JP2009061564A - 工作機械の移動体の冷却方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の移動体の熱変形の変動を小さくする冷却方法及び冷却装置を提供する。
【解決手段】コラム１の正面に上下一対のガイド３が形成され、そのガイド３にサドル７が懸架され、サドル７が左右方向（紙面に垂直な方向）に移動可能になっている。ガイド３の案内面５とサドル７の摺動面９は接触すべり面である。予めシミュレーションして冷却する必要がある発熱量の多い摺動面９ａ、９ｂ、９ｄ、９ｅを特定する。その特定した発熱部位を冷却するための流体管路２５を形成し、発熱量の少ない部位９ａの方から発熱量の多い９ｅの方向に向けて冷却液を流して冷却液を循環する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の移動体の発熱部位を冷却し、移動体の熱変形の変動を小さくする冷却方法及び装置に関する。

工作機械は加工能率を上げるために、テーブル、サドル等の移動体を高速に送ることが要求されている。工作機械の移動体に摺動面を有する構造の場合、移動体を高速に送ると摺動面摩擦によって摩擦熱が発生する。その摩擦熱が移動体の各部に伝達し、移動体が熱変形し、機械の加工精度を悪くするという問題がある。

工作機械のベッドやサドルの摺動面摩擦によって発生する熱を除去して機械の精度を維持する技術は、特許文献１に開示されている。この技術は、ベッド摺動面のリブの中やサドル摺動面の下方に冷却液を通す管路を設け、その管路内に冷却液を循環させてベッド摺動面やサドル摺動面の温度上昇を抑えるものである。

また、工作機械の各部位を冷却するために、各部位の発熱量に応じて冷却液の流量を調節して供給し、機械の各部の温度を均一にする技術は、特許文献２に開示されている。この技術は、機械の発熱部に冷却液を通す管路を設け、各管路の途中に流量調節バルブを設け、機械の各部の発熱量の大小に応じて冷却液の流量を調節して、機械の各部の温度のばらつきを抑えるものである。

特開２０００−１１７５７１号公報 特開２００２−１６６３３７号公報

前述の特許文献１及び特許文献２に記載された工作機械の冷却装置は、機械の各部に温度センサーを埋めこみ、各部の温度又は各部の温度差を検知している。そして、検知した温度の大小に対応して冷却液の温度や流量を調節して冷却液を循環させることによって、機械各部の発熱を低減させたり、機械各部の温度のばらつきを抑えるものである。そのために、温度センサーや流量調節手段が多数必要であり、機械が高価になるという問題点がある。

本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、工作機械の移動体の発熱の状況を予測し、冷却部位を特定し、その特定した冷却部位に冷却液を流し、移動体の熱変形の変動を小さくする工作機械の移動体の冷却方法及び装置を提供することである。

前述の目的を達成するために、本発明によれば、工作機械の移動体の冷却方法であって、（ａ）前記工作機械の運転時に発生する前記移動体の各部の発熱の状況を予測し、発熱が大きくて冷却する必要がある冷却部位を複数箇所特定する工程、（ｂ）前記特定した冷却部位に冷却液を流すための流体管路を形成する工程、（ｃ）前記流体管路内に所定温度に冷却した冷却液を供給し、前記特定した冷却部位の発熱が小さい部位の方から発熱が大きい部位の方に向けて冷却液を流して循環させる工程、を含む工作機械の移動体の冷却方法が提供される。

また、前述の目的を達成するために、本発明によれば、工作機械の移動体の冷却方法であって、（ａ）前記工作機械の設計段階において、設計データに基づいて前記工作機械の運転時に発生する前記移動体の各部の発熱量又は温度分布をシミュレーションし、発熱が大きくて冷却する必要がある冷却部位を複数箇所特定する工程、（ｂ）前記工作機械の製造段階において、冷却液が前記特定した冷却部位又はその近傍を順次通過して流れるように前記移動体に流体管路を形成する工程、（ｃ）前記工作機械の運転段階において、前記流体管路内に所定温度に冷却した冷却液を供給し、前記特定した冷却部位の発熱が小さい部位の方から発熱が大きい部位の方に向けて冷却液を流して循環させる工程、を含む工作機械の移動体の冷却方法が提供される。

