(57)【要約】【課題】低熱変位を実現する工作機械用のベッドを安価に提供することを目的としている。【解決手段】中空構造で鋳抜き穴２を備えた鋳物からなる工作機械用ベッド１の該鋳抜き穴２を蓋３、４で塞ぐことによってベッド内部を閉空間とした。また別の手段として、ベッド１の鋳抜き穴２を蓋３、４で塞ぎ、更にベッド内部を液体で充填してベッド全体の熱容量を大きくした。なお、前記液体は防錆剤を加えた水若しくは油が好ましい。これらの解決手段によって、外気温の変動に対してベッド１を鈍感な構造とすることができる。【選択図】図３
2004136395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空構造で鋳抜き穴を備えた鋳物からなる工作機械用ベッドであって、前記鋳抜き穴を蓋で塞いだことを特徴とする工作機械用ベッド。
【請求項２】
中空構造で鋳抜き穴を備えた鋳物からなる工作機械用ベッドであって、前記鋳抜き穴を蓋で塞ぎ、更にベッド内部を液体で充填したことを特徴とする工作機械用ベッド。
【請求項３】
前記液体は防錆剤を加えた水若しくは油としたことを特徴とする請求項２に記載の工作機械用ベッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低熱変位を実現する工作機械用のベッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】研削盤等で使用される工作機械用ベッドは一般に鋳物で構成されたものがよく知られている。通常、鋳物製ベッドは、その内部が中空構造になるように鋳抜かれており、更にこの鋳抜きによってリブが一体成形され格子状の補強された構造となっている。また、ベッド側面及び底面には貫通する鋳抜き穴が複数開口している。ベッド内部を鋳物の中空リブ構造とするのは、ベッド本体の軽量化すること及び材料の経年変化による歪の影響を小さくすることである。鋳抜き穴はベッド内部を中空リブ構造とする必要上無くすることはできない。
【０００３】一方、工作機械の中でも特に光学部品等の高い加工精度を必要とされる超精密加工機において使用されるベッドとしては鋳物の他にグラナイト等の石で構成されたものが用いられる場合がある。グラナイト等の石製ベッドにおいては、鋳物製に比べて材料の経年変化が少なく熱容量が大きいといった特徴をもっており、通常は中実構造として用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の鋳物製ベッドは、その内部の構造体が鋳抜き穴を通して外気に曝されており、また中実構造に比べて外気との接触面積が大きいために外気温の影響を受けやすい。
【０００５】一般に外気温と温度差を持つ物体が外気温に馴染んで同じ温度になるために必要な時間は、表面積Ｓと体積Ｖの比、すなわちＳ／Ｖが大きいほど短くなる。例えば、図１０は外気温と温度差を持つ体積一定で表面積が異なる３種類の物体の温度変化を計算により求めた結果である。これらの３種類の物体は同じ材質（ねずみ鋳鉄）であり、初期温度（２５℃）及び雰囲気温度（２０℃）でそれぞれ計算している。図１０よりＳ／Ｖが最小となる球体が最も外気温と同じ温度に到達する時間が長く、Ｓ／Ｖが大きくなるほどその時間が短くなることがわかる。即ち、Ｓ／Ｖが大きいほどより外気温の影響を受けやすいといえる。
【０００６】従来の鋳物製ベッドは、ベッド内部が中空リブ構造であるので中実構造と比べてＳ／Ｖが大きい。従って、外気温の変動によりベッド温度が変化しやすく、結果としてベッドに取付けられた構造体、具体的にはスライド面や工具軸、工作物主軸等に影響して、工作物と工具との間の位置関係に誤差が生じてしまう。その結果、長時間の加工においては加工精度がばらついてしてしまうという問題があった。
【０００７】上記の問題は、工場等の外気温変動の大きい場所に設置されている工作機械はもちろんのこと、超精密加工機のように設定温度に対して例えば±１℃以下に室温管理された恒温室内に設置され非常に高い加工精度が要求される機械においても重大な影響を及ぼしていた。
【０００８】一方、グラナイト等の石製ベッドにおいては、鋳物製に比べて熱容量が大きく、中実の直方体のため外気との接触面積が小さい。そのため外気温変動に追従しにくく、高い加工精度が得られるという長所をもつ。しかしながら、グラナイトは鋳物よりも高価であり、機械加工が容易ではないため、設計の自由度が低いという問題があった。
