KR20100043088A - 공작기계 이동체의 냉각방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

공작기계 이동체의 열변형의 변동을 작게 하는 냉각방법 및 냉각장치가 제공된다. 컬럼(1)의 정면에 상하 한쌍의 가이드(3)가 형성되고, 그 가이드(3)에 새들(7)이 걸쳐져서 새들(7)이 좌우방향으로 이동할 수 있게 되어 있다. 가이드(3)의 안내면(5)과 새들(7)의 슬라이딩 이동면(9)은 접촉 슬라이딩면이다. 미리 시뮬레이션하여 냉각할 필요가 있는 발열량이 많은 슬라이딩 이동면(9a, 9b, 9d, 9e)을 특정한다. 그 특정한 발열 부위를 냉각하기 위한 유체관로(25)를 형성하고, 발열량이 적은 부위(9a) 쪽에서 발열량이 많은(9e) 방향을 향하여 냉각액을 흘려서 냉각액을 순환시킨다.

Description

공작기계 이동체의 냉각방법 및 장치{MOVER COOLING METHOD AND DEVICE FOR MACHINE TOOL}

본 발명은 공작기계 이동체의 발열 부위를 냉각하여, 이동체의 열변형의 변동을 줄이는 냉각방법 및 장치에 관한 것이다.

공작기계는 가공능률을 올리기 위하여 테이블, 새들(saddle) 등의 이동체를 고속으로 이동시키는 것이 요구되고 있다. 공작기계 이동체가 슬라이딩 이동면을 가지는 구조인 경우, 이동체를 고속으로 이동시키면 슬라이딩 이동면의 마찰에 의해 마찰열이 발생한다. 그 마찰열이 이동체의 각 부분에 전달되어 이동체가 열변형되고, 기계의 가공정밀도를 악화시키는 문제가 있다.

공작기계의 베드나 새들의 슬라이딩 이동면의 마찰에 의해 발생하는 열을 제거하여 기계의 정밀도를 유지시키는 기술은, 일본특허공개공보 2000-117571호에 개시되어 있다. 이 기술은, 베드 슬라이딩 이동면의 리브 안이나 새들 슬라이딩 이동면의 아래쪽에 냉각액을 통과시키는 관로를 설치하고, 그 관로 안에 냉각액을 순환시켜서 베드 슬라이딩 이동면이나 새들 슬라이딩 이동면의 온도 상승을 억제하는 것이다.

또한, 공작기계의 각 부위를 냉각시키기 위하여, 각 부위의 발열량에 따라 냉각액의 유량을 조절하여 공급하여서 기계 각 부분의 온도를 균일하게 하는 기술은, 일본특허공개공보 2002-166337호에 개시되어 있다. 이 기술은, 기계의 발열부에 냉각액을 통과시키는 관로를 설치하고, 각 관로의 도중에 유량조절밸브를 설치하여, 기계의 각 부분의 발열량 크기에 따라서 냉각액의 유량을 조절하고, 기계의 각 부분의 온도 편차를 억제하는 것이다.

상술한 일본특허공개공보 2000-117571호 및 일본특허공개공보 2002-166337호에 기재된 공작기계의 냉각장치는, 기계의 각 부분에 온도센서를 매설하여 각 부분의 온도 또는 각 부분의 온도차를 검지하고 있다. 그리고, 검지한 온도의 높고낮음에 대응하여 냉각액의 온도나 유량을 조절하여 냉각액을 순환시킴으로써, 기계 각 부분의 발열을 줄이거나, 기계 각 부분의 온도 편차를 억제하는 것이다. 그 때문에, 온도센서나 유량조절수단이 여러개 필요하고, 기계가 고가가 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 공작기계 이동체의 발열 상황을 예측하고 냉각 부위를 특정하여, 그 특정한 냉각 부위에 냉각액을 흘리고, 이동체의 열변형의 변동을 줄이는 공작기계 이동체의 냉각방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 공작기계 이동체의 냉각방법으로서, (a) 상기 공작기계의 운전시에 발생하는 상기 이동체의 각 부분의 발열 상황을 예측하고, 발열이 높아서 냉각할 필요가 있는 냉각 부위를 복수 군데 특정하는 공정과, (b) 상기 특정한 냉각 부위에 냉각액을 흘리기 위한 유체관로를 형성하는 공정과, (c) 상기 유체관로 안에 소정 온도로 냉각한 냉각액을 공급하고, 상기 특정한 냉각 부위의 발열이 적은 부위 쪽으로부터 발열이 큰 부위 쪽을 향하여 냉각액을 흘려서 순환시키는 공정을 포함하는 공작기계 이동체의 냉각방법이 제공된다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 공작기계 이동체의 냉각방법으로서, (a) 상기 공작기계의 설계단계에 있어서, 설계 데이터에 근거하여 상기 공작기계의 운전시에 발생하는 상기 이동체의 각 부분의 발열량 또는 온도분포를 시뮬레이션하고, 발열이 커서 냉각할 필요가 있는 냉각 부위를 복수 군데 특정하는 공정과, (b) 상기 공작기계의 제조단계에 있어서, 냉각액이 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방을 차례로 통과하여 흐르도록 상기 이동체에 유체관로를 형성하는 공정과, (c) 상기 공작기계의 운전단계에 있어서, 상기 유체관로 안에 소정 온도로 냉각한 냉각액을 공급하고, 상기 특정한 냉각 부위의 발열이 적은 부위 쪽으로부터 발열이 큰 부위 쪽을 향하여 냉각액을 흘려서 순환시키는 공정을 포함하는 공작기계 이동체의 냉각방법이 제공된다.

