JP2013169641A

JP2013169641A - 精密工作機械

Info

Publication number: JP2013169641A
Application number: JP2012037304A
Authority: JP
Inventors: Norio Yamanishi; 西紀男山; Hiroshi Uchimura; 村浩内
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-09-02

Abstract

【課題】環境温度の変化を最も受け易い門形コラムに追加設備を必要とせずにしかも効果的に安定させることのでき、劣悪な環境下であっても超精密加工を実現できるようにする。
【解決手段】ベッド１０の左右に立設されたコラム１５にクロスレール１６が水平に架け渡された門形コラム１４を有し、左右のコラム１５の間に前後方向に移動可能にテーブル１２を設置し、クロスレール１６にサドル１７を左右方向に移動可能に設け、サドル１７には上下方向に移動可能な主軸を有する主軸頭２０が設けられた門形精密工作機械であって、門形コラム１４は、温度管理された冷却水の貯蔵槽を形成する貯蔵空間が仕切られた内部構造を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、精密工作機械に係り、特に、レンズなどの光学部品を成形する金型を超精密加工する精密工作機械に関する。

近年、高度の加工精度を必要する部品、例えば、光学関連機器の反射鏡やレンズなどを成形する精密金型を高精度に加工する立形、横形、門形の精密工作機械や、あるいは旋盤などの精密工作機械が開発されるようになっている。

例えば、門形工作機械を例に説明すると、門形工作機械は、ベッドの両側に立設されたコラムにクロスレールが水平に架け渡された門形のコラムを有する工作機械である。左右のコラムの間にテーブルが設けられ、クロスレールには、主軸頭を保持したサドルが移動可能に設けられている。

従来の門形工作機械は、大型、長尺のワークの加工を行う大型の工作機械が一般的であったが、近年では、高精度の加工を行う小型の門形精密工作機械が開発されている。この門形精密工作機械によって、精密機械関連の精密部品や光学関連機器の部品製造に使用する精密金型が加工されている。

例えば、反射鏡やレンズなどの光学部品の成形に使用する金型を門形精密工作機械で加工する場合、金型表面を高精度の鏡面に加工するには、サブミクロンあるいはナノメータオーダの超精密レベルの精度が要求される。このような高精度の鏡面をもつ金型を加工する場合には、加工仕上げ時間は必然的に長くなるので、加工開始から加工終了までの間の環境の温度変化が加工精度に影響しないようにする必要がある。同様の必要性は、立形や横形の精密工作機械や旋盤にも生じる。

一般的に工作機械では、モータや案内面の発熱や室温変動により、ベッドやコラムに熱変形が生じるので、熱変形対策として冷却水の流れる配管をコラムやベッドに設けることが行われている。例えば、コラムを冷却する従来技術としては、例えば、特許文献１、２に記載されたコラム冷却構造を挙げることができる。

特開平５−３０９５３６号公報特開平６−１２６５６４号公報

例えば、門形精密工作機械や立形精密工作機械の場合、工具の切り込み方向（Ｚ軸）は、コラムと同じ鉛直方向にあり、コラムが温度変動の影響を受けて熱変形すると、加工精度はたちまち低下してしまい、鏡面のような超精密加工をすることができなくなる。

従来、精密工作機械は、他の加工機と同様に、軸を駆動するモータや案内面等の発熱部に対して冷却水を供給する冷却装置を備えており、冷却水の一部をコラム内で循環させることも行われているが、コラムの一部分しか冷却することができないため、超精密加工の場合にはその効果は薄かった。

この問題を解決するために、精密工作機械を恒温室に設置したり、機械を囲むカバー内の温度を制御しているが、これらの設備は非常に高価になるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、環境温度の変化を最も受け易いコラムや主軸頭を追加設備を必要とせずにしかも効果的に安定させることのでき、劣悪な環境下であっても超精密加工を実現できるようにした精密工作機械を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、ベッドの左右両側に立設されたコラムにクロスレールが水平に架け渡された門形コラムを有し、前記のコラムの間に前後方向に移動可能にテーブルを設置し、前記クロスレールにサドルを左右方向に移動可能に設け、前記サドルには上下方向に移動可能な主軸を有する主軸頭が設けられた門形精密工作機械において、前記門形コラムは、温度管理された冷却水の貯蔵槽を形成する貯蔵空間が仕切られた内部構造を有することを特徴とするものである。

また、本発明は、ベッド上に前後方向に移動可能にテーブルを設置し、ベッド上に立設される１つのコラムに上下方向に移動可能な主軸頭が設けられた立形または横形の精密工作機械において、前記コラムは、温度管理された冷却水の貯蔵槽を形成する貯蔵空間が仕切られた内部構造を有することを特徴とするものである。

