JPWO2009113186A1 - 工作機械 - Google Patents

Abstract

工作機械（１１）は、床面に立設され工具（Ｔ）が装着された主軸（１５）を支持する主軸支持側構造体（１３）と、主軸支持側構造体（１３）と対向して床面に立設されワーク（Ｗ）を支持するワーク支持側構造体（１７）とを備え、工具（Ｔ）とワークとを相対移動させてワークを加工する。さらに、主軸支持側構造体（１３）の上端部とワーク支持構造体（１７）の上端部とが連結部材（４１）によって連結されている。

Description

本発明は、主軸支持側構造体に支持された主軸に装着された工具と主軸支持側構造体と対向して配置されたワーク支持側構造体に支持されたワークとを相対移動させてワークを加工する工作機械に関する。

近年、航空機の機体の構成部品などは、接合部分を少なくするために、大型化してきている。このような大型の構成部品を加工する際には、日本国特許第３９３９０９５号の明細書に記載されているように、床面に立設され主軸を移動可能に支持した主軸支持側構造体と、主軸支持側構造体と対向するように床面に立設されワークを支持するワーク支持側構造体とを備え、主軸支持側構造体に支持された主軸に装着された工具とワーク支持側構造体に支持されたワークとを相対移動させてワークを加工するようにした工作機械が利用されることがある。
このような主軸支持側構造体及びワーク支持側構造体は、大型であり、床面側の端部のみが床面に固定され反対側の端部すなわち上端部が自由端になった片持ち支持構造となっている。このため、加工の際の工具とワークとの接触を通して主軸支持側構造体とワーク支持側構造体との間で互いに作用する力すなわち切削負荷により、主軸支持側構造体及びワーク支持側構造体に撓みが生じ得る。特に、力の作用点が上側であるほど主軸支持側構造体及びワーク支持側構造体の撓み量すなわち変形量が大きくなる。また、工作機械が設置される室内の温度変化により主軸支持側構造体及びワーク支持側構造体において局所的な熱変形が生じた場合も、撓みが生じ、特に自由端である上端部の変形量が大きくなる。さらに、主軸支持側構造体に支持される主軸やワーク支持側構造体に支持されるワークの重量や移動でも各構造体に変形が生じ得る。
このような主軸支持側構造体及びワーク支持側構造体の変形によって主軸支持側構造体の上端部とワーク支持側構造体の上端部との相対距離が変化すると、それぞれに支持される主軸及び工具とワークとの相対位置関係に誤差が生じ、加工精度を低下させる原因となる問題があった。特に、主軸支持側構造体の撓みの方向とワーク支持側構造体の撓みの方向が逆になると、主軸支持側構造体の上端部とワーク支持側構造体の上端部との相対距離の変化量が大きくなり、加工精度に与える影響が大きくなる。

よって、本発明の目的は、工作機械において対向して配置された主軸支持側構造体とワーク支持側構造体の変形が加工精度に与える影響を抑制することにある。
本発明によれば、工具とワークとを相対移動させてワークを加工する工作機械であって、床面に立設され、工具が装着された主軸を支持する主軸支持側構造体と、前記主軸支持側構造体と対向して床面に立設され、ワークを支持するワーク支持側構造体とを備え、前記主軸支持側構造体の上端部と前記ワーク支持構造体の上端部とを連結部材によって連結するようにした工作機械が提供される。
上記工作機械において、前記連結部材の内部に流体通路が設けられており、前記連結部材を一定の長さに維持するように前記流体通路を流通する流体の温度を制御するようにすることが好ましい。
例えば、前記連結部材の温度を予め定められた範囲に維持するように前記流体通路を流通する流体の温度を制御するようにしてもよく、前記連結部材に作用する外力による前記連結部材の伸縮変形を相殺するように前記流体通路を流通する流体の温度を制御するようにしてもよい。
本発明によれば、主軸支持側構造体の上端部とワーク支持側構造体の上端部とを連結部材によって連結しているので、各構造体が変形して撓んだ場合でも、上端部間の相対位置関係が拘束されて、相対位置の変化が抑制され、高精度の加工が可能となる。

