JPWO2004067221A1 - 工作機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、所定方向に移動する移動体を備えた工作機械に関し、移動体は、ガス原子が溶解した溶融状態の金属を所定方向から徐々に冷却，凝固せしめることにより得られる金属であって、金属の温度低下に伴いガス原子の溶解量が低下してガス原子が析出することにより、多数の空隙Ｋが冷却方向に沿って細長く形成された金属、即ち、いわゆるポーラス金属から構成される。この工作機械は、移動体が軽量でしかも振動減衰性や熱特性などに優れており、高速加工に適している。

Description

本発明は、所定方向に移動する移動体を備えた工作機械に関する。

例えば、工作機械の一つであるマシニングセンタは、ベッド，コラム，主軸頭，主軸，サドルやテーブルといった各構造体から構成され、ＮＣ旋盤は、ベッド，主軸台，主軸，サドル，刃物台や心押し台といった構造体から構成される。
そして、これら各構造体には、適当な剛性や振動減衰性が求められ、このため、製造上の加工性やコストなども考慮して、従来、一般的には、鋳鉄や鋼などが用いられている。
一方、近年では、加工効率を高めるべく、その高速化が推進されており、上記構造体の内、適宜送り軸に沿って移動せしめられるコラム，主軸頭，サドル，テーブル，刃物台といった移動体については、上記高速化の要請に沿うべく、その軽量化が模索され、かかる移動体にアルミニウム合金やセラミックスといった材料の適用が試行されている。
しかしながら、アルミニウム合金については、線膨張係数が鋳鉄や鋼の約２倍であるため、熱変形し易いという問題があり、また、セラミックスは高価であるという問題がある。
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、前記移動体が軽量でしかも振動減衰性や熱特性などに優れた性能を有する工作機械の提供をその目的とする。

本発明は、所定方向に移動する移動体を備えた工作機械において、
前記移動体を、ガス原子が溶解した溶融状態の金属を所定方向から徐々に冷却，凝固せしめて得られる金属であって、該金属の温度低下に伴い前記ガス原子の溶解量が低下して該ガス原子が析出することにより、多数の空隙が前記方向に沿って細長く形成された金属から構成したことを特徴とする工作機械に係る。
上記のように、本発明に係る前記移動体は、ガス原子が溶解した溶融状態の金属を所定の方向から徐々に冷却，凝固させることで、その凝固過程で前記ガス原子が析出して多数の空隙が前記方向に沿って細長く形成された金属、即ち、所謂ポーラス金属から構成される。
一般に、溶融金属に溶解するガス原子の量は、当該ガスの圧力によって変動し、ガス原子は、当該ガスの圧力が高ければ多量に溶解する一方、圧力が低ければ少量しか溶解しない。ポーラス金属は、この性質に基づき所定圧力下でガス原子を溶解させた溶融金属の冷却，凝固状態を制御することで、即ち、前記溶融金属を所定の方向から徐々に冷却，凝固させることで、その凝固過程で析出したガス分子により、多数の空隙を前記方向に沿って細長く形成させるようにしたものである。
従来、金属中に不規則に形成された空隙は、強度などを低下させる欠陥であるとみなされていたが、上記のように、各空隙の長手方向が所定の方向に沿うように当該各空隙を規則的に形成させることで、金属の結晶組織が前記方向に沿うように形成され、前記空隙の形成方向に強度があり、且つ、同じ外形寸法の中実体に比べて軽量にすることができるのである。
また、このポーラス金属は、前記空隙により、中実体に比べて内部摩擦が大きいという特長を備えているため、振動を効果的に抑制することができ、更には、前記各空隙を介して当該ポーラス金属が有している熱を効果的に逃がすことができるという特質を備えている。
尚、ポーラス金属には、空隙が一方向に沿って形成されたものと、放射状に形成されたものとの２種類があり、前者は、溶融金属を一方からその反対側に向けて冷却することによって製造することができ、後者は、溶融金属をその周囲から中心部に向けて冷却することによって製造することができる。
斯くして、この発明によれば、工作機械の移動体をポーラス金属から構成することで、当該移動体の重量を軽量化して、例えば、ＮＣ指令に対する追従性を向上させること、また、振動抑制効果によりビビリ振動などを抑制すること、更には、排熱効果により熱変位を抑制することが可能となり、これにより、加工精度を大きく向上させることができる。また、移動体を軽量化することで、当該移動体を高速で移動させることができるとともに、移動に要する動力負荷を軽減することができ、消費電力を抑制することができる。
尚、前記移動体として、例えば、マシニングセンタの場合には、コラム、主軸頭、サドル、テーブルなどを挙げることができ、ＮＣ旋盤の場合には、サドルや刃物台などを挙げることができる。
ところで、前記移動体は、通常、これを構成する各構成部品が、ねじ類による締結や溶接などによって接合されて構成される。そして、溶接により各構成部品同士を接合する場合、前記金属中に含まれる炭素量に比例して、溶接部近傍が焼き入れ硬化によって硬く脆い機械的性質となり易く、当該部分に割れなどの欠陥を生じ易くなる。このため、前記金属は、炭素を少量しか含まない低炭素鋼とすることが好ましい。
また、前記金属を低炭素鋼とする場合、前記ガス原子には少なくとも窒素原子が含まれているのが好ましい。このようにすれば、前記空隙が形成される際に、当該空隙部の金属表層に、低炭素鋼を構成するアルミニウムやクロム、チタン原子などと窒素原子が反応して窒化物が生成され、この窒化物によって当該金属表層を硬化することができるという効果が得られる。斯くして、窒化されたポーラス金属は、空隙があるにもかかわらず、当該空隙に平行な方向の強度が同じ外形寸法の中実体と同等の強度を有する。