本発明が適用される門形精密工作機械を示す斜視図である。門形精密工作機械の門形コラムの正面図である。図２に示した門形コラムの縦断面図である。門形精密工作機械の冷却水系統の系統図である。内部に冷却水貯蔵区画を有する主軸頭の断面を示す図である。内部に冷却水貯蔵区画を有するベッドの断面を示す図である。本発明が適用される横形精密工作機械を示す側面図である。

以下、本発明による精密工作機械の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１は、本発明が適用される門形精密工作機械を示す。図１において、参照番号１０は、ベッドを示す。このベッド１０の上には、案内面１１にそって前後方向に移動可能にテーブル１２が設置されている。参照番号１４は、門形コラムの全体を示している。この門形コラム１４は、テーブル１２の左右に配置され鉛直に立ち上がっているコラム１５と、このコラム１５、１５間に水平に架け渡されたクロスレール１６とから構成されている。この実施形態では、門形コラム１４は、コラム１５、１５とクロスレール１６とが一体構造の鋳造物である。この門形コラム１４の詳細な構造については後述する。

クロスレール１６の上面には、サドル１７が案内面１８に沿って左右方向に移動可能に設置されている。このサドル１７には主軸頭２０が保持されており、この主軸頭２０には上下方向に移動する主軸２２が設けられている。この門形精密工作機械は、ワークにサブミクロンあるいはナノメータオーダの超精密加工を行う機械である。主軸２２は、高速空気軸受で支持されており、最大で１２００００／分もの超高速回転が可能になっている。

このような門形精密工作機械では、Ｘ軸はテーブル１２の移動を制御する軸で、Ｙ軸はサドル１７の移動を制御する軸であり、Ｘ軸とＹ軸とで工具の水平面上での位置決めを行う。Ｚ軸は、主軸２２の上下方向の位置決めを行う軸で、主に工具の切り込み量を制御する。

門形精密工作機械の場合、クロスレール１６の案内面１８を移動するサドル１７上で主軸２２の上下方向の位置決めが行われ、この案内面１８は位置決めのいわば基準面になる。他方、門形コラム１４では、案内面１８とテーブル１２上のワークとの間の高低差が大きいので、門形コラム１４でコラム１５やクロスレール１６に熱変形が生じると、工具の上下方向の位置決め精度に影響が大きく及ぼされる。とりわけ、サブミクロン単位やナノメートル単位での超精密加工の場合には、鏡面加工等の仕上げ加工に時間がかかることが多く、その間、工作機械の各部からは熱が発生し続けており、温度環境が変化していくが、温度変動による門形コラム１４のごく微小な変形でさえも、位置決め精度には大きく影響する。

本実施形態では、門形コラム１４を安定した熱的状態に保つために、門形コラム１４の本体が、温度管理された冷却水を貯蔵する冷却水貯蔵槽を兼ねるように、以下のように、門形コラム１４の内部には冷却水貯蔵空間が形成されている。

ここで、図２は、門形コラム１４の正面を示す図で、図３は、門形コラム１４の断面を示す図である。
この実施形態の門形コラム１４は、コラム１５、１５とクロスレール１６とが一体構造となっている鋳造物である。門形コラム１４の内部は、中空になっているとともに、複数の区画に分かれてそこに冷却水貯蔵空間が形成されている。この場合、門形コラム１４の内部は、剛性を確保するために傾斜隔壁３０、３１、３２、３３によって左右対称に７つの第１乃至第７冷却水貯蔵区画３６ａ乃至３６ｇに区画されている。

左右のコラム１５の下部には、第１冷却水貯蔵区画３６ａ、第７冷却水貯蔵区画３６ｇのそれぞれに開口する冷却水入口３８ａ、３８ｂが形成されている。クロスレール１６の中央部の高い位置には第４冷却水貯蔵区画３６ｄに開口する冷却水出口４０が形成されている。第１冷却水貯蔵区画３６ａと第２冷却水貯蔵区画３６ｂは傾斜隔壁３０の鋳抜き穴４１を介して連通し、第２冷却水貯蔵区画３６ｂと第３冷却水貯蔵区画３６ｃは傾斜隔壁３１の鋳抜き穴４２を介して連通している。第３冷却水貯蔵区画３６ｃと第４冷却水貯蔵区画３６ｄは傾斜隔壁３０の鋳抜き穴４３を介して連通するようになっている。同様に、第４冷却水貯蔵区画３６ｄと第５冷却水貯蔵区画３６ｅは傾斜隔壁３２の鋳抜き穴４４を介して連通している。第５冷却水貯蔵区画３６ｅと第６冷却水貯蔵区画３６ｆは傾斜隔壁３３の鋳抜き穴４５を介して連通し、第６冷却水貯蔵区画３６ｆは第７冷却水貯蔵区画３６ｇは傾斜隔壁３２の鋳抜き穴４６を介して連通するようになっている。

