JP2005074603A

JP2005074603A - ツールホルダへの工具取付装置

Info

Publication number: JP2005074603A
Application number: JP2003310853A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kitajima; 弘一北嶋; Koichi Morii; 浩一森井
Original assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Current assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】工作機械のスピンドルに工具を取り付けるためのツールホルダにおいて、工具の締付け部位の半径方向のボリュウムを小さく、且つ、把持力の大きい工具把持機構およびその付属装置を開発する。
【解決手段】ツールホルダの先端側に形成した工具取付部５としての円筒状部に、形状記憶合金からなる締付けリング７を外嵌合した構成にしたもので、その締付けリングはマルテンサイト状態にあるときには膨張して前記の円筒状部内径を工具１０のシャンク径より拡大させ、オーステナイト状態では収縮して該円筒状部内径を小径にして工具を強固に把持するものとし、且つ、いずれの場合にも締付けリングが該円筒状部から離脱しない嵌合として工具着脱に操作性を向上させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械のスピンドルに工具を取り付けるためのツールホルダおよびその付属装置に関する。

フライス盤や中ぐり盤などの工作機械においては、そのスピンドル（主軸）にツールホルダを介してエンドミルなどの回転工具が取り付けられ切削、研削などの加工が行われる。このツールホルダはそのシャンク部分にテーパが形成されており、これを機械のスピンドルに形成されたテーパ付嵌合穴に挿入して嵌合され、さらに、ねじ付ボルトにより前記スピンドルの基端側に引き寄せ固定される。

問題は、ツールホルダと工具を結合する方法であって、それには次のようなものがある。第１は、工具の基端側に端部が細くなるテーパ状部を設け、一方のホルダにはその先端側から前記工具のテーパ状部が挿入するテーパ穴を形成して互いに挿通嵌合させるもの、第２として工具の基端側シャフトを円柱状とし、この円柱状部をコレットチャックによって把持するものなどである。また、図６に示すように、ツールホルダＨに形成する工具収容穴の径を工具のシャンク径より小さくしておき、その工具収容穴部を高周波誘導Ｅにより加熱してこの内径を膨張拡大させ、ここに工具Ｔのシャンク部分を挿し込み、次いでこれを冷却することによって収縮させ工具Ｔを把持させるものである。この把持方法においてツールホルダは高温の熱サイクルにより疲労、劣化することが懸念されるのである。

また、図７に示す従来例は、ツールホルダの先端部に形成した工具保持部に形状記憶合金からなる縮みカラーＭを適用する構成を採用している。これについて特許文献２は、「弛緩した状態において縮みカラーＭの内側面の直径を締付けブッシュＢに対して僅かな過大寸法」（００２１）に形成しておき、工具シャフトが締付けブッシュの収容穴に収容された後、マルテンサイト状態の縮みカラーＭを「注意深く圧縮装置の中において締付けブッシュＢの外周面の上に軸方向に押し被せる」ものとしている。このように工具の取替えごとに特別な圧縮装置を用いて縮みカラーＭの着脱をすることは作業能率上に問題があるのみならず、縮みカラーＭの内径面に著しい損耗が生じることから耐用性に欠け、また、締め付けブッシュに長手方向のスリットを開設したことにより小径の工具を把持の対称とすることができないことに問題があった。

特表平０８−５０２２１２号公報特開平０５−２１２６０８号公報

エンドミルやドリルなどの回転ツールを用いた高速切削において該ツールのチャック部に芯振れがあればツールの損耗が激しく、且つ、加工精度を低下させる。また、エンドミルの把持機構部が半径方向に大径となる場合には被加工物に対する深彫り加工に限界を生じることになる。このようなことから、本発明は、形状記憶合金および炭素鋼のそれぞれの特性を組み合わせることによって操作性の良好な、またツール把持部を小径としたツールホルダと簡単な工具着脱装置の開発を課題とするものである。とくに小径の工具取り付けに有効なツールホルダ装置を提供するものである。

工作機械の主軸に嵌合する円錐状などのホルダシャンク部分を基端側としてそのホルダシャンクに接してフランジ部と、さらにそれより先端側に工具取付部を形成し、前記ホルダシャンク部分にはその基端側端面より軸方向に伸びるねじ付孔を、また、前記工具取付部には使用する工具のシャンク部を挿通するための工具取付孔を該工具取付部の末端面より軸方向にそれぞれ穿設し、さらに、前記工具取付部に形状記憶合金からなる締付けリングを外嵌合した構成のツールホルダであって、その工具取付孔の直径が前記締付けリングのマルテンサイト状態では挿通すべき工具のシャンク径より大径で、オーステナイト状態では小径であり、且つ、前記マルテンサイト状態で締付けリングが該工具取付部より容易に脱落しない静合嵌合になるツールホルダとすることを手段として、工具取付部の小ボリューム化と工具着脱の簡易化、把持の確実化を実現した。

