の温度を、目標温度から±０．１Ｋの範囲内に維持することは極めて重要なことである。

このように工作機械の温度、及び加工物の温度を、外部からの熱の影響を含めて常に一定に保つため、例えば図６に示すような装置によって加工を行うことが提案されている。即ち、工作機械１１を収納するケース１２を開閉自在なプラスチック透明カバー１３で覆い、加工物や工具が存在する加工部分１４と工作機械本体１５に対して温度調節用オイルを噴射する液体供給装置１６を設ける。液体供給装置１６から噴射され各部を冷却したオイルは、ケース１２下部からフィルタ１７を介してポンプ１８で吸引し、熱交換器１９で温度制御された冷水と熱交換し、所定温度となったオイルを再び液体供給装置１６から前記のように噴射する。液体供給装置１６から所定の温度のオイルを所定量供給するため、制御装置２０により、流入する冷水を設定温度に加熱するヒータ２１の制御、熱交換器１９から流出するオイルの温度制御、液体供給装置１６から噴射するオイルの温度制御等を行う。

このような温度調節装置を用いることにより、加工物や工具部分から発生する熱や工作機械本体を冷却することができ、また外部の熱の影響を少なくすることができる。しかしながら、温度調節用の媒体としてオイルを使用しているためその熱容量が少なく、そのため大量のオイルを供給しなければ機械全体を均一な温度に保つことができない。特に温度調節のために供給するオイルの温度は、製作される加工物が通常使用される室温の状態で所定の精度でなければならないので、工作中もできる限り室温程度の温度に維持されていることが好ましく、それに伴って工作機械本体も室温程度の温度で各部が均一になっていることが好ましい。

そのため、温度調節装置に供給するオイルは室温程度に温度調節されて冷却装置に供給することが好ましく、その際にはオイルの温度と発熱部との温度差が小さいため、単位時間でオイル単位量当たりの工作機械に対する温度調節能力は低くならざるを得ない。したがって大きな温度調節能力を必要とするときには大量のオイルを供給する必要があるが、そのためこれらの設備全体が大型化すると共に、高価なものとなるとともに、発熱の大きいときは熱容量が少ないため必ずしも充分な温度調節効果が得られなかった。

この対策として本件出願人により、特開２００３−１３６３６６号公報に開示しているような工作機械の温度調節方法及び装置を提案している。この技術は、前記図６に示すような装置における温度調節用流体として、例えばフッ化テトラｎ−ブチルアンモニウム等の材料からなる準包接水和物を用いるようにしたものである。上記のように温度調節用媒体として準包接水和物を用いたものにおいては、その潜熱を利用して工作機械から熱が大量に発生する場合でもこれを吸収することができ、また、その大きな熱容量により、工作機械の各部の温度を均一に維持することができ、熱変形を生じることがないので工作精度が向上する。また、加工物の加工時の温度調節域を室温に近い状態に維持することができるので、製品の仕上がり時の寸法と加工時の寸法をほぼ一致させることができ、定常温度時の精度を更に向上することができるものである。
特開２００３−１３６３６６号公報

上記のような準包摂水和物を用いることにより、従来のオイルを用いるものよりも格段に温度調節能力が向上したものであるが、例えば室温近傍で効果的に作動させることができる温度調節用流体である、前記フッ化テトラｎ−ブチルアンモニウム等の材料は化学作用があり、その程度はわずかではあっても有害の物体であるため、その取り扱いには注意が必要となる。また、上記の物質はその融点が２４．９℃であって室温程度で使用可能であるが、１５℃程度で氷る性質があり、温度調節を間違うと冷却系統の一部で氷ってしまうことが考えられ、その対策も必要となる。

したがって本発明は、ナノメータオーダの精度を要する工作機械の加工に際しても、室温程度の温度で工作機械及び加工物を温度調節することができ、且つ有害な物質を使用することなく長期間安定して温度調節効果を維持することができる工作機械の温度調節方法及びその方法を実施する装置を提供することを主たる目的とする。

