KR20150097426A - 작동 동안 열을 발생하는 기능성 구성요소를 갖는 기계 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 작동 동안 열을 발생시키고 냉각액(23)이 기계 프레임 내측에서 순환되는 순환 회로를 형성하는 캐비티 구조물(16)을 갖는 기계 프레임 상에 배치되는 기능성 구성요소를 갖는 기계 공구로서, 상기 기계 프레임은 열-발생 기능성 구성요소가 배치되는 제1 영역 및 제1 영역으로부터 이격되어 있는 제2 영역을 가지며, 상기 기능성 구성요소에 의해 생성되는 제2 영역 내 열 입력은 제1 영역 내 열 입력보다 작은, 기계 공구에 있어서, 상기 캐비티 구조물(16)은 제1 영역에 배치되는 제1 섹션(13a) 및 제2 영역에 배치되는 제2 섹션(13b)을 가지며, 이에 따라 냉각액(23)이 제1 섹션(13a)으로부터 제2 섹션(13b)으로 순환될 때, 제1 영역과 제2 영역 사이에서 온도 보상이 이루어지도록, 기능성 구성요소에 의해 공급되는 열이 제2 영역 내로 소멸되는 것을 특징으로 하는 기계 공구에 관한 것이다.

Description

작동 동안 열을 발생하는 기능성 구성요소를 갖는 기계 공구{A MACHINE TOOL HAVING FUNCTIONAL COMPONENTS THAT PRODUCE HEAT DURING THE OPERATION}

본 발명은 작동 동안 열을 생성하고 기계 프레임 상에 배열되는 기능성 구성요소를 포함하는 기계 공구의 온도 제어에 관한 것이다.

다양한 모듈 및 프레임 구성요소의 기존 열팽창 계수로 인해, 기계 공구는 일반적으로 작동 동안 열성장을 갖는다. 열성장은 선형 열팽창 및 기계 공구의 구성요소 상에 형성되는 온도차에 기인한다. 기계 공구의 프레임에서의 온도차는 프레임의 다양한 구성요소의 비-균일 팽창의 결과를 가져오고, 이로 인해 가공물이 기계가공될 때 기계가공의 부정확성이 증가한다. 이러한 증가된 기계가공 부정확성은 예를 들어, 기계 공구의 기계 베드 상의 안내면의 온도-관련 비-균일 곡률에 기인한다.

기계 공구의 균일하게 가열된 슬라이드(1)의 열-관련 팽창이 도 1에 도시되어 있다. 본 명세서에 예시된 열성장은 한편으로는 선형 열팽창에 기인하고, 다른 한편으로는 구성요소 내 온도차에 기인한다. 온도차의 원인은 기계 공구의 구성요소 내로의 열의 비-균일 입력이다. 구성요소의 일측면은 예를 들어 가이드 또는 드라이브에 접속되고, 이에 따라 접속된 측면은 비접속 대향 측면보다 강하고 빠르게 가열된다. 따라서, 기계 공구의 프레임 구성요소는 안내면 및 드라이브가 위치되는 따뜻하고 그리고/또는 신속하게 가열되는 측면을 갖고, 보다 느리고 덜 강하게 냉각 및/또는 가열되는 측면을 갖는 상황이 종종 생긴다.

슬라이드(1)의 균일한 가열은 도 1에 도시된 바와 같이, 길이의 균일한 변화(DL) 및/또는 높이의 균일한 변화(DH)를 야기한다. 균일하게 가열된 슬라이드(1)는 기계 베드(2) 상의 안내면(3) 상에 안내되는데, 균일한 가열로 인해, 기계 축선은 곡률을 그리지 않는다. 그러나, 통상적으로 기계 공구의 작동 동안 슬라이드의 절대적으로 균일한 가열은 실제로는 일어나지 않는다.

이에 비교하여, 도 2는 일 측면이 가열된 슬라이드(1)를 도시한다. 슬라이드(1)는 상부 측면 및 하부 측면을 갖는다. 상부 측면은 보다 강하게 가열된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 슬라이드(1)는 안내면(3)을 따라 안내되고, 안내면을 따른 움직임은 열을 발생시키고, 이에 따라 하부 온도차(DT_unten)는 슬라이드(1)의 상부 측면 상의 온도차(DT_oben)보다 크다. 하부 측면 상의 증가된 온도차는 하부 측면 상의 온도-관련 연장(L_unten)을 야기하는데, 상기 연장은 상부 측면 상의 연장(L_oben)보다 크며, 이로 인해 슬라이드(1)가 만곡된다. 결과적으로, 슬라이드(1)의 비-균일 가열은 슬라이드의 종방향 축선에 있어서의 2-차원 변화를 야기한다. 비-균일 가열된 슬라이드(1)와 함께 안내면 및 기계 베드(2)가 도 3에 다시 도시되어 있다. 슬라이드(1)의 곡률은 만곡된 기계 축선으로 인해 기계 공구의 기계가공 부정확성을 증가시킨다.

비-균일하게 가열된 기계 가공의 결과적인 변형을 감소시키기 위한 다양한 가능성이 알려져 있다.

비-균일하게 가열된 기계 공구 상의 변형을 보상할 가능성은 제어-공학 보상으로 불리는 것이다. 이러한 공정에 따라, 온도가 측정되고, 측정된 값에 있어서의 변화가 “보상 인자”라 불리는 상수에 관하여 계산된다. 따라서, 결정된 값은 각각의 기계의 축선 제어에 있어서의 보정값으로서 조정된다. 그러나, 이러한 광범위하게 퍼져 있고 일반적으로 통상적인 보상 방법은 그 값이 기계 가공의 축선 위치에 종속되는 열성장을 균형화할 수 없다는 결점을 갖는다. 따라서, 비-균일하게 가열된 구성요소의 만곡은 균형화될 수 없다. WO 2012/032423 A1호는 이러한 보상 메커니즘을 갖는 기계를 개시한다. 이 공보에서, 기계의 변형은 검출 장치를 통해 결정되고, 이에 따라 결정된 편차의 보상은 교정 장치를 통해 이루어진다.

추가적인 가능성은 기계 공구의 수동 온도 제어이다. 이러한 가능성은 특히, 연마기에서 사용된다. 각각의 연마기는 통상적으로 평상형 기계로서 제조된다. 모든 슬라이드 및 공구 홀더는 기계 베드 위에 배치된다. 공정 냉각액이 기계가공 지점에 공급될 뿐만 아니라, 기계 베드 상의 구조물을 스프링클링하는데에도 사용된다. 이는 기계 구성요소들 사이의 강한 온도차를 억제하여 고열성장이 전개될 수 없도록 하는 역할을 한다. 그러나, 이 방법의 유효성은 각각의 기계가 비평상형 기계인 경우에 자동으로 제한된다. 이러한 경우에, 큰 체적을 갖는 기계 부품은 통상적으로 공정 냉각액에 의해 직접 젖는 것을 방지하는 커버 뒤에 가려져 있다. 따라서, 이러한 제한은 단연코, 선반 및 밀링 머신의 주요 부품에, 또한 대형 연마기에 적용된다. 또한, 건식 처리, 즉 공정 냉각액이 없는 기계가공은 기계 공구의 이러한 유형의 수동 온도 제어로는 불가능하다. DE 41 32 822 A1는 이러한 냉각 작동을 개시한다. 여기서, 냉각액은 자유롭게 선회 가능한 스프레이 노즐을 통해 기계 공구의 미리 정해진 부위로 분사되어 이들 부위를 냉각시킨다.

다른 가능성은 기계 공구의 능동 온도 제어에 의해 제공된다. 이 경우에, 고정된 온도 또는 참조 변수에 따라 제어되는 온도까지 오르는 매체가 냉동기에 의해 기계 공구의 구성요소들 중 일부의 온도를 국부적으로 제어하는데 사용된다. 결과적으로, 특히 스핀들 및 드라이브와 같은 열 생성의 중심이 냉각된다. DE 20 2012 003 528 U1는 모터 스핀들 상의 열 변형을 보상하기 위한 장치를 개시한다. 이 경우에, 냉각액은 냉각 유닛을 통해 능동적으로 냉각되고, 모듈 주위의 냉각 채널 시스템을 통해 안내되어 이들을 냉각시킨다. 그러나, 능동 온도 제어의 결점은 수반되는 비용에서 찾아야 한다. 1 킬로와트의 냉각 능력에는 약 1,000 EUR이 드는 것으로 계산된다. 또한, 기계 공구의 냉각 유닛은 가혹한 생산 환경에서 가끔 고장이 일어날 수 있기 때문에 새로운 에러원을 형성한다. 또한, 환경 인자가 기계 및 가공물에 작용한다. 예를 들어, 기계가공 작업의 주요 부분은 유제 또는 절삭유일 수 있는 공정 냉각액으로 실행된다. 이러한 매체가 냉각액의 온도와는 상이한 온도를 가질 때, 이는 구성요소 상의 온도 차를 생성할 가능성이 보다 높을 것이다. 공통 레벨로의 기계 가공의 능동 온도 제어에 더해, 공정 냉각액의 능동 냉각은 비용 및 기계의 복잡성을 강하게 증가시키는 하이-테크 해결책을 제시한다.

