JP4137819B2 - 冷却機構を備えた工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、機械の熱変形を抑制するための冷却機構を備えた工作機械に関する。

主軸頭・コラム等、工作機械を構成する構造物において、主軸モータ等の発熱体から発せられる熱による熱変形は、加工精度低下の原因となる重要な問題である。熱変形の問題の中でも、特に主軸頭や該主軸頭の移動をガイドするコラム等の姿勢変化は、傾きを伴うため、座標軸に並行な方向の変位を補正する熱変位補正プログラムでは補正が不可能である。主軸モータ等の発熱体からの熱によって、主軸頭やコラムが傾けば、主軸の軸線も傾き、主軸に取り付けられた工具も傾くことになり、加工精度を低下させる原因となる。

この姿勢変化を防止するために、従来、発熱体を直接冷却するか、発熱体から周囲の構造物への熱伝導を抑制する方法が採られている。
例えば、ビルトインモータで主軸を駆動し、該ビルトインモータのステータの外周を約１周する断面積の大きい空気通路を軸方向に間隔をおいて多数本形成し、この各空気通路に断面積が小さい噴出口から圧縮空気を噴射して、圧縮空気の断熱膨張による温度低下により発熱源であるビルトインモータを冷却し、発熱源からの熱が、工作機械の主軸頭やコラム等の他の構造物に伝導することを防止することによって、コラム頭が熱変形することを防止する方法が知られている（特許文献１参照）。

また、主軸モータをビルトインした主軸頭と、該主軸頭の移動をガイドするコラムとの間の主軸頭基体に、冷却された冷却流体を循環させる冷却流体用通路を設けて、該冷却流体で主軸モータ頭で発生した熱が他の部材に伝導するのを遮断することにより、主軸等の姿勢変化を抑制するようにしたものも知られている（特許文献２参照）。
さらには、主軸モータと主軸が取り付けられたヘッドストックとの間に冷却フランジを取り付けて、該冷却フランジ内に冷却油を循環させて主軸モータで発生した熱が主軸頭に伝導するのを遮断するようにした発明も知られている（特許文献３参照）。

特開平５−１３８４９３号公報 実開平５−７４７４９号公報 実開昭６３−１７９０４８号公報

主軸モータ等の発熱体を直接冷却する場合は、特許文献１に示されるように、冷却装置は発熱体を包み込む形状となり、大型になる傾向がある。また発熱体が発する熱と同じ熱量を除去しなければならないため、冷媒が過度に温度上昇するのを防ぐための温度管理装置などの周辺機器が必要となる場合がある。
一方、特許文献２，３に示されるような、発熱体から周囲構造物への熱伝導を、その伝導経路途中に冷却機構を設けて熱伝導を抑制する場合、限られた方向への熱伝導を抑制すればよいため除去する熱量は少ないが、熱伝導の途中に単純に冷媒を流す手法は冷却効果が低い。
そこで、本発明は、効率良く熱伝導を抑制できる冷却機構を備えた工作機械を提供することにある。

本発明は、冷却機構を備えた工作機械であって、工作機械における発熱体から該発熱体周囲構造物への熱伝導経路の途中に、気体注入口から排気口に向うにしたがい徐々に断面積が増加し、前記排気口で大気圧に開放される冷却通路と、前記気体注入口から大気圧より高圧の気体を注入する気体供給手段とで構成された冷却機構を設け、注入された気体が前記冷却通路を通過する際に断熱膨張して冷却し、前記発熱体から前記構造物への熱伝導を抑制することを特徴とするものである。
前記発熱体は主軸モータであり、前記構造物が主軸頭であり、前記主軸モータと前記主軸頭を、前記冷却機構を備えた部材を介して結合することによって、主軸頭への熱伝導を抑制する。また、主軸頭内に主軸と連結した主軸モータがビルトインされたビルトイン式の工作機械においては、コラムと主軸頭を連結する主軸頭基台における主軸モータ部の部分に前記冷却機構を設け、前記発熱体を構成する主軸モータから前記構造物への熱伝導を該冷却機構で抑制するようにした。

冷媒としての気体が断熱膨張することによって冷却されることを利用して、発熱体から他の部材への熱伝導を抑制することから、単に冷媒の気体を流すものと比較し、効率良く熱伝導を抑制することができ、主軸頭やコラム等の工作機械の構造物の姿勢変化を防止し、加工精度を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態の概要図である。この第１の実施形態は、主軸と別部品として設置されたモータを主軸モータ１とするマシニングセンタの例を示している。主軸頭２における主軸頭基台５が図示しないコラムにガイドされて図１中上下方向に移動するよう構成されている。該主軸頭２には、冷却フランジ３を介して主軸モータ１が取り付けられており、該主軸モータ１の駆動により主軸頭２内の主軸が駆動される構成となっている。

図２は、冷却フランジ３を、図１において紙面垂直方向に切断生じたときの断面図である。この冷却フランジ３は厚みが２０〜３０ｍｍ程度で、内部に冷媒となる空気等の気体が通る冷却通路４が形成しれている。この冷却通路４は、気体注入口４ａから気体放出口４ｂまでの間を、断面積が徐々に増加するように渦巻き状に形成してある。なお、図２において符号６は、主軸モータ１のモータシャフトが通過する穴である。又、気体注入口４ａには、図示しないコンプレッサ等の高圧気体供給源より高圧気体を該冷却通路４に導入するための管７が接続されている。

