JP3784552B2

JP3784552B2 - 加工機械

Info

Publication number: JP3784552B2
Application number: JP30530598A
Authority: JP
Inventors: 晴仁杉山; 正人塩崎
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: JP2000126982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具による切削加工位置へ冷却流体を吹き付ける冷却装置を備えた加工機械に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、マシニングセンタなどの工作機械における切削加工においては、冷却や潤滑を目的として、切削工具による切削加工位置に向けて、エアー、ミストエアー（オイルを霧状にしてエアー内に混在させたもの）、クーラント液などを吹き付けることが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、エアーやミストエアーを吹き付けるものは、比較的構造が簡単であるという利点があるものの、冷却効果が低いという欠点がある。
また、クーラント液の吹き付けは、冷却効果は高いが、吹き付けられたクーラント液の回収、切り粉の分離など装置自体が複雑化するという欠点がある。
【０００４】
本発明の目的は、このような課題を解決すべくなされたもので、簡単な構成で、高い冷却効果が得られる冷却装置を備えた加工機械を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の加工機械は、ハウジングに空気軸受を介して回転可能に支承された主軸を有する加工機械であって、前記主軸に着脱可能に取り付けられる工具による切削加工位置へ冷却流体を吹き付ける冷却装置を備え、この冷却装置は、冷却ノズルと、内パイプと、圧縮空気源と、潤滑油滴下装置とを備え、前記冷却ノズルには、前記圧縮空気源からの圧縮空気を導入する導入口と、この導入口に連通流路を介して連通され圧縮空気を噴出する噴出口とがそれぞれ形成されているとともに、前記連通流路には、導入口から噴出口に向かうに従って内径が次第に小さくなるテーパ孔状の差圧形成手段が設けられ、前記内パイプは、基端側が前記潤滑油滴下装置に接続され、かつ、先端側が前記冷却ノズルの前記導入口から挿入され前記連通流路内に臨ませられ、前記噴出口から噴出される圧縮空気の流速が２００ｍ／sec〜４００ｍ／secとなるように、前記圧縮空気源の圧力、前記差圧形成手段の寸法および前記噴出口の寸法が決定され、前記噴出口は、内径が０．５〜１．５ｍｍで、かつ、長さが１．０〜２．０ｍｍに形成され、前記圧縮空気源は、前記空気軸受に供給する圧縮空気の圧縮空気源を兼ね、前記冷却ノズルが工具とワークとの加工位置に向けて配置されていることを特徴とする。
【０００６】
このような構成によれば、ノズル本体の導入口に導入された圧縮空気は、連通流路に設けられた差圧形成手段のテーパ孔を通って、噴出口から２００ｍ／ sec 〜４００ｍ／ secの流速で噴出される。このとき、圧縮空気は、急激に減圧されるため、温度が低下する。
たとえば、導入口側に導入された空気圧と噴出口側から噴出される空気圧との差圧が略１気圧、具体的には、０．７〜１．２気圧程度で、かつ、噴出口から噴出される圧縮空気の流速が略マッハの流速になるように構成されていた場合、圧縮空気の温度は約２０℃前後低下する。従って、特別に冷却装置を設けることなく、簡単な構成で、高い冷却効果を得ることができる。
また、潤滑油滴下装置から滴下された潤滑油は、内パイプ内を通ってその先端側まで達する。すると、その内パイプの外側流路を流れる圧縮空気によって霧状になって圧縮空気とともに、噴出口から吹き出されるから、冷却効果に加え、潤滑性の効果を併せ持つことができる。
【０００７】
この際、噴出口の形状は、内径が０．５〜１．５ｍｍで、かつ、長さが１．０〜２．０ｍｍがよく、好ましくは、内径が０．８〜１．２ｍｍで、かつ、長さが１．３〜１．７ｍｍがよい。
【０００９】
本発明の加工機械において、前記冷却ノズルの導入口および前記圧縮空気源を接続する外パイプが設けられ、この外パイプと前記内パイプとが二重構造の導管で構成されていることが好ましい。
【００１１】
ここで、前記工具は、ハウジングに非接触軸受を介して回転可能に支承された主軸に着脱可能に取り付けられていることが望ましい。