원리에 따르면, 상기 능동 및 수동 온도 제어는 또한, 이들이 온도차의 생성을 방지할 수 없다고 하는 결점을 갖는다. 예를 들어, 물론 구성요소의 단지 일-측면 냉각은 이들 구성요소에서의 당해 온도차의 생성을 야기한다.

전술한 결점이 방지되거나 감소되는 방식으로 일반적인 유형의 기계 공구를 발전시키는 것이 목적이다. 본 발명의 다른 목적은 많은 기술적 노력 없이 기계 공구 상의 열변위의 생성을 감소시키는 것이다.

이들 목적은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 종속 청구항은 본 발명의 유리한 실시 형태에 관한 것이다.

본 발명에 따른 기계 공구는 작동 동안 열을 생성하는 기능적 구성요소를 수용하는 기계 프레임을 갖는다. 기계 프레임의 내부는 냉각액이 기계 프레임 내측을 순환하는 순환 회로를 생성하기 위한 캐비티 구조물을 포함한다. 기계 프레임은 열-생성 기능성 구성요소가 배치되는 제1 영역 및 제1 영역으로부터 이격되어 있는 제2 영역을 갖는다. 기능성 구성요소에 의해 제2 영역 내에 생성된 열 입력은 제1 영역 내에 생성되는 열 입력보다 작으며, 캐비티 구조물은 제1 영역에 배치되는 제1 섹션 및 제2 영역에 배치되는 제2 섹션을 갖는다. 기계 프레임 내 캐비티 구조물은 제1 섹션으로부터 제2 섹션으로의 냉각액의 순환 동안, 기능성 구성요소에 의해 공급되는 열이 제1 영역과 제2 영역 사이의 온도 보상을 이루도록 제2 영역 내에서 소멸되는 방식으로 치수설정된다. 제1 섹션으로부터 제2 섹션으로의 냉각액의 순환에 의해 이루어지는 열 보상으로 인해, 기계 공구의 비용-효율적인 수동 순환 온도 제어가 달성되고, 기계 공구의 열 변위(특히, 만곡)는 현저하게 감소될 수 있다. 프레임의 따뜻한 측면과 차가운 측면 사이의 온도차가 보상되거나 적어도 현저하게 감소된다. 대응적으로, 각각의 모듈의 만곡도 방지되거나 현저하게 감소되는데, 이는 또한 이에 따른 열 변위에 적용된다. 따라서, 기계 공구의 기계가공 정확성이 증가된다.

전술한 스핀들 냉각에서와 같이 바로 열 발생기에서의 냉각 채널에 대해 광범위하게 적용되는 전용 배치의 원리와 달리, 본 발명에 따른 채널은 기계 공구의 열-발생 영역 및 열 발생기가 없는 영역 둘 모두에 제공된다. 선행 기술과 달리, 냉동기가 제공되지는 않지만, 캐비티 구조물 내 냉각액의 순환의 결과로서 기계 프레임 내측에서 온도 보상이 이루어진다. 따라서, 비록 기계 프레임의 전체 온도는 증가하지만, 기계 프레임 내측의 온도차는 감소된다. 따라서, 본 발명은 기계 공구의 기계가공 정확성이 본 발명에 따라, 전체 기계 프레임을 균일하게 가열하기 위해 기능성 구성요소의 열을 사용함으로써 기계 공구의 따뜻한 영역을 냉각시켜, 이를 일-측면 방식으로 냉동기로 소멸시킴으로써 달성될 수 있는 지배적인 원리를 거스른다.

캐비티의 체적 및 기하학적 구조는 구성요소의 재료와 매체 사이에서 충분한 열전달이 이루어지는 방식으로 캐비티의 표면을 선택함으로써 치수설정될 수 있다. 포괄적인 기본 원칙은 재료와 매체 사이의 작은 온도차에 따라 이동 가능한 열의 양은 구성요소 내로의 열 입력의 배수에 대응하는 방식으로 열-전달 영역을 선택하는 것일 수 있다. 당업자는, 특히 선택된 재료의 열전도 계수(및 열전달 계수)에 따른 기계 프레임 재료의 선택에 기초하여, 선택된 펌프의 출력 및 기계 프레임 내로의 열-발생 기능성 구성요소의 최대 열 입력 및 냉각액의 결과적인 최대 순환 속도에 기초하여, 구멍 및/또는 캐비티 구조물의 단면 및 구멍 및 캐비티 구조물의 위치는 (5℃ 그리고 바람직하게는 3℃, 그리고 가장 바람직하게는 2℃인) 원하는 최대 온도 구배가 기계 프레임에서 달성될 수 있는 방식으로 치수설정되어야 한다는 것을 인지한다. 이와 관련하여, 선택된 냉각액의 (열용량 및 점도와 같은) 특성도 당연히 고려되어야 한다. 또한, 요구되는 치수는 어떠한 문제도 없이 통상적인 시험 방법에 의해 결정될 수 있다.

기계 공구는 캐비티 구조물의 제1 섹션 및 제2 섹션이 기계 프레임 내측에 온전히 배치될 수 있는 폐회로를 형성할 수 있는 방식으로 설계될 수 있다.

기계 프레임 내측의 상기 회로의 온전한 배치는 기계 프레임의 온도차를 추가로 감소시키는데, 이는 회로 상의 환경적 영향을 감소시키기 위해 폐회로의 모든 섹션이 기계 프레임 내측으로 안내되기 때문이다. 이러한 실시 형태의 결과로서, 냉각액을 운반하는 역할을 하는 외부 접속 라인을 제공해야 하는 것도 방지된다. 전체 캐비티 구조물이 기계 프레임의 내측에 배치되기 때문에, 기계 공구의 수동 순환 온도 제어의 효율은 추가로 증가된다. 또한, 온도 보상은 냉동기를 사용함이 없이 단지 기계 프레임을 통해 이루어진다. 냉동기가 전혀 사용될 필요가 없기 때문에, 기계 공구의 기술적으로 관련된 처리 부정확성을 방지하기 위한 비용을 감소시키는 것이 가능하다.

기계 공구의 유리한 실시 형태는 적어도 부분적으로 기계 프레임의 리브(rib) 구조물로 형성되는 캐비티 구조물을 포함한다. 기계 프레임이 통상적으로 표준 특징부로서 리브 구조물을 갖기 때문에, 이 리브 구조물의 기존의 캐비티 구조물은 냉각액을 안내하기 위한 전술한 캐비티 구조물의 형성을 위해 사용될 수 있다. 따라서, 기계 프레임의 이미 존재하는 구조물은 기계 공구의 비용-효율적인 수동 순환 온도 제어를 생성하기 위해 복수의 기능을 채택할 수 있다. 결과적으로, 요구되는 구성요소의 개수도 감소될 수 있고, 추가적인 구멍이 방지될 수 있으며, 이에 따라 효과적이고 비용-효율적이게 된다.

기계 공구는 전적으로 기계 프레임을 통해 제어되는 온도일 수 있는 냉각액을 수용할 수 있다. 냉각액이 전적으로 제1 섹션으로부터 기계 프레임을 통해 제2 섹션으로의 열전달에 의해 제어되는 온도일 수 있기 때문에, 기계 공구에 대한 비용-효율적인 수동 순환 온도 제어를 생성하는 것이 가능하다. 따라서, 본 온도 제어는 많은 노력 및 고비용으로 냉각액을 능동적으로 냉각하는 임의의 능동 냉동 장치를 필요로 하지 않는다. 또한, 이에 따라 기계 프레임의 온도차를 감소시키는 것이 가능한데, 이는 기계 프레임의 달리 미사용 영역도 온도 제어를 위해 사용될 수 있기 때문이다.

기계 공구는 포털 기계로서 제조될 수 있다. 여기서, 기계 프레임은 기계 베드 및 컬럼으로 구성될 수 있다. 열 발생 기능성 구성요소는 드라이브 및 안내면으로 구성될 수 있으며, 제1 및 제2 섹션은 컬럼 및 기계 베드 둘 모두에 배치될 수 있다.

