JP5449100B2

JP5449100B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP5449100B2
Application number: JP2010210697A
Authority: JP
Inventors: 毅金子; 謙治新屋; 健村上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: JP2012066312A

Description

本発明は、工具ヘッドと、この工具ヘッドを支持するコラムとを備えている工作機械に関する。

工作機械では、工具ヘッドを支持するコラムに温度分布が存在すると、温度の異なる部分相互間での熱膨張量の差により、コラムが傾く等してしまい、工作精度が悪化する。

そこで、以下の特許文献１に記載の技術では、コラムの前壁と後壁とのそれぞれに、複数の温度計を上下方向に並べて設けると共に、温度計と同数の温度調節手段を対応温度計の近傍に設けて、各温度計で測定された温度に基づいて各温度調節手段を制御して、コラム内の温度差を最小限に抑えている。

特開２００１−５４８３９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、極めて多数の温度計と共に、温度計と同数の温度調節手段が必要であるため、イニシャルコストが嵩む上に、各温度調節手段のための熱源を確保するためにランニングコストも嵩んでしまう、という問題点がある。

そこで、本発明は、イニシャルコスト及びランニングコストを抑えつつも、コラム内の温度差を最小限に抑えることができる工作機械を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するための発明に係る工作機械は、
工具が取り付けられる工具ヘッドと、上下のそれぞれの端が開口している筒状のコラムと、前記コラムの下方開口の縁と設置面との間に配置され、該コラムを持ち上げて支持する複数の脚と、を備え、
前記コラムは、上下のそれぞれの端が開口し、前記工具ヘッドを一方側に支持する筒状のコラム母材と、該コラム母材の外面に塗工された外部塗膜と、該コラム母材の内面のうち、該一方側の内面と反対側の内面に少なくとも塗工された内部塗膜とを有し、前記内部塗膜の最外層は、黒体塗料又は黒色塗料で形成されている、ことを特徴とする。

当該工作機械では、コラムの内面のうちの一方側の内面と反対側の内面との熱放射率が高く、両内面間での熱移動が促進されるので、コラムの各部分における温度差が小さくなり、各部分相互の熱膨張差によるコラムの傾きを抑えることができる。

さらに、当該工作機械では、多数の温度計と共に、温度計と同数の温度調節手段が不要であれため、イニシャルコストを抑えることができると共に、各温度調節手段のための熱源やその動作電力等を確保する必要がなく、ランニングコストも抑えることができる。

当該工作機械では、コラムの一方側の内面及び反対側の内面の放射率を０．９以上にすることができる。

また、前記工作機械において、
前記内部塗膜は、前記コラム母材の内面の全面に塗工されていてもよい。

当該工作機械では、前記コラム母材の内面の全面が同一の内部塗膜になるので、塗工工数を少なくすることができる。

また、前記工作機械において、
前記コラムは、前記コラム母材の内面のうち、前記一方側の内面と前記反対側の内面とのそれぞれにつながっている隣接内面に設けられ、ステンレス板又はアルミニウム板で形成された反射板を有してもよい。この場合、前記反射板は、前記隣接内面と接する接触面と対向する面が研磨された研磨面であってもよい。

当該工作機械では、コラム母材の一方側の内面から放射された熱のうち、隣接内面側に向かった熱が、反射板で反射されて、反対側の内面に吸収される。このため、当該工作機械によれば、前記コラム母材の前記一方側の内面から放射された熱を効率よく、反対側の内面に吸収させることができる。