この工作機械（マシニングセンタ）が稼働するときには、高圧気体供給源より管７を介してより高圧気体（空気等）が冷却通路４に注入される。主軸モータ１が駆動されて該モータ１から発生した熱は、冷却フランジ３を介して主軸頭２に伝導されようとするが、冷却フランジ３に注入された高圧気体は、冷却通路４の断面積が徐々に増加していることから、断熱膨張して温度降下し、冷却フランジ３から熱を吸収し、主軸モータ１で発生した熱の伝導の経路を冷却することになり、主軸頭２への熱伝導を抑制することになる。

単に冷却フランジ３に冷媒の高圧気体を通過させることによる冷却と異なり、気体放出口４ｂに向かうにつれて冷却通路の断面積が徐々増大することにより気体が断熱膨張して冷却されることを利用して、冷却効果を大きくして、より確実に主軸モータ１で発生した熱を主軸頭等の他の構造物に伝導することを防止しているものである。

図３にビルトインモータ式の工作機械に本発明を適用した第２の実施形態の概要図である。ビルトインモータ式の工作機械は、主軸モータおよび軸受で発生する熱がシャフトや主軸頭、コラム等に伝わり、熱膨張する。シャフトは主に長さ方向に伸びるだけで、傾きを発生させる原因にはなりにくいが、主軸頭やコラムに熱が伝わると、機体が傾く原因となる。

そこで、本題２の実施形態では、図３に示すように、主軸モータと主軸とが一体的に構成された主軸頭１０の主軸頭基台１１におけるモータ１０ａ寄りの部分に冷却通路１２が設けられている。図３はこの主軸頭基台１１の部分を中央切断した断面図で示している（図４のＡ−Ａ断面図）。又、図４は、この主軸頭基台１１を図１において紙面垂直でかつ上下方向の面で切断した図である。

この図４に示すように、モータ１０ａ寄りの主軸頭基台１１に設けられた冷却通路１２は、気体注入口１２ａから気体放出口１２ｂまで、その断面積が徐々に増加するように渦巻き状に形成してある。気体注入口１２ａには図示しない高圧気体供給源より高圧気体を供給する管１３が接続されている。
工作機械が稼働されると、高圧気体供給源より高圧気体が管１３を介して気体注入口１２ａから冷却通路１２に注入される。冷却通路１２は気体の流れる方向に向かって断面積が徐々に増大するものであるから、気体は断熱膨張して冷やされ、ビルトインモータ（主軸モータ）や軸受け部で発生した熱が主軸頭のコラム側（主軸頭基台）やコラムへの熱伝導を抑制する。

以上のように、本発明の冷却機構は、冷媒の気体が断熱膨張することによる温度降下を利用して熱伝導を抑制するものであり、主軸モータ、ビルトインモータ等の熱発生源と工作機械のその他の構造物との間の部材に、この冷却機構を構成する徐々に断面積が増加する冷却通路を形成し、該冷却通路に冷媒の気体を通過させるだけで、効率良く熱伝導を阻止、抑制するものである。
なお、上述した各実施形態では、熱伝導を抑制する発熱体を主軸モータとしたが、発熱体としては主軸モータに限定されるものではなく、加工精度等に影響を与えるような発熱体（各種モータ等）がある場合には、この発熱体と他の構造物間に本発明の上述した冷却機構を設けてもよいものである。

主軸と別部品として設置された主軸モータを有する工作機械に本発明を適用した第１の実施形態の概要図である。 同第１の実施形態における冷却フランジの断面図である。 ビルトインモータ式の工作機械に本発明を適用した第２の実施形態の概要図である。 同第２の実施形態おいて冷却通路が設けられたモータ寄りの主軸頭のコラム側部材の断面図である。

符号の説明

１ 主軸モータ
２ 主軸頭
３ 冷却フランジ
４，１２ 冷却通路
４ａ，１２ａ 気体注入口
４ｂ，１２ｂ 気体放出口
５，１１ 主軸頭基台
６ 穴
７ 管
１０ ビルトインモータ式の主軸頭
１０ａ モータ部分

Claims (3)

1. 工作機械における発熱体から該発熱体周囲構造物への熱伝導経路の途中に、気体注入口から排気口に向うにしたがい徐々に断面積が増加し、前記排気口で大気圧に開放される冷却通路と、前記気体注入口から大気圧より高圧の気体を注入する気体供給手段とを備えた冷却機構を設け、注入された気体が前記冷却通路を通過する際に断熱膨張して冷却されることを利用し、前記発熱体から前記構造物への熱伝導を抑制することを特徴とする冷却機構を備えた工作機械。
2. 前記発熱体が主軸モータであり、前記構造物が主軸頭であり、前記主軸モータと前記主軸頭は、前記冷却機構を備えた部材を介して結合されている請求項１に記載の冷却機構を備えた工作機械。
3. 主軸頭内に主軸と連結した主軸モータがビルトインされたビルトイン式の工作機械であって、コラムと主軸頭を連結する主軸基台における主軸モータ部の部分に前記冷却機構を設け、前記発熱体を構成する主軸モータから前記構造物への熱伝導を該冷却機構で抑制するようにした請求項１に記載の冷却機構を備えた工作機械。

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