온도차에 있어서의 효과적인 감소는 컬럼에서의, 또한 기계 베드에서의 제1 및 제2 섹션의 배치에 의해 가능하다. 비-균일하게 가열된 기계 공구 상의 변형은 컬럼의 온도 제어, 또한 동시에 기계 베드의 온도 제어에 의해 추가적으로 감소될 수 있다. 또한, 안내면의 열을 소멸시키는 것 역시 가능하다.

캐비티 구조물의 제1 섹션은 관통 구멍을 통해 캐비티 구조물의 제2 섹션에 접속될 수 있고, 관통 구멍의 개구부는 기계 프레임의 외부 표면 상의 커버로 폐쇄될 수 있다. 이들 커버는 바람직하게는 유지보수의 목적으로, 분리가능 커버를 제거함으로써 냉각 채널로의 특히 용이한 접근이 가능하도록 하기 위해 분리 가능할 수 있다. 특히 유리한 예시적 실시 형태에서, 커버는 예를 들어, 유리 또는 투명 플라스틱 재료의 사용으로 인해 부분적으로 또는 완전히 투명하고, 이에 따라 커버의 제거 없이, 석회화 또는 먼지에 대한 냉각 채널의 규칙적인 검사가 가능하다.

캐비티 구조물과 연결하기 위한 관통 구멍을 제공함으로써, 비용-효율적이고 간단한 냉각액 회로를 생성할 수 있는데, 이는 관통 구멍은 관통 구멍의 개수를 감소시키기 위해 복수의 캐비티 구조물과 동시에 연결할 수 있기 때문이다. 관통 구멍의 개방 단부는 냉각액이 빠져나가는 것을 방지하기 위해 커버에 의해 용이하게 폐쇄될 수 있다. 이들 커버는 또한, 제거 가능하도록 제조될 수 있으며, 이로 인해 캐비티 구조물의 간단한 유지보수가 가능하다.

기계 공구는 캐비티 구조물을 갖는 컬럼 및 기계 베드를 가질 수 있고, 이들 캐비티 구조물은, 온도차를 보상하기 위해 냉각액이 컬럼 및 기계 베드의 캐비티 구조물을 통과할 수 있는 방식으로 서로 연통할 수 있다. 이 설계는 온도차의 다른 감소를 가능하게 하는데, 이는 냉각액이 컬럼의 캐비티 구조물로부터 기계 베드의 캐비티 구조물 내로 흐를 수 있고, 이로 인해 공통 회로를 형성할 수 있기 때문이다.

따라서, 냉각액 전체가 하나의 펌프만으로 순환할 수 있다. 특별한 예시적 실시 형태에서, 기계 베드 및/또는 컬럼은 특히 높은 감쇠 효과 및 높은 온도 안정성을 달성하기 위해 캐스트 광물로 구성될 수 있다. 캐스트 광물이 사용될 때, 기계 공구의 작동 동안 발생하는 진동은 회주철의 경우에서보다 6 내지 10배 더 빠르게 감쇠될 수 있다.

기계 공구의 기계 프레임은 회주철로 구성될 수 있다. 회주철은 예를 들어, 30 내지 60 W/(m·K)의 높은 열전도도를 추가로 가질 수 있다. 기계 공구의 수동 순환 온도 제어의 효율은 높은 열전도도를 갖는 회주철을 사용함으로써 추가로 증가된다. 또한, 캐스팅의 사용은 어떻든 제공되어야 하는 캐스팅 코어로 캐비티 구조물의 간단한 통합을 가능하게 한다. 캐스팅 코어의 천공은 추가적으로 상이한 캐비티 구조물들 사이의 접속부로서 제공될 수 있다. 이는 다른 시너지 효과를 달성하는 역할을 하며, 캐스팅이 생성될 때 어떻든 제공되어야 하는 코어 마크(코어 포지셔닝)가 캐비티 구조물의 연통 채널로서 사용된다. 이는 추가로, 기계 공구의 수동 순환 온도 제어의 비용을 감소시키고 효율을 증가시킨다.

기계 공구는 적어도 부분적으로 원형 및/또는 타원형 단면을 갖는 냉각 채널로서 설계되는 캐비티 구조물을 가질 수 있다. (예를 들어, 정사각형 단면 대신) 원형 또는 타원형 단면의 사용은 냉각 채널 내에서의 냉각액의 움직임 및/또는 유동을 용이하게 한다. 또한, 이에 따라 침전물이 형성될 수 있는 냉각 회로 내 지점의 개수를 감소시키기 위해 냉각 채널 내 모서리의 개수가 감소된다. 또한, 원형 또는 타원형 단면의 사용은 기계 프레임의 구조적 강도, 특히 비틀림 강성을 증가시킬 수 있다.

기계 공구는 코팅되는 캐비티 구조물을 가질 수 있다. 부식 및 조류(algae) 형성은 캐비티 구조물을 코팅함으로써 감소될 수 있다. 캐비티 구조물의 내부 코팅은 바람직하게는 화학적 니켈 코팅에 기초할 수 있다. 또한, 코팅은 또한 예를 들어, 완전한 층을 얻기 위해, 대기 플라즈마 용사 또는 전기 아크 용사를 사용하는 열용사를 통해 도포될 수 있다. 유리한 표면 조도 특징 및 얇은 층 두께는 열용사 동안 낮은 층 투과성에 의해 달성될 수 있다. 코팅된 캐비티 구조물의 보호층은 0.05 내지 1 mm에 이르고, 바람직하게는 0.1 내지 0.2 mm이며, 0.01 - 5 μm의 조도 값(Ra) 및 바람직하게는 0.03 - 0.09 μm를 갖는다. 서로의 상부에 배치되는 복수의 층도 이용 가능할 수 있다. 캐비티 구조물 내 냉각액 유동은 매끄러운 표면에 의해 현저히 용이하게 된다.

상기 냉각액에 더해, 기계 공구는 공정 냉각액으로 작동될 수 있다. 작업 공정을 직접 냉각하기 위한 공정 냉각액의 온도는 열교환기를 통해 냉각액의 온도와 정합될 수 있다. 온도차에서의 다른 감소는 온도 정합에 의해 가능하게 된다.

또한, 기계 공구는 플레이트 열교환기로서 설계되는 열교환기를 가질 수 있다. 플레이트 열교환기는 기계 공구에서의 평탄하고 공간을 절약할 수 있는 설치를 가능하게 한다.

캐비티 구조물 내 냉각액의 체적 유동을 조정하기 위한 펌프가 제공될 수 있고, 캐비티 구조물의 단면 및 펌프의 출력은 제1 섹션과 제2 섹션 사이에서 기계 프레임 내 냉각액의 최대 온도차가 작동 동안 5℃ 미만으로, 바람직하게는 2℃ 미만으로 제한되도록 하는 것으로 될 수 있다.

캐비티의 내부 표면은 제1 및 제2 섹션 내에서 (예를 들어, 40 l/min 미만의 순환 속도로) 천천히 순환되는 냉각액의 최대 온도차가 2℃ 미만이 되는 방식으로 치수설정될 수 있다. 따라서, 열-발생 기능성 구성요소의 최대 열에 따라, 캐비티의 내부 표면은 기계 공구의 작동 동안 균일한 온도 분포가 보장될 수 있는 방식으로 설계될 수 있다.

특별한 실시 형태에서, 냉각액을 수용하기 위한 캐비티 구조물의 체적(이른바, 캐비티 체적) 대 각각의 캐비티 구조물이 발견되는 각각의 프레임 구성요소의 체적(공간 체적)의 비는 바람직하게는 2:1 내지 3:1 (프레임 구성요소 체적 대 각각의 프레임 구성요소의 캐비티 구조물 체적)에 이른다. 따라서, 각각의 캐비티 구조물 체적은 프레임 구성요소의 체적보다 2배 이상 크다. 캐비티 구조물이 기계 프레임의 체적보다 2배 이상이기 때문에, 냉각액의 순환 속도를 높일 필요 없이 기계 프레임 내 내부 열전달을 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 구성요소의 온도차는 펌프 출력을 올릴 필요 없이 추가로 감소된다.

기계 공구는 안내면 및 드라이브에 더해 열-발생 기능성 구성요소로서 트랜스미션을 포함할 수 있다. 발생 기능성 구성요소에 대한 트랜스미션 및 결과적인 열 소멸의 고려로 인해, 트랜스미션을 갖는 기계의 경우에, 기계 프레임 내 온도차를 추가로 감소시키기 위해 트랜스미션의 열을 소멸시키는 것 또한 가능하다.