第１図は、この発明にかかる好ましい工作機械の概略構成を示した斜視図である。第２図及び第３図は、ポーラス金属の製造装置の概略構成を示した断面図である。第４図及び第５図は、ポーラス金属の内部構造を説明するための説明図である。

以下、本発明をより詳細に説明するために、添付図面に基づいてこれを説明する。
第１図に示すように、本例の工作機械１は、立形マシニングセンタと呼ばれるタイプの工作機械であって、ベッド１１と、ベッド１１上に配設されたコラム１２と、コラム１２に支持され、Ｚ軸方向に移動可能となった主軸頭１３と、主軸頭１３に回転自在に支持された主軸１４と、ベッド１１上に配設され、Ｚ軸と直交するＹ軸方向に移動可能となったサドル１５と、サドル１５上に配設され、Ｚ軸及びＹ軸の双方と直交するＸ軸方向に移動可能となったテーブル１６などを備えて構成されており、前記主軸１４には工具Ｔが装着され、前記テーブル１６にはワークＷが載置される。
また、前記工作機械１は、主軸頭１３をＺ軸方向に移動させるＺ軸送り機構部（図示せず）と、サドル１５をＹ軸方向に移動させるＹ軸送り機構部（図示せず）と、テーブル１６をＸ軸方向に移動させるＸ軸送り機構部（図示せず）と、これらＺ軸送り機構部（図示せず），Ｙ軸送り機構部（図示せず）及びＸ軸送り機構部（図示せず）の各駆動モータ（図示せず）の作動を、ＮＣ指令に基づいてそれぞれ制御する制御装置（図示せず）とを備えており、主軸頭１３，サドル１５及びテーブル１６が、各送り機構部（図示せず）によって各軸方向にそれぞれ移動せしめられることにより、工具ＴとワークＷとの間で相対運動が行われ、当該ワークＷが加工される。
そして、移動体たる前記主軸頭１３，サドル１５及びテーブル１６は、これらの各構成部品が、いわゆるポーラス金属、即ち、ガス原子が溶解した溶融状態の金属が所定の方向から徐々に冷却，凝固せしめることにより得られる金属であって、当該金属の温度低下に伴い前記ガス原子の溶解量が低下して当該ガス原子が析出することにより、多数の空隙が前記冷却方向に沿って細長く形成された金属から構成される。
一般に、溶融金属に溶解するガス原子の量は、当該ガスの圧力によって変動し、ガス原子は、当該ガスの圧力が高ければ多量に溶解する一方、圧力が低ければ少量しか溶解しない。ポーラス金属は、この性質に基づき所定圧力下でガス原子を溶解させた溶融金属の冷却，凝固状態を制御することで、即ち、前記溶融金属を所定の方向から徐々に冷却，凝固させることで、その凝固過程で析出したガス分子により、多数の空隙を前記方向に沿って細長く形成させるようにしたものである。
具体的には、ポーラス金属は、これを、例えば、第２図に示すような製造装置２又は第３図に示すような製造装置３を用いて製造することができる。同第２図及び第３図に示すように、これら製造装置２，３は、閉塞空間をそれぞれ備えた加熱室Ａ及び凝固室Ｂなどからなり、凝固室Ｂは、加熱室Ａの下方に配置されて、同等に吸気真空及び給気加圧される。尚、第２図及び第３図において、同じ構成部分については、同じ符号を付すものとする。
前記加熱室Ａには、底面中央部に貫通穴２１ａが形成されたるつぼ２１と、るつぼ２１を加熱する加熱装置２２と、上端部が加熱室Ａの上面から上方に突出する一方、下端部が前記貫通穴２１ａを閉塞する閉塞ロッド２３と、るつぼ２１の上方に設けられたガス吸気管２４及びガス供給管２５とが配設されている。
前記閉塞ロッド２３は、適宜図示しない昇降装置によって上下方向に昇降せしめられるようになっており、その下限位置にあるときにその下端部が前記貫通穴２１ａを閉塞する。また、前記ガス吸気管２４は、図示しない吸気装置に接続され、前記ガス供給管２５は、図示しないガス供給装置に接続されている。