非接触軸受で支承された主軸、たとえば、空気軸受で支承された主軸の場合、３０，０００〜５０，０００ｒｐｍで高速回転させることができるから、切り込み量が少なくても、切削送り速度を大きくすることによって能率的な加工を行える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の冷却装置を用いたＮＣ加工機械を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態に係るＮＣ加工機械は、ＮＣ装置により制御される工作機械であって、ベース１と、このベース１上に設置された機械本体１１と、この機械本体１１の駆動を制御するＮＣ装置４１とを備える。
【００１４】
前記機械本体１１は、前記ベース１の上面にレベラなどを介して据え付けられたベッド１２と、このベッド１２の上面に前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられたテーブル１３と、前記ベッド１２の両側に立設された一対のコラム１４，１５と、この両コラム１４，１５の上部間に掛け渡されたクロスレール１６と、このクロスレール１６に沿って左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたスライダ１７と、このスライダ１７に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたスピンドルヘッド１８と、前記コラム１４，１５間の前面部を覆うように設けられ内部が透視可能でかつ上端を支点として上下方向へ開閉可能なスプラッシュガード１９とから構成されている。
【００１５】
前記ベッド１２には、前記テーブル１３を案内するガイド（図示省略）とともに、テーブル１３をＹ軸方向へ移動させるＹ軸駆動機構２１が設けられている。Ｙ軸駆動機構２１としては、モータと、そのモータによって回転する送りねじ軸とからなる送りねじ機構が用いられている。
前記各コラム１４，１５は、側面形状が、上部に対して下部が広くなった略三角形状に形成されている。これにより、下部が安定した構造であるから、スピンドルヘッド１８が高速回転するものであっても、振動の発生を低減できる。
【００１６】
前記クロスレール１６には、前記スライダ１７を移動可能に案内する２本のガイドレール２３が設けられているとともに、スライダ１７をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動機構２４が設けられている。
前記スライダ１７には、前記スピンドルヘッド１８をＺ軸方向へ案内するガイド（図示省略）とともに、スピンドルヘッド１８をＺ軸方向へ昇降させるＺ軸駆動機構２５が設けられている。これらの駆動機構２４，２５についても、前記Ｙ軸駆動機構２１と同様に、モータと、そのモータによって回転する送りねじ軸とからなる送りねじ機構が用いられている。
【００１７】
前記スピンドルヘッド１８は、図２に示すように、空気軸受スピンドルヘッドによって構成されている。つまり、前記クロスレール１６に昇降自在に設けられ前記Ｚ軸駆動機構２５によって昇降されるハウジング３１と、このハウジング３１に空気軸受３２，３３，３４を介して回転可能かつＺ軸方向と平行に支承され途中にフランジ３５Ａを有する主軸３５と、この主軸３５を回転駆動させるモータ３６とを備えた空気軸受スピンドルヘッドによって構成されている。これにより、主軸３５は、３０，０００〜５０，０００ｒｐｍで高速回転できるようになっている。
【００１８】
前記各空気軸受３２，３３，３４の内周面には、主軸３５に向かって軸直交方向から空気を吹き出す吹出口３７が複数形成されている。これらの各吹出口３７から噴出される空気によって主軸３５をラジアル方向に支持するラジアル軸受が形成されている。また、前記空気軸受３３，３４の互いに対向する軸方向端面には、主軸３５のフランジ３５Ａに向かって空気を噴出する吹出口３８が複数形成されている。これらの各吹出口３８から噴出される空気によって主軸３５をスラスト方向に支持するスラスト軸受が形成されている。なお、図２において、３９は各吹出口３７，３８に高圧空気を供給する給気通路、４０は排気通路、Ｔはエンドミルなどの回転工具である。
【００１９】
前記回転工具Ｔの先端、つまり、工具Ｔをワークとの加工位置に向けて、図３に示す冷却装置６１が設けられている。冷却装置６１は、冷却ノズル６２と、圧縮空気源６３と、前記冷却ノズル６２と前記圧縮空気源６３とを接続する導管６４と、この導管６４の途中に設けられた潤滑油滴下装置６５とから構成されている。
前記導管６４は、外パイプ６４Ａおよび内パイプ６４Ｂを有する二重構造の導管で構成されている。外パイプ６４Ａは、前記冷却ノズル６２の導入口と前記圧縮空気源６３とを接続している。内パイプ６４Ｂの基端側は前記潤滑油滴下装置６５に接続され、かつ、先端側は冷却ノズル６２内に臨ませられている。
【００２０】