기계 베드의 캐비티 구조물은 안내면 아래에 평행하게 배치될 수 있고, 컬럼은 제2 영역만 가질 수 있다. 기계 베드 아래에 직렬 및 병렬로의 캐비티 구조물의 배치 및 컬럼 내 제2 영역의 동시적이고 전용적인 제공은 기계 베드로부터 냉각 컬럼으로의 효과적인 열소멸을 야기한다.

본 발명은 또한, 작동 동안 열을 발생하고, 냉각액이 순환하는 순환 회로를 형성하는 캐비티 구조물을 갖는 기계 프레임 상에 배치되는 기능성 구성요소를 갖는 기계 공구의 기계 프레임의 온도를 제어하기 위한 방법을 개시한다. 상기 방법은 제1 섹션으로부터 제2 섹션으로 그리고 그 반대로 순환 회로 내에서 냉각액을 순환시키는 단계 및 제1 섹션에서 냉각액을 통해 열을 흡수하는 단계 및 제2 섹션에서 열을 소멸시키는 단계를 포함하며, 냉각액은 전적으로 기계 프레임 내에서 열을 분포시킬 수 있다. 따라서, 냉동 기계를 사용하지 않고서, 기계 공구 프레임의 효과적인 온도 제어를 달성하는 것이 가능하다.

이와 관련하여, 상기 방법은 컬럼의 캐비티 구조물로부터 기계 베드의 캐비티 구조물로 그리고 그 역 또는 반대 방향으로 온도차를 보상하기 위한 냉각액을 순환시키는 추가 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 기계 공구 프레임의 효과적인 온도 제어를 달성하는 것이 가능하다.

상기 방법은 기계 프레임의 기계 베드의 캐비티 구조물의 제1 영역의 제1 섹션을 통해 냉각액을 펌핑하는 단계 및 기계 공구의 기계 부분의 컬럼의 캐비티 구조물의 제2 영역의 제2 섹션으로 그리고 그 반대로 냉각액을 펌핑하는 단계 및 추가 단계로서, 기계 포털의 크로스바의 캐비티 구조물의 제1 섹션으로 그 후 반대로 기계 포털의 컬럼의 캐비티 구조물의 제2 섹션으로 냉각액을 펌핑하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 온도차가 추가로 감소될 수 있기 때문에, 기계 공구 프레임의 효과적인 온도 제어를 달성하는 것이 가능하다.

작업 공정 동안 가공물의 기계가공 영역을 직접 냉각시킬 수 있는 공정 냉각액의 온도를 열교환기를 통해 냉각액의 온도와 정합시킴으로써, 온도차가 추가로 감소될 수 있기 때문에 기계 공구 프레임의 훨씬 더 효과적인 온도 제어를 달성하는 것이 가능하다.

상기 방법은 컬럼의 캐비티 구조물로부터 기계 베드의 캐비티 구조물로 그리고 그 반대로 냉각액을 순환시키는 단계 및/또는 컬럼의 캐비티 구조물로부터 크로스바의 캐비티 구조물로 그리고 그 반대로 냉각액을 순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 온도차가 추가로 감소될 수 있기 때문에 기계 공구 프레임의 효과적인 온도 제어를 달성하는 것이 가능하다.

기계 공구는 또한, 온도 센서를 포함할 수 있다. 온도 센서는 기계 프레임의 제1 및 제2 영역에 배치될 수 있고, 이에 따라 이들 영역 사이의 온도차가 모니터링될 수 있고, 측정된 온도의 함수로서 냉각액의 체적 유동을 제어하는 것이 가능하다. 체적 유동은 기능성 구성요소의 입력된 열에 따라 기계 프레임 내에서 (5℃ 및 바람직하게는 3℃ 그리고 가장 바람직하게는 2℃의) 최대 온도 구배가 달성될 수 있는 방식으로 펌프를 통해 제어될 수 있으며, 온도 구배는 제1 및 제2 영역에서 측정된 온도에 기초하여 치수설정되며, 이에 따라 기계 프레임의 변형은 고정밀도로 감소될 수 있다. 대안적으로 또는 부수적으로, 변형계를 통해 프레임의 변형을 측정하고 측정된 변형(특히, 비-균일 변형)에 기초하여 체적 유동을 제어하는 것이 가능하며, 이로 인해 비-균일 변형을 원하는 정도로 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 큰 기술적 노력 없이 기계 공구 상의 열변위의 생성이 감소되는 일반적인 유형의 기계 공구가 제공될 수 있다.

본 발명의 유리한 실시 형태 및 추가적인 상세가 개략적인 도면을 참조하여 상이한 예시적 실시 형태에 의해 이하에 기술된다. 기계 공구의 수동 순환 온도 제어는 개략적인 도면으로 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 기계 공구의 균일하게 가열된 슬라이드를 도시한다.
도 2는 기계 공구의 비-균일하게 가열된 슬라이드를 도시한다.
도 3은 기계 베드의 안내면 상의 비-균일하게 가열된 슬라이드를 도시한다.
도 4는 안내면을 따라 비-균일하게 가열된 슬라이드의 움직임을 도시한다.
도 5는 비-균일하게 가열된 기계 공구 모듈을 갖는 기계 공구를 도시한다.
도 6은 시간의 함수로서 축선 이동에 기초한 측정 지점의 변위를 도시한다.
도 7a는 복수의 슬라이드를 갖는 포털 기계를 도시한다.
도 7b는 포털 기계의 프레임의 확대 상세를 도시한다.
도 8a는 포털 기계의 컬럼을 가로지르는 섹션 A-A의 위치를 도시한다.
도 8b는 섹션 A-A를 도시한다.
도 9a는 포털 기계 상의 섹션 B-B의 위치를 도시한다.
도 9b는 섹션 B-B를 도시한다.
도 10은 전체 기계를 통과하는 냉각액의 경로를 도시한다.

기계 공구의 비-균일하게 가열된 구성요소의 효과를 예시하기 위해, 도 4는 안내면(3)을 따른 비-균일하게 가열된 슬라이드(1)의 개략적인 움직임을 도시한다. 비-균일하게 가열된 슬라이드(1)는 더 이상 직선 움직임을 보이지 않고 원호를 따라 이동한다. 도 4에서 슬라이드(1)의 점선 위치는 슬라이드(1)의 제2 최대 편향 위치를 나타내는 반면, 실선으로 도시된 슬라이드(1)의 예시는 다른 최대 위치에서 비-균일하게 변형된 공구 슬라이드를 도시한다. 비교를 위해, 미가열 슬라이드(1)가 도 4의 초기 위치에 도시되어 있다. 특히, 다양한 최대 위치에서 상기 슬라이드의 외측 에지에 의해, 슬라이드의 달성가능한 움직임 정확성에 대한 슬라이드(1)의 비-균일 가열의 효과도 잘 볼 수 있다. 따라서, 슬라이드(1)의 움직임 정확성은 기존의 온도차에 현저하게 영향을 받는다.

도 5는 비-균일하게 가열된 기계 공구의 변형의 일 예를 예시한다. 여기서, 도 5는 기계 공구의 2개의 비-균일하게 가열된 구성요소, 즉 헤드스톡(7) 및 종방향 슬라이드(8) 중 하나의 변형을 도시한다. 그러나, 여기서 본 발명은 도 5에 예시된 기계로 한정되지 않으며, 선반, 드로잉 머신, 기계식 프레스, 생산 기계 및 다중-스핀들 또는 다중-슬라이드 설계를 갖는 기계 공구와 같은 임의의 기계 공구에 대해 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 건식 기계가공 및 습식 기계가공 둘 모두가 가능하다.

도 5에 도시된 기계는 종방향 슬라이드(8)를 지지하고 기계 베이스(9) 상에 배치되는 컬럼(5)을 포함한다. 가공물이 위치될 수 있는 기계 테이블(10)이 경사형 안내면을 통해 기계 베이스(9)에 접속된다. 스핀들(6)을 구비한 헤드스톡(7)이 종방향 슬라이드(8)의 수직 안내면을 따라 안내된다. 도 5는 한편으로는, 냉각 상태의 기계 공구의 기본 위치를 예시한다. 기본 위치에서, 헤드스톡(7)도 종방향 슬라이드(8)도 변형되지 않는다. 이들 장치는 기본 위치에서 서로 직교한다. 스핀들(6)을 구비한 헤드스톡(7) 및 종방향 슬라이드(8)의 비-균일 가열의 경우에, 이들 구성요소의 비-균일 변형이 발생한다. 구성요소의 변형이 증대된다. 이는 도 5에 도시된 바와 같이 원호형 변형을 야기한다. 그러나, 상기 기계 공구 모듈의 변형은 설명을 위해 도 5에서 과장되어 있다.

