WO2016143838A1

WO2016143838A1 - 工作機械の主軸冷却方法及び工作機械

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Publication number: WO2016143838A1
Application number: PCT/JP2016/057491
Authority: WO
Inventors: 真吾中村
Original assignee: 三菱重工工作機械株式会社
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2016-09-15
Also published as: US20180043491A1; JP6349276B2; US10766112B2; CN107405745A; JP2016165770A

Abstract

　省エネルギー化を図りつつ、主軸の熱変形を抑制することができる工作機械の主軸冷却方法及び工作機械を提供する。そのため、主軸（１２）を回転可能に支持するハウジング（１１）内に、主軸冷却装置（１８）によって冷却された冷却油を循環供給させることにより、主軸（１２）の回転に伴って発熱する軸受（１３）及び主軸回転用モータ（１４）を冷却するようにした工作機械の主軸冷却方法であって、主軸（１２）の回転数が所定回転数以下で、且つ、温度センサ（１５，１６）によって検出された軸受（１３）及び主軸回転用モータ（１４）の温度が所定温度以下となるときに、主軸冷却装置（１８）の駆動を停止させて、冷却油を供給しないようにする。

Description

工作機械の主軸冷却方法及び工作機械

　本発明は、主軸を冷却してその熱変形を抑えるようにした工作機械の主軸冷却方法及び工作機械に関する。

　一般的に、工作機械においては、主軸を複数の軸受を介してハウジング内に回転可能に支持すると共に、その主軸をモータの駆動によって回転可能としている。これにより、工作機械の運転が開始されると、モータが回転駆動したり、軸受が回転したりするため、それら自身が発熱する。そして、それらに発生した熱が主軸に伝達されることによって、主軸に熱変形（熱膨張）を引き起こしてしまう。このように、主軸に熱変形が生じると、この主軸に装着された工具の刃先位置が変位してしまうため、加工精度に大きな影響を与えることになる。

　そこで、従来から、工作機械には、主軸を冷却するための主軸冷却装置が設けられている。この主軸冷却装置においては、冷却油を主軸の周囲に循環供給させることにより、主軸を冷却すると共に、その循環途中の冷却油を冷媒ガスとの間で熱交換させることにより、その冷却油の温度を所定温度に保持するようにしている。そして、このような、工作機械の主軸冷却装置としては、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００１－３００８３４号公報

　ここで、従来の主軸冷却装置は、冷却油を循環させるためのポンプ、冷媒ガスを圧縮させるための圧縮機、冷媒ガスを放熱させるためのファン等を備えており、それらは、それぞれ個別のモータの駆動によって作動する。このとき、各モータは、一定の回転数で制御されるものや、回転数を負荷の大きさに応じてインバータ制御されるものがあるが、従来の主軸冷却装置においては、それらのモータのうち、少なくともいずれか１つのモータが、工作機械の運転と共に常に駆動している。

　つまり、工作機械の運転が開始されると、これに伴って、主軸冷却装置の駆動も開始されることになり、工作機械の運転が停止されるまで、主軸冷却装置の駆動も停止されることはない。このため、従来の主軸冷却装置においては、主軸の温度が、それほど高くなく、加工精度に影響を与えない程度の温度であっても、いずれかのモータが常に駆動することになり、必要以上に電力を消費してしまうおそれがある。

　従って、本発明は上記課題を解決するものであって、省エネルギー化を図りつつ、主軸の熱変形を抑制することができる工作機械の主軸冷却方法及び工作機械を提供することを目的とする。

　上記課題を解決する第１の発明に係る工作機械の主軸冷却方法は、
　主軸を回転可能に支持するハウジング内に、主軸冷却装置によって冷却された冷却液を循環供給させることにより、前記主軸の回転に伴って発熱する発熱源を冷却するようにした工作機械の主軸冷却方法であって、
　前記主軸の回転数が所定回転数以下で、且つ、温度検出手段によって検出された発熱源の温度が所定温度以下となるときに、前記主軸冷却装置の駆動を停止させて、冷却液を供給しない
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第２の発明に係る工作機械の主軸冷却方法は、
　前記主軸冷却装置における駆動と駆動停止との間の切り替えを、駆動または駆動停止に切り替えてから一定時間経過後まで行わない
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第３の発明に係る工作機械は、
　ハウジング内に複数の軸受を介して回転可能に支持される主軸と、
　前記主軸を回転させる主軸回転用モータと、
　冷却液を前記ハウジング内に循環供給させることにより、前記主軸の回転に伴って発熱した前記軸受及び前記主軸回転用モータを冷却する主軸冷却装置と、
　前記軸受の温度及び前記主軸回転用モータの温度のうち、少なくともいずれか１つの温度を検出する温度検出手段と、
　前記主軸の回転数が所定回転数以下で、且つ、前記温度検出手段によって検出された温度が所定温度以下となるときに、前記主軸冷却装置の駆動を停止させる制御装置とを備える
　ことを特徴とする。

