(57)【要約】等温被加工品保持システムは、振動減衰、低熱伝達率、低熱膨張係数（ＴＣＥ）ポリマー複合材料製保持体を使用して、工作機械の振動及びビビリを防振する一方で、ワークを適所に、機械加工中、真空及び／又は機械的クランプによって、正確に強固に維持する。ワークに接触する高熱伝導性プレートを有する冷却用流体チャネルにより、ワークへ／から熱エネルギーを伝達して、ワークを、機械加工、検査、及び組付中に等温に維持し、その結果寸法変化を排除し、プロセス再現性を増大させる。ビビリを抑制することで、サイクル時間を減少し、表面仕上げを向上させ、それにより手動による再作業を排除する。このシステムでは、真空ポンプ及び冷媒流体ポンプ、冷温装置、温度センサ及びコントローラを用いて、高精度の寸法公差で部品を機械加工でき、それにより誤差の増大や、組付費用を軽減できる。等温治具については、シムの使用を減らして、精確な位置で、部品を組付する、及び自動でリベットを打込むことに関して、開示している。本発明の等温システムを、リニア誘導モータのＴＣＥ／Ｉ２Ｒ作用を制御するのに適用できる。【選択図】図１Ｂ
2010509084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱膨張係数（ＴＣＥ）材料の基体及び基準ベッドを有する工作機械に用いられ、振動が誘発する誤差又は不具合を軽減しつつ、乾式精密機械加工し、機械的締結構成要素を必要とする高ＴＣＥ部品を精確に組付し、前記工作機械のベッドを、略等温で、振動伝搬を低減させて維持する、等温、振動減衰ワークホルダ装置であって、該装置には、作用部の組み合わせ：
ａ）少なくとも１つの振動減衰、低熱伝導率、低熱膨張係数（ＴＣＥ）のポリマー複合材料製ワーク保持体部材であって、乾式機械加工、組付するワークを正確、強固に構造的に支持するよう、又は、工作機械ベッドを支持するよう構成する前記ワーク保持体部材；
ｂ）少なくとも１つのワークを、乾式機械加工する又は組付する間、適切な位置で確実に保持する、前記ワーク保持体部材に設けた真空導管を備える真空保持システム；
ｃ）前記ワーク保持体において、前記ワーク又は前記工作機械ベッドの少なくとも一面と接する前記ワーク保持体の面に設けられ、熱伝導流体がその中を通過する少なくとも１つのチャネル；
ｄ）前記ワーク又は前記工作機械ベッドを、誤差を誘発する振動伝搬を低減しつつ略等温に維持するために、前記ワーク又は前記工作機械ベッドの少なくとも一部分と熱的に密着した状態に維持するよう配設した前記チャネルと関連して設ける、少なくとも１つの高熱伝導性材料製伝熱板、
を備えること、を特徴とするワークホルダ装置。
【請求項２】
前記チャネルを通り、熱伝導流体を循環させるための流体循環ポンプと、前記流体を加熱又は冷却する冷温装置と、前記ワーク保持体の少なくとも一面と関連して配設する温度センサと、前記ワーク又は前記工作機械ベッドを、予め選択した、略等温の温度値で維持する制御システムと、を含む請求項１に記載のワークホルダ装置。
【請求項３】
前記保持体部材をモジュール式とし、該部材には、異なるサイズ又は形状のワークに適応するよう設ける、少なくとも１つの構成材を備えること、を特徴とする請求項２に記載のワークホルダ装置。
【請求項４】
前記真空保持システムには、前記保持体部材に設けた対応するシール溝で受容するシール部材を含むこと、を特徴とする請求項３に記載のワークホルダ装置。
【請求項５】
機械的クランプ部材を含む、請求項４に記載のワークホルダ装置。
【請求項６】
前記保持体部材を、垂直、水平、及び垂直又は水平と角度を有する、を含む複数の軸方向の、少なくとも１位置でワークを保持するよう構成して、少なくとも１つの前記方向で、ワークを機械加工又は組付可能にすること、を特徴とする請求項４に記載のワークホルダ装置。
【請求項７】
前記伝熱板を、銅又はアルミニウム製とすること、を特徴とする請求項２に記載のワークホルダ装置。
【請求項８】
前記伝熱板を、前記保持体の肩部で、前記流体のチャネルの周縁部に沿って設置すること、を特徴とする請求項２に記載のワークホルダ装置。
【請求項９】
前記肩部には、密封部材を含んで、前記流体のチャネルから熱伝達流体の漏出を防ぐのに役立てること、を特徴とする請求項８に記載のワークホルダ装置。
【請求項１０】
前記伝熱板には、前記チャネル内に突出する少なくとも１つのフィン部材を含んで、前記流体と接触する表面積を増大させて、前記流体へ又はから熱エネルギーを効率的に急速に伝達させること、を特徴とする請求項７に記載のワークホルダ装置。
【請求項１１】
前記ポリマー複合材料を、高強度及び低振動伝搬特性を有するポリマーコンクリートとすること、を特徴とする請求項２に記載のワークホルダ装置。
【請求項１２】
前記ポリマー複合材料製の保持体と関連させて装着する工作機械の基準ベッドを含み、前記ベッドを、前記ベッドと熱的に密着した状態に配設した少なくとも第１伝熱板によって実質的に等温に維持し、前記ポリマー複合材料により、振動伝搬を低減する、請求項１に記載のワークホルダ装置。
【請求項１３】
少なくとも１つのワーク保持体を、前記工作機械ベッドに装着して、ワークを支持し、前記保持体を前記ベッドと前記ワークとの間に介在させて、前記ワークの機械加工運転の振動を減衰させ、前記ワークを、少なくとも１つの第２伝熱板と熱的に接触した状態とし、それにより熱を、前記ベッドと前記ワークとの間で伝達させ、前記ワークを寸法的に略安定して維持すること、を特徴とする請求項１２に記載のワークホルダ装置。
【請求項１４】
工作機械装置用リニア誘導モータの固定又は走行構成要素を冷却して、前記工作機械装置に装備した工具による、ワークの機械加工精度に誤差を生じさせる熱が誘発する機械寸法成長を低減するための、等温、振動減衰挿入体であって、該挿入体には、作用部の組み合わせ：
ａ）リニアモータの前記固定ベッド又は走行要素における挿入体として構成する、少なくとも１つの振動減衰する低熱伝導率のポリマー複合体部材；
ｂ）前記挿入体において、前記リニアモータ構成要素の少なくとも１面と合せる該挿入体の面に設ける、それを通して熱伝導流体を通過させる少なくとも１つのチャネル；
ｄ）前記リニアモータ構成要素の少なくとも一部と熱的に密着した状態に維持するよう配設した前記チャネルと関連させて設け、それにより前記モータで発生したＩ２Ｒ熱を前記流体に伝導し、その結果工作機械ベッド又は走行部材への熱移動を防止する、少なくとも１つの高熱伝導性材料製伝熱板、
を備えること、を特徴とする等温、振動減衰挿入体。
【請求項１５】
ワークを乾式機械加工する又は組付する方法であって、該方法には、
ａ）振動を減衰し、熱伝導率が低く、熱膨張係数（ＴＣＥ）が低いポリマー複合材料製ワーク保持体部材を用い、乾式機械加工する、又は少なくとも１つの他のワークに組付する前記ワークを、正確、強固に構造的に支持するよう構成する前記ワーク保持体部材に、ロードするステップ；
ｂ）前記ワークを、前記機械加工又は組付のために適切に位置合わせした位置に、真空を作用させて、前記ワーク保持体の少なくとも一面と熱的に密着するよう引付けて、クランプするステップ；
ｃ）前記保持体の表面に設けられて前記ワークと熱的に密着し、熱伝達流体と伝導する少なくとも１つの伝熱板によって熱が前記ワークから、あるいは前記ワークへと伝達することで前記ワークを実質的に等温に維持すると共に、前記真空のクランプが前記ワークと前記伝熱板との間を熱的に密着した状態を維持するように補助するステップ；及び
ｄ）それにより、熱膨張係数（ＴＣＥ）及び振動が誘発する寸法誤差を低減させて、前記ワークをより正確に機械加工又は組付可能にするステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
ａ）前記ワークを前記保持体に、機械的クランプ部材を用いてクランプするステップ；
ｂ）高熱伝導性流体を、流体のチャネルを通して、前記伝熱板と伝導した状態で循環させるステップ；及び
ｃ）前記ワークの温度を検知して、冷温装置を制御して前記高熱伝導性流体を加熱又は冷却して、前記ワークの温度を、予め選択した設定点温度にする及び該温度で維持するコントローラに、信号を提供するステップ、
を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法を、ウェブを桁及び支柱に、スキンを桁及び縦通材に、及び保持体リブをスキンに組付することを含む、航空機組付に適用することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ａ）工作機械のベッドを前記構成の保持体に装着して、振動伝搬を低減するステップ；及び
ｂ）前記ベッドを実質的に等温に維持するが、これを、熱を前記ベッドから又はベッドへと、前記保持体の面に、前記ベッドと熱的に密着する状態で、設ける少なくとも１つの伝熱板によって伝達させて行うステップ、
を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
ａ）高熱伝導性流体を、流体チャネルを通して、前記伝熱板と伝導した状態で循環させるステップ；及び
ｃ）前記ベッドの温度を検知して、冷温装置を制御して前記高熱伝導性流体を加熱又は冷却して、前記ベッドの温度を、予め選択した設定点温度にする及び前記ベッドを実質的に該温度で維持するコントローラに、信号を提供するステップ、
を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
機械ベッドと相対移動する工具ホルダを有し、該工具ホルダの運動を、固定及び可動構成要素を有するリニア誘導モータで駆動する工作機械における、熱が誘発する寸法変化を制御する方法であって、
ａ）前記固定構成要素における、又は前記リニア誘導モータの前記走行構成要素と関連する挿入体として構成する、振動減衰、低熱伝導率、低熱膨張係数（ＴＣＥ）のポリマー複合材料部材を設けるステップ；
ｂ）前記挿入体の少なくとも１面に、熱伝導流体を、それを通して通過させる少なくとも１つのチャネルを設けるステップ；
ｃ）前記リニアモータ構成要素の少なくとも一部と熱的に密着した状態で配設する前記チャネルと関連させて、少なくとも１つの高熱伝導性材料製伝熱板、を設けるステップ；及び
ｄ）熱伝導流体を、前記導管を通して、前記伝熱板と接触させた状態で循環させ、それにより前記モータで発生したＩ２Ｒ熱を前記流体に伝導し、その結果機械ベッド又は可動工具ホルダへの熱移動を防止するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に乾式機械プロセスで、機械加工するワーク用のホルダ、特には、連続的に高周波振動を減衰させ、且つ、大型で薄断面の、曲線及び／又は複雑な形状又はマルチパートのワーク内で熱が蓄積するのを防止すると同時に、ワークを、機械加工及び／又は検査運転中に、等温の安定した状態に維持する、装置、自動制御システム及び方法に関する。本発明の等温ワーク保持システムにより、ビビリや機械加工による熱の発生によるＴＣＥに起因する工作誤差を軽減し、その結果高精度機械加工を、短い工作時間で、規格に適合した加工部品を高歩留まりで行える。また、本発明のシステムは、精密部品組付用治具に、実質的にＴＣＥが誘発する部品のズレを、該部品を組付中に等温で隔離して保持することで排除するようにして、適用もできる。また、本発明のシステムは、極めて大量の熱を発生するリニア誘導モータからの、ＴＣＥが誘発する機械フレーム及びフライスベッドの歪みを防止するのにも、適用できる。磁気ロケータシステムについても、航空宇宙機構成要素の翼及び本体の組付中に、自動リベット打ち機によるブラインド開穴及び鋲止めに役立てるため、開示している。