また、前記工作機械において、
前記反射板は、前記一方側の内面及び前記反対側の内面との間で熱伝導による熱移動可能に設けられていてもよい。

当該工作機械では、コラム母材の一方側の面からの熱の一部を、この反射板により、反対側の面へ熱伝導で移動させることができる。

また、前記工作機械において、
前記反射板は、前記コラム母材よりも熱伝導率が高い材料で形成されていてもよい。

当該工作機械では、コラム母材の一方側の面から反対側の面へ熱伝導による熱移動を促進することができる。

また、前記工作機械において、
前記コラムとして、互いに間隔を開けて配置されている一対のコラムを備えていると共に、該一対のコラムの相互間に渡されている横梁部材と、該一対のコラムのそれぞれの前記コラム母材の外面の一部を覆うカバーと、を備え、
前記工具ヘッドは、前記横梁部材を介して前記一対のコラムの前記コラム母材に支持され、前記一対のコラムのそれぞれの前記コラム母材は、前記横梁部材が設けられる側である前記一方側の第一周壁と、該第一周壁と対向する前記反対側の第二周壁とを有し、前記コラム母材の前記第一周壁の外面が前記カバーで覆われ、前記第二周壁の厚さは前記第一周壁の厚さより厚くてもよい。

当該工作機械では、カバーが設けられていない側の第二周壁の厚さを厚くして、当該第二周壁の熱容量を大きくすることで、カバーが設けられて、第一周壁の雰囲気温度に対する低い温度追従性に、当該第二周壁の温度追従性を近づけることができる。このため、第一周壁と第二周壁との温度差を抑えることができる。

本発明によれば、コラムの内面のうちの一方側の内面と反対側の内面との熱放射率が高く、両内面間での熱移動が促進されるので、コラムの各部分における温度差が小さくなり、各部分相互の熱膨張差によるコラムの傾きを抑えることができる。

さらに、本発明では、多数の温度計と共に、温度計と同数の温度調節手段が不要であれため、イニシャルコストを抑えることができると共に、各温度調節手段のための熱源やその動作電力等を確保する必要がなく、ランニングコストも抑えることができる。

本発明に係る一実施形態における工作機械の斜視図である。本発明に係る第一実施形態におけるコラムの模式的な縦断面図である。図２におけるIII−III線断面図である。内部塗膜の最外層が白色系塗料で形成されている場合の雰囲気温度とコラムの後周壁温度及び前周壁温度との関係を示すグラフである。本発明に係る第二実施形態におけるコラムの模式的な横断面図である。

以下、本発明に係る工作機械の各種実施形態について、図面を用いて説明する。

「第一実施形態」
以下、本発明に係る工作機械の第一実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。

本実施形態の工作機械は、図１に示すように、工具が取り付けられる工具ヘッド１と、この工具ヘッド１が取り付けられているラム２と、ラム２が取り付けられているサドル３と、サドル３の横方向（Ｙ方向）への移動をガイドするクロスレール（横梁部材）４と、クロスレール４を上下方向（Ｚ方向）に移動可能にこのクロスレール４のＹ方向の両端側を支える一対のコラム１０と、ワークが搭載され、このワークを前後方向（Ｘ方向）に移動させるベッド５と、を備えている。

一対のコラム１０は、それぞれ、クロスレール４を上下方向（Ｚ方向）に移動可能に支える四角筒状のコラム本体１１と、このコラム本体１１が上に載る四角筒状のコラムベッド２１と、を備えている。コラム本体１１及びコラムベッド２１は、図２に示すように、いずれも、四角筒状の母材１２，２２と、この母材１２，２２の外面に塗工されている外部塗膜１８，２８と、この母材１２，２２の内面に塗工されている内部塗膜１９，２９と、を有している。なお、図２は、コラム１０の模式的な縦断面図である。

四角筒状のコラム本体母材１２の４つの周壁のうち、前側（（＋）Ｘ側）の周壁１４には、図１に示すように、クロスレール４のＺ方向への移動をガイドするガイドレール９が設けられていると共に、このガイドレール９を覆うカバー３７が設けられている。このカバー３７は、前周壁１４の下側に固定されている固定カバー３８と、ガイドレール９のＺ方向の移動に伴って前周壁１４に対して相対移動する移動カバー３９とがある。

