JP5922488B2

JP5922488B2 - 工作機械の製造方法

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Publication number: JP5922488B2
Application number: JP2012110076A
Authority: JP
Inventors: 克敏田中; 紀男山西; 渡大曽根
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: JP2013237114A

Description

本発明は、工作機械の製造方法および工作機械に関する。詳しくは、ワークを載置するテーブルと、工具と、前記テーブルと前記工具とを相対移動させる相対移動機構とを備えた工作機械の製造方法に関する。

近年、工作機械において、生産性向上の要求から、高速化の要請が高まっている。
この要請に応えるべく、工作機械のなかには、軽量化および高剛性を目的として、一部の部品、例えば、クロスレールを炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で一体成形したものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０００−２６３３５６号公報

ところで、ＣＦＲＰの成形法としては、炭素繊維を一方向に引き揃えたテープや織物にプラスチックを含浸させて作った中間素材（プリプレグ）を何枚も積層して、加圧容器であるオートクレーブに入れ、高温下で加圧、硬化させたプリプレグ法、型内にプリプレグ等の中間素材を敷き、硬化剤を混合した溶融プラスチック樹脂の塗布、含浸、脱泡を繰り返しながら所定厚さに成形していくハンドレイアップ法、あるいは、型内に炭素繊維の織物をセットした後、母材となる樹脂を含浸させた後、硬化させるＲＴＭ法などの成形法が知られている。
しかし、上述した成形法は、装置が大掛かりになったり、製造に手間と時間が掛かるため、極めて高価になるという課題がある。

本発明の目的は、このような従来の課題に対して、軽量化および高剛性を維持しつつ、安価に製造できる工作機械の製造方法を提供することにある。

本発明の工作機械の製造方法は、ワークを載置するテーブルと、工具と、前記テーブルと前記工具とを相対移動させる相対移動機構とを備え、前記相対移動機構は、主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構とを備え、前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に軸受機構を介して回転可能に支持され先端に前記工具を有する主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成された工作機械の製造方法において、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を予め用意し、前記異なる形状の構造材を組み合わせて、前記主軸ヘッド本体を構成した、ことを特徴とする。
ここで、炭素繊維強化プラスチックとしては、ポリアクリロニトリル繊維を焼成したパン系や、石炭・石油化学の残渣として出るピッチを溶融紡糸後に焼成したピッチ系のいずれであってもよい。

このような構成によれば、主軸ヘッドを構成する構造材が炭素繊維強化プラスチックによって構成されるとともに、異なる基本的形状の複数種の構造材が予め用意されているから、これらの構造材を組み合わせて接合、例えば、接着剤やリベットなどによって接合して、主軸ヘッドの各部に要求される形状、強度の構造体を簡単に製作することができる。
従って、工作機械の軽量化および高剛性を維持しつつ、安価に製造することができる。
さらに、主軸ヘッドにおいて、高強度、高弾性率を維持しつつ、軽量化が図れる。そして、主軸ヘッドの昇降速度を高速化することができるから、微細加工に適用できるとともに、生産性の向上が期待できる。

本発明の工作機械の製造方法において、前記構造材として、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形、Ｈ形、Ｔ形、四角形、三角形、丸形の少なくとも１種類の形材と、面材とが用意されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形、Ｈ形、Ｔ形、四角形、三角形、丸形の少なくとも１種類の形材と、面材とを組み合わせれば、機械に要求される各部の形状、強度を簡単に構成することができる。

本発明の実施形態に係る工作機械を示す斜視図。前記実施形態において、主軸装置およびその周辺部分を示す図。前記実施形態において、テーブルの構成を示す図。前記実施形態において、サドルの構成を示す図。前記実施形態において、主軸ヘッド本体の構成を示す図。前記実施形態において、構造材の例を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施形態の構成＞
本工作機械は、図１に示すように、ベース１と、このベース１にＸ軸ガイド機構１１およびＸ軸リニアモータ機構１２を介してＸ軸方向へ移動可能に設けられ上面にワークＷを載置するテーブル１３と、このテーブル１３を跨いで設けられた門型コラム２０と、この門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸装置３０とから構成されている。

Ｘ軸ガイド機構１１は、ベース１の上面にＸ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール１１Ａと、テーブル１３の下面にガイドレール１１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材１１Ｂとを含んで構成されている。
Ｘ軸リニアモータ機構１２は、ベース１の上面においてガイドレール１１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット１２Ａと、このマグネット１２Ａに隙間を隔ててテーブル１３の下面に取り付けられたコイル１２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。