また、このようにツールホルダに嵌合させた形状記憶合金からなる締付けリングを加熱し、または冷却する操作を容易にするため、１ブロック中に二つの不凍液用槽を設け、その一方の槽の周辺にはペルチェ素子を配置してこれを冷却し、同時に該ペルチェ素子から排出される熱をもって他方の槽の不凍液を加熱し、残余の熱は冷却水孔に流す冷水をもって該ブロック外に排出する構成になる冷却、加熱装置を開発した。

本発明のツールホルダは、炭素鋼からなる円筒状ツールホルダにＴｉ―Ｎｉ合金系の形状記憶合金からなる締付けリングを外嵌合したこと、すなわち、このような異材料からなる二重円筒とすることによって、締付けリングが高温時のオーステナイト状態と低温時のマルテンサイト状態における両者の縦弾性係数の相違を利用し、高温時に収縮、低温時に拡張するという二方向性記憶素子となり、工具の着脱性能の優れたものになった。

また、前記締付けリングに使用する形状記憶合金はマルテンサイト変態開始温度Ｍｓが０〜５℃で、終了温度Ｍｆが−２０℃程度、オーステナイト終了温度が常温より若干低いことから、ペルチェ素子により冷却された液中に該リングを浸漬することで容易に冷却し、また、４０℃程度の温湯に浸漬することによって迅速に常温に戻すことが可能になり、工具の着脱が簡単になった。

さらには、機械構造用鋼などからなる工具取付部への締付けリングの嵌合を適切にすることによって、締付けリングの拡径に伴い工具取付孔が拡径して工具が取り去られた後にもこの締付けリングは工具取付部に静合嵌合されているので、工具着脱の操作性を向上させることになった。

本発明の詳細について図面を参照し説明する。先ず、図の概要を説明すると図１は本発明に係るツールホルダを工作機械のスピンドルに装着した状態を示す一部断面の側面図、図２は図１の要部を拡大した断面図、図３と図４は工具取付部すなわち組合せ円筒の温度による内径変化を示したグラフ、図５はペルチェ素子を使用した冷却・加熱液槽装置の概要を示した斜視図、図６、図７はツールホルダの従来例を示したものである。

本発明に係るツールホルダ１は、工作機械のスピンドル２０に嵌合取着するための円錐状などのホルダシャンク部分２を基端とし、そのホルダシャンク部分２に接してフランジ部３，３を突設し、さらにそれより先端側を工具取付部５とし、前記ホルダシャンク部分２にはその基端側端面より軸方向先端側に伸びるねじ付孔６が、また、工具取付部５の先端面からは使用するツール１０のシャンク部１１を挿通するための工具挿入孔４が末端側端面より軸方向基端側向かって穿設されている。この工具挿入孔４の内径は取付られる工具のシャンク径より０．２ないし０．７ｍｍ大きく、かつ、その肉厚をほぼ２．０ないし６．０ｍｍ程度として機械構造用鋼などの炭素鋼、或いはアルミニウム合金などの非鉄金属により作製したものである。

このようなツールホルダ１の工具取付部５の外径に、次のような形状記憶合金からなる締付けリング７が外嵌合される。すなわち、０℃以下に冷却するとマルテンサイト状態（膨張状態）になり、これを徐々に加熱すると５℃を超える頃からオーステナイト相への変態が始まり、ほぼ常温（２５℃前後）では完全に形状が回復する性質のものである。このような形状記憶合金としては一般に知られたもの、たとえば、ニッケル・チタン合金（たとえば、Ｔｉ５０ａｔ％とＮｉ５０ａｔ％、またはその合金にＣｏ、またはＣｒ、またはＦｅ、ＶまたはＭｏを０．１〜５。０ａｔ％程度を添加した合金）系が良好に使用し得るが、これに限るものではない。

前記機械構造用鋼（Ｓ３０Ｃ）になるツールホルダ１の工具取付部５外径に、形状記憶合金を使用した締付けリング７がマルテンサイト状態にて圧入状に外嵌合される。この圧入によって前記工具挿入孔４の内径（取り付けられる工具のシャンク径よりほぼ０．２ないし０．７ｍｍ大）は把持する工具のシャンク径よりほぼ０．２ないし０．５ｍｍ大きい程度にまで縮径され、その後、この締付けリング７が常温にまで加熱さてオーステナイト化すると該工具取付孔４はさらに圧縮されて工具のシャンク径より小径となるように製作される。