【背景技術】
【０００２】
高精度工作機械産業では、あらゆるワークを厳密な寸法公差で、再現的に表面を滑らかに仕上げつつ、高速に機械加工することが不可欠である。特に関心があるのは、大型で、比較的薄い断面をした曲線及び／又は複雑なワークを、正確、迅速に、且つ再現的に製造することである。こうした種類のワークを、強固に、正確に、安価に保持するのは極めて難しい、というのもワークが本質的にビビリの影響を受け易いためである。ビビリは、例えば、動作又は回転する切削工具に対するワーク表面の高周波振動である。ビビリは、工具がワーク表面を横断する経路毎に、個々の高さに差が出る原因となる。こうした高差が発生すると必ず、鋭角（９０°）ができ、各鋭角の所で、静的、動的及び周期的な引張応力が集中する。
【０００３】
応力が集中すると、応力腐食割れと腐食疲労の両方を、大気中の腐食物の存在下で引き起こす可能性がある。応力腐食割れは、金属における進行性の破壊メカニズムであり、使用中に腐食物と持続的な引張応力が同時に相互作用することで生じる。また、腐食が誘発する疲労は、使用中に周期的にかかる応力による進行性の割れを引き起こす幾分同様の破壊メカニズムの原因となる場合もある。どちらの破壊メカニズムも、通常使用時に、ワークの致命的な不良に繋がる可能性がある。
【０００４】
これまでのワークのビビリを軽減させる試みとして、ワーク自体を修正することの他、切削工具形状、加工パラメータ、及びワーク段取り台を再設計することが挙げられる。いずれも、薄肉断面のワークを制振、或いはワークの温度を制御してはいない。他のビビリ軽減方法として、塑像用粘土、非線形金属製バネ、ガス及び油圧緩衝装置、同調共振構造、及び機械的予圧を利用することが挙げられる。弾性材料を使用する試みでは、適合材料の部分的圧縮に頼るため、結果的にワークを支持するには剛性が不足してしまう。ワークを剛性に保てないので、表面仕上げの際に、波や鋭い肩部を発生させずに、滑らかに研磨するために、工具の回転を遅くして切削の深さを浅くし、段差を小さく、及び／又は送り速度を遅くする必要がある。
【０００５】
適合材料又は粘弾性材料は、熱伝導率が極めて低く、ヒートシンクよりはむしろ断熱材として機能する。機械加工プロセスでは熱エネルギーを発生するため、その熱エネルギーの一部が、極めて高温の切屑がワークから放出されるに応じて、ワークから離れて伝達される。しかしながら、せいぜい熱エネルギーの７５％だけが、切屑で伝えられる。残留した熱エネルギーは、工具／スピンドルとワークの両方で吸収されることになる。工具／スピンドルに伝達されない如何なる残留熱エネルギーも、ワークに蓄積されることになる。また、適合材料により、ワークに全く新たな一連の発振周波数となるかも知れない。従って、該材料が幾らか振動周波数を減衰させる可能性があるものの、異なる、通常低い、ワークでの振幅運動が大きくなる振動周波数となる場合がある。粘弾性材料を、ワークの外側周縁部に沿って塗布する、或いは不十分な量を使用した場合には、ワークを粘弾性材料を使用せずに保持した際とは異なる他の振動となる。経験的に、このようなビビリ軽減方法の組み合わせでは、サイクル時間が長くなり、ワーク内に熱が集中することが、分かっている。こうしたビビリを防止してワークを保持する方法の欠陥により、不良なワークが大量に発生し、その結果費用がかかり、不良品について手作業で再加工する必要がでてくる。
【０００６】
ビビリと熱蓄積は両方とも、冷媒又は潤滑剤を使用しない“乾式”機械加工では悪化する。航空宇宙産業では、ワークが巨大過ぎて“濡らして”機械加工できないため、乾式機械加工となる。殆どの長い航空宇宙機のワークは、部品寸法範囲が長さ５０〜１１２フィートになるため、アルミニウムから乾式機械加工される。アルミニウムは、高熱伝導性と高熱膨張係数（ＴＣＥ又はＣＴＥ）を有する。大型で、薄く、曲線の非対称的なアルミニウム製ワークは、実際に、機械加工中に寸法が移動する対象物である。膨張速度及び収縮速度は、ワークによって著しく変化する可能性がある。
【０００７】
国内外の航空宇宙企業が発行する最近の精度仕様では、こうした長く、薄い、曲線の表面をしたワークの厚さについて、極めて厳しい公差に収めなければならないと、指示している。こうした新仕様では、個々のワークの厚さを、多くの代表点で測定して、±０．００３の高精度公差に収めるよう求めている。これらの測定値及び位置を、契約要求事項を満たすために、記録しなければならない。こうした新仕様は、二面の課題を提示する：第１に、工作機械自体を、更に精密、且つ再現可能にしなければならない。第２に、ワークのＴＣＥで変動する厚みの変化率を制御して、全体的な寸法公差の範囲内に収めなければならない。現在のところ、こうした新たな品質仕様には、構造フレーム部品の相手先商標製造（ＯＥＭ）業者はまだ対応できていない。
【０００８】
検査済みワークを、作業の間に垂架した後にも、該ワークは周囲温度まで上昇する。５０フィートのワークを５０°Ｆで機械加工する場合、機械ベッドから取り外したとき、該ワークは、例えば、６８°±１°Ｆまで上温し、全体の端から端までのＴＣＥによる膨張は、約＋０．１４０インチとなる。当初中心で±０．０３０インチの許容差ウィンドウであったが、基準端部から１５０インチ（１２．５フィート）超に位置する任意の寸法的特徴は、該端部からの許容可能な距離を超えて膨張するだろう。低温時に許容可能であったワークも、熱膨張して低品質で販売不可能な不良品となり、再加工、又は廃棄しなければならなくなる。こうした問題は、航空機産業で、強度が高い、アルコア社製７０７５−Ｂ合金が採用されたことで悪化するが、というのは、ビビリ問題により、高強度アルミニウム合金の機械加工の最高効率が低下し、機械加工中に、熱によるＴＣＥで、精密化が不可能になるためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、当技術分野において、乾式切断機の摩擦によるＴＣＥが誘発するワークの膨張、及び表面仕上げが不均一となったり、仕様から外れた寸法誤差を結果的に招く切断機／ワークの相互作用によるビビリという、重大で費用がかかる問題に対する解決方法を提供する、深刻で、緊急の、未対応のニーズが依然存在している。また、複雑な形状、大型及び薄断面のワークへの多様な機械加工作業に適応可能なシステムで、しかも設置及び操作が容易で、比較的安価で、以前に設置した大型工作機械にもレトロフィットでき、特に航空宇宙産業において、短い実行時間、高歩留で、高品質の乾式機械加工部品を製造するのに使用できるシステムに対するニーズも、存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、等温で、高周波振動を防振して、ワークを保持し、組付する治具装置、制御システム、及び、特に寸法精度が厳密な仕様を満たす大型ワークの乾式機械加工といった、作業の方法を、対象とする。
【００１１】
ワークを保持する用途では、本発明のシステムを、主に乾式機械加工において使用して、実質的に大幅にワークのビビリを低減し、ＴＣＥによる誤差を、ワークを予め選択した略等温度に維持することによって、減少させる。より詳細には、本発明は、継続的に高周波振動を防振し、大型の薄断面をした、曲線及び／又は複雑な形状又はマルチパートのワークにおける発熱を防止すると同時に、ワークを機械加工、検査及び／又は組付作業中に、等温的に安定して維持する、装置、自動制御システム及び方法、に関する。本発明の等温ワーク保持／組付治具システムにより、機械加工で発生した熱によるビビリ及びＴＣＥから生じる機械加工及び／又は組付誤差を低減し、その結果、高精度で、短い作業処理時間で、仕様に適合する加工部品を高歩留まりで機械加工できる。本発明は特に、大小型民生用、商用及び軍用航空及び宇宙機を含む、航空宇宙産業で使用する大型部品を乾式機械加工するのに有用である。
【００１２】
本発明のシステムには以下を含む：
・ワーク保持体には：剛性、非粘弾性、及び略非圧縮性、非可鍛性、非導電性の材料であって、優れた高周波振動減衰特性、及び超低熱伝導特性を有し、強固で精確なワークの寸法支持体として、その保持体の大部分を、ワークの少なくとも１面（本明細書では、“安定面”）と密着状態に保持する該材料、を備える；
・クランプシステムには：複数の機械的クランプ、又は好適には、真空クランプシステムを備え、該真空クランプシステムには：ワーク保持体に形成又は定置する真空導管、適当なシール、１つ又は複数の真空ポンプに繋がるマニホルド及び配管を備えて、ワークの安定面を引き付けて、ワーク保持体と密着した状態に維持すると共に、作動、運転、遮断中に真空システムをモニタ及び制御するための適切な弁、ゲージ、センサを含む；
・等温冷却／加熱システムには：ワーク保持体に、又はワークの安定面と接触した状態のワーク保持体表面と関連して、形成又は定置する導管、チャネル又は溝、及び適当なシール、マニホルド、及び非腐食性流体冷媒と共に用いる１つ又は複数の加熱又は冷却ユニットに繋げる配管を備えて、ワーク全体を、機械加工中に正確に等温に維持すると共に、作動、運転、遮断中に等温システムを維持及び制御するための適切な弁、ゲージ、温度センサを含む；
及び
・コントローラシステムには：プログラマブル・コントローラユニット、データ及び命令入力部及びディスプレイを含むオペレータコンソール、多様な入力及び出力リード線、オペレーティング・ソフト、遠隔モニタリング及び運転制御用通信モジュール、メモリ付記録装置を備え、これらで協働してシステム全体を運転及び制御を実施するよう機能する；
・任意に、本システムには：１枚又は複数枚の補助伝熱板であって、該伝熱板には、ワーク安定面と保持体との中間に配置する高熱伝導性の成形性材料を含むことができる；伝熱板には、シール及び、１つ又は複数の真空システム及び冷却システムとの導管又は溝連結部、及び伝熱板に内蔵又は固定して、運転中に動作をモニタするセンサを、含んでもよい。
【００１３】
本発明のワーク保持体により、垂直から水平まであらゆる角度で適所に保持したワークを、精確、強固、大規模、構造的に支持可能になる。保持体を、ワークの少なくとも１安定面と面密着させて配置する。ワークを、保持体の適所に、真空でしっかりと保持する。即ち、真空システムは、ワークの、非作業側から以外の全域に亘り均一にワークを保持する“全面クランプシステム”として、効率的に機能する。従来技術のような、不均等な圧力、実質的に点圧をワークに印加する離隔したクランプを有する代わりに、本発明の真空ホルダアセンブリにより、ワーク全体を、ワーク保持体に対するワークの全面に亘って保持する。点保持又は挟持する代わりに、本発明のシステムでは、吸引で保持する延長面を設ける。