本発明に係る工作機械の温度調節方法は、上記課題を解決するため、工作機械の所用部に冷却によって結晶化した物質を含有する乳化液を、該物質の融点近傍の温度で温度調節して供給し、工作機械各部を所定温度に維持するようにしたものである。

また、本発明に係る他の工作機械の温度調節方法は、前記乳化液中に含有する物質をｎ−ペンタデカンとしたものである。

また、本発明に係る工作機械の温度調節装置は、乳化液中に含有する物質を冷却して結晶化し、該物質の融点近傍の温度に温度調節する乳化液温度調節装置と、前記乳化液温度調節装置からの結晶化した物質を含有する乳化液を、工作機械の所用部に供給する乳化液供給装置とを備えたものである。

また、本発明に係る他の工作機械の温度調節装置は、前記乳化液中に含有する物質をｎ−ペンタデカンとしたものである。

本発明による工作機械の温度調節技術においては、上記のように構成することにより、ナノメータオーダの精度を要する工作機械の加工に際しても、室温程度の温度で工作機械及び加工物を温度調節することができ、且つ有害な物質を使用することなく長期間安定して温度調節効果を維持することができる。

本発明は、工作機械によってナノメータオーダの精度の加工を行うに際しても、室温程度の温度で工作機械及び加工物を温度調節することができ、且つ有害な物質を使用することなく長期間安定して温度調節効果を維持するため、工作機械の所用部に冷却によって結晶化した物質を含有する乳化液を、該物質の融点近傍の温度で温度調節して工作機械各部に供給したものである。

本発明における工作機械の温度調節方法は、本件出願人による前記のようなフッ化テトラｎ−ブチルアンモニウムの液状クラスレートを温度調節媒体として用いたものとは異なり、例えばｎ−ペンタデカンエマルジョン等の乳化物を用いる。ペンタデカン（Ｃ₁₅Ｈ₃₂）は融点が１０℃、沸点が２７０．５℃であり、室温に近い温度で固体と液体間で変態する。

したがって、前記図６に示すような工作機械の収納ケース１２内の温度を１０℃程度に保っておき、温度調節媒体として前記ｎ−ペンタデカンエマルジョンを用い、熱交換器９でｎ−ペンタデカンの凝固点まで冷却し、この固体と乳化液の液体が混合したスラリを工作機械、及び加工物にポンプ８で供給する。このときの熱交換器９から供給される温度調節媒体は目標温度の±０．０１Ｋの範囲に調節する。

図１には本発明による乳化物スラリの潜熱を利用した工作機械の調節の概要を示しており、冷却装置１において上記のようなｎ−ペンタデカン等の温度調節媒体の冷却による乳化物スラリの生成が行われ、ここで潜熱の蓄積が行われる。また、図示するように目標温度の±０．０１Ｋの範囲の温度調節が行われ、この乳化物スラリを工作機械２に送る。

工作機械の作動中において、切削熱等の加工時の熱、及び工作機械内の軸受等から発生する熱は、その周囲から熱発生箇所に供給される前記温度調節媒体に吸収される。その際、前記温度調節媒体は潜熱によって大量の熱量を吸収することができ、工作機械の各部及び加工物の温度変化は±０．１Ｋの範囲内に保つことができる。この温度範囲は、前記のように、長さが１０ｃｍの金属を１００ｎｍの熱膨張差に押さえるのに必要な温度範囲であり、本発明の前記課題を解決することができる。

前記実施例においては温度調節媒体としてｎ−ペンタデカンのエマルジョンを用いた例を示したが、その他例えば図２に示す表のような種々の物質の乳化物を用いることができる。その際には同表に示すように各物質の融点を考慮し、例えば融点が１８．２℃のヘキサデカンを用い、或いは融点が２２℃のへプタデカンを用いる等、適宜のものを任意に選択して使用する。これらの物質は、例えば本件出願人が先に提示したフッ化テトラｎ−ブチルアンモニウムよりも遙かに安全な物質であり、安心して使用することができる。