コラムベッド２１は、ジャッキ機能を備え、設置面Ｆ上に設けられた複数の脚３１により支持されている。

四角筒状のコラム本体母材１２は、図２及び図３に示すように、上下方向の両端が矩形状に開口している。このコラム本体母材１２は、前周壁（第一周壁）１４と、この前周壁１４に対向する後周壁（第二周壁）１５と、一対の側周壁１６と、各周壁１４，１５，１６の下端の外周に形成されているフランジ１７と、を有して構成されている。

前周壁１４の厚さは、この前周壁１４にクロスレール４等を取り付けても、工作精度に影響を与えない程度の変形に収まる強度を確保できる厚さに設定されている。また、後周壁１５の厚さは、強度的には前周壁１４よりも薄くても構わないが、本実施形態では、前周壁１４の厚さよりも厚く設定されている。これは、前周壁１４にカバー３７が設けられ、この前周壁１４の雰囲気温度に対する温度追従性が低いことから、後周壁１５の熱容量を大きくて、この後周壁１５の雰囲気温度に対する温度追従性を前周壁１４の温度追従性に合せるためである。

四角筒状のベッド母材２２も、コラム本体母材１２と同様、上下方向の両端が矩形状に開口している。上下の開口２３ａ，２３ｂは、いずれも、コラム本体母材１２の下方開口２３ｂのサイズと実質的に同じである。このベッド母材２２の上端及び下端の外周には、フランジ２５，２４が形成されている。このベッド母材２２の上フランジ２５とコラム本体母材１２のフランジ１７とは、ボルト２６により連結されている。この結果、ベッド母材２２の下方開口２３ｂは、コラム１０の下方開口を成し、ベッド母材２２の上方開口２３ａとコラム本体母材１２の下方開口１３ｂとは互いに対向し、コラム本体母材１２の上方開口１３ａは、コラム１０の上方開口を成す。

ベッド母材２２の下フランジ２４の下には、前述の複数の脚３１が相互間隔を開けて配置されている。すなわち、コラム１０は、複数の脚３１上に載っており、この複数の脚３１の長さを調整することで、その高さや傾き等が調整される。このように、コラム１０は、四角筒状を成し、上下に開口１３ａ，２３ｂが形成され、しかも複数の脚３１により設置面Ｆから持ち上げられているため、雰囲気空気が内部に自由に流入流出できる。

コラム本体母材１２及びベッド母材２２の外部塗膜１８，２８は、いずれも複数層で形成されている。外部塗膜１８，２８は、例えば、最内層は錆止め塗料で形成され、中間層は下地塗料で形成され、最外層は白色系塗料で形成されている。また、コラム本体母材１２及びベッド母材２２の内部塗膜１９，２９も、いずれも複数層で形成されている。内部塗膜１９，２９は、例えば、最内層は錆止め塗料で形成され、中間層は下地塗料で形成され、最外層は黒色系の黒体塗料で形成されている。黒体塗料は、例えば、カーボンブラックと、エタノール等の溶媒と、フェノール樹脂等の樹脂とを有している。

本実施形態の工作機械は、前述したように、コラム本体母材１２の後周壁１５の雰囲気温度に対する温度追従性を前周壁１４の温度追従性に合せるために、後周壁１５の厚さを前周壁１４よりも厚くしている。しかしながら、コラム本体母材１２の前周壁１４に設けられているカバー３７等による保温効果が大きく、図４に示すように、雰囲気温度の変化に対して、前周壁１４の温度追従性は、後周壁１５の温度追従性に比べて低い。すなわち、雰囲気温度が上がり始めると、後周壁１５の温度が上がり始め、その後、前周壁１４の温度が上がり始める。逆に、雰囲気温度が下がり始めると、後周壁１５の温度が下がり始め、その後、前周壁１４の温度が下がり始める。