【００１４】
ワーク保持体により、ワークの少なくとも１面の大部分を被覆して、安定面を作成する。該保持体を、好適には、ワークとの面密着を維持するために、必要に応じて曲線にした、略連続した面とする。ワーク毎に、専用の保持体、即ち、特定のワークの曲線にした保持体を有して、該保持体を機械加工設備の在庫に保有して、必要に応じて工作機械ベッドに定置してもよい。
【００１５】
重要な変形例では、保持体を１つ又は複数の延長体を有するモジュール式にして、異なるサイズ、曲線及び／又は形状のワークに適応させてもよい。このモジュール式システムを用いることで、限られた手持ちのホルダ体メニューの中から、該ホルダ体を混合及び組合せて、全組のワークに適用できる、様々な表面を提供できる。
【００１６】
保持体を、非導電性、成形可能とし（例えば、キャスティングにより）、該保持体の熱伝導率を極めて低くし、該保持体を、機械加工するワークの熱質量体と比較して相対的に大熱質量体として設ける。例えば円筒形をした外郭形状のシール、例えばＯリングと嵌合するシール溝を、保持体及び保持体延長部に、又は伝熱板に設けて、保持体及び／又は伝熱板の表面で、真空と液体冷媒の両ポート、溝及び導管を画定する。典型的には、溝を半円形又はそれより若干長く（開放したＣ字型）として、シール溝に圧入されるＯリング又は他の種類の粘弾性シール部材を保持する。
【００１７】
該ポート又は溝と連通する複数の真空導管を、保持体又は伝熱板に設けて、又は定置して、大気をワークの下から排出可能にする。加えて、本システムには、大気をワークの下から真空導管及び真空搬送ラインを介して引き出すために、少なくとも１つの真空ポンプを含む。シールが圧縮して、ワークを引き付けて、保持体の合わせ面と接触可能となり、それにより安定面の全面をクランプする。保持体の面に形成した複数の露出した溝、チャネル又は導管により、冷媒流体を、伝熱板を介して、ワークと熱的に密着した状態で循環可能にする。ワークの非加工側への全面真空クランプと等温冷却とを組み合わせて、安定面を作成する。
【００１８】
しかし、当然ながら、本発明のシステムを、真空クランプと機械的クランプを組み合わせたものと共に使用できる、或いは等温冷却システム及び保持体を、機械的クランプシステムのみと併用できる。機械的クランプを使用する場合には、複数の機械的クランプ部材を、ワークと関連させて配列して、ワークと伝熱板と保持体との間で熱的に密着した状態を機械的に維持するが、該クランプを適宜配列して、ワークを良好に被覆する。
【００１９】
保持体の表面内に、表面上に、又は関連して設ける伝熱板は、熱エネルギーを、被工作物から循環冷媒流体まで伝達する機能を果たす。真空ポート又は溝の場合と同様に、冷媒システムには、適当な軟質弾性シールを含み、該シールを、好適には保持体の溝、又は逆に伝熱板に配設して、冷媒液体を、冷媒溝及び導管内に密封し、閉じ込める。
【００２０】
好適には、伝熱板を、保持体面にある冷媒溝の範囲内に限定し、それによりワークの安定面が、保持体との合わせ面で、伝熱板の連続、パターン、又は配列を“見る”ようにし、該伝熱板の下には、冷媒溝を存在させる。伝熱板により、冷媒溝を密閉し、それにより冷媒を、直接ワークと接触させるよりは、むしろ伝熱板の下面と接触させるようにする。
【００２１】
等温システムには：流体導管を通り流れ、熱エネルギーをワークから流体冷温装置に伝達する、或いは逆に、熱を流体冷温装置からワークへと伝達する機能を果たす高熱伝導性流体；高熱伝導性流体を、流体冷温装置ユニットから液体搬送ラインを通りワーク保持体まで搬送する液体ポンプ；容易に流体を搬送するための１組の液体搬送ライン、とを備える。
【００２２】
制御システムには：ワーク自体の直接温度を測定して、高熱伝導性流体がワークを約±０．５〜１．０°Ｆの等温に維持するのに必要な加熱又は冷却程度を計算するのに使用にするフィードバックと、ワークを等温度に維持するのに必要な加熱／冷却量を計算及び制御するためのモデル予測制御装置（ＭＰＣ）とを提供するための少なくとも１つの温度検知装置、を含む。様々な入力部及び出力部を有する適当なオペレータコンソールを、必要に応じて、例えば、ディスプレイパネル、キーボード、マウス、タッチポイントスクリーン、データ記録装置、磁気記憶装置、及び通信システムを設けて、１つ又は複数の遠隔サイトへ及びから本システムをモニタリング、通報、アーカイブ及び制御する。
【００２３】
従って、本発明の等温ワーク保持システムは、その要素と特徴の組み合わせを考慮すると、現在の工作機械運転に完全に対応できる。本システムは、既に設置した工作機械インフラへの費用がかかる変更、又はオペレータ人材の必要がないだけでなく、大幅な増産や高歩留まりを提供する。更に、本システムは、大きさ的にも、使用するにも、現代の高速切削工作機と適合して拡張可能である。本発明のシステムは、１０，０００ｒｐｍ未満に制限するよりはむしろ、高速機械加工の増大する性能要件を満たし、最高約３０，０００ｒｐｍのカッター速度で運転可能である。
【００２４】
本発明のシステム装置の第１好適実施例では、ワークを、ワーク保持体に対して、精確な位置に真空、機械的クランプ、又は真空と機械的クランプの組み合わせで、強固に保持する。この精確な位置決め及び強固な固定により、確実に、正確な深さでワークを切削できる。
【００２５】
好適な保持体材料を、成型可能な微粒子のポリマー複合組成物（乾燥状態で）とし、以下を含む：ａ）セメント質特性を有するベース、例えば、ポートランドセメント、ポゾラン灰等；ｂ）充填物、例えば１つ又は複数の凝集体、繊維等；及びｃ）１つ又は複数のポリマー接着剤。様々な他の添加剤、例えば、着色剤、可塑剤、促進剤、遅延剤、強化用繊維等を、混ぜて使用してもよい。この組成物を、室温で水と混合し、該組成物を剛性体に硬化させる型に入れて成型する。この型を特に個々のワークに対して構成でき、又は基本的な“ブロック”とし、該ブロックをその後、冷媒溝、ネジ付挿入部等を必要に応じて含む、外形寸法及び輪郭に仕上げ研削するブロックとすることができる。“ポリマーコンクリート”として既知の、好適なポリマー複合材料は、工作機による高周波振動を、ワーク安定面を介して、素早く吸収するという、（本発明のシステムに関して）必要な特性を有する。各ポリマー複合材料製保持体は、真の“振動吸収する不動体”であり、振動減衰にゆっくりと反応し、内部で振動が伝搬し、金属体自体内で反響する導管である金属とは異なる。本発明のシステムで使用するポリマー複合材料は、金属（鉄鋼、鋳鉄、アルミニウム等）又はガラスのように“リンギング”しない。同時に、ポリマー複合体の成形性及び機械加工性により、ワークに合う高精度な曲線に対する、正確で滑らかな加工寸法となる。本発明の保持体に適した成形可能なポリマー複合材料としては、市販のポリマー複合材料、例えば、アイティーダブリュー・ポリマー・キャスティング社（ＩＴＷ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｃａｓｔｉｎｇｓ  Ｉｎｃ．）製のＡｎｏｃａｓｔブランドのポリマー複合材料が挙げられ、Ａｎｏｃａｓｔには、高強度エポキシ樹脂、石英集合体及び特定添加剤を含んでいる。
【００２６】
高性能伝熱板を、好適にはＣｕ又はアルミニウム合金製とし、これを、熱的に密着させるために、ワークの安定面に対して押上げる。フィンを、伝熱板の底部側に配設してもよい。フィンを、保持体の面の冷媒溝に収まるよう、寸法決め及び構成する。Ｏリング又は他の密封要素を、溝又はチャネルの縁部に配置して、密封を維持し、それにより冷媒が漏れてワークと接触しないようにする。当然ながら、用語“冷媒”又は“冷却”を使用した場合、流体により、必要に応じてワークを加熱又は冷却できる。
【００２７】
冷媒流量を、好適には一定の流量に制御するが、工具が次第に鈍化する、或いは異なる工具を、機械加工の様々な段階で使用し、異なる熱出力を生じる場合に、冷媒流量を変更できる。機械加工サイクル中に、コントローラの温度センサで、温度上昇を計測した場合、ＭＰＣは、冷温装置を作動させて、熱伝達流体を冷却し始める。この冷流体が伝熱板の下を循環すると、伝熱板がより低温になる。機械加工の熱エネルギーでワークの温度が上昇すると、温度勾配が大きくなり始める。勾配が大きくなると、熱エネルギーがワークの高温箇所から低温の伝熱板に伝達される。熱エネルギーは引き続き、伝熱板から冷流体に伝達され、該冷流体は溝を通り、それから流体搬送ラインを介して冷温装置へと圧送され、該装置で、熱エネルギーを、雰囲気又は他のヒートシンク（例えば、冷却塔）に伝達する。温度勾配が大きくなると、ＭＰＣは次第に冷媒流体の温度を下降するよう求め、そのため更に熱エネルギー伝達が早まる。このプロセスを平衡状態に達するまで継続し、平衡状態では、機械加工からの熱を、熱が発生すると直ぐに伝達して、ワークの温度をできる限り、予め選択したデータ、例えば、６８°Ｆ近くで維持する。このように、本発明のシステムによりワークを、様々な異なるサイズ及び形状のワーク、切断加工のカッター、速度、送り、及び深さ、及び他の様々な種類の機械加工に亘り、等温に維持する。
【００２８】
本発明の等温ワーク保持システム及び方法により、結果的にワークの滑らかな表面仕上げを作成し、それ以降の手動による再加工及び関連する製造コストが不要になる。手動による再加工を排除することで、必須となる再検査やそれに伴う製造コストを排除できる。本発明の等温ワーク保持システムでは、ワークの裏面に沿って連続的な支持を提供し、該支持により薄断面のワークを強固に、従って極めて正確に、機械加工中、保持する。よって、ワークの厚みに関して、極めて精確な制御を達成できる。
【００２９】
その結果、本発明のシステムにより、機械はより高速で切削深さをより深く切削可能になり、それによりでサイクル時間及びコストの両方を削減できる。また、剛性及び精度を高めることで、本発明のシステムは、ワークの寸法精度、及び機械加工作業全体の再現性を向上できる。これにより、個々のワーク品質が向上し、複数の同様な片についての実行一貫性が向上する。本発明の等温ワーク保持システムにより、毎回寸法公差を満たす、或いは寸法公差に関して優越するように、ワークを機械加工可能になる。
【００３０】
本発明の別の利点は、本発明が、製造コストを最も効果的に削減する方法であるという点、及び可能な限り低コストで製造する方法を提供する最も信頼できる道である点である。本発明の別の利点は、本発明により、機械加工中にワークの温度を一定（等温）に維持する点である。これにより、あらゆる可能性のある源から生じる熱によるＴＣＥの変化が、ワークに影響を及ぼし、許容可能な寸法公差範囲外にすることを、防ぐ。本発明をそのまま、現在整っている工作機械産業に、複雑な、特注の、入手不可能な構成要素なく、適合する。当業者は、本発明のシステムの構成要素については、他の用途下で、既に個別に立証されており、商業的に利用可能であることは容易に理解できる。また、本発明のシステムの組付、取付、運転コストは、大きく高価な不良ワークのコストと比べて、僅少である。
