JP3665724B2 - 冷凍チャック装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はワークやこれを搭載した治具を加工等のために固定する冷凍チャック装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークに対して種々の加工を施すような場合にはワークを加工機械のテーブル上にしっかりと固定することが必要である。
このチャック装置として、一般にマグネットチャック、真空チャック、バイスなどが用いられていたが、ワークが薄かったり、壊れやすかったり、複雑な形状であったりする場合に、ワークを確実、安定的に固定することが困難であるという問題があった。
【０００３】
この対策として、ワークを凍結結氷により固定する冷凍（凍結式）チャック装置が提案、実施されている。
この冷凍チャック装置は、液体（通常、水）を塗布したチャック面を冷却機構により結氷温度を下回る温度に冷却しそれを維持することを基本とするもので、その冷却機構として、正電流を通電したときに上面から熱を吸収して下面に放出し、負電流を通電したときに下面側から熱を吸収して上面側に放出する特性の熱電素子（ペルチェー素子）を使用した熱電素子タイプのものが知られている。
【０００４】
しかし、かかる従来技術は次のような問題があった。
１）熱電素子を使用した冷凍チャックは、その熱電素子のもつ冷凍能力に限界があるため、加工中ワ−クを固定している氷が刃物から発生する加工熱によって溶かされやすく、ワーク固定力が不安定である。
２）熱電素子は素子の寿命が短いため、量産加工の用途で長時間使用すると、部品整備の頻度が高く、メンテナンスコストが高くなる。
【０００５】
３）熱電素子は機械的強度が小さいためチャックとして必要十分な剛性を得ることが困難である。このため加工精度の向上が困難である。
４）チャック面の材質は冷却効率の点から銅またはアルミニウムが使用されていた。しかし、銅やアルミニウムは軟質で粘りがあるため、チャックを加工機械のテーブルに搭載して加工基準面の平坦度を確保すべく加工機械でチャック面をいわゆる「伴ずり」してゼロカットするのが非常に困難で、精度の向上を図り得なかった。
【０００６】
他の冷凍チャック装置として、チャック面内に冷媒を循環させる冷媒循環タイプが知られている。この冷媒循環タイプは高価な熱電素子を使用しないため、安価なものとすることができ、また冷凍能力も高いという利点があるが、次の点に問題があった。
１）冷却効率の点からチャック面の材質は銅またはアルミニウムを使用していたためチャックを加工機械のテーブルに搭載して加工基準面の平坦度を確保する場合、加工機械でチャック面をいわゆる「伴ずり」してゼロカットするのは容易でなく、ワークの加工精度の向上の大きなネックとなっていた。
【０００７】
２）チャック面の下面全体にわたって断熱材が接合されているため、チャック面が冷却されるときにチャック面の構成材料と断熱部の構成材料の線膨張係数の相違によりチャック面の変形ひずみが大きくなり、これにより加工基準としての機能が阻害されるため、ワークの高精度の加工たとえば平坦度出し加工が困難であった。
【０００８】
３）断熱材の下の台座側からチャック面に伝熱しやすく、チャック面の温度が上昇しやすい。このため、ワークの接着固定強度や安定性が損なわれやすく、固定媒体の冷却温度をマイナス側に大きく取らなければならず、冷媒冷却装置として能力の高いものを要し、コスト高となっていた。また、断熱材の下の台座から加工機械のテーブルの熱が奪われるため機械本体の温度が下がり、熱変位によって加工機械の静的精度が狂いを生じ、結果として加工精度が損なわれる。
４）チャック面外周と断熱材外周間の距離（張出し長さ）が２０ｍｍ以上と大きく設定されている。このため、加工基準面出しの機械加工の際にチャック面の外周を仕上げるべくチャック面の外周を刃物が通過するときにチャック外周部分が工具の押圧力でわん曲し戻るためバウンドを起し、仕上げ加工が困難になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解消するために創案されたもので、その目的とするところは、簡単な構造でしかも凍結状態の維持性能がすぐれるとともに、加工時の加工力による変形が少なく、また、加工基準面の平坦度を高精度にすることができ、メンテンナンスも容易な循環式冷凍チャック装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、上面をチャック面とし内部に冷媒循環通路を有するトッププレートと、下方の台座と、前記トッププレートと台座間に介在され上面がトッププレートの下面に、下面が台座の上面に結合された断熱部とを備えてなり、前記断熱部が工具側から加えられる力に耐えうる大きさと数の複数のブロック部体からなり、各ブロック部体が相互に所定のすき間を有するように間隔的に配されていることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明は、上面をチャック面とし内部に冷媒循環通路を有するトッププレートと、下方の台座と、前記トッププレートと台座間に介在され上面がトッププレートの下面に、下面が台座の上面に結合された断熱部とを備えてなり、前記断熱部が、工具側から加えられる力に耐えうる大きさと数の複数のブロック部分と平板状部分からなり、各ブロック部分が相互に所定のすき間を有するように平板状部分の上に間隔的に位置し、各ブロック部分の上面がそれぞれトッププレートに結合され、平板状部分が台座に結合されていることを特徴としている。
