JP5964159B2 - 精密工作機械 - Google Patents

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等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とって説明すると、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、高精度の加工を行える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の加工では、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。

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、コラムと同じく鉛直方向になり、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って、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することが行われている。しかし、このような恒温室では、工作機械自身から発生する熱や環境温度変化に原因するコラムの熱変位を超精密加工が可能になる程度にまで抑制するには必ずしも十分でなく、しかも、これらの設備は非常に高価になるという問題があった。

このような問題を解決するため、本出願人は、コラムそのものを冷却水を貯水するタンクとして構成し、環境温度の変化を最も受け易いコラムを効果的に熱的に安定させることを提案している（特願２０１２−０３７３０４号）。

特開平５−３０９５３６号公報 特開平６−１２６５６４号公報

本来、コラムは、タンクとして利用されることを予定していない構造物であり、このコラムの内部にただ冷却水をいれるだけでは、コラムを熱的に安定させることは難しい。

本発明は、コラムが冷却水で満たされたタンクを兼ねるという発明に関連してなされたものであって、冷却効果をより一層高め、環境温度変化の変動に関わらずコラムを熱的に安定させて熱変位を効果的に抑制し、超精密加工を実現する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、ベッド上に立設されるコラムに上下方向に移動可能な主軸頭が設けられ、前記コラムの内部には、温度管理された冷却水貯水空間が形成された精密工作機械において、前記コラムの下部には冷却水が前記貯水空間に導入される取水口を有し、前記コラムの上部には冷却水をオーバーフローさせて外部に導出するドレイン口を有し、前記ドレイン口よりも高い位置に、前記コラム内の空気を排出させるエア抜き穴を設けた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。 本発明の第２の実施形態による横形精密工作機械の冷却水系統を示す図である。

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を構成しているコラム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大きな影響が及ぼされる。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が終わるまでには長時間がかかる。その間、工作機械の各部からは熱が発生し続け、温度環境は変化していくので、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水する冷却水貯水槽を兼ねるように、門形コラム１４の内部には以下のような冷却水貯水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。
この実施形態による門形コラム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水空間が形成されている。この実施形態の場合、門形コラム１４の内部は、剛性を確保するための傾斜隔壁３０、３１、３２、３３を利用して左右対称に７つの第１乃至第７冷却水貯水区画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冷却水貯水区画３６ａ、第７冷却水貯水区画３６ｇのそれぞれに連通する取水口３８ａ、３８ｂが形成されている。この取水口３８ａ、３８ｂは、後述するように、コラム１５内から冷却水を抜くドレイン口も兼ねるので、コラム１５のできるだけ下の位置に設けることが好ましい。

これに対して、クロスレール１６の中央部の高い位置には第４冷却水貯水区画３６ｄに連通するドレイン穴４０が形成されている。このドレイン穴４０の位置は、取水口３８ａ、３８ｂに対して相対的にできるだけ高い位置にして、クロスレール１６の上面に近い位置に設けることが好ましい。

第１冷却水貯水区画３６ａと第２冷却水貯水区画３６ｂは傾斜隔壁３０の鋳抜き穴４１を介して連通し、第２冷却水貯水区画３６ｂと第３冷却水貯水区画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冷却水貯水区画３６ｃと第４冷却水貯水区画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冷却水貯水区画３６ｄと第５冷却水貯水区画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冷却水貯水区画３６ｅと第６冷却水貯水区画３６ｆは傾斜隔壁３３の鋳抜き穴４５を介して連通し、第６冷却水貯水区画３６ｆと第７冷却水貯水区画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。

本実施形態では、クロスレール１６の内部に区画されている第３乃至第５冷却水貯水区画３６ｃ、３６ｄ、３６ｅにそれぞれ連通するように、エア抜き穴４９が設けられている。このエア抜き穴４９は、ドレイン穴４０よりも高い位置にある。

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循環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の取水口３８ａ、３８ｂとは配管５１によって接続されている。この配管５１には、門形コラム１４から冷却水温調装置５０への冷却水の逆流を防止する逆流防止弁５２が設けられている。また、配管５０からは、門形コラム１４から冷却水を抜くためのドレイン配管５３が分岐している。

他方、門形コラム１４の上部に設けられているドレイン穴４０から延びる冷却水回収用配管５４は、冷却水タンク５５まで延びるようになっている。この冷却水タンク５５は、門形コラム１４からオーバーフローした冷却水を溜めておくタンクである。この実施形態では、冷却水タンク５５には、冷却水の水量を監視するためにレベルセンサ５６ａ、５６ｂが設けられている。レベルセンサ５６ａは水面レベルの下限を検知し、レベルセンサ５６ｂは水面レベルの上限を検知する。冷却水タンク５５と冷却水温調装置５０とは戻り配管５７によって接続されており、冷却水タンク５５に溜まっている冷却水は、所定の流量で冷却水温調装置５０に戻されるようになっている。

なお、冷却水については、水でもよいが、好ましくは、例えば、プリサイスフルード２００１（商品名）、ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製のような工作機械温度制御用の水溶性冷却液を水に溶したものを冷却水として用いると好適である。このような冷却液を用いることで冷却水の熱交換性能が高まり、また、防食効果も高まる。