前記凝固室Ｂには、鋳型２６と、鋳型２６を冷却する冷却装置３０の、第２図に示すような冷却部３１、又は第３図に示すような冷却部３５と、鋳型２６の上方に設けられた圧力調整管２７，２８とが配設されている。
前記冷却部３１は、鋳型２６の下部に配設され、内部が中空に形成された冷却部材３２と、冷却部材３２にそれぞれ接続した給水管３３及び排水管３４とを備え、鋳型２６の底面を冷却するように構成される一方、前記冷却部３５は、鋳型２６の周囲に配設され、内部が中空に形成された冷却部材３６と、冷却部材３６にそれぞれ接続した給水管３７及び排水管３８とを備え、鋳型２６の周囲を冷却するように構成される。
そして、前記各冷却部材３２，３６内には、冷却装置３０の冷却水循環装置（図示せず）から冷却水が給水管３３，３７を介してそれぞれ供給され、供給された冷却水は、排水管３４，３８を介して冷却水循環装置（図示せず）にそれぞれ還流される。また、前記圧力調整管２７，２８は、図示しない圧力調整装置にそれぞれ接続されている。
また、前記加熱室Ａの底面と凝固室Ｂの上面とには、これらにまたがるように導入部材２９が配設されており、この導入部材２９には、上側開口部が前記るつぼ２１の貫通穴２１ａと連通し、下側開口部が前記鋳型２６の上方に開口した導入孔２９ａが形成されている。
このように構成されたポーラス金属製造装置２，３によれば、まず、固体の低炭素鋼がるつぼ２１内に適宜搬入された後、ガス吸気管２４を介して加熱室Ａ内のガスが吸気装置（図示せず）により吸気されて、当該加熱室Ａ内が真空状態とされる。また、凝固室Ｂ内の圧力が、圧力調整管２７，２８を介して圧力調整装置（図示せず）により所定の圧力に調整され、冷却水循環装置（図示せず）により各冷却部材３２，３６内に供給，循環される冷却水によって鋳型２６が冷却されている。
ついで、加熱装置２２によりるつぼ２１内の固体の低炭素鋼が所定温度に加熱され、これにより、これが溶融して液状となる。そして、加熱室Ａ内の圧力が所定の圧力となるように、当該加熱室Ａ内に窒素ガスを含むガスがガス供給装置（図示せず）によりガス供給管２５を介して供給され、供給されたガスが前記液状の低炭素鋼に溶解する。
次に、閉塞ロッド２３が昇降装置（図示せず）により上昇せしめられると、るつぼ２１内の低炭素鋼が、貫通穴２１ａ及び導入孔２９ａを通って鋳型２６内に流入し、流入した低炭素鋼は、冷却装置３０により冷却されて凝固せしめられる。
尚、鋳型２６内に流入した低炭素鋼が冷却，凝固される過程は、第２図に示した製造装置２の場合と、第３図に示した製造装置３の場合とで異なっており、製造装置２の場合、その冷却部３１が、鋳型２６の底面を冷却するように構成されていることから、低炭素鋼は、鋳型２６の底面側からその上側にかけて徐々に冷却，凝固され、これにより、過飽和となったガスは、第４図に示すように、多数の空隙Ｋを鋳型２６の上下方向に沿って細長く形成するように析出する。尚、第４図（ａ）は、当該ポーラス金属を示した平面図であり、第４図（ｂ）は、その断面図である。
一方、製造装置３の場合、その冷却部３５が、鋳型２６の周囲を冷却するように構成されていることから、低炭素鋼は、鋳型２６の周囲から中心に向かって徐々に冷却，凝固され、これにより、過飽和となったガスは、第５図に示すように、多数の空隙Ｋを放射状に細長く形成するように析出する。尚、第５図（ａ）は、当該ポーラス金属を示した断面図であり、第５図（ｂ）は、その側面図である。
また、これら第４図及び第５図に示すように、空隙Ｋは、それぞれ各種の大きさのものが形成されており、これらの中には、相互に連通するように形成されたものもある。