前記冷却ノズル６２は、図４に示すように、先端が先細り円筒状のノズル本体６６を有する。ノズル本体６６には、基端側に導管６４からの圧縮空気を導入する導入口６７と、先端側に前記導入口６７に連通流路６８を介して連通され圧縮空気を噴出する噴出口６９とがそれぞれ形成されているとともに、前記連通流路６８には、差圧形成手段７０が設けられている。
差圧形成手段７０は、導入口６７から噴出口６９に向かうに従って内径が次第に小さくなるテーパ孔状に形成されている。このテーパ孔に続く噴出口６９は、内径Ｄが略１ｍｍで、長さＬが略１．５ｍｍの寸法に形成されている。
これにより、たとえば、導入口６７側の空気圧Ｐ１が５気圧、噴出口６９から噴出される空気圧Ｐ２が４気圧（つまり、差圧が１気圧）のとき、噴出口６９から噴出される圧縮空気の流速Ｖが略マッハの流速になるように構成されている。
【００２１】
前記ＮＣ装置４１は、図５に示すように、入力部４２と、ＲＡＭ４３と、ＲＯＭ４４と、ＣＰＵ４５とを備える。なお、４６は表示装置である。
入力部４２は、ＮＣテープリーダ、キーボード、ネットワーク通信手段などから構成され、この入力部４２からワークの加工プログラム５１が入力される。
ＲＡＭ４３には、入力部４２から入力された加工プログラム５１および種々のＮＣの制御に対応するためのパラメータなどが格納される。
ＲＯＭ４４には、機械に特定の動作をさせるＮＣの制御コードが格納されている。
【００２２】
ＣＰＵ４５は、ＲＯＭ４４の制御コードを使用し、ＲＡＭ４３の加工プログラム５１を解読しつつ、一時的に格納が必要なデータをＲＡＭ４３の領域にストアするとともに、解読した加工プログラム５１に基づいて動作指令を算出し、これに基づく制御信号を前記Ｘ軸駆動機構２４、Ｙ軸駆動機構２１、Ｚ軸駆動機構２５、スピンドルヘッド１８および冷却装置６１へ与える。これにより、各駆動機構２４，２１，２５、スピンドルヘッド１８および冷却装置６１が駆動される。
【００２３】
次に、本実施形態の作用を説明する。
ワークの加工にあたっては、ＮＣ装置４１からの指令によって、テーブル１３とスピンドルヘッド１８とをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対移動させながら、主軸３５に装着された回転工具Ｔによってワークを加工する。つまり、テーブル１３をＹ軸駆動機構２１を介してＹ方向へ、スピンドルヘッド１８をＸ軸駆動機構２４およびＺ軸駆動機構２５を介してＸおよびＺ軸方向へそれぞれ移動させながら、主軸３５に装着された回転工具Ｔによってワークを加工する。
【００２４】
この加工時においては、冷却装置６１の冷却ノズル６２から冷却空気が、工具Ｔとワークとの加工部位に向けて噴出される。冷却装置６１では、圧縮空気源６３からの圧縮空気が、外パイプ６４Ａと内パイプ６４Ｂとの間の流路、および、冷却ノズル６２の連通流路６８に設けられたテーパ孔を通って、噴出口６９から略マッハの速度で吹き出される。このとき、圧縮空気の温度が低下される。
【００２５】
たとえば、導入口６７側の空気圧が５気圧、噴出口６９側の空気圧が４気圧の場合、つまり、差圧が１気圧の場合、圧縮空気の温度は約２０℃低下する。従って、簡単な構成で、高い冷却効果を得ることができる。これが、工具Ｔとワークとの加工部位に向けて噴出される結果、これらを効果的に冷却できる。
しかも、噴出口６９から噴出された圧縮空気中には、潤滑油滴下装置６５から滴下された潤滑油が霧状になって混在しているから、冷却効果に加え、潤滑性の効果をも併せて持たせることができる。
【００２６】
従って、本実施形態によれば、冷却ノズル６２を、ノズル本体６６に、導入口６７と、この導入口６７に連通流路６８を介して連通された噴出口６９とをそれぞれ形成し、連通流路６８に、導入口６７から噴出口６９に向かうに従って直径が次第に小さくなるテーパ孔を形成し、かつ、噴出口６９の内径を１．０ｍｍ、長さを１．５ｍｍに形成したので、導入口６７に導入された圧縮空気は、テーパ孔を通って、噴出口６９から略マッハの速度で吹き出される。このとき、圧縮空気の温度が低下（約２０℃前後低下）するから、簡単な構成で、高い冷却効果を得ることができる。
【００２７】
また、この冷却ノズル６２と、圧縮空気源６３と、冷却ノズル６２の導入口６７と圧縮空気源６３とを接続する導管６４とを含んで冷却装置６１を構成し、冷却ノズル６２を工具Ｔとワークとの加工位置に向けて配置したので、冷却された圧縮空気が工具Ｔとワークとの加工位置に向けて吹き付けられる結果、工具Ｔとワークとの間の発熱を抑えることができ、加工面を良好にかつ高精度に加工できる。
【００２８】