【００３１】
本発明のシステムは、取付後直ぐに、効果的に運転可能である。新設計又は新形状のワークの機械加工を始動する際には、本発明のシステムの初期自己“調整期間”がある。この調整期間に、一度一時的に温度が、所望のワーク等温基準温度より３〜５°Ｆ上昇してもこれを許容し、それによりコントローラが、調整を実施中の特定の機械加工プロセスについて、この種類のワークの熱応答を定量化し、マッピングできるようにする。初期の切削では、片体を粗削りするため、ワーク寸法における、付随して発生するＴＣＥによる変化は、重要ではなく、つまり後続の機械加工の精密段階に関係してくる。
【００３２】
単一のワークを隅々まで調整すると、それ以降の同様又は同一のワークに対しては、其々初期調整ステップを行う必要がなくなる。ＭＰＣのＣＰＵで、切削が進むに従い、熱プロファイルデータを受容して、そのデータを使用して、熱応答をマッピングし、その結果を、ＭＰＣデータベースへの入力及びアプリケーションのプログラムアルゴリズムの１つとするが、該アルゴリズムによって、冷媒システムの運転、例えばポンプ循環及び冷媒流体容積流量を制御して、ワークを等温状態に維持する。その後、通常運転では、本発明のシステムのコントローラにより、絶え間なくワーク温度を維持するのに必要なあらゆる変化、例えばカッターが次第に切味が鈍くなった場合等に、適応する。この自己調整プロセスは製造を中断して行うものではないため、生産性が向上する。
【００３３】
以下の説明では例証として３軸機械に関するが、当然ながら、本発明のシステムは、容易に５軸のシステムにも適応し、該５軸システムでは、ワークを少なくとも２軸で回転可能にする。また、本発明のシステムについて、例として、単一の温度センサを利用し、該センサをワークに接触させて、直接温度を測定すると共に、測定信号をコントローラに、ワーク全体を十分代表する温度プロフィールとして、送信する（単一温度入力は、簡易制御システムで使用可能である）一方で、複数の温度センサ、又は接触式抵抗温度装置（ＲＴＤ）又は熱電対以外のセンサを、使用でき、ワークの形状によっては、好ましい場合もある。
【００３４】
本発明の別の利点は、本発明は、三次元及び同様のワークを保持するのに必要又は所望する如何なる保持体形状群にも、容易に拡張可能な点である。大型部品用ワークホルダとして大型の複雑なアルミニウム又は鉄鋼製治具を構築するのに、現在、数週間のリードタイムが必要であるが、本発明のシステムは、数日で直ぐに構築できる。別の利点は、工具の鋭利な刃先には継続的なビビリの被曝よるつぶれが出ないため、切削工作機械が長持ちする点である。本発明のシステムのこうした利点全てで累積的に、許容できない（不良な）ワークを戻して手動で再加工して表面仕上げ仕様に合わせる必要性を排除し、更なる再検査ステップも排除する。本発明の更なる目的及び利点について、図面及び関連する説明の検討から明らかになるであろう。
【００３５】
このように、先行技術とは対照的に、本発明のシステムは、ポリマーコンクリート製ワークホルダを用いており、該ホルダにより、複雑な形状もより速く形成して、様々形状のワークと精確に合致でき、ワークを広い領域に亘り精確に強固に支持でき、ワークホルダの循環流体を使用して、高性能な伝熱板を加熱又は冷却し、該伝熱板をワークと伝導接触させ、ワークを機械加工するために適所に強固に、一連の離隔した機械的クランプによって、又は好適には、完全に安定面で真空吸引するシステムによって、保持し、単一の接触式伝導温度センサを使用して、正確に直接ワークの温度を測定し、それにより等温冷却／加熱制御システムの運転を簡素化できる。
【００３６】
また、本発明の等温ワーク保持システムを、航空宇宙機用精密部品組付のための等温治具に適用できる。本出願では、保持体を、特に、個々の要素を互い（治具）に対して精確な位置に保持して、ドリルによる開穴、リベット打込、接着、溶着等を行うよう、構成するが、該保持体を治具装置に、特別な等温導管及び上記で開示した真空クランプ機能を使用して、設ける。
【００３７】
また、本発明の等温システムは、大型のガントリ式フライス盤で使用するリニア誘導モータの磁石であり、固定した機械ベッド及び／又は移動するガントリで永久磁石及び電磁石の両方で使用する該磁石に対して、挿入体を提供する、ブロックを保持するのにも適用できる。冷却導管及び伝熱板を、冷媒流体循環システム、ポンプ、及びコントローラと組み合わせて、磁石によって増大した熱エネルギーを効率的に回収し、熱が機械フレームを通り、基準面、そこからワークへと移動するのを防ぐ。
【００３８】
ＴＣＥによる変化が、航空宇宙機構成要素の外面、例えば翼スキン等から構造的に支持する縦通材、桁等に、盲穴を開けるのに影響を及ぼすという問題を解決するために、磁気ロケータシステムにより、自動化したロボットのようなリベット打ち機で、縦通材、桁、及び他の構成要素の中心線を正確に位置付けし、それにより調整を、その場で、予め設定したドリル開穴パターンに行い、組付中にＴＣＥに起因する部品膨張又は収縮を補償できる。
【００３９】
当業者には、本発明のシステム及び方法が、広範囲な特定用途に適合可能なことは、明らかであり、該特定用途の全てを、本発明の範囲に包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】本発明の１実施例によるワークホルダの平面図であり、ワークを垂直に保持して、これを示している。
【図１Ｂ】例示的な、本発明のワーク保持及び組付システム用制御装置であり、この例では、負のフィードバック温度制御ループとした図である。
【図２】図１Ａの２−２線に沿った本発明のホルダの縦断立面図であり、垂直なホルダ体、ワーク、熱エネルギー伝達要素、内部真空ライン及びクランプ部材を示す。
【図３】垂直にしたワークを、本発明の方法に従い、機械加工及び寸法検査サイクル中に、温度を安定化させる場合に従う、一連のステップを示すフローチャートである。
【図４】水平に配向したワークを、本発明の方法に従い、機械加工及び寸法検査サイクル中に、温度を安定化させる場合に従う、一連のステップを示すフローチャートである。
【図５】図６の５−５線に沿った、等温アセンブリ態様における本発明の第３の、別の実施例の縦断面図であり、上下可動延長要素を有するワークホルダにより垂直ウェブを桁コード及びリブに組付する方向に維持して、これを示している。
【図６】図５の６−６線に沿った、該第３の、別の実施例の水平断面図であり、延長要素を有するワークホルダを、進退両位置で示している。
【図７】本発明の、第４の別の実施例の端面図であり、複数の水平な縦通材をスキンパネルワークに、ワークホルダ体、熱エネルギー伝達要素、及び内部真空ラインを介して、正確に位置合わせして、これを示している。
【図８】本発明の、第５の別の実施例の端面図であり、機械ベッドには逆にした熱エネルギー伝達アセンブリを有し、それにより該機械ベッドを等温に維持し、該ベッドでワークを支持する本発明の別の実施例を支持するようにして、これを示している。
【図９】本発明の、第６の別の実施例の端面図であり、熱エネルギー伝達要素を、リニア誘導モータの上下両半分に隣接させて、これを示している。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の目的、特徴及び効果について、添付図と関連して検討すると、一層良く理解できるだろう。添付図では、複数の図を通して、同じ参照文字により同じ或いは同様の部分を示す。
【００４２】
以下の詳細な記述では、本発明について、例証として、本発明の同等物又は原理を説明するが、本発明の範囲を限定するものではない。この記述により明確に、当業者が本発明を作製及び使用することを可能にし、同記述では、本発明の幾つかの実施例、適用例、変更例、変形例及び用途について記述し、本発明を実施する最良の態様であると現在信じられているものも含む。特に、本発明について幾つかの実施例で示すが、其々、特定の機械加工タスク又は特定の種類の運転に適用した際の、本発明のシステム及び方法を例示的に最良の態様で適用したものである。
【００４３】
これに関して、本発明を幾つかの図面で示し、十分細部に亘り示すものではあるが、多数の部品、それらの相互関係及びサブコンビネーションについては、単一の特許様式の図面では、完全には説明できない。明確且つ簡潔にするために、幾つかの図面を、図式的に示す、又は開示する本発明の特定の特徴、態様又は原理の記載に対して、該図面において必須でない部品については、省略している。よって、１つの特徴に関する最良の態様の実施例を、１図面で示してもよく、別の特徴の最良の態様を、別の図面で付記してもよい。
【００４４】
第１実施例、平坦で複雑なワークの機械加工：
図１Ａ、図１Ｂ、及び図２では、本発明のワーク保持システム装置１０を示しており、該装置１０により逆Ｌ字型のワーク３２を垂直に機械加工のために保持している（フライス盤及び工具カッターは図示せず）。本発明のシステムには、保持体アセンブリ１２、真空／機械的クランプシステム１４、及び閉ループ熱制御システム１６を含む。
【００４５】
保持体アセンブリ１２には、基体２０を含み、該基体をフライス盤７１の可動又は静止ベッドに載置して、ボルト１０２で固定し、ワーク３２を、その脚部３２ａで、ダブテール端部３２ｂによって立てた状態に、配置する。端部３２ｂを、ボルト３３で基体に固定したダブテールクランプ２５で保持する。保持体２１と保持体延長部２２を、上下に嵌合整列させて、脚部３２ｂの表面３２ｃに隣接させる。ワークの形状によって、延長部を複数片で、基体を２０とし、２１と２２両方を延長部として、構成してもよい。保持体２１と保持体延長部２２には、複数の一体化した皿頭貫通孔２３を有し、該孔により、抑えボルト（明瞭化のために図示せず）を挿通させて、基体部材２０に成型又は定置したネジ付挿入部２３ａ内に固定する。基体、保持体、及び延長部で共に、逆Ｌ字型のワーク３２をしっかりと強固に、垂直に保持する。
【００４６】
保持体２１と延長部２２により脚部３２ａを、真空又は／及び機械的クランプシステム１４で保持する。真空によるクランプを、両保持体と一体化させた複数の真空導管２４を介して行う。複数の、一般的には断面が略半円形の、シール溝３１を、保持体２１、２２に、それらの周縁部付近で、一体的に機械加工或いは定置し、弾性シール部材３０を収容する。これらのシール３０、３１で、複数の伝熱板２７の周辺部を形成する。弾性筒状シール３０、筒状シール溝３１、真空導管２４、真空マニホルド・アセンブリ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、及び２４ｅを共に機能させて、真空ポンプ４４により、空気をワーク３２の裏側から排出可能にする。また、クランプバー２５により、適所にワーク３２を保持するのを助ける。このようにして、複数の真空及び機械的クランプ部材を、ワーク３２の水平長の少なくとも１面に沿って、配設する。
【００４７】