なお、図２に示すように、門形コラム１４の正面には、鋳造上の必要から鋳抜き穴４７、４８が形成されているが、これらの鋳抜き穴４７、４８はカバーによって閉塞される。

次に、図４は、門形精密工作機械における冷却水系統を示す図である。図４において、参照番号５０は、冷却水の温度を所望の一定温度に制御する冷却水温調装置である。この冷却水温調装置５０と、門形コラム１４の冷却水入口３８ａ、３８ｂとは配管５１によって接続され、門形コラム１４の内部は、一定温度に保たれた冷却水で満たされている。門形コラム１４の冷却水出口４０から延びる配管５２には、冷却水ポンプ５２が配置されている。この冷却水ポンプ５２の吐出側には、必要な冷却水を門形精密工作機械の各所に分配する分配マニホールド５４が接続されている。

この分配マニホールド５４からは、ベッド１０の案内面１１に冷却水を供給する冷却配管５５や、テーブル１２に冷却水を供給する冷却配管５６、主軸頭２０に冷却水を供給する冷却配管５７、サドル１７に冷却水を供給する冷却配管５８、クロスレール１６の案内面１８に冷却水を供給する冷却配管５９が分岐するようになっている。
ベッド１０の案内面１１、テーブル１２、主軸頭２０、サドル１７、クロスレール１６の案内面１８を冷却した冷却水は、それぞれ戻り配管６１、６２、６３、６４、６５を通って集水マニホールド６６に集められ、この集水マニホールド６６から配管６７を通って冷却水温調装置５０に戻され、この冷却水温調装置５０で所定の温度に冷やされてから、門形コラム１４に戻るようになっている。
このようにして、門形コラム１４の内部に区画されている第１冷却水貯蔵区画３６ａ乃至第７冷却水貯蔵区画３６ｇには所定の温度に保たれた冷却水が常に貯蔵されており、いわば、門形コラム１４そのもの全体が温調された冷却水のタンクとなっている。そして、ベッド１０の案内面１１、テーブル１２、主軸頭２０、サドル１７、クロスレール１６の案内面１８といった各発熱部には、門形コラム１４の内部に貯蔵されている冷却水が送られる。

工具の切り込み方向（Ｚ軸）が鉛直方向にあって、ワークとクロスレール１６の案内面１８との距離が大きく、温度変動の影響を受けやすい門形コラム１４をもつ門形精密工作機械であっても、門形コラム１４の内部が常時温調された冷却水で満たされていることによって、部分的ではなく門形コラム１４の全体の熱的状態を長時間にわたって一定に保つことが可能になり、ワークに対する高精度な鏡面の加工のような時間のかかるナノメータオーダの超精密加工の実現に寄与する。

しかも、従来のように、工作機械を恒温室内に設置したり、機械を囲むカバー内の温度を制御する装置を設けることに較べれば門形コラムの本来の構造を利用していることから追加設備を必要とすることなく、環境温度の変化を最も受けやすいコラムを温度変動の影響から保護し低コストで熱的に安定させることが可能になる。

第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について、図５を参照しながら説明する。この第２実施形態は、図１の門形精密工作機械の門形コラム１４の加えて、主軸頭２０の内部とベッド１０の内部にも温度管理された冷却水で満たされる冷却水貯蔵区画を形成した実施の形態である。

図５において、主軸頭２０を構成する直方体形状の本体７０は、一体構造で中空の鋳造物である。中央部には、管状壁７１が形成されており、この管状壁７１の内側は、主軸２２を支える高速空気軸受やサーボモータが組み込まれた主軸駆動ユニット７２が装着される穴になっている。また、主軸頭２０の本体７０の内部では、管状壁７１の外側が冷却水の貯蔵される冷却水貯蔵区画７４になっており、図４に示した冷却水温調装置５０で一定温度に温度管理された冷却水は冷却水入口７５から供給される。また、主軸頭２０の本体７０には、冷却水出口７６が形成されており、この冷却水出口７６から導出された冷却水は、冷却水温調装置５０に戻される。

このような第２実施形態では、主軸頭２０についても、その本体７０が鋳造物であることを活用して、内部に冷却水貯蔵区画７４を設けているので、機械の中でも大きな発熱源である主軸頭２０全体を効果的に低コストで一定の温度に保つことができる。