한편, 상술한 공작기계의 운전단계란, 공작기계를 사용하여 피가공물을 가공하는 단계를 말한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 상술한 공작기계 이동체의 냉각방법을 실시하는 냉각장치로서, 상기 공작기계 이동체에 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방에 냉각액을 흘리기 위한 유체관로를 설치하고, 상기 유체관로는 냉각액이 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방을 차례로 통과하여 흐르도록 연결되어 형성되며, 상기 유체관로 안에 소정의 온도로 냉각한 냉각액을 공급하고, 냉각액을 순환시키는 냉각액 순환수단을 설치한 공작기계 이동체의 냉각장치를 제공한다.

공작기계 이동체가 각 부분의 발열에 의해 단시간에 늘어나거나 줄어들어서 열변형의 변동이 크면, 피가공물의 가공정밀도에 악영향을 준다. 하지만, 이동체의 각 부위의 온도가 같지 않아도, 각 부위간 온도차가 일정하고 안정되어 있으면, 열변형의 변동이 작기 때문에 가공정밀도의 악화가 적다. 본 발명은 이 점에 착안하여, 이동체의 각 부분의 약간의 온도차는 허용하고, 그 온도차의 변화를 줄임으로써, 피가공물의 가공정밀도를 악화시키지 않도록 하고 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 공작기계 이동체의 냉각 부위를 미리 특정하고, 그 특정한 냉각 부위 또는 그 근방에 냉각액이 흐르도록 유체관로를 설치하며, 발열이 적은 부위 쪽으로부터 발열이 큰 부위 쪽을 향하여 냉각액을 흘려서 순환시켜서 발열 부위를 냉각하도록 한 것이다. 그 때문에, 이동체의 각 부위의 온도가 완전히 같지는 않지만, 시간 경과에서의 각 부위의 온도차 변화가 적기 때문에, 이동체의 열변형의 변동이 적다. 따라서, 하나의 피가공물을 가공하는 동안에 이동체의 열변형의 변동이 거의 없기 때문에, 피가공물의 가공정밀도가 안정되어 있다.

또한, 본 발명은 발열 부위를 전부 냉각하는 것이 아니고, 이동체의 발열이 커서 냉각할 필요가 있는 부위만을 특정하여 냉각하도록 하였기 때문에, 유체관로의 경로를 단순화하여 줄일 수 있어서, 냉각액의 공급량이 적어지고, 장치 전체가 간단해져서 저가로 할 수 있다.