閉ループ等温アセンブリには、保持体２１及び延長部２２に複数の流体溝、チャネル又は導管２６を備える。Ｖ字形溝として一例として示したこれらの流体チャネルを、水平、平行、離隔させた配向で設ける。各溝の開口面を、熱伝導又は伝熱板２７で閉鎖し、該伝熱板の外面２７ａを、流体圧力及び真空クランプによって、ワーク面３２ｃと対合接触した、密着状態に維持する。伝熱板２７には、熱伝達を助けるために溝内に突出する１個以上のフィン４３を含んでもよい。熱伝導率が高い流体２８を、流体導管２６を通して、全ての熱放射体要素４３及び全ての伝熱板２７に循環させる。液体搬送ライン４７及び循環ポンプ４５により、閉ループ液体循環回路を形成し、該回路では流体２８を連続的に冷温装置４０を通して移動させて、流体２８を加熱又は冷却して、ワーク３２を等温度に維持する。ワークの実際のリアルタイムの温度を、温度検知装置２９（センサ）でモニタし、該温度検知装置により、コントローラ９５の温度コントローラ接点９６に入力信号を送る（図１Ｂを参照）。
【００４８】
真空クランプシステムと閉ループ加熱／冷却システムとで共に、強固に等温度で、ワークを安定させる；表面３２ｃを、安定面と呼ぶ。反対の面３２ｄを、加工面とし、工具でフライス削りする。この治具は、“単一ロード”治具として当該産業で既知のものである。ワークを一旦ロードすると、全てのフライス作業を、連続運転で同じワークの複数の面に、その位置で実行する。このようにして、表面３２ｄを、上角９０度から約１／３下までフライス削りする。また、小面３２ｅ、即ち３２ｃに垂直な遠縁部もフライス削りする。
【００４９】
図１Ｂは、機械加工中及びアセンブリ工程中両方の、本発明のワーク保持システムのための例示的な制御システムの略ブロック図である。この実施例に関して、図１Ｂでは、負のフィードバック工程制御ループについて概説しており、該ループは、左側で矢印で示したように、所望温度設定点、一例として、６８°Ｆから成る。合計接合点９６は、ライン２９ｂを通り検知装置２９から設定点温度とワーク温度信号の差を示す信号を出力する。この温度差信号出力を、モデル予測コントローラ９５の入力に送信し、該コントローラ９５で処理して、変調制御信号を冷温器４０に送信する。冷温器４０は、高熱伝導性流体２８を加熱又は冷却するが、該流体２８は、循環ポンプ４５を介して流体導管４７を通り、ワーク保持体２０の導管２６へ／から流れる。伝熱板２７は、ワークと接触して、該ワークを等温に保つ。温度検知装置２９により、信号を導線２９ａに沿って送信し、合計接合点９６に戻す。機械加工のために所定位置にあるワーク３２を保持する真空ラインについては、明瞭化のため図示していない。また、コントローラは適切なオン／オフ／ポンプ流量信号を、ポンプ４５に送信する。温度と設定点バイアス信号を継続的に受信すると、ＭＰＣ９５は引き続き、その信号を変調して冷温器４０及びポンプ４５に送り、ワーク３２の温度を、できる限り等温近くに維持する。勿論、制御技術の熟練者は、多数の市販されている制御システムの何れか１つを本発明のシステムに用いるのは当然であること、及びかかる制御システムを容易に構成する、或いはこの特定な用途用に他に設計することを、認識するであろう。
【００５０】
図２は、図１の装置の縦断面図であり、基体２０と保持体延長部２１により垂直にワーク３２を保持して、これらを示している。１組のクランプ部材のみを、例として示している。ダブテールクランプ用ブロック２５（裏側のブロック）を、ボルト３３により適当な位置で、ダブテール３２ｂの面の裏側で保持する。シリンダ３４は、基体２０内で、球面継手３６を動かすシャフト３５を、伸縮する。これらの要素により、表側のダブテールクランプ用ブラケット３８を、丸みを帯びたピボットボス３７周りに、ダブテール３２ｂの外面に対して回転させて、表側（図２の左）からクランプを完了させる。保持体２１には複数の皿頭貫通孔２３を有し、該孔により抑えボルト（明瞭化のため図示せず）が、基体ホルダ２０に固定可能となる。また、温度検知装置２９（溝２９ａに配置）も示しており、該装置によりワーク３２の温度を測定する。
【００５１】
運転：
運転中の、本発明による、Ｌ字型航空機用押出アルミニウムワーク３２の垂直面を機械加工する方法について、一例として、装置に関しては図１Ａ、図１Ｂ及び図２を参照して、方法ステップに関しては、図３及び図４を参照して、これを示す。
【００５２】
準備ステップとして、ワークの裏面３２ｃ（ステップＡ〜Ｃ）及び／又はワーク３２の底面３２ｂ（図４も参照）を、平坦に機械加工して、他の表面を機械加工するための基準面として役立てる。この基準加工を非等温で行ってもよいが、等温冷却／加熱する際に、これらの平面を、上記で定義したように、安定面とする。この“押出したような”Ｌ字型の面寸法をしたワーク３２では、十分には正確でなく、仕様に機械加工せずには、基準面としての役割を果たさない。また、通常、１つの単一寸法の押出部３２を、多くの異なる寸法の縦通材にフライス削りする。よって、単一ロード位置に本発明の治具で保持するため、表面３２ｃが、機械加工時に、基準面となる。従って、表面３２ｃをまず、基準加工する必要がある。
【００５３】
続いて図３の、ステップＡ〜Ｃでは、ワーク３２を、ダブテールクランプ２５、３０を介して、基体２０にロードし、適所にクランプするが、該クランプにより、ワークを保持体２１の伝熱板２７及び弾性筒状シール３０に対して圧し付ける。次に、真空ポンプ４４のスイッチを入れて、ワーク３２を導管２４によって保持体２１に対する正しい位置に引付ける。これで、ワーク３２の表面３２ｄの下半分を、適切な形状、且つ高精度仕様に仕上げ加工して、これ以降の全機械加工の基準寸法にする。
【００５４】
真空による抑えを、オフにする或いは解除する、ステップＤ。保持体延長部２２を、保持体２１の上に載置して、容易に保持体２１にボルト締着可能にする、ステップＥ。保持体２１と保持体延長部２２の両方には、複数の整合して一体化した皿頭貫通孔２３を有し、該貫通孔を一定間隔で、長さに沿って配置し、最大限に強固に機械的に接合する。多数のボルト（図示せず）を、これらの皿頭貫通孔２３に挿通して、基体２０に取付けた合わせナット２３ａに入れて締着する。保持体延長部２２の前面で、保持体２１の寸法基準面を延長する。真空を次に、真空ラインを介して、保持体延長部２２と一体化した複数の真空導管２４に更に送る。真空ポンプ４４を再開して、ワーク３２の基準寸法面を、残りの機械加工サイクルのために保持体延長部２２の寸法基準平面に対してしっかり引き付ける、ステップＦ。クランプを固定する、ステップＧ。流体システム１６の循環ポンプ４５をオンにして、連続的に高熱伝導性流体２８を再循環させる一方で、残りの機械加工及び“機上検査”を、ワーク３２を移動させずに行う、ステップＨ、図３。
【００５５】
ステップＩでは、機械加工プロセスからの熱エネルギーがワーク３２を加熱し始めると、温度検知装置２９は対応する温度上昇を記録する。温度検知装置２９からのＴ−増加信号を、遠隔にてＭＰＣ、“コントローラ”に接続し、該コントローラにより、出力信号を冷温器４０に提供して、高熱伝導性流体２８の冷却及びポンプによる圧送を、多岐管ライン４７及びチャネル２６を通して、開始する。ワーク３２の温度が次第に上昇して、６８．０°Ｆ設定点温度より＋１．０°Ｆ高くなると、コントローラは、冷温器４０に信号を送信し、次第に高熱伝導性流体２８の温度を下げる、及び／又は冷却流体流量を増大させる。温かくなったワーク３２と、冷たくなった伝熱板２７との間に温度差があると、熱エネルギーは高温から低温へと流れ、熱エネルギーをワーク３２から伝導する。このプロセスを、ワーク３２からの熱エネルギーの流れが、冷温器４０の凝縮器コイルから大気への熱エネルギーの流れと等しくなる平衡に到達するまで、継続する。
【００５６】
ステップＪでは、機械加工プロセスを粗加工パスから仕上パスに移動すると、遥かに少ない熱エネルギーがカッターにより発生し、従ってワーク３２への熱エネルギーの流れも、次第に衰える。同時に、熱エネルギーは引き続き、依然として高温のワーク３２から低温の伝熱板２７へ、より低温の熱放射体要素４３へ、冷温器４０へと、ワーク３２の温度が設定点を超えた分の＋１．０°Ｆが下がるまで、流れる。この時点で、流体導管２６を通り循環し、冷温器４０を通過した高熱伝導性流体２８の温度は、ワーク３２の温度と略等しく、これは殆ど差温がないに等しい状態であり、そのため、次第に、熱エネルギー伝達が最小となる。この時点で、全ての機械加工が終了するが、閉ループ液体再循環システム１６は引き続き、６８°Ｆで等温流体を、冷温器４０から循環させて、ワーク３２の検査中も、ワーク３２の温度を等温に維持する。
【００５７】
ステップＫで、ワーク３２が検査を通過した後、閉ループ液体再循環システム１６のポンプを閉める、ステップＬ。最終切削パスが済むと、余分なダブテール物質からワーク３２を離す、ステップＭ。真空ポンプを閉じ、保持体延長部２２を防振せず除去する、ステップＮ、及びワーク３２を支持する残りのダブテールから取り外す、ステップＯ。残った余分なダブテール・ストックを防振せずに、全ての残チップと共に除去する、ステップＰ。
【００５８】
水平にしたワーク用の運転方法について、図４に示す。ステップＡ’では、ワーク３２の底部側を平坦に機械加工して、それ以降の全ての機械加工する面のための、基準面として役立てる。未加工のワーク３２を、ワーク保持システムの上に平らに、底部側を上に向けてロードする。その後、ワーク３２の位置を、適切に配置した側部クランプを締めて、位置決めする、ステップＢ’。次に、真空ポンプ４４をオンして、ワーク３２を、伝熱板２７に対してしっかりと引付ける。ここで、上向きの“底部”側を平坦、直線及び滑らかに機械加工する、ステップＣ’。真空ポンプ４４をオフにし、側部クランプを解除し、ワークをワーク保持システムから外す、ステップＤ’。ワーク３２を上向きに再度ロードし、ステップＥ’、これを平坦で、真直ぐな及び滑らかな底面が保持体２１に接触させて行う。次に、ワーク３２を、側部クランプを再度締付けして、再度位置決めする、ステップＦ’。真空ポンプ４４を、オンに戻す。ステップＧ’では、循環ポンプ４５をオンにして、機械加工中、継続的にワークを冷却し、検査サイクルを、ワーク３２を移動させずに、実行する。図１〜図３を参照して上述した温度制御及び加工順序を次に、ステップＨ’−Ｎ’として、繰り返す。
【００５９】
本発明の等温ワーク保持システムは、図３のステップＪ〜Ｐのフローチャート、及び図４のステップＩ’〜Ｎ’で見られるように、その場でワークの温度を、機械加工中に、必要に応じて、加熱又は冷却可能である。ワーク、機械ベース、及びワークを保持する治具の温度を制御して、部品の不所望な結露を防止する。通常、６８°Ｆの温度は、多量の結露を発生させるに十分低温ではないが、極端な湿度状況又は／及び高相対湿度であれば、設定点温度を上げて、運転の妨げとなる可能性がある結露を防止又は低減する。変形例では、除湿装置を、機械加工作業付近で、使用してもよい。通常、このシステムでは、熱平衡に、理論上の設定点温度６８．０°Ｆで、又は近くで、到達する。
【００６０】