本実施形態による精密工作機械は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。
図４において、門形コラム１４には、冷却水温調装置５０から一定温度の冷却水が送られる。冷却水は、門形コラム１４の下部にある取水口３８ａ、３８ｂから門形コラム１４内部に導かれ、第１乃至第７冷却水貯水区画３６ａ乃至３６ｇのそれぞれの区画が冷却水で満たされる。そして、最上位の冷却水貯水区画３６ｄからドレイン穴４０を通して溢れ出した冷却水は、冷却水回収用配管５４を通って冷却水タンク５５に回収される。この冷却水タンク５５に溜まっている冷却水は、冷却水温調装置５０で一定温度に冷却されてから、再び門形コラム１４に送られることになる。

本実施形態では、門形コラム１４の内部を一定温度に管理された冷却水で満たすにあたって、門形コラム１４の上部にドレイン穴４０とは別に、エア抜き穴４９を設けている。これにより、コラム内部で冷却水の水面が上がっていくにしたがって、エア抜き穴４９からはエアが排出されていくので、空気圧力を受けることなく、ドレイン穴４０のある高さまで門形コラム１４の内部を冷却水で満たすことができる。しかも、ドレイン穴４０を門形コラムの上部に配置しているので、門形コラム１４の内部全体に冷却水を貯水することができる。

このようにして、本実施形態によれば、門形コラム１４の内部全体に区画されている第１冷却水貯水区画３６ａ乃至第７冷却水貯水区画３６ｇには所定の温度に保たれた冷却水が常に貯水された状態になっており、いわば、門形コラム１４そのもの全体を温調された冷却水のタンクとすることができる。

しかも、門形コラム１４の内部では、冷却水に対流が生じ、温まった冷却水は、上昇していき、ドレイン穴４０から冷却タンク５５に排出される。この間も、冷却水温調装置５０からは冷却水が門形コラム１４の内部に供給され続けている。このようにして、コラム上部にドレイン穴４０を設けることにより、門形コラム１４内部の冷却水の温度上昇を抑えて冷却効果を高め、冷却水の温度を環境温度の変化によらず一定に管理することが可能になる。

さらに、本実施形態では、門形コラム１４の内部に常に一定量の冷却水が貯水されるように、ドレイン穴４０からオーバーフローした冷却水を冷却水タンク５５に一旦回収しておき、この冷却水タンク５５から冷却水温調装置５０に送るように循環系が構成されている。オーバーフローした冷却水を冷却タンク５５に溜めておけば、常に、一定量の冷却水を門形コラム１４の内部に貯水することができる。そして、この実施形態では、冷却界タンク５５では、冷却水のレベルを検知するレベルセンサ５６ａ、５６ｂにより、冷却水のレベルを監視している。冷却水のレベルが下限よりも低下した場合にはレベルセンサ５６ｂによって検知され、逆に、冷却水のレベルが上限を超えた場合には、レベルセンサ５６ａにより検知されるので、冷却水不足や冷却水があふれてしまうのを未然に防止することができる。

以上のように、本実施形態によれば、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の内部を常時温調された冷却水で満たし、コラム下部の取水口３８ａ、３８ｂから導入した冷却水をコラム上部に設けたドレイン穴４０からオーバーフローさせることで冷却効果を高めているので、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、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。なお、図４と同一の構成要素には同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。

図５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水区画９２が仕切られ、コラム８６の下部に設けた取水口９１を通じて冷却水温調装置５０から送られてくる冷却水が導入される。そして、第１実施形態と同様に、コラム８５の内部には、常に一定量の冷却水が貯水されるように、ドレイン穴９３からオーバーフローした冷却水を冷却水タンク５５に一旦回収して溜めておき、この冷却水タンク５５から冷却水温調装置５０に送るように循環系が構成されている。また、ドレイン穴９３とは別に、より高い位置にエア抜き穴９４が設けられている。

このように、ドレイン穴９３とは別に、エア抜き穴９４を設けているので、空気圧力を受けて妨げられることなく、ドレイン穴４０のある高さまでコラム８７の内部全体を冷却水で満たすことができる。しかも、コラム８７の上部に設けたドレイン穴９３から冷却水をオーバーフローさせることで冷却効果を高めているので、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２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。

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…取水口、４０…ドレイン口、５０…冷却水温調装置

Claims (6)

1. ベッド上に立設されるコラムに上下方向に移動可能な主軸頭が設けられ、前記コラムの内部には、温度管理された冷却水貯水空間が形成された精密工作機械において、
   前記コラムの下部には冷却水が前記貯水空間に導入される取水口を有し、前記コラムの上部には冷却水をオーバーフローさせて外部に導出するドレイン口を有し、前記ドレイン口よりも高い位置に、前記コラム内の空気を排出させるエア抜き穴を設けたことを特徴とする精密工作機械。
2. 前記取水口からオーバーフローした冷却水を回収する冷却水タンクと、
   前記冷却水タンクから取り込んだ冷却水の温度を制御し、前記取水口に温度管理された冷却水を送り出す冷却水温調装置と、
   を有する冷却水循環系統をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の精密工作機械。
3. 前記冷却水タンクには、溜まっている冷却水の水面のレベルを検知するレベルセンサを設置したことを特徴とする請求項２に記載の精密工作機械。
4. 前記精密工作機械は、前記前記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、前記クロスレールにサドルが左右方向に移動可能に設けられ、前記サドルには上下方向に移動可能な主軸頭が設けられた門形のコラムを備えた門形精密工作機械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。
5. 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。
6. 前記精密工作機械は、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。

Images