이하, 본 발명의 상술한 목적, 특징, 이점과 그 밖의 목적, 특징, 이점을 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 근거하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 공작기계 이동체의 냉각장치의 실시예를 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1에서의 이동체의 A-A 정면단면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 공작기계 이동체의 냉각방법 및 냉각장치의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 공작기계 이동체의 냉각장치의 실시예를 나타내는 측면도이다. 도 1에 나타내는 공작기계는 입형 머시닝 센터(machining center)로서 도시하지 않은 베드 상에 컬럼(1)이 세워져 있다. 컬럼(1)의 정면에 상하로 한쌍의 가이드(3)가 설치되고, 가이드(3)는 지면(紙面)에 수직한 방향과 평행하게 설치되어 있다. 가이드(3)는 각형(角形) 가이드이고, 복수개의 안내면(5)을 가지고 있다. 가이드(3)에는 새들(7)이 걸쳐져 있고, 새들(7)의 슬라이딩 이동면(9)이 가이드(3)의 안내면(5)에 맞물려 있다. 새들(7)은 도시하지 않은 구동장치 및 이송나사(11)에 의해 가이드(3) 위를 이동할 수 있게 되어 있다. 새들(7)에 리니어 가이드(13)가 설치되고, 주축헤드(15)가 상하방향으로 이동할 수 있게 되어 있다. 주축헤드(15)의 내부에는 공구를 장착하는 공구주축(17)이 지지되고, 모터(19)에 의해 회전구동된다.

가이드(3)의 안내면(5)과 새들(7)의 슬라이딩 이동면(9)은 각각 틈이 없이 적절한 면압(面壓)을 가지고 조정되어 있다. 새들(7)과 가이드(3) 사이에 지브(gib; 2)가 설치되어서 슬라이딩 이동면의 압력을 조정할 수 있게 되어 있다. 가이드(3)의 하면과 상면에는 틈(23)이 형성되어 있다. 새들(7)의 슬라이딩 이동면(9)은, 슬라이딩 이동면(9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f)이 가이드(3)의 각각의 안내면(5)에 접하여 있다. 새들(7)이 이동하면 슬라이딩 이동면의 마찰에 의해 발열하고, 각 부위의 온도가 상승한다. 도 1에 나타내는 바와 같은 상하 한쌍의 가이드(3)에 새들(7)을 걸친 구조인 경우, 이동체의 질량 및 모멘트 하중 또는 가압력에 따라서 새들(7)의 각 슬라이딩 이동면(9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f)의 슬라이딩 이동면 압력이 서로 다르기 때문에, 이동체의 각 부위의 발열량이 서로 다르다.

본 발명은, 적은 냉각 에너지로 효율적으로 냉각 효율을 높이기 위하여, 공작기계 이동체의 각 부분의 발열량 크기 또는 온도 분포를 미리 시뮬레이션하고, 발열이 커서 냉각할 필요가 있는 냉각 부위를 복수 군데 특정하며, 특정한 냉각 부위만을 냉각하도록 한 것이다. 시뮬레이션은 공작기계의 설계단계에 있어서, 기계 각 요소의 치수, 질량, 모멘트 하중, 면압 등의 설계 데이터에 근거하여 각 부위의 발열상황을 해석하고, 발열이 커서 냉각할 필요가 있는 냉각 부위를 복수 군데 특정한다. 시뮬레이션은 구조해석수단 예를 들어, 상품명 코스모스 웍스를 이용하여 실시할 수 있다.

도 1의 실시예에서의 시뮬레이션의 예를 설명한다. 구조해석수단으로 발열상황을 해석한 결과, 발열량이 많은 부위의 순서는 9e, 9d, 9a, 9b, 9c, 9f이었다. 그래서, 냉각할 필요가 있는 냉각 부위를 9a, 9b, 9d, 9e로 특정하고, 9c와 9f는 냉각하지 않기로 하였다. 공작기계의 제조단계에 있어서, 새들(7)(이동체)의 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방에 냉각액을 흘리기 위하여 유체관로(25)를 설치한다. 유체관로(25)는, 슬라이딩 이동면(9a) 근방에 관로(25a)를, 슬라이딩 이동면(9b) 근방에 관로(25b)를, 슬라이딩 이동면(9d) 근방에 관로(25d)를, 슬라이딩 이동면(9e) 근방에 관로(25e)를 형성한다. 도 2는 도 1에서의 이동체의 A-A 정면단면도를 나타낸다. 도 2에 있어서, 관로(25a, 25b, 25d, 25e)는 관부재(27)에 의해 접속되며, 관로(25a, 25b, 25c, 25d, 25e)는 하나의 연결된 유체관로(25)를 형성하고 있다.