本発明のワークホルダシステムの更なる効果及び機能は、ビビリを引き起こすワーク３７の振動を迅速に防振することである。ホルダ基体２０、保持体２１、及び保持体延長部２２を、最も好適には、高防振特性を有する剛性材料から形成する。現在好適とするポリマーコンクリート材料を、必要な特性を有する材料の例とするが、これを唯一の材料とするものでなく、従って材料を制限するものでもない。適当なポリマーコンクリートは、ペンシルベニア州、モントゴメリービルのアイティーダブリュー・フィラデルフィアレジンズ社（ＩＴＷ／Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ  Ｒｅｓｉｎｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，  Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙｖｉｌｌｅ、ＰＡ）から入手可能である。ポリマーコンクリートの一般的なカテゴリ下の同様な製剤が、ＰｏＩｙＣＡＳＴ等、様々な商標名で販売されている。この分野に熟練した者は、このクラスの材料について、該材料が、工作機械、精度検査機、光学テーブル、半導体レーザ描画装置支持体、及びレーザ光学及び高エネルギー光学研究用ベンチの、基体及び支持構造体で既に使用されていることを、認識するだろう。しかしながら、これまで、こうした材料を、ワーク用支持体として、及びワークと直接接触させた状態で、使用してはいない。好適なクラスのポリマーコンクリートは、体積及び重さが制限されない限り、ゼロスランプのコンクリートと同じ方法で、様々な形状に成型できる。圧縮荷重（しかし引張でない）では、該ポリマーコンクリートは、高密度で、微粒子のミーハナイト鋳鉄と同様な圧縮強度を有する。
【００６１】
別のクランプシステムを本発明で利用してもよく、例えば、一体化した位置決めピンを、本発明によるワークを保持する機械的クランプと関連して使用してもよい。でなければ、位置決めピンを、真空による抑え、又はこれらの変形例の任意の組み合わせと関連して、使用してもよい。
【００６２】
第２実施例、航空宇宙機翼桁の機械加工及び組付への適用：
本発明のこの第２実施例では、ステップ１として（図１〜図４を参照）、翼桁コード５０、翼ウェブ５２を含む全てのワークを、本発明の振動を防振する等温ワーク保持システムによって、一貫加工する。
【００６３】
図５及び図６では、本発明の保持システムを、等温アセンブリ治具として構成して、各ウェブ５２の、桁コード５０ａ、５０ｂ、フランジ５１ａ付リブ支柱５１への正確な機械的位置合わせを維持する一方、仮止め具５４を、自動リベット打ち機（図示せず）によって、自動的に取付ける。通常数より少ない仮止め具５４を張着し、支柱をウェブ及び桁に保持する。注意すべきは、桁コード５０ａ、ｂ及びウェブ５２を、真空チャネルによって固定し、上下ワーク保持体２１Ｕ、２１Ｌ、及び可動ワーク裏側支持部５５の熱冷却システム２６、２７によって、冷却する。この本発明のアセンブリ装置により、公称周囲温度変化に関係なく、ワークを等温、精確に位置合わせした状態に維持する。ポリマーコンクリートの振動減衰特性により、自動リベット打ち機で、止め具を正確に、再現可能に張着する。この実施例により、周囲温度偏差に起因する公称ＣＴＥ膨張による変化を、約９５％以上排除できる。
【００６４】
従って、等温ワークアセンブリ治具システム及び方法のこの実施例に関する更なる利点は、手動で仮鋲止め具を取り付ける費用、及び厄介で不正確な手動による仮鋲止め具の除去を、およそ８０％を排除できる点である。
【００６５】
具体的には、翼ウェブ５２を、２つの離隔した上下翼桁コード５０ａ、５０ｂに対して精確に垂直に位置合わせした状態で保持し、該コードをまた、翼リブ支柱５１及びそのフランジ５１ａと位置合わせした状態で、翼長に沿って離隔して保持し、主ワーク保持体２１Ｕ及び２１Ｌを、翼ウェブ５２の上下周縁部に沿って配置して、コード部材５０ａ、５０ｂを精確に位置合わせした状態に維持する。ワークホルダ体要素２１Ｕ、２１Ｌを適所に、基体２０、明瞭化のため図示しない挿入部及びボルトで、固定する。一連５５Ｌ−ａ…５５−ｈの水平方向に可動なワーク保持体要素５５Ｕ及び５５Ｌ（図６参照）を、基体２０の端壁部に、該要素自体に、及び任意には、上及び／又は下で広がる保持体２１Ｕ、２１Ｌに、スライダ１００（図６に図式的に見られる）により固定する。
【００６６】
好適には、しかし任意に、翼ウェブ長に沿った保持体アセンブリ２０、２１、５５の少なくとも幾つかの部分では、中心アクセス用空隙部５６を設ける。これらの可動要素５５を、保持体２１Ｕと２１Ｌとの間の全体又は部分的な高さとしてもよい。これらの可動部分５５Ｕ、５５Ｌを、止め具５４へのアクセスを可能にするのにウェブ５２の裏側へのアクセスが必要な箇所に配置して、該可動部分を進退可能にすることで、必要なアクセスを可能にする。文字Ｖを付した矢印で、真空導管２４の真空システムへの接続を示す。伝熱板２７を有する複数の流体導管２６を、ワークに接触するように配置して、該ワークを必要に応じて冷却又は加熱する。冷媒２８を、導管２６を通して、フィン４３及び伝熱板２７に接触させて、循環させるが、該フィン及び伝熱板を、真空により各翼桁コード５０ａ、５０ｂと熱的に接触させて保持する。複数のシール要素と溝３０、３１を、翼桁コード５０ａ、５０ｂと接触する保持体２１の面の外縁部に隣接して定設する。
【００６７】
温度センサ２９により、各上下桁コード５０ａ、５０ｂの温度を測定し、その導線２９ａをコントローラ（この図では図示せず）に引き回す。保持体２１の上下部分５５Ｕ、５５Ｌ両方を、保持体に及びホルダ基体２０の端壁に成型した、頑丈で強固なスライド機構（工業用強度の引出式スライド）と、嵌合させる。これにより、個々の可動裏側支持部５５は、各保持体２１との精確な位置合わせを維持できるが、依然としてウェブ５２の裏側に対して１軸（ここでは水平方向に）並進して、それ以降の作業位置を支持できる。各可動裏側支持部５５の前面には、一体的な離間空隙又はポケット４９を有して、止め具が、止め具５４を取り付ける際に真空密封を損なわずに、該離間空隙に突出可能にしている。
【００６８】
本発明の組付方法の一連のステップの例は以下の通りである：全ての可動裏側支持部５５を、基準面から引き戻して、各保持体２１の上下面に対してウェブ５２を容易に挿入可能にする。次に、可動裏側支持部５５を、精確に整列した位置に移動させ、真空を作用させて、可動裏側支持部５５の面に対してウェブ５２を引付ける。冷媒を、導管２６を通して圧送する。次に、下桁コード５０ａを、保持体２１の下側の裏縁部基準面に対する位置合わせした位置に、全長に沿って真空シール部に包装に接触するまで、配置し、それにより真空で桁コード５０ａを、アセンブリサイクルのバランスのために、保持体２１の寸法基準面に対してしっかりと引き付ける。
【００６９】
下桁コード５０ａを移動させずに、組付シーケンスの先の４ステップを、今度は上桁コード５０ｂに対しても繰り返す。次に、全てのリブ支柱５１を、仮止め具５４で取付けるが、剥離可能なシム５３を、必要に応じて、使用してもよい。最終整列位置の精度穴を、ドリル開穴し、リーマで広げた後に、リブ支柱５１を保持するクランプを除去し、桁コード５０ａ、５０ｂを保持する真空を解除する。これにより、これらのワークは次のステップに備えて、該ワーク間の十分な間隙を確保できる。
【００７０】
その後、これらの可動裏側支持部５５を今度は、前方に延伸させて、真空を再び作用させて、ウェブ５２とのアライメントを、アセンブリの全部分で再確立する。
【００７１】
次に図６を参照すると、これらの最後の２ステップを、次の隣接する個々の可動裏側支持体５５に対して順次繰り返すが、５５Ｌ−ａから開始し、３番目又は４番目毎の５５Ｌ−ｃ／ｄ、そして５５Ｕ−ｈ等へと連続的に、選択した個々の可動裏側支持体５５Ｕに対して、アセンブリ全長に亘り、移動させる。可動裏側支持体５５の第１組で真空を解除し、該支持体を後退させる。自動組付機械により、次に残りの全開口穴をリーマで広げて、止め具を挿入して、それからリブ支柱５１を第１部分の桁コード５０ａ、５０ｂに保持する止め具を含む、残りの止め具５４の全てを締着する。また、自動組付機械により最後の２個のテーパー・ピンを除去して、穴を寸法までリーマで広げて、その部分の最後の２個の本止め用の止め具５４を挿入する。可動裏側支持体５５の第１組を、今度は前方に延伸させて、真空を再び作用させて、アライメントを再確立する。これらの最後の５ステップを今度は、各可動裏側支持部５５部分で、アセンブリの全長に亘り連続的に繰り返す。最終的に、循環ポンプ４５と真空ポンプ４４を両方とも閉め、全真空を解除し、全ての可動裏側支持部５５を、邪魔にならない場所にまで後退させ、完成したアセンブリを、本発明の等温振動減衰ワーク保持システムから除去する。
【００７２】
第３実施例、航空機スキンパネル製造への適用：
背景を通して、歴史的に、航空機の翼は、大型の可とう性の曲線をした外部パネル（スキンと呼ぶ）を、リベットで、縦通材に止めて、組付する。作業全体は、３つの異なる段階で行われる。
・段階１では、全てのワークを手動でワーク治具にロードし、該治具により全ワークを、Ｙ軸上で１インチにつき±０．０３０、Ｘ軸上で１インチにつき±０．０６０以内で、略相対的に位置合わせして、保持する。その後組付作業者は、手動でドリル開穴し、全ての止め具のうち初めの１０−１５％を取付けて、仮止め具（鋲止め具と呼ぶ）を定置して、各縦通材を翼スキンに取着する。
・段階２において、自動化した組付作業を開始する。ビジョン誘導システムを利用した自動リベット打ち機によって、スキン外部の第１鋲止め具の位置を検出する。リベット打ち機はこの位置を基準点として使用して、縦通材に沿って本止め用止め具のための穴をドリル開穴する位置を調節する。
・段階３において、作業者は、次に、半分完成したアセンブリを、最終段階領域に移動させ、そこで仮鋲止め具を、厄介な、限られた空間の縦通材側（翼の内部）から除去する。作業者は本止め用止め具を、予めドリル開穴した鋲止め具穴に手動で挿入し、張着するが、よくある状況として、経験の浅い又は疲労した作業者が、アセンブリの下面を損傷する場合がある。そうした損傷は、不可能ではないにしろ、修正するには極めて費用がかかる。極めて高価な翼アセンブリを、そうした類の作業者による誤りのために、段階３で日常的に廃棄している。
【００７３】
縦通材がスキンとズレる問題を、全縦通材とスキンパネルとのアライメントを維持しつつ、全止め具を自動的に取付ける、アセンブリ治具装置の形の本発明及び方法によって、解決及び克服できる。本発明により、公称周囲温度の変化に関係なく、全てのワークを等温に維持することによって、全部品のズレを排除する。依然として存在する僅かな温度偏差では、結果的に極僅かにＴＣＥ寸法が変化するだけである。本装置の振動減衰能力により、自動機械で止め具を、正確に再現可能に張着可能となる。
【００７４】