【０００９】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、低熱変位を実現する工作機械用のベッドを安価に提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の工作機械用ベッドにおいては、中空構造で鋳抜き穴を備えた鋳物からなる工作機械用ベッドの該鋳抜き穴を蓋で塞いだことを特徴とするものである。
【００１１】請求項２に記載の工作機械用ベッドにおいては、中空構造で鋳抜き穴を備えた鋳物からなる工作機械用ベッドの該鋳抜き穴を蓋で塞ぎ、更にベッド内部を液体で充填したことを特徴とするものである。
【００１２】請求項３に記載の工作機械用ベッドにおいては、前記液体が防錆剤を加えた水若しくは油としたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の作用及び効果】中空構造で鋳抜き穴を備えた鋳物からなる工作機械用ベッドの該鋳抜き穴を蓋で塞ぐことによってベッド内部を閉空間としたので、ベッドは外気に曝される表面積が小さくなり、ベッド全体の熱変位を抑制することができる。
【００１４】また、中空構造で鋳抜き穴を備えた鋳物からなる工作機械用ベッドの該鋳抜き穴を蓋で塞ぎ、更にベッド内部を液体で充填することによってベッド全体の熱容量を大きくしたので、ベッドは鋳抜き穴を蓋で塞いだだけの場合と比較してより熱変位を抑制することができる。なお、その際、使用する液体としては防錆剤を加えた水若しくは油が好ましい。
【００１５】
【発明の実施形態】以下、本発明の工作機械用ベッドに係わる第一の実施形態について図を用いて説明する。図１、図２は、本発明のベッド１を用いた工作機械１００の概略を示したもので、図１は工作機械１００の平面図、図２は工作機械１００の正面図を表している。また、図３、図４は、ベッド１の断面図を示したもので、図３は図１におけるベッド１のＡ−Ａ断面図、図４は図２におけるベッド１のＢ−Ｂ断面図を表している。さらに、図５、図６は鋳抜き穴２を蓋３、４で塞いだ状態における拡大図を示したもので、図５はベッド１の側面の鋳抜き穴２を蓋３で塞いだ状態、図６はベッド１の底面の鋳抜き穴２を蓋４で塞いだ状態を表している。
【００１６】工作機械１００は、例えば２０℃に設定された恒温室内において、主軸１４０の先端に取付けられたワークＷをテーブル１７０上に設けられた図示しない工具により加工するもので、対象となるワークはレンズ等の光学部品またはその金型である。
【００１７】上述した工作機械１００のベッド１の上面には図１、図２に示すように固定ベース１１０が設けられている。なお、ベッド１の上面には鋳抜き穴は設けられていない。固定ベース１１０は、その上部に固定されたリニアモータ１１１によって、中間ベース１２０をＸ軸方向に往復動可能に案内支持する。中間ベース１２０は、固定ベース１１０に設けられた案内機構によってＸ軸方向に往復動すると共に、内面両側に形成されている１対の案内面に移動体１３０を係合して、中間ベース１２０に固定された図示しないリニアモータによって移動体１３０をＺ軸方向に往復動可能に案内支持する。移動体１３０は、その先端に主軸１４０が取付けられており、中間ベース１２０に設けられた案内機構によって主軸１４０と共にＺ軸方向に往復動する。主軸１４０は円筒状のワークＷをクランプしてＺ軸回り（Ｃ軸）に回転する。
【００１８】一方、ベッド１の側面の主軸１４０先端の真下側にはベース１５０が設けられている。なお、ベース１５０の取付け面となるベッド１の側面には鋳抜き穴は設けられていない。ベース１５０は、内面両側に形成された１対の案内面に移動体１６０を係合して、ベース１５０に支持された図示しないリニアモータによってＹ軸方向に往復動可能に案内支持する。移動体１６０は、その先端にテーブル１７０が取付けられており、ベース１５０に設けられた案内機構によってテーブル１７０と共にＺ軸方向に往復動する。テーブル１７０には、ワークＷを加工するための図示しない工具（例えば、バイトや砥石）がテーブル１７０上にその回転軸線であるＹ軸に平行なＢ軸から所定距離だけ離れた位置に配置されている。また、テーブル１７０は図示しない駆動装置によって回転され、工具をＹ軸回り（Ｂ軸）に旋回する。