【００１２】
本発明は、トッププレート外周面の断熱部外周面に対する張出し長さＬ´が２０ｍｍ以下に設定されていることも特徴としている。
本発明において、チャック面に固定される対象物は、加工対象物としてのワークはもとより、この加工対象物としてのワークを固定したパレット、トレイ、プレートなどの各種治具を含む。後者は、冷凍／解凍に要する時間を短縮するために本発明装置外で予めワークを治具上に凍結固定させ、このワーク固定済みの治具をチャック面に載せて固定することを意味する。この場合、トッププレートを冷却することにより治具を介してワークを冷却し、ワークの凍結状態を維持するのである。
【００１３】
本発明の冷凍チャック装置を適用して加工するワーク（加工対象物としてのワーク）は、鉄系、銅系、アルミニウム系、チタン系などで代表される金属、プラスチック系、ガラス系、カーボン系、セラミック系、木質系、あるいはこれらの２種以上の複合材、水晶、ダイヤモンド、ＣＢＮ、ルビー、サファイヤなど材質、形状も問わない。
さらに加工方法も、平面研削、成形研削、クリープ研削、円筒研削などの各種研削加工、旋削加工、研摩加工、切断加工、ダイシング加工、ミーリング加工、ラッピング加工、穴明け加工、彫刻、超音波加工、放電加工など態様を問わない。
【００１４】
ワークまたは治具をチャック面に接着する固定媒体やワークを治具に固定接着する固定媒体は問わない。すなわち、水のほか、本発明者の開発した凍結温度が水のそれよりも高い（たとえば１０〜１７℃）高分子系凝固剤すなわち、シリコーンオイルを主成分とする液状物、シリコーンオイルを主成分としこれに粉末状骨材を混合したペースト状、クリーム状物など任意である。もちろん、水と高分子系凝固剤を併用してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図１と図２は本発明による冷凍チャック装置の第１実施例を概略的に示している。
１はトッププレート（冷凍板）であり、上部体１ａと下部体１ｂとを一体化してなり、上部体１ａはワークまたは治具を固定するチャック面１０を有している。上部体１ａと下部体１ｂとの間には冷媒通路（コアを含む）が設けられている。
２は台座であり、加工機械のテーブル等に据え付け固定される。材質は任意であり、通常、鉄鋼系の金属が用いられる。
３はトッププレート１の冷凍状態を維持しつつ、台座２からの伝熱を遮断するための断熱部である。
【００１６】
前記上部体１ａは、本発明の場合、純銅やアルミニウムなどの軟質な金属を使用することもできるが、それなりの熱伝導性を有してしかも硬質で剛性が高く、機械加工性たとえば切削性、研削性の良好なもの、すなわち、Ｓ４５Ｃで代表される鉄鋼材や鉄系鋳物が好適である。またその他、黒鉛、炭素、炭素繊維焼成材、セラミックスたとえばアルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミなども採用し得る。セラミックス類は硬質で傷がつきにくい利点がある。また、銅もベリリウム銅で代表される切削性、研削性の良好なものは好適である。
下部体１ｂの材質は、鉄系金属、ステンレス、アルミニウムなど任意である。
【００１７】
前記トッププレート１は、全体として機械加工中に工具から加えられる力でたわみ変形せず十分な剛性を維持しうる厚さを有している。上部体１ａと下部体１ｂが鉄鋼材である場合、少なくとも１０ｍｍ程度の厚さを有していることが好適である。
【００１８】
前記トッププレート１は図２のように外部の冷媒循環供給装置４を含む循環系に接続されている。トッププレート１は冷媒の供給、戻り配管４０，４１を有し、冷媒循環供給装置４は冷媒を連続供給してチャック面１０を固定溶媒体の凍結温度以下に冷却するため固定溶媒体の凍結温度特性によって種類と能力が選択される。冷媒は任意であるが、たとえばエチレングリコールと水を混合した不凍液などが挙げられる。
冷媒循環供給装置４は冷凍コイルを有するタンクと冷媒吐出ポンプを有しており、冷媒供給管４０と冷媒戻り管４１には電磁式などの開閉弁４００，４１０が介在されており、これよりも上流の部位の冷媒供給管４０と冷媒戻し管４１はリリーフ弁４１２を介して接続されている。
【００１９】
チャック面１０の凍結解除は冷媒の供給を停止し、自然な温度上昇で行なうようにしてもよいが、迅速化のためトッププレート１にヒータを内蔵させ、このヒータの作動でチャック面１０の温度を上昇させてもよい。
あるいは冷媒循環供給装置４に昇温回路を併設してもよい。すなわち、冷媒供給管４０と冷媒戻り管４１は前記開閉弁４００，４１０よりも下流の部位でそれぞれ分岐され、その分岐された供給管４０’と戻り管４１’は循環式温水供給装置４’に接続されている。この循環式温水供給装置４’はヒータを有する温水タンクと温水吐出ポンプを有しており、供給管４０’と戻り管４０’には電磁式などの開閉弁４００’，４１０’が設けられ、これよりも上流の部位がリリーフ４１２’を介して接続されている。
なお、この例では各開閉弁がそれぞれ別個になっているが、もちろん３位置切換え弁などによって構成されてもよい。
【００２０】
断熱部３は、低温強度が高く、変質、変形しにくいものであればよく、プラスチック、煉瓦、コンクリート、木材、セラミック、石材など任意の材質が採用される。形状や構造も中実、ポーラス状（多孔状）、ハニカム状など任意である。プラスチックの具体例としては、硬度が高く、低温に強い性質のもの、たとえば、結晶性のサーモプラスチックであるアセタール樹脂、ＭＣナイロンなどがあげられる。
【００２１】