상술한 시뮬레이션 결과, 발열량은 슬라이딩 이동면(9e) 부위가 가장 많고, 슬라이딩 이동면(9a) 부위가 슬라이딩 이동면(9e) 부위보다 낮았기 때문에, 본 발명은 슬라이딩 이동면(9a) 부위 쪽으로부터 슬라이딩 이동면(9e) 부위 방향을 향하여 냉각액을 흘린다. 즉, 냉각액은 도 2의 화살표 B로부터 공급하여 화살표 C로부터 회수하도록 냉각액을 순환시키는 것이다. 소정의 온도로 냉각한 냉각액을 이와 같이 순환시키면, 슬라이딩 이동면(9a) 부위의 온도보다 슬라이딩 이동면(9e) 부위의 온도가 약간 높은 상태에서 안정적으로 유지된다. 따라서, 시간 경과에서의 각 부위의 온도차 변화가 적기 때문에, 이동체의 열변형의 변동이 적고, 피가공물의 가공정밀도에 악영향을 주지 않는다.

본 발명은 상술한 바와 같이 공작기계 이동체의 각 부분의 온도를 같게 하여 열변형을 억제하도록 하는 것이 아니라, 각 부분의 온도차의 변화를 줄여서 이동체의 열변형의 변동을 억제하도록 하는 것이다. 상술한 종래기술은 모두 기계의 각 부분의 온도를 균일하게 하여 열변형을 억제하도록 하는 것으로, 종래기술로부터는 본 발명이 착안한 각 부분의 약간의 온도차는 허용하고 각 부분의 온도차의 변화를 줄여서 열변형의 변동을 줄이는 기술적 사상을 생각해 낼 수 없다.

1: 컬럼 3: 가이드
5: 안내면 7: 새들
9: 이동면 11: 이송나사
13: 리니어 가이드 15: 주축헤드
17: 공구주축 19: 모터
25: 유체관로

Claims (4)

1. 공작기계 이동체의 냉각방법으로서,
   (a) 상기 공작기계의 운전시에 발생하는 상기 이동체의 각 부분의 발열 상황을 예측하고, 발열이 높아서 냉각할 필요가 있는 냉각 부위를 복수 군데 특정하는 공정과,
   (b) 상기 특정한 냉각 부위에 냉각액을 흘리기 위한 유체관로를 형성하는 공정과,
   (c) 상기 유체관로 안에 소정 온도로 냉각한 냉각액을 공급하고, 상기 특정한 냉각 부위의 발열이 적은 부위 쪽으로부터 발열이 큰 부위 쪽을 향하여 냉각액을 흘려서 순환시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계 이동체의 냉각방법.
2. 공작기계 이동체의 냉각방법으로서,
   (a) 상기 공작기계의 설계단계에 있어서, 설계 데이터에 근거하여 상기 공작기계의 운전시에 발생하는 상기 이동체의 각 부분의 발열량 또는 온도분포를 시뮬레이션하고, 발열이 커서 냉각할 필요가 있는 냉각 부위를 복수 군데 특정하는 공정과,
   (b) 상기 공작기계의 제조단계에 있어서, 냉각액이 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방을 차례로 통과하여 흐르도록 상기 이동체에 유체관로를 형성하는 공정과,
   (c) 상기 공작기계의 운전단계에 있어서, 상기 유체관로 안에 소정 온도로 냉각한 냉각액을 공급하고, 상기 특정한 냉각 부위의 발열이 적은 부위 쪽으로부터 발열이 큰 부위 쪽을 향하여 냉각액을 흘려서 순환시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계 이동체의 냉각방법.
3. 제 1 항에 기재된 공작기계 이동체의 냉각방법을 실시하는 냉각장치로서,
   상기 공작기계 이동체에 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방에 냉각액을 흘리기 위한 유체관로를 설치하고, 상기 유체관로는 냉각액이 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방을 차례로 통과하여 흐르도록 연결되어 형성되며,
   상기 유체관로 안에 소정의 온도로 냉각한 냉각액을 공급하고, 냉각액을 순환시키는 냉각액 순환수단을 설치한 것을 특징으로 하는 공작기계 이동체의 냉각장치.
4. 제 2 항에 기재된 공작기계 이동체의 냉각방법을 실시하는 냉각장치로서,
   상기 공작기계 이동체에 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방에 냉각액을 흘리기 위한 유체관로를 설치하고, 상기 유체관로는 냉각액이 상기 특정한 냉각 부위 또는 그 근방을 차례로 통과하여 흐르도록 연결되어 형성되며,
   상기 유체관로 안에 소정의 온도로 냉각한 냉각액을 공급하고, 냉각액을 순환시키는 냉각액 순환수단을 설치한 것을 특징으로 하는 공작기계 이동체의 냉각장치.

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