【００１９】以上のように、工作機械１００は、ベッド１の上面にワークＷをＸ、Ｚ軸方向に移動させる機構及びＺ軸回りに回転させる機構を設けると共に、ベッド１の側面の主軸１４０真下側に工具をＹ軸方向に移動させる機構及びＹ軸回りに回転させる機構を設けたことにより、ワークＷの自由曲面加工を実現することができる。
【００２０】つづいて、ベッド１について図面を参照して詳しく説明する。工作機械１００のベッド１は、鋳物製であって、図３、図４に示すように内部が鋳抜かれており、その内部はベッド１と一体で成形されたリブ１０が格子状に一定間隔で設けられている。リブ１０は、ベッド１の内部に格子状に一定間隔で設けられることによってベッド１を補強すると共に、ベッド１の内部を２（縦）×３（横）×２（高さ）＝計１２個の同じ容積をもつ空間に仕切るように設けられている。また、リブ１０には貫通した開口穴１１が設けられており、隣接する空間同士を連結している。
【００２１】ベッド１の側面及び底面には鋳抜き穴２が貫通して開口されている。鋳抜き穴２は、鋳造した際にベッド１の内部の各空間に充填している鋳砂を取り除くために設けられるものであって、該鋳砂が取り除きやすいようにベッド１の内部の各空間に対して少なくとも一つ以上設けられている。そして、ベッド１の側面の鋳抜き穴２は蓋３によって、ベッド１の底面の鋳抜き穴２は蓋４によって塞がれており、ベッド１の内部が閉空間になるよう構成されている。
【００２２】ベッド１の側面の鋳抜き穴２を塞ぐ蓋３は、鋳抜き穴２の全体を塞ぐようにするため鋳抜き穴２よりも大きな形状となっており、その中心部には後述するボルト７を通すための穴が開けられている。更に、蓋３のベッド１との密着する部分には、図５に示すようにベッド１の内部を密閉するためのＯリング５を挿入するための溝が全周にわたって設けられており、その溝部にＯリング５が挿入されている。そして、蓋３はクランパ６及びボルト７によってベッド１に密着するように塞がれる。具体的には、クランパ６は十文字状の形状となっており、その中心はねじが切られている。ボルト７は、蓋３を通してクランパ６のねじ部に通され、ボルト７を締め付けることによってクランパ６とベッド１が密着する。その結果、蓋３はベッド１に密着するように塞がれ、ベッド１の内部の空気の漏れやベッド１の内部への外気の浸入を防ぐことができる。
【００２３】一方、ベッド１の底面の鋳抜き穴２を塞ぐ蓋４は、鋳抜き穴２の全体を塞ぐようにするため鋳抜き穴２よりも大きな形状となっており、その外周部に蓋４を締め付けるためのボルト８を通すための穴が複数開けられている。更に、蓋４のベッド１との密着する部分には、図６に示すようにＯリング９を挿入するための溝が全周にわたって設けられており、その溝部にＯリング９が挿入されている。そして、蓋４は、ボルト８を通し穴及びベッド１の鋳抜き穴２外周上に設けられた図示しないねじ部に通され、締め付けることによってベッド１に密着するように塞がれる。その結果、ベッド１の内部の空気の漏れやベッド１の内部への外気の浸入を防ぐことができる。
【００２４】以上のように、ベッド１の側面及び底面の鋳抜き穴２を蓋３、４で塞ぐことによってベッド１の内部が閉空間となり、外気に曝される表面積が小さくなるので、ベッド全体の熱変位を抑えることができる。その結果、長時間の加工における精度を安定させることができる。なお、ベッド１の上面の１２で示されるのは第二の実施形態で用いられる液体注入口であり、第一の実施形態には必要なく、詰め栓がされている。
【００２５】次に、第二の実施形態について説明する。第二の実施形態はベッドの鋳抜き穴を蓋で塞ぎ、更にベッド内部に液体を充填させるものである。なお、第二の実施形態の工作機械やベッドの構成は、第一の実施形態と同一の構成である。つまり、工作機械１００のベッド１の鋳抜き穴２を蓋３，４で塞ぐまでは第一の実施形態と同じであって、その後閉空間となったベッド内部に液体を充填させるものである。なお、蓋３、４にはＯリング５、９が挿入されているので、ベッド１と蓋３、４との密着した部分から液体が漏れ出す心配はない。