断熱部３は、トッププレート１に接触する面積をできる限り少なくすべく、複数個の細分化されたブロック部体３ａからなっており、各ブロック部体３ａは相互に所定の間隔Ｌをもって配設されている。
この理由は、トッププレート１が固定用媒体の凍結温度を下回る温度に冷却されたときに、断熱部とトップフレートの線膨張係数の相違によりチャック面１０にひずみが発生するのを防止するためと、台座２からトッププレート１に伝わる熱の遮断効果を向上するためであり、各ブロック部体３ａ間のすき間ｓが絶縁ないし空冷空間として機能する。
【００２２】
各ブロック部体３ａの厚さは、台座２からトッププレート１に伝わる熱を遮断するに十分な寸法を有していなければならない。これはブロック部体３ａの材質にもよるが、中実なプラスチック製である場合には、通常、３０ｍｍ以上より好適には４５ｍｍ以上である。
ブロック部体３ａの上面の面積、数および間隔は、機械加工中にワークを通してチャック面１０に作用する加工力に十分耐えられる機械的強度が得られるよう適宜選定する。間隔については、トッププレート１の材質がＳ４５Ｃで厚さが１５ｍｍ程度の場合、ブロック部体３ａの間隔Ｌは２０〜３０ｍｍ程度が好適である。
【００２３】
前記各ブロック部体３ａはそれぞれ上面がトッププレート１の下面に、下面が台座２の上面に結合されることで３者が一体化されている。しかし、トッププレート１と各ブロック部体３ａと台座２とを金属ボルトで直接結合することはこれを通して伝熱されるため、避けるべきである。
【００２４】
前記断熱部３の外周面３０は、図１（ａ）のように、トッププレート１の外周面１００とできるだけ距離Ｌ´が接近し、トッププレート１の外周面１００の張出し長さ（オーバハング量）が短くされている。これは、本発明装置を加工機械のテーブル上に搭載しトッププレート１と台座２間に介在され上面がトッププレートの下面に、下面が台座の上面に結合された断熱部３、トッププレート１の外周縁部分の強度を保持させ、工具からの加工力によって外周縁部分わん曲したりだれたりしないようにするために必要である。トッププレート１の剛性、強度、加工力の程度にもよるが、前記距離（張出し長さ）Ｌ´は、一般的に２０ｍｍ以内とすることが好ましい。さらに好ましくは１５ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ〜０ｍｍである。
【００２５】
図３ないし図９は第１実施例のより具体的な実施例を示している。
トッププレート１の上部体１ａと下部体１ｂは図５ないし図７に示すように多数のねじ１５によって締結一体化されている。上部体１ａの下面には冷媒通路用溝が形成されており、下部体１ｂが上部体１ａに密接されることにより冷媒通路１１が形成されている。冷媒通路１１の両端は下部体１ｂの長手方向一端に開口し、ここに接続したマニホールド１２に前記冷媒供給管４０と冷媒戻り管４１が接続されている。
【００２６】
前記トッププレート１はバキューム機構を有している。このバキューム機構は、対象物としてのワークを装置外で予め凍結固定した治具を吸着固定するのに役立つ。
図示するものでは、上部体１ａのチャック面１０に複数のバキューム溝１２が設けられている。バキューム溝１２は幅方向縁部に近い位置にそれぞれ配され、各々吸引穴１２０とこれに接続した連結溝１２１でつながれ、１つの吸引穴がホース１２２で接続され、このホースが図示しない吸引機に接続され、それにより吸引機の作動でチャック面１０が真空チャック機能も発揮し得るようになっている。
【００２７】
前記各ブロック部体３ａはこの例では方形をなし、ねじ部材６によってトッププレート１の下部体１ｂと締結される一方、これと変位した位置で別のねじ部材７によって台座２に締結されている。
ブロック部体３ａは図８と図９のように上面付近に横溝３１を有し、この横溝３１と直交するように縦孔３２，３３，３３が形成されており、一つの縦孔３２はブロック部体３ａの下面に形成した座ぐり穴３２０に通じている。この座ぐり穴３２０を通してねじ部材６は縦孔３２から下部体１ｂの雌ねじ穴１４にねじ込まれている。
他の縦孔３３，３３は台座２に形成した座ぐり穴２１０，２１０に通じており、座ぐり穴２１０，２１０を介して縦孔３３，３３にボルト７が通され、横溝３１に位置させたナット７’に螺合されることにより締付け固定される。ナット７’とボルト頭部の関係は天地が逆でもよいことはいうまでもない。
【００２８】
図１０はブロック部体３ａとトツププレート１と台座２の結合構造の他の例を示しており、（ａ）においては、各ブロック部体３ａの上面がトッププレート１の下面に接着剤５で接合され、各ブロック部体３ａの下面が台座２の上面に接着剤５’によって接合されている。もとよりこの接着と図９のボルト締結とを併用してもよい。
図１０（ｃ）においては、ブロック部体３ａがトッププレート１と台座２間に介装され、トッププレート１と台座２とを機械的強度が高くかつ断面積の小さい線条材８で連結することにより挟持固定されている。
線条材８としては、たとえばピアノ線、アモルファス線、高強度高弾性繊維製のケーブルなどが挙げられる。高強度高弾性繊維は断熱性を有している点からも好都合である。
【００２９】
ブロック部体３ａには数本の縦孔３４が貫設され、トッププレート１の下面には縦孔３４に望む係留部材３５が固定され、台座２には縦孔３４に望むねじ穴２５が穿設されていて、これに係留部材２６を有する雄ねじ２７がねじ込まれ、ねじ込み量の調整により係留部材３４，２６間に渡されている線条材８を緊張させるようにしている。
【００３０】
図１１は本発明による冷凍チャック装置の第２実施例を示している。