図７は、精確に翼スキンを縦通材に固定する本発明のワークアセンブリ治具の端面図であり、該治具を縦通材５８を精確な位置に保持する縦通材支持部５７と、スキン６０を略水平位置で保持する曲線のスキン支持部５９とで構成している。これら両支持部を、ワーク保持体に関して上述した、ポリマー複合材料製とする。図示するように主構造体、支持体又は保持体２１が存在し、それらにより精確に縦通材支持部５７とスキン支持部５９とを、複数のスロット６１（縦通材及びスキン支持部にある）と保持体２１の長さ内及び長さに沿って定置又は成型した挿入部６３に螺入する横ピン６２とを用いて、互いに対して位置合わせした状態に維持する。ホルダ基体２０を、ワークアセンブリ保持体２１を保持して、示している。当業者は、片持ち又は架空吊り下げ支持組付を、容易に実施し、保持体を任意の所望する方向で維持できる。各縦通材５７及び各スキン支持部５９の個々のスロット６１を、異なる高さに位置させて、スキン６０の任意の個々の部分の曲線に従うようにする。複数のスロット６１其々で、ネジ付横ピン６２を受容し、該横ピンには、スロット６１幅と一致する肩部を有し、該ピンを保持体２１に成型又は定設したネジ付挿入部６３に螺入させ、それにより横ピンを締込んだ際に、縦通材及びスキン支持部５７、５９を、正しい整列状態に保つ。縦通材支持部５７及びスキン支持部５９の内部にある複数の真空導管２４については、図面の規模のため、図示しない。これらの真空導管２４は、上述したものと同じである。各縦通材支持部５７及びスキン支持部５９にある流体導管２６を、スキン支持部５９の最上部に及び縦通材支持部５７の最上部付近に位置する各伝熱板２７と関連させて、配設する。
【００７５】
前と同様に、冷媒により、縦通材５８及びスキン６０を、それらの重さが伝熱板２７を圧迫するのに従い、冷却する。縦通材支持部５７、及び縦通材支持部５７内に埋設した磁気位置指示装置６４の物理的位置により、自動リベット打ち機を位置決めして、殆どの仮止め具をスキン６０の表側から、ドリル開穴、挿入、張着するための精確な方位を提供する。
【００７６】
注意すべきは、各縦通材支持部５７、伝熱板２７ｂを伸長して、縦通材５８の片側まで延伸させて、縦通材５８のＬ字型の最下部を、スキン６０の裏側（組付が完了すると、翼内側になる）に押し付けるのを助ける点である。伝熱板には、自動リベット打ち機によって定置する止め具（リベット）５４の位置と対応する切欠部４６を含み、それによってリベット頭部用クリアランスを設けるようにする。
【００７７】
スキンを縦通材に対して正しく位置合わせした状態で維持するには、複数の筒状シール及び溝アセンブリ３０、３１を、各スキン支持部５９の上面の外縁部に形成／定設する。この外縁部により、各スキン支持部５９の面に接する伝熱板２７の周囲に周辺シールを形成する。任意で、好適ではなく、本質的には不要であるが、縦通材への真空クランプを可能にするシール及び溝アセンブリを、縦通材支持部５７に使用できる。縦通材をその場で機械的にクランプするだけのため、より簡単で、それほど費用はかからない。温度検知装置２９により、スキン６０の下側の温度を測定する。
【００７８】
翼を精確に製造し、スキン６０を縦通材５８に組付するステップは以下の通りである：精確に位置合わせした縦通材支持部５７とスキン支持部５９を含む等温ワーク保持アセンブリ支持構造体全体を、該支持部を正しく配置し、ピン６２をスロット６１に締込むことにより位置合わせする。次に、冷媒流体を連続的に、全組付作業中、マニホルド配管４７及びチャネル２６を介して循環させる。各精確に機械加工した縦通材５８を、伝熱板２７及び縦通材支持部５７の上面に対して配置する。これらのステップを、この組付を必要とする全縦通材５８に対して繰り返す。
【００７９】
全ての縦通材５８を精確に位置合わせした状態にした後、スキン６０を慎重に、矢印Ｓで示すようにスキン支持部５９上に降下させる。等温に機械加工し、冷却した縦通材５８を、温度制御したスキン６０の底面に隣接させた状態で、次に自動リベット打ち機により、縦通材５８の１縁部の隣にスキン６０を介して装着した磁気位置指示装置６４を、スキャンできる。磁気位置指示装置６４を、非磁性アルミニウム製スキン６０を通して、スキンの表側から検知する。磁気位置指示装置６４は、ここでは、縦通材パッド止め具用中心線穴をドリル開穴するための精確で再現可能な位置合わせのための絶対的基準位置としての役割を果たす。精確に開穴した後に、自動リベット打ち機のビジョンシステムにより、各穴に本止めする止め具を配置及び取付ける。全止め具及びリベットを取付けると、冷媒／真空ポンプをオフにする。完成した翼部分アセンブリを、次に、特別な吊り上げ治具を使用して次の組付ステーションに移動させる。
【００８０】
第４実施例、鋼鉄製機械ベッドを等温に維持するための適用：
歴史的に、工作機械のベッド及び構造的フレームは、鋳鉄、鍛鋼品、鋼板、及びポリマーコンクリートの様々な組み合わせから、新たな小型機械の支持基体用に構成されてきた。しかしながら、特に３０〜２００フィート長の、極めて大型の又は極めて長い機械に関して、そうしたベッド及び構造的フレーム用の通常の材料は鋼板である。しかしながら、如何なる鋼製機械ベッド又は機械コラムでは、振動が治具からワークに極めて効果的に伝わる。鉄鋼のＴＣＥは、航空宇宙機用アルミニウム合金の凡そ半分に過ぎないが、比較的高い。機械ベッド等の長い鋼製構造体の温度は、環境大気温度における変化によって変化すると、これが長さに影響し、従って機械の絶対的な再現精度に影響する。
【００８１】
本発明のこの第４実施例には、公称周囲温度変化とは関係なく、再現的に正確な寸法を提供するために、機械の鋼製ベッドを等温に維持する、ワーク保持装置アセンブリ及び方法を、を備える。また、本発明の装置の振動減衰機能は、滑らかに機械加工したワーク表面を作製するのに役立つ。
【００８２】
図８は、垂直なスピンドル・ガントリ式フライス盤の、典型的な水平鋼板ベッド７１の内側断面を示す端面図である。上側ガントリ、スピンドル等については、明瞭化のため省略している。２つの個別なワーク保持システムを、下側のシステムを逆にした状態で互いに積み重ねている。それらを互いに、そして鋼板ベッド７１にボルト締着する。第１の、下側ホルダ体２０ｂを、反転体とする。次に、三角形状のチャネル４２の蓋面を形成する複数の伝熱板２７を、垂直スピンドル・ガントリ式フライス盤の鋼板ベッド７１に熱的に接触させた状態にする。伝熱板２７を、既存のベッドボルト穴７２間に直接存在させて、機械フレーム／支持体７０に装着した鋼板ベッド７１へ及びからの熱伝達を最大にするように、配置する。
【００８３】
保持体２０ｂは、第１下側等温及び振動減衰システムとして機能する。皿頭貫通孔２３を、戦略的に配置して、該保持体をベッド７１にボルト締着させる。単一の温度センサ２９を、略中心に配置して、ベッド７１の温度をモニタする。更に、複数の適当に配置した真空導管２４及び底面に外側弾性筒状シール３１を存在させて、保持体をベッド７１と熱的に接触した状態に固定する。
【００８４】
第２の、上側等温振動減衰システム保持体２０ａを、実質的に下側保持体２０ｂの複製とするが、表を上に向ける。該保持体は、複数の皿頭貫通孔２３及び通常の真空導管２４、及び伝熱板２７を含み、ワーク３２ａ、３２ｂを保持し、ワーク３２ａ、３２ｂと接触する。このようにして、上下保持体２０ａ、２０ｂを纏めてボルトで締着して、等温機械ベッド７１上で、単一で強固なワークホルダとしての役割を果たす。
【００８５】
第５実施例、リニア誘導モータの等温冷却への適用：
歴史的に、工作機械は電気回転モータ又はリニアモータによって直線的に動作する。これらモータは電流で運転するため、リニアモータは、電気的な、Ｉ２Ｒ熱損失の影響を受け、該熱損失で工作機械のフレームに伝導する余熱が発生する。発生した熱量は、電流がモータを通じて流れる量と直接関係する。大型工作機械は、優に６−１０台の２．５ＫＷモータを、重さ９０，０００ポンドまでの大型ガントリを移動させるのに、必要とし、これらのモータは総計４０，０００ＢＴＵの余熱を発生する。この余熱は、機械フレームを熱的に歪め、その結果、機械のＴＣＥが誘発する熱成長によって再現精度が低下してしまう。本発明の振動減衰等温ワーク保持システムの第５実施例では、リニアモータの電磁石から機械フレームに流れ込む余熱を遮断し、機械の位置合わせの絶対精度を維持する。
【００８６】
図９は、機械フレーム軸内に作製した典型的なリニアモータの詳細内断面を示す端面図である。従来のリニアモータを使用する際に、下半分の機械フレーム８０で、固定した直線レール９０を支持する。直線的な回転グライドブロック８９は、固定直線レール９０の上を転がり、サイドフランジ８９ｂで固定直線レール９０に挟持される。上半分の機械フレーム８１を、皿頭貫通孔２３を介して、直線回転グライドブロック８９に両側で、ボルト締着して、支持する。磁気式リニアエンコーダ９２により、下半分の機械フレーム８０に対する上半分の機械フレーム８１の位置データと速度データの両方を提供する。通常運転では、下側リニアモータ磁石８２と上側リニアモータ磁石８３の両方で余熱を発する。リニアモータの構成によって、８２又は８３の１つを、永久磁石ユニットとし、もう片方を電磁石とする。
【００８７】
この実施例では、上下熱伝達システム８４、８７を、其々上下リニアモータ磁石８３、８２に熱的に密着した状態で配置する。上下温度センサ８６、８５で、両磁石組の温度をモニタする。磁石によって発生した余熱で、磁石の温度が上昇すると、伝熱板２７が余熱を熱放射体要素４３へ伝導し、該要素が次に熱を高熱伝導性流体２８に伝導する。この余熱を、流体導管２６を介して、閉ループ循環装置１６へ、冷温装置４０へと送り、該装置で余熱を外部通気口に送り、建物の外に出す（図１Ａ、図１Ｂを参照）。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
明らかに、本発明の振動減衰、等温ワーク保持システム及び方法は、産業、特に航空宇宙、及び精密設備製造分野において幅広い用途がある、というのも該システム及び方法では、冷却液をワークに接触させずに乾式機械加工のためのシステムを提供し、ワークのビビリを軽減し、隣接する工具パスの高差を最小限に抑え、その結果機械加工が誘発する、致命的な不良を引き起こす可能性がある応力腐食割れや腐食疲労の根本的な原因を最小限に抑制するためである。様々な変更を、本発明の範囲内で、当業者は、本発明の精神、不要な実験をすることなく、行える。本発明は、従って、先行技術が許す限り広く、付記するクレームの範囲によって定義され、必要であれば、本明細書に照らして、あらゆる種類の現在及び将来の本発明の同等物を含むものとする。
【符号の説明】
【００８９】
１０  ワーク保持システム装置
１２  保持体アセンブリ
１４  真空／機械的クランプシステム
１６  閉ループ熱制御システム
２０  基体
２１  保持体
２２  保持体延長部
２３  皿頭貫通孔
２４  真空導管
２５  ダブテールクランプ
２６  流体導管
２７  伝熱板
２８  高熱伝導性流体
２９  温度センサ
３０  シール
３１  シール溝
３２、３７  ワーク
３３  ボルト
３４  シリンダ