そして、以上のようにして製造されたポーラス金属が、移動体たる前記主軸頭１３，サドル１５及びテーブル１６の各構成部品に、適宜その性状に応じて使用される。即ち、製造した前記ポーラス金属を適宜加工して所望の形状の構成部品とした後、これらをねじ類による締結や溶接などによって接合して、前記主軸頭１３，サドル１５及びテーブル１６としてそれぞれ組み立てる。
ところで、従来、素材材料である低炭素鋼中に不規則に形成された空隙は、強度などを低下させる欠陥であるとみなされていた。しかしながら、上記のように、各空隙の長手方向が所定の方向に沿うように当該各空隙を規則的に形成させることで、低炭素鋼の結晶組織が前記方向に沿うように形成され、前記各空隙の形成方向に強度があり、且つ、同じ外形寸法の中実体に比べて軽量にすることができる。
また、このポーラス金属は、空隙によって、中実体に比べて内部摩擦が大きいという特長を備えているため、振動を効果的に抑制することができ、更には、前記各空隙を介して当該ポーラス金属が有している熱を効果的に逃がすことができるという特質を備えている。
斯くして、本例の工作機械１によれば、当該工作機械１の主軸頭１３，サドル１５及びテーブル１６といった移動体をポーラス金属から構成することで、当該移動体の重量を軽量化して、例えば、ＮＣ指令に対する追従性を向上させること、また、振動抑制効果によりビビリ振動などを抑制すること、更には、排熱効果により熱変位を抑制することが可能となり、これにより、加工精度を大きく向上させることができる。また、移動体を軽量化することで、当該移動体を高速で移動させることができるとともに、移動に要する動力負荷を軽減することができ、消費電力を抑制することができる。
また、本例におけるポーラス金属は低炭素鋼であるので、炭素含有量が少なく、前記移動体の各構成部品同士を溶接により接合しても、当該溶接部分に割れなどの欠陥を生じ難くい。
また、本例においては、溶融した低炭素鋼に窒素ガスを含むガスを溶解させるようにしているので、前記空隙Ｋが形成される際に、当該空隙Ｋ部の金属表層に、低炭素鋼を構成するアルミニウムやクロム、チタン原子などと窒素原子が反応して窒化物が生成され、この窒化物によって当該金属表層を硬化することができるという効果が得られ、前記ポーラス金属は空隙Ｋがあるにもかかわらず、当該空隙Ｋに平行な方向の強度が同じ外形寸法の中実体と同等の強度を有する。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
例えば、上例では、立形マシニングセンタの移動体をポーラス金属から構成したが、これに限られるものではなく、横形マシニングセンタやＮＣ旋盤など、各種の工作機械の移動体を前記ポーラス金属から構成することができる。
尚、移動体としては、横形マシニングセンタの場合には、コラムや主軸頭、テーブルなどを挙げることができ、ＮＣ旋盤の場合には、サドルや刃物台などを挙げることができる。

以上のように、本発明にかかる工作機械は、移動体が軽量でしかも振動減衰性や熱特性などに優れており、高速加工に適している。

Claims (3)

1. 所定方向に移動する移動体を備えた工作機械において、
   前記移動体は、ガス原子が溶解した溶融状態の金属を所定方向から徐々に冷却，凝固せしめて得られる金属であって、該金属の温度低下に伴い前記ガス原子の溶解量が低下して該ガス原子が析出することにより、多数の空隙が前記方向に沿って細長く形成された金属から構成されてなることを特徴とする工作機械。
2. 前記金属が低炭素鋼からなることを特徴とする請求の範囲第１項記載の工作機械。
3. 前記ガス原子は少なくとも窒素原子を含み、前記空隙が形成される際に、該空隙部の金属表層に窒化物が生成されてなることを特徴とする請求の範囲第２項記載の工作機械。

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