この実施例においては、断熱部３が複数の細分化されたブロック部分３ａと平板状部分３ｂからなっており、台座２の上面に平板状部分３ｂが結合され、トッププレート１の下面にブロック部体３ａが結合されている。
前記ブロック部分３ａと平板状部分３ｂは別体に作られ、接着、ねじ止めなどによって組み付けられてもよいが、好適には図１１（ｂ）のように一体形成される。一体形成は一体成形、削り出しなど任意である。
【００３１】
ブロック部分３ａと平板状部分３ｂの材質は前記第１実施例と同じであり、ブロック部分３ａの厚さ、大きさ、間隔も前記第１実施例に述べたとおりである。ブロック部分３ａと平板状部分３ｂのトッププレート１と台座２に対する結合構造は図９、図１０のいずれの態様でもよい。
【００３２】
図示するものは本発明の数実施例であり、これに限定されるものではない。
１）トッププレート１の形状とくに平面形状は矩形に限られない。
２）トッププレート１の上部体１ａには溝を有していてもよい。また、トッププレート１は上部体１ａと下部体１ｂだけでなく、図１２に示すようにさらに電磁チャックまたはマグネットチャック１ｃを層着している場合を含む。これは加工対象物としてのワークを取り付けた治具が磁性材製である場合に有効であり、磁力のオンオフで治具を着脱することができる。
３）トッププレート１はチャック面１０にメカニカルクランプ機構を装備していてもよい。
【００３３】
４）あるいはまた、リンキング現象を利用したチャック機構を有していてもよい。 すなわち、チャック面１０に治具が前後左右に動かないようにするための位置決めバーを着脱可能に設けておき、治具の底面とチャック面１０間に液体（水、油、高分子軽凝固剤など）を介在させて液膜を設け、前記位置決めバーに沿って治具をチャック面１０に載せ、トッププレート１に対する冷媒の循環によって治具を冷却することによりワークの凍結を維持させ、機械加工が完了したのち、位置決めバーを外し、治具を左右または前後に移動させてチャック面１０から離脱させてもよい。
【００３４】
５）ブロック部体やブロック部分３ａの形状も角ブロック状に限らず、円柱状、円筒状など任意である。また上部と下部とが同じ断面積であることも必要ではなく、台形状、裁頭円錐状など任意である。
６）ブロック部体３ａは上下で分割され、それらが結合されている場合を含む。また、ブロック部体３ａは頂部または／および底部につばを有していたり、厚さ方向中間につばを有している場合を含む。
【００３５】
７）さらに本発明は、図１７のように、断熱部３が、外周の枠部３ｃとこの枠部３ｃを結ぶ縦横の桟部３ｄを有し、枠部３ｃと桟部３ｄ間に窓孔ｓ’を形成した全体として格子枠状となっている場合を含んでいる。この態様の断熱部は、第１実施例のブロック部体３ａを抜き加工した部材を利用しても得ることができる利点がある。
図１７の場合、断熱部３とトッププレート１とは枠部３ｃと桟部３ｄの面積で接し、断熱部３と台座２も枠部３ｃと桟部３ｄの面積で接する。
断熱部３とトッププレート１との結合は前記図９および図１０のいずれの方法式でもよい。図９を適用する場合には、枠部３ｃと桟部３ｄに横溝３１，縦穴３２，３３が設けられる。図１０（ｂ）の線条体による結合の場合は、窓孔ｓ’が線条体８を挿通する穴として利用される。
【００３６】
【実施例の作用】
通常の加工すなわち、ワークをチャック面１０に直接固定して加工する場合を例にとって説明すると、ワークの加工に当たっては、本発明装置を工作機械類のテーブル等に搭載し、台座２をもって据付ける。
そして、加工に際しては、トッププレート１のチャック面１０をワーク固定媒体の凝固温度よりも高い温度に保っておく。この状態でチャック面１０及び／またはワークに固定媒体を塗布する。加工対象物のワークが薄層物である場合にはワーク相互間に固定媒体を介在させる。
【００３７】
そして次に、ワークをチャック面１０の上に置き、適宜、位置決め、配向の調整などを行ったのち、チャック面の温度を固定媒体の凝固点よりも低温度に下げこれを保持する。図示の例では、開閉弁４００´，４１０´を閉じ、開閉弁４００，４１０を開いて冷媒循環供給装置４から供給管４０を介してトッププレート１の冷媒通路１１に冷媒を送り、戻り管４１から冷媒循環供給装置４に戻すことを反復することによって行われる。
【００３８】
これにより、固定媒体は液相から凝固により固相へと変化し、凍結した固定媒体の凝固分子によりワークはチャック面１０に接着される。
なお、「凝固点よりも低い温度」とは、固定媒体の凝固分子が緻密に結合し、チャック面とワークとの接着による固定力（保持力）が機械加工による負荷荷重に十分耐えられるまでになる温度を意味し、たとえば、固定媒体が水のときには−５℃以下、１７℃で凍結する高分子系凝固剤の場合には、１０℃以下である。
【００３９】
以上でワークの固定状態が得られるので、加工機械を作動し、所望の工具によりワークに所望の加工を加える。このときに、工具とワークの接触部域に加工液供給手段から加工液を供給する。
これは、固定媒体の凝固点よりも低い任意温度に冷却した加工液をノズルＮから噴射してもよいし、あるいはこれに冷却加圧空気供給手段からたとえば温度が０℃以下、圧力が５〜７ｋｇ／ｃｍ²の冷却加圧空気を添加混合し、ノズルからミストとして噴霧してもよい。
【００４０】
前述のようにクーラント液などの低温の加工用液が注がれ、この加工液が直接本発明装置を搭載しているテーブルや基台に接触した場合、それらを冷却することにより加工機械の変形や傾きなど静的精度の狂いが発生するおそれがあり、それによりワークの加工精度が低下する可能性がある。