　従って、本発明に係る工作機械の主軸冷却方法及び工作機械によれば、主軸の回転数が所定回転数以下で、且つ、温度検出手段によって検出された温度が所定温度以下となるときに、主軸冷却装置の駆動を停止させて、冷却液を供給しないことにより、主軸冷却装置の省エネルギー化を図りつつ、主軸の熱変形を抑制することができる。

本発明の一実施例に係る主軸冷却方法が適用される工作機械の概略構成図である。本発明の一実施例に係る主軸冷却方法を説明するフローチャートである。主軸冷却装置における消費電力の時間的変化を示したタイムチャートである。

　以下、本発明に係る工作機械の主軸冷却方法及び工作機械について、図面を用いて詳細に説明する。

　図１に示すように、工作機械における主軸ヘッドのハウジング（機械本体）１１内には、主軸１２が複数の軸受１３を介して回転可能に支持されている。そして、主軸１２の主軸径方向外側には、主軸回転用モータ１４が設けられている。従って、主軸回転用モータ１４を駆動させることにより、主軸１２を回転させることができる。

　また、複数の軸受１３のうち、少なくともいずれか１つの軸受１３には、温度センサ（温度検出手段）１５が付設されており、主軸回転用モータ１４には、温度センサ（温度検出手段）１６が付設されている。

　つまり、主軸回転用モータ１４を駆動させることにより、主軸１２が回転することになり、この主軸１２の回転に伴って、主軸１２を回転させるための主軸回転用モータ１４だけでなく、主軸１２を回転可能に支持する軸受１３においても、発熱することになる。そして、このように、発熱源となる軸受１３及び主軸回転用モータ１４には、それらの温度を検出するための温度センサ１５，１６が付設されている。

　更に、ハウジング１１内には、円筒状をなす冷却ジャケット１７が、軸受１３及び主軸回転用モータ１４の主軸径方向外側に設けられている。この冷却ジャケット１７の中空内部には、冷却油（冷却液）が循環供給されるようになっている。

　これに対して、工作機械には、主軸冷却装置１８が設けられている。この主軸冷却装置１８は、冷却油供給管１８ａ及び冷却油戻し管１８ｂを備えており、これらの冷却油供給管１８ａ及び冷却油戻し管１８ｂは、冷却ジャケット１７の中空内部と連通している。

　つまり、主軸冷却装置１８は、冷却油を、冷却油供給管１８ａ及び冷却油戻し管１８ｂを介して、冷却ジャケット１７内に循環供給させることにより、軸受１３及び主軸回転用モータ１４を冷却し、これらの軸受１３及び主軸回転用モータ１４を介して、主軸１２を間接的に冷却するようになっている。これにより、主軸１２は、軸受１３及び主軸回転用モータ１４の発熱に起因する熱変形（熱膨張）が抑制されることになる。

　このとき、冷却油供給管１８ａ内を流れる冷却油は、その冷却油供給管１８ａの途中部分に設けられた熱交換器において、冷媒ガスとの間で熱交換を行って、所定温度に保持された後、冷却ジャケット１７内に流入するようになっている。

　従って、主軸冷却装置１８は、冷却油供給管１８ａに設けられた供給用ポンプ（吐出ポンプ）や、冷却油戻し管１８ｂに設けられた戻し用ポンプ（吸込みポンプ）を備えるだけでなく、冷媒ガスを循環させるための冷媒ガス循環通路、冷媒ガスを圧縮させるための圧縮機、及び、冷媒ガスを放熱させるためのファン等を備えている。そして、各ポンプ、圧縮機、及び、ファンは、それぞれ個別のモータの駆動によって作動する。

　また、工作機械には、当該工作機械を統合的に制御するＮＣ装置（制御装置）１９が設けられている。このＮＣ装置１９には、ワーク形状、工具径、切り込み量、送り速度、主軸回転数、重切削、軽切削等の加工条件が入力可能となっており、主軸回転用モータ１４、温度センサ１５，１６、及び、主軸冷却装置１８の各モータ等が接続されている。つまり、ＮＣ装置１９は、主軸回転用モータ１４及び主軸冷却装置１８を、加工条件に応じて駆動制御するようになっており、温度センサ１５，１６は、検出した温度をＮＣ装置１９に出力可能となっている。