なお、本実施形態では、図６に示されるように、ベッド１０の内部にも同様に、隔壁によって複数の冷却水貯蔵区画８０が形成されている。これらの冷却水貯蔵区画８０にも冷却水温調装置５０で一定温度に管理されている冷却水が図示しない入口孔から供給され、また図示しない出口孔に接続された配管を通して冷却水温調装置５０に戻されるようになっている。このように、ベッド１０内部の冷却水貯蔵区画７４が一定温度に管理された冷却水で満たされていることにより、ベッド１０の全体を効果的に一定の温度に保つことができる。

第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態について、図７を参照しながら説明する。この第３実施形態は、本発明を横形の精密工作機械に適用した実施の形態である。

図７において、参照番号８４はベッドを示す。このベッド８４の上には、サドル８５が前後方向に移動可能に設けられている。また、サドル８５の上には、テーブル８６が左右方向に移動可能に設置されている。ベッド８４に設置されたコラム８７には、主軸頭８８が上下に移動可能に保持されており、この主軸頭８８には主軸９０が水平に支持されている。

本実施形態の横形精密工作機械においては、コラム８６が鋳造物である事を活用して内部には複数の冷却水貯蔵区画９２が仕切られ、第１実施形態と同様に、図示しない冷却水入口から冷却水温調装置５０により温度を管理されている冷却水が供給され、図示しない冷却水出口から冷却水温調装置５０に戻るようになっている。

このように、コラム８７の内部をタンクとして構成し、常時温調された冷却水で満たすことによって、部分的ではなくコラム８７の全体の熱的状態を長時間にわたって一定に保つことが可能になり、ワークに対する高精度な鏡面の加工のような時間のかかる超精密加工の実現に寄与する。

なお、この第３実施形態では、横形の精密工作機械のコラムをタンクとして構成した例を示したが、主軸が鉛直に支持されている立型の精密工作機械のコラムについても同様に主軸頭をタンクとして構成することも可能である。

また、立形または横形の精密工作機械においても、第２実施形態のように、主軸頭、ベッドの内部に冷却水の貯蔵区画を形成するようにしてもよい。

以上、本発明に係る精密工作機械について、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は鋳造物の他、板金構造物からなるコラムや主軸頭にも適用することが可能である。また、本発明は、精密旋盤のベッドなどにも適用可能である。

１０…ベッド、１１…案内面、１２…テーブル、１４…門形コラム、１５…コラム、１６…クロスレール、１７…サドル、１８…案内面、２０…主軸頭、２２…主軸、３０、３１、３２、３３…傾斜隔壁、３６ａ〜３６ｇ…冷却水貯蔵区画、３８ａ、３８ｂ…冷却水入口、４０…冷却水出口、５０…冷却水温調装置、５３…冷却水ポンプ、５４…分配マニホールド、６６…集水マニホールド

Claims

ベッドの左右両側に立設されたコラムにクロスレールが水平に架け渡された門形コラムを有し、前記のコラムの間に前後方向に移動可能にテーブルを設置し、前記クロスレールにサドルを左右方向に移動可能に設け、前記サドルには上下方向に移動可能な主軸を有する主軸頭が設けられた門形精密工作機械において、前記門形コラムは、温度管理された冷却水の貯蔵槽を形成する貯蔵空間が仕切られた内部構造を有することを特徴とする精密工作機械。
前記門形コラムは、前記コラムと前記クロスレールとが一体構造の鋳造物であることを特徴とする請求項１に記載の精密工作機械。
前記門形コラムの前記コラムとクロスレールの内部は、傾斜した隔壁によって複数の冷却水貯蔵区画に仕切られていることを特徴とする請求項１に記載の精密工作機械。
前記門形コラムの前記左右のコラムの下部には、それぞれ冷却水が導入される冷却水入口が形成され、前記クロスレールの中央部上位位置には冷却水を導出する冷却水出口が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の精密工作機械。
ベッド上に立設される１つのコラムに上下方向に移動可能な主軸頭が設けられた立形または横形の精密工作機械において、前記コラムは、温度管理された冷却水の貯蔵槽を形成する貯蔵空間が仕切られた内部構造を有することを特徴とする精密工作機械。
前記主軸頭は、温度管理された冷却水の貯蔵槽を形成する貯蔵空間が仕切られた内部構造を有することを特徴とする請求項１または５に精密工作機械。
前記ベッドは、温度管理された冷却水の貯蔵槽を形成する貯蔵空間が仕切られた内部構造を有することを特徴とする請求項１または５に精密工作機械。