기계의 모듈의 비-균일 가열의 효과는 특히, 기계 공구의 극단 위치에서 명백하게 된다. 이를 위해, 도 5는 한편으로는 제1 최대 위치를, 그리고 다른 한편으로는 제2 최대 위치를 도시한다. 기계 공구의 제1 최대 위치에서, 종방향 슬라이드(8)는 기계 테이블(10)의 방향으로 가능한 많이 연장되고, 헤드스톡(7)은 기계 테이블(10)의 방향으로 가능한 많이 수직 안내면을 따라 하강된다. 종방향 슬라이드(8) 및 헤드스톡(7)의 비-균일 변형이 증대된다. 제2 최대 위치는 상부 최대 위치에 대응한다. 이 위치는 종방향 슬라이드(8)가 컬럼(5)의 방향으로 가능한 많이 후퇴되어 있고, 헤드스톡(7)이 수직 안내면을 따라 최상부 위치에 있는 것을 특징으로 한다. 그러나, 종방향 슬라이드(8)의 변형 및 헤드스톡(7)의 변형은 이 상부 최대 위치에서 매우 작은 부분만이 증대된다.

특히 대형 돌출부, 즉 긴 이동을 갖는 기계의 경우에, 주요 열성장은 전술한 효과에 기인하고, 가공물 상에 남는 부정확성의 대부분을 이룬다.

도 6은 공구 팁에서의 편차의 지분을 도시하며, 상기 지분은 측정에 의해 결정된다. 기계의 이동 시의 편차가 표준화된다. 비록 측정된 변위는 -0.15 내지 0.3 %이지만, 이는 500 mm의 이동 시에는 약 -100 내지 150 μm에 이른다.

물론, 기술된 효과는 드라이브 및 가이드 요소 내의 마찰 및 결과적인 가열이 가속, 및 특히 최대 속도로 증가되기 때문에, 기계 공구의 동역학으로 인해 증가한다. 기계 운전 시간 및 비-생산 시간을 감소시켜 기계 축선의 동력학을 증가시킴으로써 기계가공 작동에 대한 단위 비용을 감소시키기 위한 시도가 오랜 기간 동안 이루어져 왔기 때문에, 기술된 효과는 모든 기계 세대에서 자동으로 증가한다. 일반적으로, 증가된 돌출부는 증가된 변위를 야기한다. 따라서, 공정 기계에서의 온도차의 형성은 대부분 열변위를 나타낸다. 이러한 경우에, 온도 레벨은 그 역할이 미미하다. 최대 기계가공 정확도에 대한 전제 조건은 구성요소가 소정의 정밀하게 설정된 온도를 갖는 기계뿐만 아니라, 구성요소 및 가공물이 동일한 온도 레벨을 갖는 기계에 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제1 실시 형태를 나타낸다. 여기서, 기계 공구의 프레임 구성요소에는 캐비티가 제공된다. 캐스트 구성요소의 경우에, 이는 대응하는 리빙(ribbing) 설계에 의해 달성된다. 캐비티는 한편으로는 안내 및 드라이브 요소가 수용되는 프레임 구성요소의 측면 상에, 그리고 다른 한편으로는 열이 공급되지 않는 프레임 구성요소의 각각 대향하는 측면 상에 배치되는 방식으로 배치된다. 적절한 경우에, 캐비티는 캐비티가 드라이브 측면 및 대향 측면 둘 모두에 대한 접속을 갖는 방식으로 설계될 수 있다. 모든 캐비티는 높은 열용량 및 우수한 열전도도를 갖는 유체로 충전된다. 이 유체는 저속으로 순환되고, 프레임 구성요소의 온도차는 유체의 순환에 의해 보상된다. 이는 프레임 구성요소 상의 온도차에 기인하여 생성되는 전술한 만곡을 멈추게 한다. 대응적으로 복수의 프레임 구성요소가 설계되는 경우에, 캐비티들은 서로 접속될 수 있고 유체는 하나의 펌프만에 의해 모든 캐비티를 통해 순환될 수 있다. 이는 기계 공구의 프레임에서의 온도차를 보상하기 위한 간단한 해결책이며, 추가적으로 기계 공구에서 발생하는 대부분의 열변위의 형성을 방지한다. 여기서, 기계 공구의 기계 프레임이 회주철로 제조되는 것이 바람직하며, 여기서 기계 프레임은 모든 지지 기계 부분의 총체를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 캐비티는 후에 저속으로 순환되는 다량의 냉각 유체를 수용하기 위해 큰 단면을 갖는다. 순환량은 바람직하게는 예를 들어, 기계 공구의 결과적인 열전도를 흡수하고 이에 따라 기계 프레임의 특히 균일한 온도 제어를 보장함과 동시에 펌프 출력을 가능한 낮게 유지하기 위해, 5 내지 50 리터/분(바람직하게는, 10 내지 40 리터/분)에 이른다. 30 kW의 파워 입력을 갖는 3-축 기계는 냉각액이 전적으로 기계의 “따뜻한” 측면 상에서 가열되지 않도록 대략 2 내지 6 kW의 열 출력을 순환 냉각에서 소멸시켜야 한다. 따라서, 약 50 내지 150 W의 열 출력이 설치된 출력 파워의 kW 당 기계 구조물에 공급된다. 본 경우에, 이는 기계 공구의 프레임 내 내부 열 보상에 의해서만 달성될 수 있다.

도 7a에 도시된 기계 공구는 안내면(3), 컬럼(6) 및 복수의 슬라이드를 포함한다. 이 도면은 한편으로는, 수직 축선을 따르는 움직임을 위한 슬라이드, Z-슬라이드(12), 및 다른 한편으로는 수평 축선을 따르는 움직임을 위한 슬라이드, X-슬라이드(11)를 도시한다. 스핀들(6)은 헤드스톡(7) 상에 배치되고, 헤드스톡은 컬럼(5)을 따라 Z-슬라이드(12) 및 안내면(3) 위로 안내된다. X-슬라이드(11)는 기계 베드(15)를 따라 안내면(3)을 통해 안내된다. 캐비티 구조물은 바람직하게는 이들이 결과적인 열을 직접 흡수하는 기계 공구의 가이드 및 드라이브 요소에 대한 접속 측면 근방에서 프레임 내에 직접 배치된다.

본 발명의 근원적인 접근법은 매우 기술적인 비용으로 기계 공구의 프레임 구성요소들을 소정의 온도로 유도함이 없이 기계 공구의 프레임 구성요소 상에 온도차의 생성을 중지시키는 것이다. 프레임 구성요소의 이에 따라 제공된 캐비티(13a, 13b)가 예를 들어, 도 7b에 도시되어 있다. 이들 캐비티의 일부(제1 섹션(13a)을 갖는 캐비티)는 우수한 열전도 및 높은 열용량을 갖는 캐비티 충전 매체와 열원 사이에 열 유동이 생성될 수 있는 방식으로 열원 인근에, 즉 안내면 또는 드라이브와 같은 열-발생 기능성 구성요소의 따뜻한 측면 상에 부착되는데, 이러한 열 유동을 통해 상기 매체는 열원으로부터 손실된 열을 흡수하여 이대로 가열된다. 캐비티의 다른 부분(제2 섹션(13b)을 갖는 캐비티; 차가운 측면)은 열원으로부터 멀어지는 방향을 향하는 프레임 구성요소의 차가운 측면 상에 배치되고, 또한 우수한 열 전도도 및 높은 열용량을 갖는 매체로 충전된다. 또한, 일부 캐비티는 냉각액(23)을 흡수하지 않는, 다시 말해 자유 캐비티(13c)일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 캐비티의 제1 및 제2 섹션(13a, 13b)이 캐비티 내에서 연대하여 배치되는 것도 가능하다. 기계 공구 프레임의 다양한 영역으로부터의 열은 본 발명에 의해 균형 잡히게 되고, 이에 따라 냉동 기계와는 독립적으로 기계 프레임의 온도가 조정된다. 결과적으로, 냉각액은 능동식으로 온도-제어될 뿐 아니라 기계 프레임을 떠남이 없이 기계 프레임의 캐비티를 통과함으로써 수동식으로 온도-제어된다. 따라서, 냉각액은 기계 프레임 내에서 열을 완전히 분포시킨다. 이와 관련하여, 기계 프레임의 따뜻한 측면 및 차가운 측면 상에서의 캐비티의 대칭 배치는 특히 유리하다. “따뜻한” 캐비티와 “차가운” 캐비티 사이의 거리가 서로로부터 멀어질수록, 프레임에서 얻게되는 온도 균형 효과는 더 우수해 진다. 따라서, 본 경우에는 고가의 압축기 또는 증발기 회로가 전혀 요구되지 않으며, 이에 따라 냉각액의 온도는 전적으로 기계 프레임에 의해 제어되거나, 냉각액은 전적으로 기계 프레임을 통해 열을 소멸시키거나 그리고/또는 흡수한다.