このような場合には、図１３（ａ）（ｂ）のようにトッププレート１の全厚または上部体１ａの回りに槽体９を設け、この槽体９でノズルＮから噴射された加工用液ｒを受けるとともに、槽体９の底部に設けたドレーン穴９０から排水管９１を経てろ過装置９２に回収するようにすればよい。Ｅは固定媒体である。
【００４１】
これに代えて、図１４（ｂ）のようにテーブルＴの表面、加工機械Ｍの要部ｍたとえば主軸、ハウジング、主軸コラムなどを斜線で示す断熱材Ｄで覆い、加工用液の飛散による温度低下の影響を受けないようにしてもよい。
【００４２】
目的とする加工が終了したならば、チャック面の温度を固定媒体の凝固点よりも高い温度に戻す。
これは自然な温度上昇によって行なってもよいし、トッププレートがヒータを内蔵している場合にはこれを作動して強制的に解凍してもよい。図示する例の場合には、開閉弁４００，４１０を閉じ、開閉弁４００’，４１０’を開いて循環式温水供給装置４’から固定媒体の凝固点よりも高い温度の温水を供給管４０’，４０を介してトッププレート１に送り、戻り管４１，４１’から循環式温水供給装置４’に戻すことを反復することによって行われる。
これで固定媒体は固相から液相に戻るため固定力が解除され、加工済みのワークをチャック面１０から取り外すことができる。
【００４３】
前記した加工において、本発明装置はトッププレート１と台座２間の断熱部３が相互に離間した複数のブロック部体３ａからなっている。このため、トッププレート１が冷却されたときにトッププレート１と断熱材の線膨張係数の相違による変形が防止され、このため、トッププレート１の形状、寸法の変化が非常に少なくなり、トッププレート１のたわみ、うねりといった現象が皆無となる。したがって、トッププレート１は平坦度がよく保たれ、ワークに対して精密な加工を行なうことができる。
【００４４】
また、複数のブロック部体３ａの下面側がそれぞれ台座２に結合しており、台座との接触面積が少ない。このため、ブロック部体３ａに伝わった台座２からの熱が各ブロック部体３ａからすき間へと放散されることとあいまって台座２からトッププレート１に伝わる熱の遮断効果が高くなり、トッププレート１の冷却状態を確実、安定的に維持することができる。
第２実施例では、複数のブロック部分３ａの下面側が断熱材製の平板状部分３を介して台座２に面接触しており、全体としての断熱部厚さが増す。このため台座２からトッププレート１への熱伝達の遮断効果を高いものにすることができる。 図１７の実施例では断熱部３が多数の窓穴ｓ’を持ち、枠部３ｃと桟部３ｄという小さな面積でトッププレート１に接触し、かつ枠部３ｃと桟部３ｄとによって機械加工中に作用する工具の加工力に耐えうる支持強度を得ることができる。
【００４５】
以上の点から、本発明においては、トッププレート１の構成材料として、鉄系など剛性が高くかつ機械加工性（被削性）のよい材料にすることができる。これにより、加工に際して加工基準面を出すためチャック面１０を工具で伴ずりして簡単にゼロカットすることができ、またリフレッシュ加工も簡単に行なうことができる。
【００４６】
また、本発明においては、トッププレート１の外周面１００から断熱部３の外周面３００までの距離（張出し長さ）Ｌ’をゼロを含め小さくしている。このため本加工に先立って加工基準面を得るべくチャック面１０を仕上げたり、その後の本加工でワークの端部を加工する際に、工具がチャック面１０の外周部分を通過して加工力が強く作用しても、チャック面１０がたわんだり、だれたりそれらによりバウンドしたりせず、剛直性が維持される。したがって、チャック面１０の精度やワークの端部加工を精度よく行なうことができる。
【００４７】
本発明においては、トッププレート１と台座２がねじ類で直接結合されておらず、図９と図１０（ａ）のようにトッププレート１と断熱部３、断熱部３と台座２が別々に結合され、あるいは図１０（ｂ）のように断面積の小さい線条物８で結合されている。このため、台座２から断熱部３を通してトッププレート１への熱伝達を低減することができ、前記した変形防止、冷凍状態維持の両効果をさらに確実なものとすることができる。
【００４８】
なお、本発明のチャック装置は、前記のようにワークを直接チャック面１０に固定用媒体の凍結によって固定する場合のほか、ワークを固定した治具をチャック面１０に固定用媒体の凍結によって固定する場合、さらにワークを固定用媒体で固定した治具をチャック面に非凍結的に固定する場合を含んでいる。
第２番目の場合、ワークの治具に対する固定は固定媒体を使用することを含んでいる。この場合、ワークを治具に固定する固定媒体と治具をチャック面に固定する固定媒体は凍結温度が異なるものを使用すると都合がよい。すなわち、たとえばワークを治具に固定する固定媒体として凍結温度の高い高分子系凝固剤を使用し、治具をチャック面に固定する固定媒体として相対的に凍結温度が低いもの（たとえば）水を使用すれば、加工終了時にチャック面を水の解凍温度以上たとえば５℃に上昇させても、ワークを治具に固定する固定媒体の凍結が維持するため、ワークは治具にしっかりと固定された状態に保持され次工程への移送等が容易となる。
【００４９】
図３ないし図７のようにチェック面１０にバキューム溝１２と吸引穴１３を有するバキューム機構を設けた構成は、３番目の使用形態に適している。すなわち、機外に配した外段取り用冷凍プレート装置にて治具にワークを凍結固定しておき、その治具を本発明装置のチャック面１０に直接かまたは不凍液などを介して載せ、バキューム機構と外部の吸引機を作動させることによりトッププレート１に固定させることができ、同時にトッププレート１への冷媒の循環によって治具を介してワークの凍結状態を維持することができる。そして、ワークの加工後、バキューム機構をオフとすることにより治具のトッププレート１からの離脱を行なうことができる。