上記の嵌合ないし工具の把持力を得るために必要な締付けリング７の内外径とツールホルダの工具取付部外径および工具挿入孔の内径（工具取付部を円筒と称することがある。）の最適値を求める方法について説明する。

例として採用したＴｉ―Ｎｉ系形状記憶合金製締付けリングの寸法、およびＳ３０Ｃとアルミニウム合金になる各５種類の工具取付部寸法を表１に記載した。なお、それぞれの長さは図２に示すようにＬ＝３０ｍｍ，ｌ＝５０ｍｍである。この締付けリングをマルテンサイト状態になるまで冷却し、それぞれの工具取付部に外嵌合（圧入）する。その後の冷却（マルテンサイト状態）および加熱（オーステナイト状態）による工具挿入孔（内径）の変化を図３、図４に示した。図中の点線はその中間値を示したものである。

図３は、Ｓ３０Ｃからなるツールホルダの工具取付部が形状記憶合金（締付けリング）の相変化によって変化する内径をプロットしたものである。この図において、たとえば、工具取付部の外径を１５．２９ｍｍ、内径（工具挿入孔）を１２．２０ｍｍに形成し、これに締付けリングを外嵌合したツールホルダにおいて、形状記憶合金がオーステナイト状態にあるときその内径は１２．０３ｍｍであり、マルテンサイト状態では１２．０７ｍｍになっている。この条件において形状記憶合金は相変化の前後何れにおいても工具取付部から容易に離脱することはないが、工具取付部の内径がシャンク径１２ｍｍより０．０３ｍｍ大で把持に不適であることが判る。このことから、中間値（図中の点線）が組合せ円筒の内部円筒内径（縦軸）の１２．００ｍｍに交わる点、すなわち前記形状記憶合金を外嵌合する前の工具取付部の内径として１２．０４ｍｍ（横軸）を選定することが最適であることがわかる。しかし、工具挿入孔などの加工精度や工具着脱の容易性を考慮すれば形状記憶合金製締付けリングの寸法を表１のものとした場合、工具取付部の外径を１５．２９ｍｍ、内径を１２．０２〜１２．０８ｍｍとすることが望ましいことがわかる。

図４は、工具取付部にアルミニウム合金を使用したときの形状記憶合金の相変化に伴う組合せ円筒の内部円筒内径の変化を示した（実線）もので、図中の点線はその中間値を示している。この図４から、形状記憶合金製締付けリングへ挿入前の内部円筒内径を１２．１２ｍｍ〜１２．１８ｍｍにすることが望ましいと読み取られる。

実施例１として、直径１２ｍｍのエンドミルをチャッキングするためのツールホルダ１をほぼ前記表１の条件に近い数値で作製した。すなわち、Ｔｉ−Ｎｉ合金（成分Ｎｉ：５５．８ａｔ％，残部Ｔｉ）の形状記憶合金を用いた締付けリング７は外径：２０．２０ｍｍ、内径：１５．００ｍｍ、長さ：３０ｍｍとし、ツールホルダ１の工具取付部５の外径を１５．３ｍｍ、内径（挿入孔）を１２．０８ｍｍ、長さを５０ｍｍとした。先ず、前記締付けリング７を０℃以下に冷却してマルテンサイト状態とし、これを前記工具取付部５の外径に圧入した。これによって、工具挿入孔４の直径は１２．０８ｍｍから１２．０２ｍｍにまで縮径された。この締付けリング７がオーステナイト状態に戻った場合は勿論、再びマルテンサイト化しても工具取付部５から容易に離脱することがなくなった。

上記のツールホルダを０℃以下に冷却すると締付けリング７はマルテンサイトに変態し拡径する。同時に炭素鋼からなる工具取付部５も弾性復元して拡径する。ここにシャンク径１２．００ｍｍのエンドミルを挿通した後、形状記憶合金を加熱してオーステナイト相に変態を進めると強固な把持が得られた。このツールホルダ１をフライス盤に取り付けて機械構造用鋼の切削を行ったが把持部のすべりなどは全く生じなかった。