このように、雰囲気温度に対する前周壁１４の温度追従性と後周壁１５の温度追従性とが異なると、雰囲気温度の変化により、前周壁１４と後周壁１５とに温度差が生じ、前周壁１４と後周壁１５の温度の異なる部分相互間での熱膨張量の差により、コラム１０が傾いてしまう。

そこで、本実施形態では、コラム本体母材１２及びベッド母材２２の内部塗膜１９，２９の最外層を黒体塗料で形成して、コラム本体１１及びコラムベッド２１の内面の放射率を高め、コラム本体１１及びコラムベッド２１の各周壁間での熱移動を促進している。具体的に、白色系塗料が施されているコラム本体１１の外面の放射率が、例えば、０．７であるのに対して、黒体塗料が施されているコラム本体１１の内面の放射率は、外面の熱放射率よりも高い、例えば、０．９５である。

ここで、コラム本体母材１２及びベッド母材２２の内部塗膜１９，２９の最外層を、外部塗膜１８，２８の最外層と同様に、白色系塗料で形成したものを、比較例とする。

比較例では、例えば、コラム本体母材１２の前周壁１４から後周壁１５への、単位高さあたりの熱通過率のうち、熱伝導分が１．８Ｗ／Ｋで、放射分が１．５Ｗ／Ｋになる。一方、本実施形態では、例えば、コラム本体母材１２の前周壁１４から後周壁１５への、単位高さあたりの熱通過率のうち、熱伝導分が比較例と同じ１．８Ｗ／Ｋであるものの、放射分が２．５Ｗ／Ｋになる。なお、熱伝導分とは、コラム本体母材１２の前周壁１４から後周壁１５への、単位高さあたりの熱通過率のうち、コラム本体母材１２の一対の側周壁１６を介して伝わる熱通過分である。

すなわち、本実施形態では、放射分を比較例の約１．７（＝2.5/1.5）倍にして、熱通過率を比較例の１．３（＝（1.8＋2.5）/（1.8＋1.5））倍にしている。

以上、本実施形態では、コラム１０の内面の放射率が高く、コラム１０の各周壁間での熱移動を促進できるので、コラム１０の各部分における雰囲気温度に対する温度追従性を高めることができる。この結果、本実施形態では、コラム１０の各部分における温度差が小さくなり、各部分相互の熱膨張差によるコラム１０の傾きを抑えることができる。

また、本実施形態では、多数の温度計と共に、温度計と同数の温度調節手段が不要であれため、イニシャルコストを抑えることができると共に、各温度調節手段のための熱源やその動作電力等を確保する必要がなく、ランニングコストも抑えることができる。

なお、本実施形態では、コラム本体母材１２の前周壁１４の内面、後周壁１５の内面、一対の側周壁１６の内面の最外層として、黒体塗料で形成された内部塗膜１９を設けたが、前周壁１４の内面及び後周壁１５の内面の最外層として、黒体塗料で形成された内部塗膜１９を設け、その他は、最外層として、例えば外部塗膜と同様の塗料で形成された内部塗膜を設けてもよい。

「第二実施形態」
次に、本発明に係る工作機械の第二実施形態について、図５を用いて説明する。

本実施形態の工作機械は、第一実施形態のコラム本体母材１２の内面に、反射板４１を設けたもので、その他の構成は、基本的に第一実施形態と同じである。

本実施形態のコラム本体１１ａは、第一実施形態と同じコラム本体母材１２と、このコラム本体母材１２の外面に塗工されている外部塗膜１８と、コラム本体母材１２の前周壁（第一周壁）１４及び後周壁（第二周壁）１５の内面に塗工されている内部塗膜１９と、コラム本体母材１２の一対の側周壁１６のそれぞれの内面に設けられている前述の反射板４１と、を有している。