本発明は、治具を介してワークの凍結状態を維持する際の台座側からのトッププレート１への熱の伝達を有効に遮断し、また加工精度を高くすることができる。
【００５０】
本発明の具体例とそれの試験結果を示す。
まず、冷凍チャック装置の断熱材の形状と厚さによる影響を実験した。
〔サンプル１〕
１）トッププレート：
上部体−材質：Ｓ４５Ｃ，厚さ１２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ
下部体−材質：Ａｌ，厚さ８ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ
【００５１】
２）断熱部
ブロック部体材質：デルリン，外径６０ｍｍ、厚さ２６ｍｍ、
個数：１２個，ブロック部体間間隔：８５ｍｍで等間隔
【００５２】
３）台座：
材質：Ｓ４５Ｃ，厚さ１２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ
４）トッププレートと断熱部と台座との結合方式：ねじ固定方式（図９）
【００５３】
〔サンプル２〕
断熱部
１）ブロック部分材質：デルリン，外径６０ｍｍ、厚さ２６ｍｍ、
個数：１２個，ブロック部分間隔：８５ｍｍ、等間隔
平板状部分材質：デルリン、厚さ２６ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ
２）トッププレートと断熱部と台座との結合方式：ねじ固定方式
他は、サンプル１と同じとした。
【００５４】
〔サンプル３〕
サンプル１のブロックを図１５のように２段に重ねて連結し厚さ５２ｍｍのブロック群からなる断熱部を構成した。他の構成はサンプル１と同じにした。
【００５５】
〔比較例〕
１）断熱部として、材質：デルリン，厚さ２６ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍの平板を使用した。図１６はこの状態を示している。トッププレートと断熱部と台座との結合方式は図９のねじ止め方式とした。トッププレート、台座はサンプル１と同じ仕様とした。
【００５６】
トッププレートは外部の冷媒冷却装置に接続し、冷媒として不凍液を使用し、流量５ｌ／ｍｉｎで循環させた。
【００５７】
断熱性能をみるため、チャック面の温度が−９℃に達してから３０分ごとに８時間にわたってチャック面と台座下面の温度を測定し、その平均値を求めた結果は表１のとおりである。
この表１から、サンプル１ないし３は、いずれも断熱部がトッププレートの下面全面に接触する比較例に比べて断熱効果が高く、サンプル２は断熱部の厚さがサンプル１の２倍であるため断熱効果が高く、サンプル３はサンプル２と同じ厚さであるが、断熱部がブロック部体からなっているため、サンプル２よりも断熱効果が高い。
【００５８】
【表１】

【００５９】
次に、冷凍チャックプレート装置におけるトッププレート外周面と断熱部外周面間の距離による影響（ゼロカットによる平坦度加工精度）を実験した。
この比較実験に使用した２種の冷凍チャック装置の仕様と加工条件は次のとおりである。
【００６０】
（１）冷媒循環式：不凍液を使用し、流量５ｌ／ｍｉｎで循環させ、温度−１０℃に冷却した。
（２）チャックサイズ：５００×１５０ｍｍ
（３）トッププレート：
上部体−材質：Ｓ４５Ｃ，厚さ１２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５７０ｍｍ
下部体−材質：Ｓ４５Ｃ，厚さ１２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５７０ｍｍ
（４）台座
材質：Ｓ４５Ｃ、厚さ２５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ６０５ｍｍ
トッププレートと断熱部と台座との結合方式：ボルト式
【００６１】
（５）断熱部
（タイプ１）
ブロック材質：ＭＣナイロン、幅４０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、厚さ４７ｍｍ
個数：１６個
ブロック配置間隔：前後方向２２ｍｍ、左右方向１２ｍｍ
ブロック外周とトッププレート外周との距離：前後方向１２ｍｍ、左右方向１４ｍｍ
【００６２】
（タイプ２）
ブロック材質：ＭＣナイロン、直径６０ｍｍ、厚さ４７ｍｍ
個数：１２個
ブロック配置間隔：前後方向１０ｍｍ、左右方向８５ｍｍ
ブロック外周とトッププレート外周との距離：前後方向１０ｍｍ、左右方向４０ｍｍ
【００６３】
〔加工機械〕
横軸型平面研削盤、テーブルチャックサイズ：５００×２００ｍｍ
使用砥石：アランダム系レジノイドボンド砥石、粒度＃７０
【００６４】
加工条件：
トラバース研削
切込み量：粗研削＝５μm／ｐａｓｓ、仕上げ研削＝２μm／ｐａｓｓ
テーブル送り速度：１５ｍ／ｍｉｎ
テーブル前後送り速度：５ｍｍ／ｐａｓｓ
クーラント液温度：−５℃
【００６５】
以上の条件により、チャック面の伴ずりによりゼロカットして平坦度を得る加工を行なった。その結果、タイプ１の場合の平坦度は２μm以内であった。これに対して、タイプ２の場合の平坦度は１０μm以内であった。この結果から、トッププレート外周面と断熱部外周面間の距離（張出し長さ）を短くすることが適切であることがわかる。