【００２６】ベッド１の内部に充填する液体はベッド１の上面に設けられた液体注入口１２より注入される。液体注入口１２は、通常外気が浸入しないように詰め栓がされており、液体を注入する際詰め栓を外して液体を注入する。液体を注入した後は、外気の浸入と液体が気化して量が減ってしまうことを避けるために、液体注入口１２に再度詰め栓をしてベッド１の内部を密封する。
【００２７】ベッド１の内部に充填する液体としては比熱が大きい水が最も好ましい。更に言うと、鋳鉄製のベッド１が錆びてしまうことを避けるため、水に対して防錆剤を加えることが好ましい。更に、水が凍らないよう不凍液としてエチレングリコールなどを加えても良い。また、ベッド１の内部に充填する液体としては、水の他に防錆及び不凍の観点から油を充填させても良い。
【００２８】以上のように、ベッド１の鋳抜き穴２を塞ぐための蓋３，４をすることによってベッド１の内部を閉空間とし、更にベッド１の内部に液体を充填したので、ベッド全体の熱容量が大きくなり、鋳抜き穴に蓋をしただけの場合と比べベッド全体の熱変位をより抑制することができる。
【００２９】図７は、モデル化した従来及び本発明のベッド構造に対する体積Ｖ、表面積Ｓ、体積Ｖと表面積Ｓの比率Ｓ／Ｖ、重量及び総熱容量の関係を求めたものである。図７で挙げたベッドの構造は、一辺が１ｍの立方体で中実構造の鋳物製ベッド（Ａ）と、一辺が１ｍの立方体で、内部がリブ肉厚５０ｍｍで３（縦）×３（横）×３（高さ）＝計２７個の空間に仕切られた中空リブ構造の鋳物製ベッド（Ｂ）、一辺が１ｍの立方体で中実構造のグラナイト製ベッド（Ｃ）、中空リブ構造の鋳物製ベッド（Ｂ）に対して鋳抜き穴を蓋で塞いだベッド（Ｂ０）、鋳抜き穴を蓋で塞いだベッド（Ｂ０）に対してベッド内部に鉱油を充填させたベッド（Ｂ１）、及び、鋳抜き穴を蓋で塞いだベッド（Ｂ０）に対してベッド内部に水を充填させたベッド（Ｂ２）の以上６種類である。
【００３０】先ず、中実構造の鋳物製ベッド（Ａ）の場合は、表面積が小さく、熱容量が大きい等の長所があるものの、前述のように軽量化や経年変化による歪の影響を考えると好ましくない。したがって、従来の鋳鉄製ベッドにおいては（Ｂ）のように中空リブ構造として約７０％が鋳抜かれる。このように鋳抜かれた鋳鉄製ベッド（Ｂ）と中実構造のグラナイト製ベッド（Ｃ）とを比較すると熱容量は（Ｃ）の方が大きく、また表面積Ｓと体積Ｖの比（Ｓ／Ｖ）も（Ｃ）の方が小さい。よって、グラナイト製ベッド（Ｃ）の方が外気温変動に馴染みにくい構造体と言える。
【００３１】しかしながら、リブ構造の鋳物製ベッド（Ｂ）に対して鋳抜き穴を蓋で塞いだベッド（Ｂ０）は、鋳抜き穴を蓋で塞いだことによって外気と接する表面積が減るのでＳ／Ｖが小さくなり、（Ｂ）よりも外気温変動に馴染みにくい構造体にすることができる。更に、鋳抜き穴を塞いだ鋳鉄製ベッド（Ｂ０）に対してベッド内部に鉱油を充填させたベッド（Ｂ１）の場合は、グラナイト製ベッド（Ｃ）と同等程度の熱容量が得られ、水の場合（Ｂ２）においては（Ｃ）の約２倍もの熱容量が得られる。これらによって外気温変動に対してより馴染みにくい鈍感な構造体にすることができる。
【００３２】図８は、第一の実施形態で述べた、図１、図２の工作機械１００のベッド１の側面及び底面の鋳抜き穴２を蓋３、４で塞いだ場合における、恒温室内の室温及びベッド内部の温度の測定結果を示している。ここで、恒温室内の設定温度は２０℃である。また、恒温室内の室温及びベッド内部の温度は白金測温抵抗体によって測定を行い、ベッド内部の温度の測定については白金測温抵抗体をベッド１の液体注入口１２より挿入して行った。図８より、室温は、機械を始動させた時（図８中の▲１▼）、機械本体の発熱により上昇しているが、途中、恒温室内への人の出入り等による外乱によって変動している。機械を停止させると（図８中の▲２▼）、室温は機械本体の発熱がないため設定温度付近まで低下している。
【００３３】それに対して、ベッド内部の温度は、機械を始動させることによって上昇しているが、室温とは一致して連動しておらず、室温に対して緩やかに上昇している。また、室温の変動に対してベッド内部の温度はその影響を殆ど受けていないことが分かる。