また、導管６４を、外パイプ６４Ａおよび内パイプ６４Ｂを有する二重構造の導管で構成し、外パイプ６４Ａによって冷却ノズル６２と圧縮空気源６３とを接続するとともに、内パイプ６４Ｂの基端側に潤滑油滴下装置６５を接続し、かつ、内パイプ６４Ｂの先端側をノズル本体６６の連通流路６８内に臨ませるようにしたから、潤滑油滴下装置６５から滴下された潤滑油は、内パイプ６４Ｂ内を通ってその先端側まで達したのち、その内パイプ６４Ｂと外パイプ６４Ａとの流路を流れる圧縮空気によって霧状になって圧縮空気とともに、噴出口６９から吹き出されるから、冷却効果に加え、潤滑性の効果を持たせることができる。
【００２９】
また、主軸３５を空気軸受３２，３３，３４で回転可能に支承した空気軸受スピンドルヘッド１８を用いたので、つまり、空気軸受スピンドルヘッド１８では、高精度な高速回転が得られることから、大きな切削送り速度で加工を効率的に行うことができる。しかも、その圧縮空気源を冷却装置６１の圧縮空気源６３として兼用使用できる利点がある。
【００３０】
なお、前記実施形態では、導入口６７側の空気圧Ｐ１と噴出口６９から噴出される空気圧Ｐ２との差圧（Ｐ１−Ｐ２）を略１気圧とし、かつ、噴出口６９の寸法を、直径Ｄが１ｍｍ、長さＬが１．５ｍｍとして、噴出口６９からの噴出される圧縮空気の流速を略マッハとしたが、これに限られるものでない。
たとえば、導入口６７側の空気圧Ｐ１と噴出口６９から噴出される空気圧Ｐ２との差圧（Ｐ１−Ｐ２）は０．７〜１．２気圧の範囲、また、噴出口６９の寸法は、内径が０．５〜１．５ｍｍの範囲で、かつ、長さが１．０〜２．０ｍｍの範囲に形成して、噴出口６９から噴出される圧縮空気の流速を２００ｍ／sec〜４００ｍ／secの範囲としても、実用に価する冷却効果が得られる。
【００３１】
また、前記実施形態では、スピンドルヘッド１８をＸおよびＺ軸方向へ、また、テーブル１３をＹ軸方向へ移動自在に構成したが、これに限らず、回転工具ＴとワークＷとが三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）へ相対移動可能であれば、どのような構成でもよい。
また、スピンドルヘッド１８を、主軸を空気軸受で回転可能に支承した空気軸受スピンドルヘッドとしたが、必ずしも、これに限られるものではなく、主軸を非接触軸受で回転可能に支承したスピンドルヘッドであればよい。たとえば、主軸を磁気軸受などで回転可能に支承したスピンドルヘッドでもよい。
【００３２】
本発明の加工機械によれば、簡単な構成で、高い冷却効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＮＣ加工機械の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】同上実施形態におけるスピンドルヘッドの断面図である。
【図３】同上実施形態における冷却装置を示す図である。
【図４】同上実施形態における冷却装置のノズル内部を示す図である。
【図５】同上実施形態におけるＮＣ装置および駆動機構を示すブロック図である。
【符号の説明】
６１冷却装置
６２冷却ノズル
６３圧縮空気源
６４導管
６４Ａ外パイプ
６４Ｂ内パイプ
６５潤滑油滴下装置
６６ノズル本体
６７導入口
６８連通流路
６９噴出口
７０差圧形成手段
Ｐ１空気圧
Ｐ２空気圧
Ｔ回転工具
Ｖ流速
Ｗワーク

Claims

ハウジングに空気軸受を介して回転可能に支承された主軸を有する加工機械であって、
前記主軸に着脱可能に取り付けられる工具による切削加工位置へ冷却流体を吹き付ける冷却装置を備え、
この冷却装置は、冷却ノズルと、内パイプと、圧縮空気源と、潤滑油滴下装置とを備え、
前記冷却ノズルには、前記圧縮空気源からの圧縮空気を導入する導入口と、この導入口に連通流路を介して連通され圧縮空気を噴出する噴出口とがそれぞれ形成されているとともに、前記連通流路には、導入口から噴出口に向かうに従って内径が次第に小さくなるテーパ孔状の差圧形成手段が設けられ、
前記内パイプは、基端側が前記潤滑油滴下装置に接続され、かつ、先端側が前記冷却ノズルの前記導入口から挿入され前記連通流路内に臨ませられ、
前記噴出口から噴出される圧縮空気の流速が２００ｍ／sec〜４００ｍ／secとなるように、前記圧縮空気源の圧力、前記差圧形成手段の寸法および前記噴出口の寸法が決定され、
前記噴出口は、内径が０．５〜１．５ｍｍで、かつ、長さが１．０〜２．０ｍｍに形成され、
前記圧縮空気源は、前記空気軸受に供給する圧縮空気の圧縮空気源を兼ね、
前記冷却ノズルが工具とワークとの加工位置に向けて配置されていることを特徴とする加工機械。
請求項１に記載の加工機械において、
前記冷却ノズルの導入口および前記圧縮空気源を接続する外パイプが設けられ、この外パイプと前記内パイプとが二重構造の導管で構成されていることを特徴とする加工機械。