また、前述の目的を達成するために、本発明によれば、前述の工作機械の移動体の冷却方法を実施する冷却装置であって、前記工作機械の移動体に前記特定した冷却部位又はその近傍に冷却液を流すための流体管路を設け、該流体管路は冷却液が前記特定した冷却部位又はその近傍を順次通過して流れるように連通して形成され、前記流体管路内に所定温度に冷却した冷却液を供給し、冷却液を循環させる冷却液循環手段を設けた工作機械の移動体の冷却装置が提供される。

前述のように、本発明は、工作機械の移動体の発熱が大きくて冷却する必要がある冷却部位を予め複数箇所特定して、その特定した冷却部位又はその近傍を冷却液が流れるように流体管路を形成し、冷却液を循環させて発熱部位を冷却するようにした。工作機械の移動体が各部の発熱によって短時間に伸びたり縮んだりして、熱変形の変動が大きいと被加工物の加工精度に悪影響を与える。しかし、移動体の各部位の温度が等しくなくとも、各部位間の温度差が一定で安定していれば、熱変形の変動が小さいので、加工精度の悪化は少ない。本発明はこの点に着目して、移動体の各部の若干の温度差は許容し、その温度差の変化を少なくすることによって、被加工物の加工精度を悪化させないようにしたものである。なお、前述の工作機械の運転段階とは、工作機械を使用して被加工物を加工する段階のことである。

前述のように、本発明は、工作機械の移動体の冷却部位を予め特定して、その特定した冷却部位又はその近傍を冷却する流体管路を設け、発熱が小さい部位の方から発熱が大きい部位の方に向けて冷却液を流して循環させるようにしたものである。そのため、移動体の各部位の温度は完全に等しくないが、時間経過における各部位の温度差の変化が少ないので、移動体の熱変形の変動が小さい。従って、一つの被加工物を加工している間に移動体の熱変形の変動がほとんどないので、被加工物の加工精度が安定している。
また、本発明は、発熱部位の全てを冷却するものではなく、移動体の発熱が大きくて冷却する必要がある部位のみを特定して冷却するようにしたので、流体管路の経路を単純化して短くすることができるので、冷却液の供給量が少なくなり、装置全体が簡単になり安価にできる。

以下、本発明による工作機械の移動体の冷却方法及び冷却装置の好ましい実施の形態を説明する。図１は、本発明の工作機械の移動体の冷却装置の実施の形態を示す側面図である。図１に示す工作機械は立形マシニングセンタで図示しないベッドの上にコラム１が立設されている。コラム１の正面に上下に一対のガイド３が設けられ、ガイド３は紙面に垂直な方向に平行に設けられている。ガイド３は角形ガイドであり、複数の案内面５を有している。ガイド３にはサドル７が懸架されており、サドル７の摺動面９がガイド３の案内面５に係合している。サドル７は図示しない駆動装置及び送りねじ１１によりガイド３上を移動可能になっている。サドル７にリニアガイド１３が設けられ、主軸頭１５が上下方向に移動可能になっている。主軸頭１５の内部には工具を装着する工具主軸１７が支持され、モータ１９によって回転駆動される。

ガイド３の案内面５とサドル７の摺動面９は、それぞれすき間なく適宜の面圧をもって調整されている。サドル７とガイド３の間にギブ２１が設けられ、摺動面圧力が調整可能になっている。ガイド３の下面と上面には隙間２３が設けられている。サドル７の摺動面９は、摺動面９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆがガイド３のそれぞれの案内面５に接している。サドル７が移動すると摺動面摩擦によって発熱し、各部位の温度が上昇する。図１に示すような上下一対のガイド３にサドル７を懸架した構造の場合は、移動体の質量及びモーメント荷重又は押圧力によりサドル７の各摺動面９ａ〜９ｆの摺動面圧力が異なるので、移動体の各部位の発熱量が異なる。

本発明は、少ない冷却エネルギーで効率良く冷却効果を上げるために、工作機械の移動体の各部の発熱量の大小又は温度分布を予めシミュレーションし、発熱が大きくて冷却する必要がある冷却部位を複数箇所特定し、特定した冷却部位のみを冷却するようにしたものである。シミュレーションは、工作機械の設計段階において、機械各要素の寸法、質量、モーメント荷重、面圧などの設計データに基づいて、各部位の発熱状況を解析し、発熱が大きくて冷却する必要がある冷却部位を複数箇所特定する。シミュレーションは、構造解析ツール、例えば、商品名コスモスワークスを用いて行うことができる。