【００３４】つまり、ベッド１の側面及び底面の鋳抜き穴２を蓋３、４で塞いだことによってベッド内部を閉空間としたので、室温の変動に対してベッド内部の温度が馴染みにくく鈍感になったと言える。その結果、ベッド１の外側面は室温の変動による影響を受けるものの、ベッド１の内側面は室温の変動の影響を受けにくいので、ベッド全体が外気の変動を受ける表面積は小さくなりベッド全体の熱変位を抑えることができる。
【００３５】また、図９は第二の実施形態で述べた、ベッド１の内部に液体を充填させた場合における、恒温室内の室温及び液体温度の測定結果を示している。ここで、恒温室内の設定温度は２０℃である。ベッド１の内部に充填した液体は水に防錆剤を加えたものを使用した。なお、恒温室内の室温及び液体温度は白金測温抵抗体によって測定を行い、液体温度の測定は白金測温抵抗体をベッド１の液体注入口１２より挿入して行った。図９より、室温は、図８の場合と同様に、機械を始動させた時（図９中の▲１▼）、機械本体の発熱により上昇しているが、途中、恒温室内への人の出入り等による外乱によって室温が変動している。そして、機械を停止させると（図９中の▲２▼）、室温は機械本体の発熱がないため設定温度付近まで低下している。
【００３６】それに対して、ベッド内部の液体水温は、機械を始動させることによって上昇しているが、室温とは一致して連動しておらず、室温に対して緩やかに上昇している。また、室温の変動に対してベッド内部の液体水温はその影響を殆ど受けていないことが分かる。
【００３７】そして、図８のベッド１の側面及び底面の鋳抜き穴２を蓋３、４で塞いだだけの場合と比較すると、ベッド１の内部に液体を入れた場合の方が室温の変動に対してより馴染みにくく鈍感になっている。つまり、ベッド１の内部に防錆剤を加えた水を充填することによってベッド全体の熱容量が大きくなったので、鋳抜き穴を蓋で塞いだだけの場合と比較してベッド内部の温度が外気温の変動に対してより馴染みにくく鈍感になったと言える。その結果、ベッド全体の熱変位はベッドの鋳抜き穴を蓋で塞いだだけの場合よりも抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】工作機械１００の平面図である。
【図２】工作機械１００の正面図である。
【図３】図１における工作機械１００のベッド１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２における工作機械１００のベッド１のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】工作機械１００におけるベッド１の側面の鋳抜き穴２を蓋３塞いだ状態を示す拡大図である。
【図６】工作機械１００におけるベッド１の底面の鋳抜き穴２を蓋４塞いだ状態を示す拡大図である。
【図７】モデル化した従来及び本発明のベッド構造に対する体積Ｖ、表面積Ｓ、体積Ｖと表面積Ｓの比率Ｓ／Ｖ、重量及び総熱容量の関係を示したものである
【図８】図１、図２における工作機械１００のベッド１の側面及び底面の鋳抜き穴２を蓋３、４で塞いだ場合における、恒温室内の室温及びベッド内部の温度の測定結果を示したものである。
【図９】図１、図２における工作機械１００のベッド１の側面及び底面の鋳抜き穴２を蓋３、４で塞いでベッド内部に液体を充填させた場合における、恒温室内の室温及び液体温度の測定結果を示したものである。
【図１０】外気温と温度差を持つ体積一定で表面積が異なる３種類の物体の温度変化を計算により求めた結果である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　ベッド
２　　　　　　　　　　鋳抜き穴
３、４　　　　　　　　蓋
１２　　　　　　　　　液体注入口
１００　　　　　　工作機械
【図１】
2004136395.tif 000003
【図２】
2004136395.tif 000004
【図３】
2004136395.tif 000005
【図４】
2004136395.tif 000006
【図５】
2004136395.tif 000007
【図６】
2004136395.tif 000008
【図７】
2004136395.tif 000009
【図８】
2004136395.tif 000010
【図９】
2004136395.tif 000011
【図１０】
2004136395.tif 000012