反射板４１としては、例えば、ＳＵＳ板やアルミニウム板等の金属板を用いる。反射板４１は、一方の面がコラム本体母材１２の側周壁１６の内面に接し、前側縁がコラム本体母材１２の前周壁１４の内面に接し、後側縁がコラム本体母材１２の後周壁１５の内面に接するよう、ほぼ矩形板状を成している。この反射板４１の他方の面、つまり、コラム本体母材１２の側周壁１６の内面に接する接触面と対向する面（以下、内面とする）は、放射率が極めて低くなるように形成されている。

反射板４１としてＳＵＳ板やアルミニウム板を用いる場合には、圧延後に何ら表面処理を施していないものでもよいが、反射板４１の内面となる面を研磨処理して、この面の放熱率を低くしておくことが好ましい。なお、圧延後のＳＵＳ板の放射率は約０．１１で、圧延後のアルミニウム板の放射率は約０．０６〜０．０９で、アルミニウム板の研磨面での放射率は、約０．０４である。このように、反射板４１の放射率は、これを形成する板に対する処理や、板の保管状態等で変化する。

この反射板４１とコラム本体母材１２との接続方法としては、例えば、コラム本体母材１２及び反射板４１に予め貫通孔を形成しておき、この貫通孔に、ボルト等を通して接続する方法や、溶接やろう付による接続方法等がある。本実施形態では、これらの方法で反射板４１とコラム本体母材１２とを接続する。

以上、本実施形態では、例えば、コラム本体母材１２の前周壁１４の内面から放射された熱のうち、側周壁１６側に向かった熱ｈ１は、反射板４１の内面でほとんどが反射されて、コラム本体母材１２の後周壁１５の内面に向かい、この後周壁１５に吸収される。このため、コラム本体母材１２の前周壁１４の内面から放射された熱を効率よく、後周壁１５に吸収させることができる。

また、本実施形態では、反射板４１の前側縁がコラム本体母材１２の前周壁１４の内面に接し、反射板４１の後側縁がコラム本体母材１２の後周壁１５の内面に接しているので、コラム本体母材１２の前周壁１４の熱の一部ｈ２を、この反射板４１により、後周壁１５へ熱伝導で移動させることができる。

ここで、反射板４１により、コラム本体母材１２の前周壁１４の熱の一部を後周壁１５へ熱伝導で移動させる場合には、反射板４１は、コラム本体母材１２の熱伝導率よりも熱伝導率が高いアルミニウム板が好ましい。なお、コラム本体母材１２は、ここではねずみ鋳鉄で、その熱伝導率は４０Ｗ／ｍ・Ｋで、アルミニウムの熱伝導率は２３７Ｗ／ｍ・Ｋで、ＳＵＳの熱伝導率は１７Ｗ／ｍ・Ｋである。これらの部材の熱伝導率は、あくまでも参考例であり、部材に対する添加物の種類や量等により変化することは言うまでもない。

よって、本実施形態では、第一実施形態よりも、コラム本体母材１２の前周壁１４と後周壁１５との間での熱移動がより促進され、コラム１０の各部分における温度差がより小さくなり、各部分相互の熱膨張差によるコラム１０の傾きを抑えることができる。

なお、本実施形態では、コラム本体母材１２の一対の側周壁１６の内面全体に反射板４１を設けたが、カバー３７（図１，２参照）が設けられている領域に対応する部分、つまり、カバー３７が設けられている上下方向Ｚの領域にのみ、反射板４１を設けてもよい。

また、本実施形態では、コラム本体母材１２の前周壁１４の内面と反射板４１の前側縁との間、及び、コラム本体母材１２の後周壁１５の内面と反射板４１の後側縁との間を接触させて、コラム本体母材１２と反射板４１との間での熱伝導による熱移動を実現しているが、コラム本体母材１２の前周壁１４の内面と反射板４１の前側縁との間、及び、コラム本体母材１２の後周壁１５の内面と反射板４１の後側縁との間に、ろう材又はサーマルグリースを介在させることで、両間における熱抵抗を低減してもよい。なお、サーマルグリースとしては、シリコングリースに、熱伝導率の高いアルミニウム粉を混ぜ合わせたもの等がある。