本発明者等は図３に示すような実験装置を用いて、上記のような物質の乳化物を冷却して生成されるスラリの結晶粒度分布変化、結晶構造変化、温度変動等を測定した。この実験装置は図３に示すように、容器２１内に前記乳化物を入れ、外部からこれを冷却する。その際適宜攪拌機２２で攪拌を行い、また白金測温抵抗体２３でスラリ生成時の温度変化を測定しつつ、収束ビーム反射測定法を用いた粒度分布測定装置２４により粒度を測定し、そのときの実際のスラリの生成状態、結晶構造を光学顕微鏡で観察して実験を行った。この実験の結果、各乳化物についてその融点の温度±０．０１Kの範囲内で温度を一定にして各乳化物中で各物質が結晶化したスラリを生成することができることを確認した。

したがって、本発明において前提となる、例えばｎ−ペンタデカンエマルジョン等の乳化物を±０．０１Kの範囲で工作機械に供給することが可能であり、その供給過程で熱を受けることがあっても、潜熱の放出によってその温度を維持することができ、従来の例えばオイルを用いた冷却液のように、例え所定の温度に冷却しても工作機械への供給管路中で直ちに温度上昇し、工作機械に対して精密に温度制御された冷却剤を供給することができない問題を解決することができる。

このようにして所定温度に精密に温度制御された乳化物を工作機械の発熱各部、及び工作物に供給すると、図１に模式的に示すように液体中に前記各物質が結晶化して固体として混合しているスラリが周囲から熱を奪い、特にその潜熱によって大量の熱を吸収することができる。したがってこのスラリ内部の固体成分が水溶液としての液体に相変化する過程では温度が常に一定であり、ｎ−ペンタデカンエマルジョンを用いたときには図４の実験結果に示すように、加熱速度を３ｍＷ／ｇとしたとき、図示グラフにおいて枠で囲った部分で温度がほぼ一定の期間が存在し、潜熱利用による冷却効果が存在することがわかる。

このような温度一定維持期間における温度変化は、供給する冷却液の量を多くする程温度変化を減少させることができる。また、図示の実験では加熱速度を一定にした例を示したが、工作機械の各部や工作物の温度を常時計測し、温度変化によって各部への冷却液の供給量を調節資、できる限り少ない供給量で所定の温度を維持し、ナノメータオーダーの工作機械による加工を行うことが可能となる。

本発明による工作機械の温度調節技術は、各種の機械において精密に温度調節を行う必要のある産業上の分野に適用することができる。

本発明において工作機械の温度調節を行う説明図である。 本発明において冷却液として用いる可能性のある各種物質の、融点等の性質を示す表である。 本発明において用いるエマルジョンを冷却することにより含有物質が結晶化し、スラリを生成する特性を調べる実験装置の概要図である。 本発明において冷却液として用いるｎ−ペンタデカンエマルジョンを、所定の加熱速度で加熱した際の温度変化を示すグラフである。 各種金属の１０ｃｍ当たりの工作時熱膨張と温度差の関係を示す図である。 本発明を適用する工作機械とその冷却系統を示す説明図である。

符号の説明

１ 冷却装置
２ 工作機械
１１ 工作機械
１２ ケース
１３ プラスチック透明カバー
１４ 加工部分
１５ 工作機械本体
１６ 液体供給装置
１７ フィルタ
１８ ポンプ
１９ 熱交換器
２０ 制御装置
２１ ヒータ

Claims (4)

1. 工作機械の所用部に冷却によって結晶化した物質を含有する乳化液を、該物質の融点近傍の温度で温度調節して供給し、工作機械各部を所定温度に維持することを特徴とする工作機械の温度調節方法。
2. 前記乳化液中に含有する物質は、ｎ−ペンタデカンであることを特徴とする請求項１記載の工作機械の温度調節方法。
3. 乳化液中に含有する物質を冷却して結晶化し、該物質の融点近傍の温度に温度調節する乳化液温度調節装置と、
   前記乳化液温度調節装置からの結晶化した物質を含有する乳化液を、工作機械の所用部に供給する乳化液供給装置とを備えることを特徴とする工作機械の温度調節装置。
4. 前記乳化液中に含有する物質は、ｎ−ペンタデカンであることを特徴とする請求項３記載の工作機械の温度調節装置。
   

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