【００６６】
なお、断熱部タイプ１について、前記加工時に、工具からの加工力によるチャック面のたわみ変形を測定した。その結果２μm以内であった。この結果から、断熱部を複数のブロック部体に細分化して間隔的配置した場合、線膨張係数の相違に起因するチャック面のたわみ変形が少なくなり、精度が向上したことがわかる。
【００６７】
次に図３ないし図９に示す本発明装置を使用して研削加工を行なった。その結果をペルチエ素子式チャック装置を使用した場合と比較して示す。
実験装置は次のとおりである。
〔本発明装置〕
チャックサイズ：５００×１５０ｍｍ
冷媒循環式：不凍液を使用し、流量５ｌ／ｍｉｎで循環させた。
固定媒体： 水
【００６８】
（１）トッププレート
上部体−材質：Ｓ４５Ｃ，厚さ１２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５７０ｍｍ
下部体−材質：Ｓ４５Ｃ，厚さ１２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５７０ｍｍ
（２）断熱部
ブロック材質：ＭＣナイロン、幅４０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、厚さ４７ｍｍ
個数：１６個
ブロック配置間隔：前後方向２２ｍｍ、左右方向１９ｍｍ
ブロック外周とトッププレート外周との距離：前後方向１２ｍｍ、左右方向１４ｍｍ
【００６９】
（３）台座
材質：Ｓ４５Ｃ、 厚さ２５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ６０５ｍｍ
（４）トッププレートと断熱部と台座との結合方式：ボルト式
（５）加工機械のテーブルに据付け後に行なったゼロカットによるチャック面の平坦度加工結果は最大２μmであった。
【００７０】
〔ペルチエ素子式チャック装置〕
固定媒体： 水
（１）トッププレート
材質：銅、厚さ１０ｍｍ、幅１８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍ
（２）断熱部
材質：デブリン、形状：平板、厚さ３５ｍｍ、幅２４０ｍｍ、長さ２４０ｍｍ
【００７１】
（３）台座
材質：ステンレス、厚さ２０ｍｍ、幅２４０ｍｍ、長さ２４０ｍｍ
（４）ペルチエ素子：個数８個、直流電圧最大２４Ｖ
（５）加工機械のテーブルに据付け後に行なったゼロカットによるチャック面の平坦度加工結果は最大５μmであった。
【００７２】
〔加工機械〕
横軸型平面研削盤、テーブルチャックサイズ：５００×２００ｍｍ
〔加工例１〕
ワーク：タングステンカーバイド、１５０×１５×３ｍｍ、硬度ＨＲＣ６５、数量１０枚、加工個所：上下両面を研削
砥石：レジンボンドダイヤモンド砥石、粒度＃２７０、
【００７３】
加工条件：
送り：トラバース研削
切込み量：粗研削＝３μm／ｐａｓｓ、仕上げ研削＝１μm／ｐａｓｓ
テーブル送り速度：８ｍ／ｍｉｎ
テーブル前後送り速度：５ｍｍ／ｐａｓｓ
【００７４】
〔加工例２〕
ワーク：材質ＳＫＳ３（焼入れ鋼）、外径１４０ｍｍ、内径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、硬度ＨＲＣ６２、数量１枚、加工個所：上下両面を研削
砥石：アランダム系レジンボンド砥石、粒度＃７０
【００７５】
加工条件：
送り：トラバース研削
切込み量：粗研削＝５μm／ｐａｓｓ、仕上げ研削＝２μm／ｐａｓｓ
テーブル送り速度：１０ｍ／ｍｉｎ
テーブル前後送り速度：５ｍｍ／ｐａｓｓ
【００７６】
以上の条件による加工仕上がり精度（平坦度、平行度）を測定した結果を表２および表３に示す。
【００７７】
【表２】

【００７８】
【表３】

【００７９】
表２及び３から、本発明装置はペルチエ素子式チャック装置に比べて格段に加工精度が優れていることがわかる。これは、冷媒循環式であるため冷却性能が高いこと、トッププレートの剛性、強度が高くかつチャック面のゼロカットが容易であること、断熱部が細分化されたブロックから構成されていてトッププレートとの熱膨張係数の差異によるトッププレートの変形が防止されるとともに台座からトッププレートへの熱の伝達が十分に遮断され、トッププレートが鉄鋼材であるにもかかわらず効率よくかつ安定的に冷却状態を維持できたこと、トッププレートの外周部分の断熱部からの張出しが少なく、加工力による変形が生じなかったことによるものである。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明した本発明の請求項１によるときには、上面をチャック面１０とし内部に冷媒循環通路を有するトッププレート１と、下方の台座２と、前記トッププレート１と台座２間に介在され上面がトッププレートの下面に、下面が台座の上面に結合された断熱部３とを備えてなり、前記断熱部３が工具側から加えられる力に耐えうる大きさと数の複数のブロック部体３ａからなり、各ブロック部体３ａが相互に所定のすき間を有するように間隔的に配されているので、冷媒循環式であることによる高い冷凍能力を生かしつつ、トッププレート１の冷凍状態を安定確実に維持し、また台座２からの熱の伝達を確実に遮断することができる。
【００８１】
しかも、複数の間隔をおいたブロック部体３ａが小面積でトッププレート１と接し、ブロック部体３ａ相互間のすき間の存在によりトッププレート１の変形やひずみの発生を抑制することができ、これによりトッププレート１の加工基準面特性を向上できるため、ワークを精度高く加工することができる。さらに、トッププレートとしてあえて特に熱伝導性の高い材質を使用しなくてもよくなるので、加工機械のテーブル上での加工基準面出しを容易に行なうことができる。しかも、構造が簡単で安価に実施できるというすぐれた効果が得られる。