「各実施形態の変形例」
以上の各実施形態の工作装置は、いずれもコラム１０が四角筒状であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、円筒状であってもよい。

以上の各実施形態では、内部塗膜１９の最外層を黒体塗料で形成しているが、通常の黒色塗料で形成してもよい。なお、最外層を黒色塗料で形成した場合の放射率は約０．９０である。

また、以上の各実施形態では、外部塗膜１８，２８及び外部塗膜１９，２９を、錆止め塗料による最内層と、下地塗料による中間層と、黒体塗料等による最外層の３層で形成しているが、さらに多くの層で形成してもよいし、錆止め塗料による最内層や下地塗料による中間層を削除してもよい。すなわち、本発明では、外部塗膜１８，２８及び外部塗膜１９，２９の最外層が黒体塗料等で形成されていれば、塗膜の層数は関係ない。

１：工具ヘッド、２：ラム、３：サドル、４：クロスレール（横梁部材）、５：ベッド、１０：コラム、１１，１１ａ：コラム本体、１２：コラム本体母材、１３ａ：（コラムの）上方開口、１３ｂ：（コラムの）下方開口、１４：前周壁、１５：後周壁、１６：側周壁、１８，２８：外部塗膜、１９，２９：内部塗膜、２１：コラムベッド、２２：ベッド母材、３１：脚、４１：反射板

Claims

工具が取り付けられる工具ヘッドと、
上下のそれぞれの端が開口している筒状のコラムと、
前記コラムの下方開口の縁と設置面との間に配置され、該コラムを持ち上げて支持する複数の脚と、
を備え、
前記コラムは、上下のそれぞれの端が開口し、前記工具ヘッドを一方側に支持する筒状のコラム母材と、該コラム母材の外面に塗工された外部塗膜と、該コラム母材の内面のうち、該一方側の内面と反対側の内面に少なくとも塗工された内部塗膜とを有し、前記内部塗膜の最外層は、黒体塗料又は黒色塗料で形成されている、
ことを特徴とする工作機械。
請求項１に記載の工作機械において、
前記内部塗膜は、前記コラム母材の内面の全面に塗工されている、
ことを特徴とする工作機械。
請求項１に記載の工作機械において、
前記コラムは、前記コラム母材の内面のうち、前記一方側の内面と前記反対側の内面とのそれぞれにつながっている隣接内面に設けられ、ステンレス板又はアルミニウム板で形成された反射板を有する、
ことを特徴とする工作機械。
請求項３に記載の工作機械において、
前記反射板は、前記隣接内面と接する接触面と対向する面が研磨された研磨面である、ことを特徴とする工作機械。
請求項４に記載の工作機械において、
前記反射板は、前記一方側の内面及び前記反対側の内面との間で熱伝導による熱移動可能に設けられている、
ことを特徴とする工作機械。
請求項５に記載の工作機械において、
前記反射板は、前記コラム母材よりも熱伝導率が高い材料で形成されている、
ことを特徴とする工作機械。
請求項１から６のいずれか一項に記載の工作機械において、
前記コラムとして、互いに間隔を開けて配置されている一対のコラムを備えていると共に、該一対のコラムの相互間に渡されている横梁部材と、該一対のコラムのそれぞれの前記コラム母材の外面の一部を覆うカバーと、を備え、
前記工具ヘッドは、前記横梁部材を介して前記一対のコラムの前記コラム母材に支持され、
前記一対のコラムのそれぞれの前記コラム母材は、前記横梁部材が設けられる側である前記一方側の第一周壁と、該第一周壁と対向する前記反対側の第二周壁とを有し、
前記コラム母材の前記第一周壁の外面が前記カバーで覆われ、
前記第二周壁の厚さは前記第一周壁の厚さより厚い、
ことを特徴とする工作機械。