Ｙ軸ガイド機構２１は、図２にも示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面にＹ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール２１Ａと、主軸装置３０の下面にガイドレール２１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材２１Ｂとを含んで構成されている。
Ｙ軸リニアモータ機構２２は、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面においてガイドレール２１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット２２Ａと、このマグネット２２Ａに隙間を隔てて主軸装置３０の下面に取り付けられたコイル２２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。

（主軸装置の説明：図２参照）
主軸装置３０は、図２にも示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸ヘッド支持部材としてのサドル３３と、このサドル３３にＺ軸ガイド機構４１および昇降機構としてのＺ軸リニアモータ機構４２を介して昇降可能に設けられた主軸ヘッド４３と、この主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダ４４とから構成されている。

Ｚ軸ガイド機構４１は、主軸ヘッド４３の裏面にＺ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール４１Ａと、サドル３３の正面に固定されガイドレール４１Ａをスライド可能に案内するスライド部材４１Ｂとを含んで構成されている。
Ｚ軸リニアモータ機構４２は、主軸ヘッド４３の裏面においてガイドレール４１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット４２Ａと、このマグネット４２Ａに隙間を隔ててサドル３３の正面に取り付けられたコイル４２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
ここで、コイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われている。遮熱部材４２Ｃとしては、アルミニウムまたはプラスチックスなどの材料によって箱状に形成されている。

主軸ヘッド４３は、図１に示すように、主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体５１に軸受機構５６を介して回転可能に支持された主軸５２と、この主軸５２を回転駆動させる回転駆動源５３とを含んで構成されている。主軸５２には工具５４が着脱可能に取り付けられる。回転駆動源５３は、モータによって構成されている。

バランスシリンダ４４は、主軸ヘッド４３を挟んだ両側にそれぞれ設けられている。
各バランスシリンダ４４は、上端がブラケット５５を介してサドル３３に支持されたシリンダ本体４４Ａと、上端にシリンダ本体４４Ａ内に摺動可能に収納されたピストンを有し下端が主軸ヘッド４３の下端に連結されたピストンロッド４４Ｂとから構成されている。
ピストンで区画されたシリンダ本体４４Ａの下室には、図示省略の空気供給源からのエアーが圧力レギュレータ等を介して供給されている。その結果、バランスシリンダ４４によって、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力が主軸ヘッド４３に上向きに与えられている。

本実施形態においては、テーブル１３と工具５４とを相対移動させる相対移動機構のうち、可動側部材が、予め、炭素繊維強化プラスチック(ＣＦＲＰ)によって構成された異なる基本的形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成されている。
ここでは、工作機械を構成する構成要素のうち、テーブル１３と、サドル３３と、主軸ヘッド本体５１が、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰという場合もある）によって構成された異なる形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成されている。次に、これらの製造方法および構造について説明する。

（テーブル１３の製造方法について）
テーブル１３は、図３に示すように、四角形状のテーブル１３の４辺に配置された断面Ｃ形のＣＦＲＰ製の構造材１３Ａと、この構造材１３Ａで囲まれた前後の構造材１３Ａの間に掛け渡された断面Ｉ形のＣＦＲＰ製の補強構造材１３Ｂと、構造材１３Ａ，１３Ｂの上下面に配置された四角形のＣＦＲＰ製の面材１３Ｃと、下面に接着されたＣＦＲＰ製の補強面材１３Ｄとから構成されている。

（サドル３３の製造方法について）
サドル３３は、図４に示すように、箱形状のサドル３３の四隅に配置された断面Ｌ形状のＣＦＲＰ製の構造材３３Ａと、各構造材３３Ａの間に接着された四角形のＣＦＲＰ製の側面材３３Ｂと、上面に接着された四角形のＣＦＲＰ製の上面材３３Ｃと、底面に接着されたＣＦＲＰ製の下面材３３Ｄとから構成されている。

（主軸ヘッド本体５１の製造方法について）
主軸ヘッド本体５１は、図５に示すように、互いに平行に配置されたＣＦＲＰ製の側面材５１Ａと、この側面材５１Ａの背面に接着されたＣＦＲＰ製の背面材５１Ｂと、側面材５１Ａの上面および底面に接着されたＣＦＲＰ製の上面材５１Ｃおよび下面材５１Ｄと、側面材５１Ａの中間に挿入されたＣＦＲＰ製の補強面材５１Ｅと、側面材５１Ａおよび背面材５１Ｂの下端部に接着されたＣＦＲＰ製の補強面材５１Ｆとから構成されている。つまり、正面および上面の前半分が開放された縦長箱形状に形成されている。下面材５１Ｄの中心には、主軸５２を挿入するための孔５１Ｇが形成されている。

＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークＷを加工するには、ワークＷをテーブル１３上にセットしたのち、テーブル１３をＸ軸方向へ、サドル３３をＹ軸方向へ、主軸ヘッド４３をＺ軸方向へ移動させながら、工具５４によってワークＷを加工する。
本実施形態では、これらの可動側部材、つまり、テーブル１３、サドル３３、主軸ヘッド４３を構成する主軸ヘッド本体５１が、炭素繊維強化プラスチックによって構成されているから、これら部材を軽量化することができる。そのため、これら部材の移動速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。

しかも、テーブル１３、サドル３３、主軸ヘッド４３を構成する主軸ヘッド本体５１は、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせ製造されているから、安価に製造できる。

また、主軸ヘッド４３を昇降させる昇降機構が、主軸ヘッド４３に主軸ヘッド４３の昇降方向に沿って設けられたマグネット４２Ａと、サドル３３にマグネット４２Ａに対向して配置されたコイル４２Ｂとを含むＺ軸リニアモータ機構４２を含んで構成されているから、主軸ヘッド４３を円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
しかも、Ｚ軸リニアモータ機構４２を構成するコイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体５１などが熱変形を起こすのを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。

＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、構造材として、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形の形材と、面材とを用いたが、これに限られない。例えば、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形の形材と、面材のほかに、図６（Ｅ）〜（Ｉ）に示すように、断面Ｈ形、Ｔ形、三角形、丸形、四角形などの構造材を用意しておき、これらの中から必要な構造材を選択して、機械の部品を構成するようにしてもよい。
なお、予め、これらの構造材を製造するには、構造材の断面形状に適した成形法で行う。例えば、三角形、丸形、四角形などの構造材の場合、連続した炭素繊維に樹脂を染み込ませたものを芯金に巻き付けて筒状に成形するのが好ましい。

前記実施形態では、テーブル１３と工具５４とを相対移動させる相対移動機構のうち、可動側部材について、予め、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成したが、これに限られない。
例えば、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａを炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせて構成してもよく、あるいは、ベース１も含めて、工作機械の主要構造材の全てを炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせて構成してもよい。

前記実施形態では、工作機械として、テーブル１３がＸ軸方向へ、主軸ヘッド４３がＹ軸方向およびＺ軸方向へ移動可能であったが、これに限られない。要は、テーブル１３と主軸ヘッド４３が二次元（２軸方向）あるいは三次元（３軸方向）へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。

また、前記実施形態では、各軸移動機構をリニアモータ機構、つまり、Ｘ軸リニアモータ機構１２、Ｙ軸リニアモータ機構２２、Ｚ軸リニアモータ機構４２によって構成したが、必ずしも、リニアモータ機構でなくてもよい。ボールねじを用いた送り機構であってもよい。
また、前記実施形態では、主軸５２の回転駆動源５３として、モータを用いたが、これに限らず、例えば、エアータービン機構などであってもよい。

また、前記実施形態では、バランスシリンダ４４によって主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力を発生させるようにしたが、必ずしも、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力でなくてもよく、主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生する構成であってもよい。

本発明は、一般的な工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。

１１…Ｘ軸ガイド機構（相対移動機構）、
１２…Ｘ軸リニアモータ機構（相対移動機構）、
１３…テーブル、
１３Ａ〜１３Ｄ…構造材、
２１…Ｙ軸ガイド機構（相対移動機構）、
２２…Ｙ軸リニアモータ機構（相対移動機構）、
３３…サドル（主軸ヘッド支持部材）、
３３Ａ〜３３Ｄ…構造材、
４１…Ｚ軸ガイド機構（相対移動機構）、
４２…Ｚ軸リニアモータ機構（相対移動機構）、
４３…主軸ヘッド、
５１…主軸ヘッド本体、
５１Ａ〜５１Ｆ…構造材、
５２…主軸、
５３…回転駆動源、
５４…工具、
Ｗ…ワーク。

Claims

ワークを載置するテーブルと、工具と、前記テーブルと前記工具とを相対移動させる相対移動機構とを備え、
前記相対移動機構は、主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構とを備え、
前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に軸受機構を介して回転可能に支持され先端に前記工具を有する主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成された工作機械の製造方法において、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を予め用意し、
前記異なる形状の構造材を組み合わせて、前記主軸ヘッド本体を構成した、
ことを特徴とする工作機械の製造方法。
請求項１に記載の工作機械の製造方法において、
前記構造材として、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形、Ｈ形、Ｔ形、四角形、三角形、丸形の少なくとも１種類の形材と、面材とが用意されている、
ことを特徴とする工作機械の製造方法。