　そこで、ＮＣ装置１９は、工作機械の運転時において、主軸１２の回転数、軸受１３の温度、及び、主軸回転用モータ１４の温度に応じて、主軸冷却装置１８を駆動制御するようになっている。そして、その駆動制御の中でも、主軸１２の回転数が所定回転数以下で、且つ、温度センサ１５，１６によって検出された軸受１３及び主軸回転用モータ１４の温度が所定温度以下となる場合には、主軸冷却装置１８の省エネモードとして、主軸冷却装置１８における全てのモータの駆動を停止させるようにしている。

　例えば、主軸１２の最高回転数が６０００min-1 である工作機械においては、主軸１２の回転数が１０００min-1 以下で、且つ、温度センサ１５，１６によって検出された温度が５０℃以下となる場合には、主軸１２の発熱量や熱変形量が、非常に小さく、加工精度の低下や主軸１２の破損（機械破損）に繋がらないと考えられるため、主軸冷却装置１８における全てのモータの駆動を停止させる。このように、主軸１２の回転数、軸受１３の温度、及び、主軸回転用モータ１４の温度に応じて、主軸冷却装置１８の駆動を制御することにより、主軸冷却装置１８の省エネルギー化を図りつつ、主軸１２の熱変形を抑制することができる。

　つまり、主軸１２の回転数のみを使用して、主軸冷却装置１８を駆動制御することも可能ではあるが、主軸１２の回転数が同じであっても、重切削と軽切削とでは、主軸１２の発熱量（軸受１３及び主軸回転用モータ１４の発熱量）が、大きく異なる。このため、主軸冷却装置１８を駆動制御する際には、主軸１２の回転数だけでなく、主軸１２の熱変形の要因となる軸受１３及び主軸回転用モータ１４の温度も使用する必要がある。

　なお、重切削とは、切り込み量、送り速度、及び、工具径等が、比較的大きくなる切削加工のことである。一方、軽切削とは、回転数、切り込み量、送り速度、及び、工具径が、比較的小さくなる切削加工のことである。

　これにより、主軸１２の回転数が所定回転数以下となる低速回転時であっても、重切削となる場合には、温度センサ１５，１６によって検出された軸受１３及び主軸回転用モータ１４の温度を監視しておけば、加工精度の低下及び主軸１２の破損を防止することができる。

　また、軸受１３及び主軸回転用モータ１４の温度が所定温度以下となる低温時であっても、重切削となる場合には、軸受１３の温度や、主軸回転用モータ１４の温度が、主軸１２の回転数の変化に即座に追従しないため、主軸１２の回転数を監視しておけば、加工精度の低下及び主軸１２の破損を防止することができる。

　更に、主軸１２の回転数が所定回転数以下で、且つ、温度センサ１５，１６によって検出された軸受１３及び主軸回転用モータ１４の温度が所定温度以下となる場合を、主軸冷却装置１８の駆動停止状態としているため、その駆動停止状態と駆動状態との間の境界で、主軸１２の回転数や、検出された軸受１３及び主軸回転用モータ１４の温度が安定しないときがある。これにより、回転数や温度の僅かな変化に応じて、主軸冷却装置１８を駆動制御すると、冷却及び冷却停止を適切に行うことができなくなるだけでなく、騒音や装置の故障を招くおそれがある。

　そこで、主軸冷却装置１８における駆動制御の切り替え、即ち、主軸冷却装置１８に対する駆動と駆動停止との間の切り替えは、駆動または駆動停止に切り替えてから一定時間経過後まで、行われないようになっている。これにより、冷却性能の調整を安定して行うことができると共に、騒音や装置の故障を防止することができる。

　なお、上述した実施形態においては、発熱源となる軸受１３及び主軸回転用モータ１４の温度を検出して、その検出した双方の温度を、主軸冷却装置１８の駆動制御に用いているが、軸受１３及び主軸回転用モータ１４の温度のうち、少なくともいずれか１つの温度を用いるようにしても構わない。

　また、温度センサの設置位置としては、主軸１２の破損防止に重点を置く場合には、上述した実施形態のように、温度センサ１５，１６を軸受１３及び主軸回転用モータ１４に付設すれば良く。一方、機械本体（ハウジング１１）の熱変形防止に重点を置く場合には、温度センサをハウジング１１内に設ければ良い。

　次に、主軸冷却装置１８の駆動制御について、図２及び図３を用いて詳細に説明する。

　図２に示すように、先ず、ステップＳ１において、省エネモードが設定されたか否かが判定される。ここで、省エネモードが設定された場合には、ステップＳ２に進む。一方、省エネモードが設定されなかった場合には、ステップＳ６に進む。