매체는 제1 및 제2 섹션(13a, 13b)을 갖는 이들 캐비티들 사이에서 일관되지만 천천히 순환되며, 이로써 따뜻한 측면 상에서 매체에 의해 흡수된 열은 차가운 측면으로 이동되며, 여기서 이 열은 프레임 구성요소의 주변 부분을 가열한다. 결과적으로, 따뜻한 측면과 차가운 측면 사이의 온도차는 균형잡히게 되거나 적어도 현저하게 감소된다. 따라서, 기계 프레임의 만곡 역시 방지되거나 현저하게 감쇠되며, 이는 이에 따른 열 변위에도 적용된다.

이 절차는 종종 기계 공구의 프레임 구성요소를 형성하기 위해 기계 프레임에 대해 사용되는 캐스트 또는 용접 부분이 어떻든 리브형 중공 본체로 제조되는 효과를 이용한다. 주어진 리빙(22)(리브 구조물)은 냉각액(23)을 수용하기 위한 원하는 캐비티를 생성하도록 조정된다. 경우에 따라 필요한 코어 홀은 커버에 의해 폐쇄된다. 이들 커버는 유지보수 작업의 경우에 캐비티에 대한 간단한 접근을 보장하기 위해 분리가능 방식으로 제조될 수 있다.

도 7b는 기계 프레임의 안내면 및 드라이브를 갖는 따뜻한 측면과 차가운 측면을 갖는 컬럼(5) 사이의 개략적인 열교환을 예시한다. 여기서, 어두운 화살표 기호는 냉각액 순환을 나타낸다. 도 7b는 기계 프레임의 내부에서의 리빙(22)을 추가로 예시한다. 여기서, 캐비티는 기계 프레임의 리빙(22)의 원래 형상을 사용한다. 이는 캐비티의 구성 및 배치에 대한 매우 간단한 옵션을 보장하는 역할을 한다.

주어진 리빙(22)은 한편으로는, 캐스트 부분에 캐비티를 형성하기 위해, 다른 한편으로는 프레임 구성요소의 강성 및 보강을 증가시키기 위해 사용된다. 캐비티는 물로 충전된다. 여기서, 물은 캐스트 부분의 상이한 측면의 온도의 균형을 맞추기 위해 캐비티들 사이에서 순환된다. 기계 프레임의 캐비티들로 물을 도입시키는 것은 추가적으로, 기계 프레임에 대한 감쇠 효과를 가지며, 이로 인해 기계의 기계가공 정확성이 추가로 증가될 수 있다.

도 8a는 2개의 가이드 블록을 갖는 포털 기계를 통한 교차 라인 A-A를 도시한다. 도 8b는 섹션 A-A를 도시한다. 여기서, 포털 기계의 2개의 수직 컬럼 바아(14)는 자체적으로 각각의 캐비티를 포함한다. 2개의 컬럼 바아(14)의 온도 제어는 포털 기계에서, 크로스바의 경사가 컬럼 바아(14)의 균일한 가열에 의해 보장되기 때문에, 특히 높은 기계가공 정확성을 나타낸다. 포털 기계의 기계가공 정확성에 있어서의 다른 증가는 컬럼 바아(14) 및/또는 전체 기계 프레임의 열 대칭 설계에 의해 달성될 수 있다. 여기서, 모든 안내면의 열 대칭 설계는 특히 유리하다.

프레임 구성요소를 생산하기 위해 비-금속성 재료, 예를 들어 캐스트 광물이 사용되는 경우에는, 대응하는 채널은 캐스팅 시 매립된다. 이들은 우수한 열전달을 달성하기 위해 삽입된 튜브에 대해 큰 단면이 선택되는 캐스트 광물의 능동 냉각에 대한 매우 잘 알려진 해결책과는 상이하다. 이어서, 능동적으로 냉각되지 않은 냉각액(23)은 이들 대형 캐비티 내로 충전되고 천천히 순환된다.

기계 공구의 특히 높은 기계가공 정확도는 기계 공구의 모든 프레임 구성요소에 냉각액을 안내하기 위한 캐비티가 제공될 때 얻어질 수 있다. 본 발명에 따라 기계의 프레임 구성요소 중 많은 구성요소에 상기 캐비티가 제공되고, 매체가 구성요소의 따뜻한 측면과 차가운 측면 사이에서 뿐 아니라 추가적으로 상이한 프레임 구성요소의 캐비티들 사이에서도 순환되는 경우에, 전체 기계 공구에 대해 온도차의 생성이 방지되거나 현저하게 감소될 수 있다. 냉각액은 폐쇄 회로에서 모든 프레임 구성요소를 통해 순환된다. 냉각액 시스템이 존재하는 경우에, 냉각액은 간단한 수단, 예를 들어 열교환기에 의해 공정 냉각액의 온도까지 상승될 수 있다.

기계 공구를 통한 또는 전체 기계를 통한 냉각액의 순환에 의한 온도 제어에 있어서, 체적 유동(바람직하게는 40 l/min 범위 내)은 따뜻한 측면 상에서만 비롯되는 열유동의 공급이 매체에서 그리고 이에 따라 구성요소에서 예를 들어, 2℃ 미만의 최소 온도 증가를 야기하는 방식으로 설계되어야 한다.

따라서, 수십 내지 수백 뉴턴의 마찰력은 각각의 선형 가이드 슈가 극복해야 하는 추정치로 상정될 수 있다. 이 마찰력은 가이드 슈의 크기, 가스킷, 바이어스 및 부하에 따른다. 마찰력에 이동 속도를 곱하면 마찰 마력이 구해진다. 따라서, 가이드 슈에 대한 마찰 마력은 50 m/min의 추정치의 경우 50 W 내지 200 W이다.

드라이브는 전기 에너지의 약 35%를 열로 변환하고, 열의 약 절반은 기계 구조물에 공급된다. 따라서, 설치된 구동 마력의 킬로와트 당 약 50 내지 150 W의 열 출력이 기계 구조물에 공급된다.

따라서, 30 kW의 파워 입력을 갖는 3-축 기계는 냉각액이 따뜻한 측면 상에서 과도하게 가열됨이 없이 순환 냉각에 의해 흡수되어야 하는 대략 2 내지 6 kW의 열 출력을 생성한다. 이 열 출력은 약 10 내지 40 l/min의 물 순환량으로 소멸될 수 있다.

도 9a는 기계 공구를 통한 섹션 B-B의 연장이다. 도 9b는 섹션 B-B를 예시한다. 여기서, 일 측면 상에서 안내면(3)을 통해 기계 베드(15)로 이동되는 열은 도 9b에 개략적인 냉각액 유동 화살표를 따라 캐비티를 통해 기계 베드(15)의 차가운 측면과 균형을 맞춘다. 여기서, 캐비티는 기계 베드(15)의 모델 및 균일한 가열을 생성하기 위해 선택된다. 따라서, 냉각액은 도 9b에서 중간 캐비티로 직접 공급되지 않는다. 기계 베드의 상부 측면 및 하부 측면의 균일한 온도 분포 또는 균일한 온도는 도 9b에 도시된 열 보상에 의해 달성된다.

도 10은 포털 기계를 도시하며, 여기서는 전체 기계를 통해 냉각액(23)을 순환시킴으로써 온도가 제어된다. 기계 프레임에서의 냉각액(23)의 경로가 도면을 통해 화살표를 사용하여 도시된다. 도 10의 포털 기계는 안내면(3)을 포함하고, 안내면은 기계 베드(15) 상에 배치된다. 기계 테이블(21)은 안내면(3)을 통해 기계 베드(15)에 접속된다. 도 10의 캐비티 구조물(16)은 코어 구멍으로서 제조된다. 이들 구멍은 부분적으로 천공으로서 제조된다. 전체 기계 프레임을 따른 캐비티 구조물(16) 또는 구멍의 균일한 배치로 인해 작동 동안 전체 기계 프레임의 가장 균일한 온도가 야기된다. 가능한 효과적인 기계의 생산 작업을 보장하기 위해서는, 기계 프레임 상 또는 기계 프레임의 모든 모듈 상의 상이한 구멍들이 예를 들어, 25 내지 140 mm 범위의 드릴의 동일한 코어 단면을 사용하는 것이 바람직하다. 기계 공구의 특히 균일한 가열을 생성하기 위해 구성요소 축선을 따라 캐비티 구조물(16)이 대칭적으로 배치되는 것이 특히 바람직하다. 여기서, 구성요소 축선은 클램핑된 구성요소가 안내면을 따라 이동될 수 있는 또는 클램핑된 구성요소가 기계가공될 수 있는 축선을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 축선은 안내면의 위치 및 드라이브 유닛의 위치 및 이동 방향에 따른다.