本発明の上述及びその他の目的、特徴、利点を以下、添付図面を参照して本発明の実施形態に基づいてさらに詳細に説明する。
図１は、本発明による工作機械の側面図である。
図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面を矢印の方向から見た矢視断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の工作機械の好ましい実施の形態を説明する。以下の説明において、特に説明のない限り、前側とは加工機能を有する面側を指し、背側とは加工機能を有する面とは反対側を指すものとする。また、図１に示されるように、工作機械の長手方向すなわち左右方向をＸ軸方向、垂直方向すなわち上下方向をＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸方向に垂直な方向すなわち前後方向をＺ軸方向として定義する。
図１及び図２を参照すると、工作機械１１は、床面に立設されＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に主軸１５を移動可能に支持する主軸支持側構造体１３と、主軸支持側構造体１３の前に対向して床面に立設されワークＷを支持するワーク支持側構造体１７と、主軸支持側構造体１３とワーク支持側構造体１７との間に設けられた切屑排出手段としてのチップコンベア１９とを備える。
主軸支持側構造体１３は、床面上に固定的に設置されたリヤベッド２１と、ワーク支持側構造体１７側から見てリヤベッド２１の右端部に立設された右コラム２３と、ワーク支持側構造体１７側から見てリヤベッド２１の左端部に立設された左コラム２５と、右コラム２３の上端部と左コラム２５の上端部とを接続するように水平方向に延びるクロスビーム２７と、リヤベッド２１とクロスビーム２７との間にＸ軸方向（左右方向）に移動可能に支持されたＸ軸スライダ２９と、Ｘ軸スライダ２９にＹ軸方向（上下方向）に移動可能に支持されたＹ軸スライダ３１と、Ｙ軸スライダ３１にＺ軸方向に移動可能に支持された主軸頭３３と、主軸頭３３に回転可能に支持されており工具Ｔを装着される主軸１５とを備える。
なお、右コラム２３、左コラム２５及びクロスビーム２７は、別個の構成部品として形成されてもよく、右コラム２３、左コラム２５及びクロスビーム２７を一体的に形成し、例えば中央に開口部を設けた概略Ｃ字形状の一つの構成部品として形成されてもよい。
Ｘ軸スライダ２９は、ワーク支持側構造体１７側から見て、その中央にＹ軸方向に延びる細長い貫通開口部２９ａを設けた枠形状に形成されており、リヤベッド２１及びクロスビーム２７に形成されたＸ軸ガイド（図示せず）に沿ってモータとボールねじの組み合わせやリニアモータなどによってリヤベッド２１とクロスビーム２７との間をＸ軸方向に駆動されるようになっている。
Ｙ軸スライダ３１は、枠形状のＸ軸スライダ２９の開口部２９ａの左右両側に設けられたＹ軸方向に延びるＹ軸ガイド（図示せず）に沿ってモータとボールねじの組み合わせやリニアモータなどによってＹ軸方向に駆動されるようになっている。
Ｙ軸スライダ３１上には、Ｚ軸方向に延びるＺ軸ガイド（図示せず）に沿ってモータとボールねじの組み合わせやリニアモータなどによってＺ軸方向に駆動される主軸頭３３が支持されており、この主軸頭３３に主軸１５がＺ軸方向に延びる回転軸線周りに回転可能に支持されている。
一方、ワーク支持側構造体１７は、床面上でチップコンベア１９を挟んでリヤベッド２１の前に設置されたフロントベッド３５と、フロントベッド３５上に設けられたテーブル３７とを備える。テーブル３７上にはワークＷを取り付けられたパレットＰを固定できるようになっている。テーブル３７はＺ軸方向に延びる回転軸線周りにパレットＰを回転させる機構を備えていてもよい。
本発明の工作機械１１は、このような構成により、ワーク支持側構造体１７に支持されたワークＷと主軸支持側構造体１３に支持された工具ＴとをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向に相対移動させ、ワークＷを所望の形状に加工する。なお、主軸支持側構造体１３とワーク支持側構造体１７は、ワークＷと工具ＴとをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向に相対移動できるようになっていればよく、上記構成に限定されるものではない。例えば、主軸支持側構造体１３にＸ軸スライダを設ける代わりに、ワーク支持側構造体１７がワークＷをＸ軸方向に移動させる機構を備えていてもよい。
チップコンベア１９は、加工領域でワークＷを工具Ｔで加工したときに発生する切屑を加工領域の外側に排出するためのものであり、フロンドベッド３５及びリヤベッド２１のチップコンベア１９側の端部には、加工領域から落下してきた切屑をチップコンベア１９上に導く傾斜板３９が取り付けられている。なお、リヤベッド２１及びフロントベッド３５を床面上に固定するのではなく、両者を連結する部材を設け、両者間の距離が変化しないように構成してもよい。また、リヤベッド２１及びフロントベッド３５を一体的に形成し、中間にチップコンベア１９を配設するようにしてもよい。