　次いで、ステップＳ２において、主軸１２の回転数が所定回転数以下であるか否かが判定される。ここで、主軸１２の回転数が所定回転数以下である場合には、ステップＳ３に進む。一方、主軸１２の回転数が所定回転数を超えている場合には、ステップＳ６に進む。

　そして、ステップＳ３において、温度センサ１５によって検出された軸受１３の温度が、所定温度以下であるか否かが判定される。ここで、軸受１３の温度が所定温度以下である場合には、ステップＳ４に進む。一方、軸受１３の温度が所定温度を超えている場合には、ステップＳ６に進む。

　次いで、ステップＳ４において、温度センサ１６によって検出された主軸回転用モータ１４の温度が、所定温度以下であるか否かが判定される。ここで、主軸回転用モータ１４の温度が所定温度以下である場合には、ステップＳ５に進む。一方、主軸回転用モータ１４の温度が所定温度を超えている場合には、ステップＳ６に進む。

　そして、ステップＳ５において、主軸冷却装置１８における全てのモータの駆動が停止され、その後、処理が続けられる。また、ステップＳ６において、主軸冷却装置１８における全てのモータが駆動され、その後、処理が続けられる。

　以上のように、主軸１２の発熱量が少なくなる場合に、省エネモードを実行すると、主軸冷却装置１８における全てのモータの駆動が停止されるため、主軸冷却装置１８の省エネルギー化を図ることができる。

　この点について、図３を用いて説明する。なお、図３は、主軸冷却装置１８における消費電力の時間的変化を示すものであって、本発明に係る主軸冷却方法を採用したときの消費電力を、実線で示す一方、従来の主軸冷却方法を採用したときの消費電力を、破線で示している。

　つまり、図３に示すように、本発明に係る主軸冷却方法においては、主軸１２の発熱量が多くなる高負荷時に、主軸冷却装置１８における全てのモータを駆動させる一方、主軸１２の発熱量が少なくなる低負荷時に、主軸冷却装置１８における全てのモータの駆動を停止させる、省エネモードを実行するようにしている。

　これにより、高負荷時においては、本発明に係る主軸冷却方法と、従来の主軸冷却方法との間に、消費電力の大きさに違いが無いものの、低負荷時においては、本発明に係る主軸冷却方法と、従来の主軸冷却方法との間に、消費電力の大きさに大きな差が生じる。即ち、本発明に係る主軸冷却方法においては、低負荷時に省エネモードを実行して、主軸冷却装置１８の駆動を停止させることにより、当該主軸冷却装置１８の消費電力を０kwにすることができる。従って、本発明によれば、主軸冷却装置１８の省エネルギー化を図りつつ、主軸１２の熱変形を抑制することができる。

　本発明に係る工作機械の主軸冷却方法は、冷却性能を切り替え可能として、主軸の過冷却を防止することができるため、省エネルギー化において、極めて有益に利用することができる。

　１１　ハウジング、１２　主軸、１３　軸受、１４　主軸回転用モータ、１５，１６　温度センサ、１７　冷却ジャケット、１８　主軸冷却装置、１８ａ　冷却油供給管、１８ｂ　冷却油戻し管、１９　ＮＣ装置

Claims

　主軸を回転可能に支持するハウジング内に、主軸冷却装置によって冷却された冷却液を循環供給させることにより、前記主軸の回転に伴って発熱する発熱源を冷却するようにした工作機械の主軸冷却方法であって、
　前記主軸の回転数が所定回転数以下で、且つ、温度検出手段によって検出された発熱源の温度が所定温度以下となるときに、前記主軸冷却装置の駆動を停止させて、冷却液を供給しない
　ことを特徴とする工作機械の主軸冷却方法。
　請求項１に記載の工作機械の主軸冷却方法において、
　前記主軸冷却装置における駆動と駆動停止との間の切り替えを、駆動または駆動停止に切り替えてから一定時間経過後まで行わない
　ことを特徴とする工作機械の主軸冷却方法。
　ハウジング内に複数の軸受を介して回転可能に支持される主軸と、
　前記主軸を回転させる主軸回転用モータと、
　冷却液を前記ハウジング内に循環供給させることにより、前記主軸の回転に伴って発熱した前記軸受及び前記主軸回転用モータを冷却する主軸冷却装置と、
　前記軸受の温度及び前記主軸回転用モータの温度のうち、少なくともいずれか１つの温度を検出する温度検出手段と、
　前記主軸の回転数が所定回転数以下で、且つ、前記温度検出手段によって検出された温度が所定温度以下となるときに、前記主軸冷却装置の駆動を停止させる制御装置とを備える
　ことを特徴とする工作機械。