도 10의 기계는 크로스바(19), 지지부(20) 및 밀링 헤드(17)를 추가로 포함한다. 캐비티 내에서 냉각액을 순환시키기 위해 펌프가 배치되는 경우, 기계 포털(18) 또는 캐비티 구조물(16)의 형상도 고려될 수 있다. 따라서, 유리하게는 냉각액의 대류 유동이 사용될 수 있는 방식으로 순환 펌프를 배치하는 것이 가능하다.

도 10의 포털 기계는 기계 프레임의 리브 구조물과 함께 캐비티 구조물(16)을 생성하는 복수의 구멍을 포함한다. 제1 코어 구멍(24) 및 제2 코어 구멍(25)은 기계 포털(18)의 우측 및 좌측 표면 상에, 즉 기계 공구의 컬럼의 수직 바아 상에 배치되며, 평행하게 배향되며, 이에 따라 높은 열 보상을 달성하기 위해 특히 높은 정도로 순환 냉각액이 프레임을 통해 유동할 수 있다. 또한, 제1 코어 구멍(24) 및 제2 코어 구멍(25)은 기계 공구의 수평 구성요소 기계가공 축선에 평행하게 배치된다. 제1 코어 구멍(24) 및 제2 코어 구멍(25)은 기계 포털(18)의 좌측 표면으로부터 우측 표면으로, 또는 그 역으로 연장되며, 이에 따라 기계 공구의 베이스에 평행하거나 또한 크로스바(15)에 평행한다. 제3 코어 구멍(26)은 작업 스핀들의 축선을 따라 또는 지지부(20)의 이동 축선을 따라, 즉 기계 공구의 수직 방향으로 배치되는데, 이는 이에 따라 특별히 우수한 방식으로 스핀들에 의해 발생되는 열을 흡수하는 것이 가능하기 때문이다. 기계 포털(18)의 크로스바(19)는 추가적으로, 크로스바(19)의 종방향 축선을 따라 그리고 상기 종방향 축선에 평행하게 연장되는 제10 코어 구멍(38)을 포함한다. 수평 제9 코어 구멍은 기계 포털(18)의 전방 측면으로부터 후방 측면에 제공된다.

제4 코어 구멍(27) 및 제5 코어 구멍(28)이 기계 베드(15)의 우측 및 좌측 표면 상에 배치된다. 이들 코어 구멍은 기계 베드(15)를 통해 수평으로 그리고 크로스바(19)의 종방향 축선에 대해 평행하게 연장된다. 제4 코어 구멍(27) - 예시된 예시적 실시 형태는 제4 코어 구멍(27)의 5개의 보어를 도시함 -은 안내면(3) 및 그 위에 설치된 구성요소(도시되지 않음)의 생성 열을 흡수하기 위해, 기계 테이블(21)의 안내면(3) 바로 아래(수직 아래) 균일 거리에 배치된다. 제8 코어 구멍(31)은 기계 베드(15)의 하부 우측 및 좌측 코너 구역에 배치되고, 기계 공구의 베이스에 수평으로, 즉 평행하게 연장된다. 제8 코어 구멍(31)은 기계 공구의 안내면 또는 드라이브와 같은 열 발생 기능성 구성요소로부터 기하학적으로 가능한 멀리 이격되며, 이로써 기계 베드(15)의 영역의 균형을 잡거나 보상을 형성하며, 이로 인해 순환된 냉각액은 이들 영역에서 흡수된 열을 기계 베드의 보다 냉각된 영역 내로 소멸시킬 수 있다. 제8 코어 보어(31)는 바람직하게는 항상, 기계 공구 프레임의 구성요소의 최고 냉각 영역에 도달할 수 있도록, 그리고 가능한 균일하게 기계 공구 프레임을 가열할 수 있도록, 기계 공구 프레임의 구성요소의 외측 코너 구역에 배치된다.

제6 코어 구멍(29) 및 제7 코어 구멍(30, 33)은 기계 베드(15)의 전방측으로부터 기계 베드(15)의 후방측(도시되지 않음)으로 수평으로 안내되며, 이에 따라 기계 테이블(21)의 안내면(3)에 바로 인접하여 그리고 안내면에 평행하게 배치된다. 여기서, 제6 코어 구멍(29)은 조정식 열-발생 기능성 구성요소의 열을 가장 효율적인 방식으로 흡수하기 위해 특히 크게 제조된다. 모든 코어 구멍은 바람직하게, 제조 공정에서 프레임 구성요소를 빈번하게 재감쇠함이 없이, 몇몇의 적은 작업 단계로 기계 공구 프레임의 구멍의 간단한 생산성을 보장하기 위해 항상 직각으로 교차되는 방식으로 연장된다.

코어 구멍의 수평 배치는 냉각액이 특별히 용이한 방식으로 이들 구멍을 통해 펌핑될 수 있다는 이점을 갖는다. 본 명세서에서 코어 구멍으로 지칭되는 구멍은 또한, 관통 구멍 또는 막힌 구멍으로 제조될 수 있다. 코어 구멍 대신 천공도 가능하다. 관통 구멍의 경우에, 필요한 폐쇄체 커버에 간단하게 나사결합되고 캐비티 구조물(16)의 유지보수를 위해 상기 커버로부터 간단하게 나사결합 해제되도록, 관통 구멍의 외측 측면 상에 나사가공부가 제공될 수 있다.

냉각액은 기계 포털(18)의 컬럼으로부터 기계 베드 공급부(34)를 통해 기계 베드(15)의 최대 열 입력을 갖는 영역까지 바로 제6 코어 구멍(29)으로 공급된다. 이 공급은 기계 프레임의 (기계 프레임 또는 외측에 배치되는) 내부 또는 외부 보상 라인에 의해 실행될 수 있으며, 이는 냉각액에 대해 유동 화살표를 사용하여 도 10에 도시되어 있다. 코어 구멍은 또한, 이들이 보상 라인의 기능을 채택하는 방식으로 설계될 수 있으며, 그 결과 어떠한 추가 라인이 필요하지 않게 된다. 냉각액은 기계 베드(15)로부터 제1 컬럼 공급부(37)를 통해 기계 포털의 컬럼으로 공급된다. 기계 베드에서 가열된 냉각액은 다시 컬럼에서 열을 소멸시키고 컬럼을 가열한다. 다음 단계에서, 열을 소멸시킨 냉각액은 크로스바 공급부(36)를 통해 크로스바의 캐비티 구조물(16)로 공급된다. 크로스바에서, 냉각액은 안내면(3) 및 지지부(20)의 열을 흡수한다. 다음 단계에서, 냉각액은 제2 컬럼 공급부(36)를 통해 냉각액이 다시 열을 소멸시키는 기계 포털(18)의 컬럼으로 공급된다. 결과적으로, 회로는 다음 단계의 개시로부터 시작된다. 물론, 회로는 또한, 역 방식으로 작동될 수 있다. 여기서, 냉각액의 순환은 하나 또는 몇몇의 펌프에 의해 실행될 수 있다.

이들 전제 조건이 충족되면, 가장 간단한 수단에 의해 기계 구성요소의 온도 제어를 얻기 위한 본 발명에 따른 가능성이 존재한다. 요구되는 것은 단지 단순하고 일정하게 순환하는 순환 펌프이다. 고장 나기 쉬운 복잡한 제어가 방지된다. 능동 냉각 장치에서 흔한 것처럼 압축기 및 증발기 회로, 또는 열교환기 역시 방지될 수 있다. 무엇보다, 기계 구성요소들은 냉각되지 않겠지만, 구성요소 내 온도차의 생성이 방지될 것이다.

만약 기계가공 공정이 공정 냉각액에 의해 지지되면, 본 발명에 따라 기계 냉각액의 온도로 공정 냉각액의 온도를 조정하는 것이 유용하다. 이는 2개의 매체가 유동하는 콤팩트형 평판형 열교환기를 사용함으로써 비용-효율적이고 강건한 방식으로 달성될 수 있다.