３５  シャフト
３６  球面継手
３８  ブラケット
４０  冷温装置
４２  チャネル
４３  熱放射体要素
４４  真空ポンプ
４５  循環ポンプ
４６  切欠部
４７  液体搬送ライン
４９  ポケット
５０  桁コード
５１  翼リブ支柱
５２  翼ウェブ
５３  シム
５４  止め具
５５  可動裏側支持体
５６  中心アクセス用空隙部
５７  縦通材支持部
５８  縦通材
５９  スキン支持部
６０  スキン
６１  スロット
６２  横ピン
６３  挿入部
６４  磁気位置指示装置
７０  機械フレーム／支持体
７１  フライス盤、ベッド
７２  ベッドボルト穴
８０、８１  機械フレーム
８２、８３  リニアモータ磁石
８４、８７  熱伝達システム
８５、８６  温度センサ
８９  グライドブロック
９０  レール
９２  リニアエンコーダ
９５  コントローラ
９６  温度コントローラ接点
１００  スライダ
１０２  ボルト
【図１Ａ】
2010509084.tif 000003
【図１Ｂ】
2010509084.tif 000004
【図２】
2010509084.tif 000005
【図３】
2010509084.tif 000006
【図４】
2010509084.tif 000007
【図５】
2010509084.tif 000008
【図６】
2010509084.tif 000009
【図７】
2010509084.tif 000010
【図８】
2010509084.tif 000011
【図９】
2010509084.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成21年5月27日(2009.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱膨張係数（ＴＣＥ）材料の基体及び基準ベッドを有する工作機械に用いられ、振動が誘発する誤差又は不具合を軽減しつつ、ワークを乾式精密機械加工し、機械的締結構成要素を必要とする高ＴＣＥ部品を精確に組付し、前記工作機械のベッドを、略等温で、振動伝搬を低減させて維持する、等温、振動減衰ワークホルダ装置であって、該装置には、作用部の組み合わせ：
ａ）少なくとも１つの振動減衰、低熱伝導率、低熱膨張係数（ＴＣＥ）のポリマー複合材料製ワーク保持体部材であって、機械加工、組付するワークを正確、強固に構造的に支持するよう、又は、工作機械ベッドを支持するよう構成する前記ワーク保持体部材；
ｂ）少なくとも１つのワークを、乾式機械加工する又は組付する間、適切な位置で確実に保持する、前記ワーク保持体部材、及び／又は機械的クランプ部材に設けた少なくとも１つの真空導管を備えるワーク保持システム；
ｃ）前記ワーク保持体において、前記ワーク又は前記工作機械ベッドの少なくとも一面と接する前記ワーク保持体の面に設けられ、熱伝導流体がその中を通過する少なくとも１つのチャネル；
ｄ）前記ワーク又は前記工作機械ベッドを、誤差を誘発する振動伝搬を低減しつつ略等温に維持するために、前記ワーク又は前記工作機械ベッドの少なくとも一部分と熱的に密着した状態に維持するよう配設した前記チャネルと関連して設ける、少なくとも１つの高熱伝導性材料製伝熱板、
を備えること、を特徴とするワークホルダ装置。
【請求項２】
前記チャネルを通り、熱伝導流体を循環させるための流体循環ポンプと、前記流体を加熱又は冷却する冷温装置と、前記ワーク保持体の少なくとも一面と関連して配設する温度センサと、前記ワーク又は前記工作機械ベッドを、予め選択した、略等温の温度値で維持する制御システムと、を含み、及び／又は、前記ポリマー複合材料をポリマーコンクリートとする
請求項１に記載のワークホルダ装置。
【請求項３】
前記保持体部材をモジュール式とし、該部材には、異なるサイズ又は形状のワークに適応するよう設ける、少なくとも１つの構成材を備えること、を特徴とする請求項２に記載のワークホルダ装置。
【請求項４】
前記真空保持システムには、前記保持体部材に設けた対応するシール溝で受容するシール部材を含むこと、を特徴とする請求項３に記載のワークホルダ装置。
【請求項５】
前記保持体部材を、垂直、水平、及び垂直又は水平と角度を有する、を含む複数の軸方向の、少なくとも１位置でワークを保持するよう構成して、少なくとも１つの前記方向で、ワークを機械加工又は組付可能にすること、を特徴とする請求項４に記載のワークホルダ装置。
【請求項６】
前記チャネルと関連する前記伝熱板が少なくとも次のいずれか１つ：
ａ）前記伝熱板を、銅又はアルミニウム製とすること、
ｂ）前記伝熱板を、前記保持体の肩部で、前記流体のチャネルの周縁部に沿って設置すること、
ｃ）前記流体のチャネルに関連して密封部材を設け、前記流体のチャネルから熱伝達流体の漏出を防ぐのに役立てること、
ｄ）前記伝熱板には、前記チャネル内に突出する少なくとも１つのフィン部材を含んで、前記流体と接触する表面積を増大させて、前記流体へ又はから熱エネルギーを効率的に急速に伝達させること、
の特徴を備えて設けられること特徴とする請求項２に記載のワークホルダ装置。
【請求項７】
前記ポリマー複合材料製の保持体と関連させて装着する工作機械の基準ベッドを含み、前記ベッドを、前記ベッドと熱的に密着した状態に配設した少なくとも第１伝熱板によって実質的に等温に維持し、前記ポリマー複合材料により、振動伝搬を低減する、請求項１に記載のワークホルダ装置。
【請求項８】
少なくとも１つのワーク保持体を、前記工作機械ベッドに装着して、ワークを支持し、前記保持体を前記ベッドと前記ワークとの間に介在させて、前記ワークの機械加工運転の振動を減衰させ、前記ワークを、少なくとも１つの第２伝熱板と熱的に接触した状態とし、それにより熱を、前記ベッドと前記ワークとの間で伝達させ、前記ワークを寸法的に略安定して維持すること、を特徴とする請求項７に記載のワークホルダ装置。
【請求項９】
工作機械装置用リニア誘導モータの固定又は走行構成要素を冷却して、前記工作機械装置に装備した工具による、ワークの機械加工精度に誤差を生じさせる熱が誘発する機械寸法成長を低減するための、等温、振動減衰挿入体であって、該挿入体には、作用部の組み合わせ：  
ａ）リニアモータの前記固定ベッド又は走行要素における挿入体として構成する、少なくとも１つの振動減衰する低熱伝導率のポリマー複合体部材；  
ｂ）前記挿入体において、前記リニアモータ構成要素の少なくとも１面と合せる該挿入体の面に設ける、それを通して熱伝導流体を通過させる少なくとも１つのチャネル；
ｃ）前記リニアモータ構成要素の少なくとも一部と熱的に密着した状態に維持するよう配設した前記チャネルと関連させて設け、それにより前記モータで発生したＩ2 Ｒ熱を前記流体に伝導し、その結果工作機械ベッド又は走行部材への熱移動を防止する、少なくとも１つの高熱伝導性材料製伝熱板、
を備えること、を特徴とする等温、振動減衰挿入体。
【請求項１０】
ワークを乾式機械加工する又は組付する方法であって、該方法には、
ａ）振動を減衰し、熱伝導率が低く、熱膨張係数（ＴＣＥ）が低いポリマー複合材料又はポリマーコンクリート製ワーク保持体部材を用い、機械加工する、又は少なくとも１つの他のワークに組付する前記ワークを、正確、強固に構造的に支持するよう構成する前記ワーク保持体部材に、ロードするステップ；
ｂ）前記ワークを、前記機械加工又は組付のために適切に位置合わせした位置に、真空を作用させて、あるいは少なくとも１つの機械的クランプ部材を作用させて、前記ワーク保持体の少なくとも一面と熱的に密着するよう引付けて、クランプするステップ；
ｃ）前記保持体の表面に設けられて前記ワークと熱的に密着し、熱伝達流体と伝導する少なくとも１つの伝熱板によって熱が前記ワークから、あるいは前記ワークへと伝達することで前記ワークを実質的に等温に維持すると共に、前記真空のクランプが前記ワークと前記伝熱板との間を熱的に密着した状態を維持するように補助するステップ；及び
ｄ）それにより、熱膨張係数（ＴＣＥ）及び振動が誘発する寸法誤差を低減させて、前記ワークをより正確に機械加工又は組付可能にするステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
ａ）高熱伝導性流体を、流体のチャネルを通して、前記伝熱板と伝導した状態で循環させるステップ；及び
ｂ）前記ワークの温度を検知して、冷温装置を制御して前記高熱伝導性流体を加熱又は冷却して、前記ワークの温度を、予め選択した設定点温度にする及び該温度で維持するコントローラに、信号を提供するステップ、
を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法を、ウェブを桁及び支柱に、スキンを桁及び縦通材に、及び保持体リブをスキンに組付することを含む、航空機組付に適用することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ａ）工作機械のベッドを前記ポリマー複合材料又はポリマーコンクリート製の保持体に装着して、振動伝搬を低減するステップ；及び
ｂ）前記ベッドを実質的に等温に維持するが、これを、熱を前記ベッドから又はベッドへと、前記保持体の面に、前記ベッドと熱的に密着する状態で、設ける少なくとも１つの伝熱板によって伝達させて行うステップ、
を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
ａ）高熱伝導性流体を、流体チャネルを通して、前記伝熱板と伝導した状態で循環させるステップ；及び
ｂ）前記ベッドの温度を検知して、冷温装置を制御して前記高熱伝導性流体を加熱又は冷却して、前記ベッドの温度を、予め選択した設定点温度にする及び前記ベッドを実質的に該温度で維持するコントローラに、信号を提供するステップ、
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
機械ベッドと相対移動する工具ホルダを有し、該工具ホルダの運動を、固定及び可動構成要素を有するリニア誘導モータで駆動する工作機械における、熱が誘発する寸法変化を制御する方法であって、
ａ）前記固定構成要素における、又は前記リニア誘導モータの前記走行構成要素と関連する挿入体として構成する、振動減衰、低熱伝導率、低熱膨張係数（ＴＣＥ）のポリマー複合材料又はポリマーコンクリート製の部材を設けるステップ；
ｂ）前記挿入体の少なくとも１面に、熱伝導流体を、それを通して通過させる少なくとも１つのチャネルを設けるステップ；
ｃ）前記リニアモータ構成要素の少なくとも一部と熱的に密着した状態で配設する前記チャネルと関連させて、少なくとも１つの高熱伝導性材料製伝熱板、を設けるステップ；及び
ｄ）熱伝導流体を、前記導管を通して、前記伝熱板と接触させた状態で循環させ、それにより前記モータで発生したＩ2 Ｒ熱を前記流体に伝導し、その結果機械ベッド又は可動工具ホルダへの熱移動を防止するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2010509084.tif 000013