図１の実施の形態におけるシミュレーションの例を説明する。構造解析ツールで発熱状況を解析した結果、発熱量が多い部位の順は、９ｅ、９ｄ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｆであった。そこで、冷却する必要がある冷却部位を９ａ、９ｂ、９ｄ、９ｅと特定し、９ｃと９ｆは冷却しないことに決めた。工作機械の製造段階において、サドル７（移動体）の前記特定した冷却部位又はその近傍に冷却液を流すために流体管路２５を設ける。流体管路２５は、摺動面９ａの近傍に管路２５ａ、摺動面９ｂの近傍に管路２５ｂ、摺動面９ｄの近傍に管路２５ｄ、摺動面９ｅの近傍に管路２５ｅを形成する。図２は図１における移動体のＡ−Ａ正面断面図を示している。図２において、管路２５ａ、２５ｂ、２５ｄ、２５ｅは、管部材２７によって接続され、管路２５ａから２５ｅは一本の連通した流体管路２５を形成している。

前述のシミュレーションの結果、発熱量は摺動面９ｅの部位が一番多く、摺動面９ａの部位が摺動面９eの部位より低かったので、本発明は摺動面９aの部位の方から摺動面９eの部位の方向に向けて冷却液を流す。すなわち、冷却液は図２の矢印Ｂから供給して矢印Ｃから回収するように冷却液を循環させるのである。所定温度に冷却した冷却液をこのように循環させると、摺動面９aの部位の温度より摺動面９eの部位の温度が若干高い状態で安定して維持される。従って、時間経過における各部位の温度差の変化が少ないので、移動体の熱変形の変動は小さく、被加工物の加工精度に悪影響を与えない。

本発明は前述の如く、工作機械の移動体の各部の温度を等しくして熱変形を抑えようとするものではなく、各部の温度差の変化を少なくして、移動体の熱変形の変動を抑えようとするものである。前述の従来技術は、いずれも機械の各部の温度を均一にして熱変形を抑えようとするものであり、従来技術からは、本発明が着目した、各部の若干の温度差は許容し、各部の温度差の変化を少なくして、熱変形の変動を小さくするという技術的思想は窺われない。従って、本発明は結果論的には簡単な発明であるが、本発明は当業者が容易に想到し得たものであるとは言えない。

本発明の工作機械の移動体の冷却装置の実施の形態を示す側面図である。 図１における移動体のＡ−Ａ正面断面図である。

符号の説明

１ コラム
３ ガイド
５ 案内面
７ サドル
９ 摺動面
１５ 主軸頭
２５ 流体管路

Claims (3)

1. 工作機械の移動体の冷却方法であって、次の工程を含むもの、
   （ａ）前記工作機械の運転時に発生する前記移動体の各部の発熱の状況を予測し、発熱が大きくて冷却する必要がある冷却部位を複数箇所特定する工程、
   （ｂ）前記特定した冷却部位に冷却液を流すための流体管路を形成する工程、
   （ｃ）前記流体管路内に所定温度に冷却した冷却液を供給し、前記特定した冷却部位の発熱が小さい部位の方から発熱が大きい部位の方に向けて冷却液を流して循環させる工程。
2. 工作機械の移動体の冷却方法であって、次の各工程を含むもの、
   （ａ）前記工作機械の設計段階において、設計データに基づいて前記工作機械の運転時に発生する前記移動体の各部の発熱量又は温度分布をシミュレーションし、発熱が大きくて冷却する必要がある冷却部位を複数箇所特定する工程、
   （ｂ）前記工作機械の製造段階において、冷却液が前記特定した冷却部位又はその近傍を順次通過して流れるように前記移動体に流体管路を形成する工程、
   （ｃ）前記工作機械の運転段階において、前記流体管路内に所定温度に冷却した冷却液を供給し、前記特定した冷却部位の発熱が小さい部位の方から発熱が大きい部位の方に向けて冷却液を流して循環させる工程。
3. 請求項１又は２に記載の工作機械の移動体の冷却方法を実施する冷却装置であって、
   前記工作機械の移動体に前記特定した冷却部位又はその近傍に冷却液を流すための流体管路を設け、該流体管路は冷却液が前記特定した冷却部位又はその近傍を順次通過して流れるように連通して形成され、
   前記流体管路内に所定温度に冷却した冷却液を供給し、冷却液を循環させる冷却液循環手段を設けたことを特徴とする工作機械の移動体の冷却装置。

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