기계 공구의 프레임 구성요소는 프레임 구성요소의 치수에 비해 현저하게 큰 단면 및 프레임 구성요소의 표면적에 비해 현저하게 큰 표면적을 갖는 캐비티를 포함하며, 이는 비-능동 온도 제어식 냉각액을 수용한다. 냉각액(23)은 프레임 구성요소의 드라이브 측면 상에서 흡수된 열의 양을 대향 측면으로 이동시키기 위해 이들 캐비티 사이에서 순환되며, 여기서 드라이브 측면과 이로부터 멀어지는 방향으로 대면하는 측면 사이에서의 현저하게 감소된 온도차로 전체적으로 높지만 일정한 온도 레벨로 조정하기 위해, 그리고 프레임 구성요소를 만곡하는 열 변형을 정지시키기 위해 열이 소멸된다. 이와 관련하여, 강성을 이유로 금속성 캐스트 또는 용접식 프레임 구성요소가 캐비티를 형성해야 하는 천연 리브 구조물을 사용하는 것이 가능하다. 열이 소멸될 수 있는 열-발생 기능성 구성요소는 예를 들어, 모터, 트랜스미션, 안내면, 또는 작동 동안 가열되는 다른 모듈이다.

본 특징, 구성요소 및 특정 상세는 요구되는 사용 목적에 따라 추가적인 실시 형태를 형성하기 위해 교환 및/또는 조합될 수 있다. 당업자의 지식에 포함되는 가능한 변형이 본 설명과 함께 내재적으로 개시되어 있다.

Claims (15)

1. 작동 동안 열을 발생시키는 기능성 구성요소가 배치되는 기계 프레임을 갖는 기계 공구로서, 상기 기계 프레임은 냉각액(23)이 기계 프레임 내측에서 순환되는 순환 회로를 형성하기 위한 캐비티 구조물(16)을 가지며,
   상기 기계 프레임은 열-발생 기능성 구성요소가 배치되는 제1 영역과 상기 제1 영역으로부터 이격되어 있는 제2 영역을 가지며, 이에 따라,
   상기 기능성 구성요소에 의해 생성되는 제2 영역 내 열 입력은 제1 영역 내 열 입력보다 작고, 상기 캐비티 구조물(16)은 제1 영역에 배치되는 제1 섹션(13a) 및 제2 영역에 배치되는 제2 섹션(13b)을 갖는, 상기 기계 공구에 있어서,
   상기 기계 프레임 내 캐비티 구조물(16)은 냉각액(23)이 제1 섹션(13a)으로부터 제2 섹션(13b)으로 순환될 때, 제1 영역과 제2 영역 사이에서 온도 보상이 이루어지도록, 기능성 구성요소에 의해 공급되는 열이 제2 영역 내로 소멸되는 방식으로 치수설정되는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
2. 제1항에 있어서,
   캐비티 구조물의 상기 제1 섹션(13a) 및 제2 섹션(13b)은 완전히 기계 프레임 내측에 배치되는 폐쇄 회로를 형성하고, 이에 따라 온도 보상은 냉동기의 사용 없이 기계 프레임을 통해서만 일어나는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
3. 제1항에 있어서,
   상기 캐비티 구조물(16)은 적어도 부분적으로 기계 프레임의 리브 구조물(22)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각액(23)은 전적으로, 제1 섹션(13a)으로부터 제2 섹션(13b)으로 기계 프레임을 통한 열 유동으로 인해 온도 제어되는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 기계 공구는 포털 기계로서 설계되고, 기계 프레임은 기계 베드(15) 및 컬럼(5)으로 구성되며, 열-발생 기능성 구성요소는 드라이브 및 안내면(3)으로 구성되고, 제1 및 제2 섹션(13a, 13b)은 기계 베드(15)에 그리고/또는 컬럼(5)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
6. 제1항에 있어서,
   상기 기계 프레임은 기계 베드(15) 및 컬럼(5)으로 구성되고, 상기 기계 베드(15) 및 컬럼(5)은 캐비티 구조물(16)을 가지며, 상기 캐비티 구조물(16)은, 온도차의 보상을 위해, 냉각액(23)이 컬럼(5)의 캐비티 구조물(16)로부터 기계 베드(15)의 캐비티 구조물로 그리고 그 반대로 또는 그 역으로 흐르는 방식으로 서로 연통하는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 캐비티 구조물(16)의 제1 섹션(13a)은 관통 구멍을 통해 캐비티 구조물(16)의 제2 섹션(13b)에 접속되고, 상기 관통 구멍의 개구부는 커버에 의해 기계 프레임의 외측 표면 상에서 폐쇄되는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   작업 공정 동안 가공물의 기계가공 영역을 직접 냉각시키는 공정 냉각액의 온도를 냉각액(23)의 온도와 정합시키도록 조정되는 열교환기가 제공되는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각액(23)의 체적 유동을 조정하기 위한 펌프가 캐비티 구조물(16)의 내측에 제공되고, 상기 펌프의 출력 및 캐비티 구조물(16)의 단면은 상기 제1 섹션(13a)과 제2 섹션(13b) 사이에서의 냉각액(23)의 최대 온도차가 작동 동안 5℃ 미만으로 조정될 수 있는 방식으로 조정되는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
10. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 기계 베드(15)의 상기 캐비티 구조물(16)은 상기 안내면(3) 아래에 평행하게 배치되고, 상기 컬럼(5)은 제2 영역만 갖는 것을 특징으로 하는, 기계 공구.
11. 작동 동안 열을 발생시키는 기능성 구성요소를 갖는 기계 공구의 기계 프레임의 온도를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 기능성 구성요소는 냉각액(23)이 순환되는 순환 회로를 형성하는 캐비티 구조물(16)을 갖는 기계 프레임 상에 배치되며,
    상기 기계 프레임은 제1 영역과 상기 제1 영역으로부터 이격되어 있는 제2 영역을 가지며, 제2 영역에 입력된 열은 제1 영역에 입력된 열보다 적고, 상기 캐비티 구조물(16)은 제1 영역에 배치되는 제1 섹션(13a) 및 제2 영역에 배치되는 제2 섹션(13b)을 갖는, 상기 방법에 있어서,
    전적으로 상기 기계 프레임 내측에서, 제1 섹션(13a)으로부터 제2 섹션(13b)으로 냉각액(23)을 순환시킴으로써, 제1 영역과 제2 영역 사이에서의 온도 강하를 보상하는 단계를 특징으로 하는 방법.
12. 제10항에 따른 기계 공구의 기계 프레임의 온도를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 기계 프레임은 기계 베드(15) 및 컬럼(5)으로 구성되고, 상기 기계 베드(15) 및 컬럼(5)은 캐비티 구조물(16)을 포함하는, 상기 방법에 있어서,
    상기 컬럼(5)의 캐비티 구조물(16)로부터 상기 기계 베드(15)의 캐비티 구조물(16)로 그리고 그 반대로 또는 그 역으로, 온도차를 보상하기 위한 냉각액(23)을 순환시키는 단계를 특징으로 하는 방법.
13. 제10항에 따른 기계 공구의 기계 프레임의 온도를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    제1 단계에서, 상기 냉각액(23)이 기계 프레임의 기계 베드(15)의 캐비티 구조물(16)의 제1 섹션(13a)을 통해 펌핑되고,
    제2 단계에서, 상기 냉각액(23)이 기계 공구의 기계 포털(18)의 컬럼(5)의 캐비티 구조물(16)의 제2 섹션(13b) 내로 그리고 그 반대로 펌핑되며,
    추가 단계에서, 상기 냉각액(23)이 기계 포털(18)의 크로스바(19)의 캐비티 구조물(16)의 제1 섹션(13a) 내로 펌핑된 후, 반대로 기계 포털(18)의 컬럼의 캐비티 구조물(16)의 제2 섹션(13b) 내로 펌핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 기계 공구의 기계 프레임의 온도를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    작업 공정 동안 가공물의 기계가공 영역을 열교환기를 통해 냉각액(23)의 온도까지 직접 냉각시키는 공정 냉각액의 온도를 조정하는 단계를 특징으로 하는 방법.
15. 제10항에 따른 기계 공구의 기계 프레임의 온도를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 기계 프레임은 기계 베드(15), 크로스바(19) 및 컬럼(5)으로 구성되는, 상기 방법에 있어서,
    상기 컬럼(5)의 캐비티 구조물(16)로부터 상기 기계 베드(15)의 캐비티 구조물(16)로 그리고 그 반대로 냉각액을 순환시키는 단계, 및/또는
    상기 컬럼(5)의 캐비티 구조물(16)로부터 상기 크로스바(19)의 캐비티 구조물(16)로 그리고 그 반대로 냉각액을 순환시키는 단계를 특징으로 하는 방법.

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