【００８２】
請求項２によれば、上面がトッププレートの下面に、下面が台座の上面に結合された断熱部３が、複数のブロック部分３ａと平板状部分３ｂからなり、各ブロック部分３ａが相互に所定のすき間を有するように平板状部分３ｂの上に間隔的に位置し、各ブロック部分３ａの上面がそれぞれトッププレート１に結合され、平板状部分３ｂが台座２に結合されているので、台座２からトッププレート１への熱の伝達遮断効果を向上することができるというすぐれた効果が得られる。
【００８３】
請求項３によれば、トッププレート外周面１００の断熱部外周面３０に対する張出し長さＬ’が２０ｍｍ以下に設定されているので、機械加工によってチャック面１０を仕上げたりワークの端部を加工する際に、工具がチャック面１０の外周部分を通過して加工力が作用してもチャック面１０がたわんだり、だれたりそれらによりバウンドしたりせず、剛直性を維持する。したがって、チャック面１０の仕上げやワークの端部加工を精度よく行なうことができるというすぐれた効果が得られる。
【００８４】
請求項４によれば、チャック面１０を含むトッププレート１が鉄鋼材で代表される硬質剛性材からなっているので、装置を加工機械に据え付けた後の加工基準面出しのゼロカットやその後のメンテナンスを容易かつ精度よく行なうことができるというすぐれた効果が得られる。
請求項５によれば、チャック面１０がバキューム機構を有しているので、凍結によるワークの固定との相乗効果により、確実かつ安定的にワークを固定することができ、また加工のサイクルタイムを早くすることができるというすぐれた効果が得られる。
請求項６によれば、台座２から断熱部３を通してトッププレート１に熱が伝達されるのを防止することができるので、トッププレート１と台座２と断熱部３とが一体的に組み付けられていながら良好な熱遮断性能を発揮できるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）本発明による冷凍チャック装置の第１実施例を概略的に示す側面図、（ｂ）はその一部拡大図である。
【図２】 第１実施例を冷凍回路例とともに示す平面図である。
【図３】 第１実施例を適用した冷凍チャック装置の平面図である。
【図４】 第１実施例を適用した冷凍チャック装置の側面図である。
【図５】 トップププレートの部分切欠平面図である。
【図６】 図６のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図７】 図６のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。
【図８】 （ａ）はブロック部体の一例を示す断面図、（ｂ）は同じくその平面図である。
【図９】 ブロック部体とトッププレートと台座との結合構造を示す断面図である。
【図１０】 （ａ）はトッププレートと断熱部および台座の組み付け構造の別例を示す部分的断面図
、（ｂ）は同じく別の例の部分的断面図である。
【図１１】 （ａ）は本発明の第２実施例を示す側面図、（ｂ）は断熱部の部分的側面図である。
【図１２】 本発明に適用されるトッププレートの他の例を示す部分的側面図である。
【図１３】 本発明装置の使用状態の一例を示す斜視図である。
【図１４】 本発明装置の使用状態の他の例を示す斜視図である。
【図１５】 本発明の他の例を示す側面図である。
【図１６】 比較例の側面図である。
【図１７】 本発明の他の態様を示す部分切欠平面図である。

Claims (6)

1. 上面をチャック面１０とし内部に冷媒循環通路を有するトッププレート１と、下方の台座２と、前記トッププレート１と台座２間に介在され上面がトッププレートの下面に、下面が台座の上面に結合された断熱部３とを備えてなり、前記断熱部３が工具側から加えられる力に耐えうる大きさと数の複数のブロック部体３ａからなり、各ブロック部体３ａが相互に所定のすき間を有するように間隔的に配されていることを特徴とする冷凍チャック装置。
2. 上面をチャック面１０とし内部に冷媒循環通路を有するトッププレート１と、下方の台座２と、前記トッププレート１と台座２間に介在され上面がトッププレートの下面に、下面が台座の上面に結合された断熱部３とを備えてなり、断熱部３が、平板状部分３ｂと工具側から加えられる力に耐えうる大きさと数の複数のブロック部分３ａとからなり、各ブロック部分３ａが相互に所定のすき間を有するように平板状部分３ｂの上に間隔的に位置し、各ブロック部分３ａの上面がそれぞれトッププレート１に結合され、平板状部分３ｂが台座２に結合されていることを特徴とする冷凍チャック装置。
3. トッププレート外周面１００の断熱部外周面３０に対する張出し長さＬ’が２０ｍｍ以下に設定されている請求項１または請求項２に記載の冷凍チャック装置。
4. チャック面１０が鉄鋼材で代表される硬質剛性材からなっている請求項１ないし３のいずれかに記載の冷凍チャック装置。
5. チャック面１０がバキューム機構を有している請求項１ないし４のいずれかに記載の冷凍チャック装置。
6. トッププレート１とブロック部体３ａとがねじ部材６で結合され、これと変位した位置でブロック部体３ａと台座２とが別のねじ部材７で結合されている請求項１に記載の冷凍チャック装置。

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