上記のような主軸支持側構造体１３及びワーク支持側構造体１７は床面又は床面に近い部分で片持ち支持された構成になっており上端部が自由端部になっているため、切削負荷や熱変形等により反り（撓み）が生じることがあり、この場合特にその上端部が大きく変位する。また、主軸支持側構造体１３及びワーク支持側構造体１７はそれぞれ独立して変形するため、このような変形（反り）の方向が逆になると主軸支持側構造体１３の上端部とワーク支持側構造体１７の上端部の相対距離は大きく変化してしまい、それぞれに支持されるワークＷや工具Ｔの相対位置関係も影響を受けるので加工誤差の原因になる。
そこで、本発明の工作機械１１では、主軸支持側構造体１３の上端部とワーク支持側構造体１７の上端部とを連結部材４１で連結するようにしている。本実施の形態では、連結部材４１はアーチ形状に形成したが、直線状の棒部材を複数本橋渡しする等、他の構造を採用してもよい。
このような連結部材４１を設けることにより、主軸支持側構造体１３とワーク支持側構造体１７とを互いに拘束し、主軸支持側構造体１３及びワーク支持側構造体１７の剛性を高めて反りの発生を抑制している。この結果、同程度の反りに抑制することができる工作機械１１の剛性をより軽量な構造によって実現することが可能になる。また、反りが発生した場合でも、主軸支持側構造体１３とワーク支持側構造体１７は互いに連結されているので同じ方向に変形し、主軸支持側構造体１３の上端部とワーク支持側構造体１７の上端部との相対距離もほぼ一定に保たれほとんど変化しない。したがって、発生した反りが主軸支持側構造体１３に支持される工具Ｔとワーク支持側構造体１７に支持されるワークＷとの相対位置関係に与える影響も小さくなり、加工精度の向上に寄与する。
図１及び図２に示されているように、流体を流通させるための流体通路４３を連結部材４１内に形成し、この流体通路４３に冷却液供給装置４５から冷却液を供給して連結部材４１内を循環させるようにすることが好ましい。このように連結部材４１内に冷却液を循環させることにより、環境温度の変化等による連結部材４１の熱変形を抑制することが可能となる。特に、連結部材４１の流体通路４３内を循環する冷却液の温度を予め定められた温度範囲内に維持するように制御すれば、連結部材４１の寸法は環境温度の変化にかかわらずほぼ一定に保たれるので、主軸支持側構造体１３の上端部とワーク支持側構造体１７の上端部との相対距離もほぼ一定に保たれ、加工精度のさらなる向上に寄与する。
また、主軸支持側構造体１３及びワーク支持側構造体１７の反りの方向が逆になる場合、連結部材４１には引張り荷重や圧縮荷重が作用しそれによって連結部材４１が伸縮することがある。このような連結部材４１の変形も主軸支持側構造体１３の上端部とワーク支持側構造体１７の上端部との相対距離を変化させる要因になる。そこで、このような連結部材４１の伸縮を連結部材４１の熱変形で相殺させるように連結部材４１の流体通路４３内を循環する冷却液の温度を制御することで加工精度をさらに向上させることも可能である。
このように上記実施形態による工作機械によれば、環境温度の変化や切削負荷による主軸支持側構造体１３とワーク支持側構造体１７の変形が抑制され、加工精度の向上を図ることができる。また、主軸支持側構造体１３の上端部とワーク支持側構造体１７の上端部の相対距離がほとんど変化せず、たとえ変形が生じても加工精度に与える影響を小さくすることが可能となる。また、各構造体自体の自重やワークの重量による変形やＸ軸スライダ２９等の移動体の移動の反力による構造体の変形も抑制することが可能となる。
以上、図示された実施形態に基づいて、本発明の工作機械１１を説明したが、本発明は図示される実施形態に限定されるものではない。例えば主軸支持側構造体１３及びワーク支持側構造体１７は片持ち支持される構造になっているものであればその上端部の間を連結する連結部材４１を設けることにより本発明による上記の効果を得ることができ、図示される実施形態の主軸支持側構造体１３及びワーク支持側構造体１７の構造以外の構造をとることも可能である。

Claims (4)

1. 工具とワークとを相対移動させてワークを加工する工作機械において、
   床面に立設され、工具が装着された主軸を支持する主軸支持側構造体と、
   前記主軸支持側構造体と対向して床面に立設され、ワークを支持するワーク支持側構造体と、
   前記主軸支持側構造体の上部と前記ワーク支持側構造体の上部とを連結する連結部材と、
   を具備することを特徴とした工作機械。
2. 前記連結部材の内部に流体通路が設けられており、前記連結部材を一定の長さに維持するように前記流体通路を流通する流体の温度を制御するようにした請求項１に記載の工作機械。
3. 前記連結部材の温度を予め定められた範囲に維持するように前記流体通路を流通する流体の温度を制御するようにした請求項２に記載の工作機械。
4. 前記連結部材に作用する外力による前記連結部材の伸縮変形を相殺するように前記流体通路を流通する流体の温度を制御するようにした請求項２に記載の工作機械。

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