また、このツールホルダ１に工具を着脱する際には、締付けリング７を冷却し、また、加温しなければならない。このためにペルチェ素子を組み込んだ冷却―加熱装置を開発して操作の簡易化と迅速化を図った。すなわち、図５に示すように一つのブロック３０中に二つの不凍液用槽３１，３２を設け、その一方の槽には槽外壁にペルチェ素子３３，３３を密着配置してこれに通電することにより冷却し、同時に該ペルチェ素子３３から排出される熱をもって他方の不凍液槽を加熱し、残余の熱は冷却水孔３４に流す冷水をもって装置外に排出し、双方の不凍液３５、３５の温度を調節するものである。図には表示していないが、加温側の不凍液層には加熱用ヒーターを、また更には、温度コントロール用のコントロール装置を付設することも可能である。この装置により温度調節した不凍液槽に前記Ｓ３０Ｃと形状記憶合金の組合せになるツールホルダの工具取付部を浸漬して冷却、あるいは加熱を行ったが、締付けリング７は数十秒で相変化をきたし、工具の着脱が容易に行えた。なお、前記冷却用の不凍液用槽３１にはその周縁に断熱用の空隙３６を形成している。

前記実施例１のＴｉ−Ｎｉ形状記憶合金はオーステナイト終了温度Ａ_ｆが２０〜２５℃であり、寒冷期にはより低いＡ_ｆ温度が望まれることがある。そこで、Ｔｉ―Ｎｉ合金にそれぞれＣｏ、またはＣｒ、またはＦｅ、またはＶ、またはＭｏを０．１〜５．０ａｔ％添加した合金を３５０℃〜５４０℃の範囲内で形状記憶熱処理して形状記憶合金を作製し、前記の締付けリング７に使用したところ、オーステナイト終了温度Ａ_ｆ、マルテンサイト終了温度Ｍｆ共に２〜２０℃低下した。したがってこの配合の形状記憶合金を使用した締付けリング７は寒冷地での使用に十分耐えるものとなった。

ツールホルダにおける工具取付部の内・外径とそれに外嵌合させる形状記憶合金製締付けリングの内・外径、使用する工具のシャンク径との関係を前記のように決定することによって、該工具取付部に長手スリットを形成することなく工具を強固に把持でき、さらに、工具取付部から締付けホルダが容易に脱落しないものとなり、操作性が向上した。また、小径の工具を偏芯なく正確に把持できることになり、深物金型の切削、研削に利用されることになる。

本発明に係るツールホルダを工作機械に取り付けた状態を示す側面図で、一部断面で表したものである。図２は、本発明ツールホルダの要部の拡大図である。図３は、Ｓ３０Ｃ製の工具取付部に形状記憶合金製締付けリングを外嵌合（組合せ）して、形状記憶合金の相変化と工具取付部内径の関係を示したグラフである。図４は、アルミニウム合金製の工具取付部に形状記憶合金製締付けリングを外嵌合（組合せ）して、形状記憶合金の相変化と工具取付部内径の関係を示したグラフである。図５は、ツールホルダのツール取付部を冷却、加熱するための液温度調節装置で（ａ）は平面図、（ｂ）は断面になる正面図である。図６は、従来例を示した断面図である。図７も、従来例を示した斜視図である。

符号の説明

１ツールホルダ
２ホルダシャンク部分
３フランジ部
４工具挿入孔
５工具取付部
６締付けリング
１０工具
１１シャンク
２０スピンドル
３０ブロック
３１、３２不凍液用槽
３３ペルチェ素子
３４冷却水孔

Claims

工作機械の主軸に嵌合する円錐状などのホルダシャンク部分を基端側としてそのホルダシャンクに接してフランジ部と、さらにそれより先端側に工具取付部を形成し、前記ホルダシャンク部分にはその基端側端面より軸方向に伸びるねじ付孔を、また、前記工具取付部には使用する工具のシャンク部を挿通するための工具取付孔を該工具取付部の末端面より軸方向にそれぞれ穿設し、さらに、前記工具取付部に形状記憶合金からなる締付けリングを外嵌合した構成のツールホルダであって、その工具取付孔の直径が前記締付けリングのマルテンサイト状態では挿通すべき工具のシャンク径より大径で、オーステナイト状態では小径であり、且つ、前記マルテンサイト状態では締付けリングが該工具取付部より容易に脱落しない静合嵌合であることを特徴とするツールホルダ。
締付けリングに使用する形状記憶合金はａｔ％でＮｉ：４９．５〜５１．３％、Ｔｉが残部からなるＴｉ―Ｎｉ合金、または、Ｎｉ：４８．０〜５１．０％とＣｏ、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｖ，Ｍｏのいずれか、またはこれらのうちの複数の元素を０．１〜５．０％を含み残部をＴｉとした合金をもって締付けリングを形成したことを特徴とする請求項１記載のツールホルダ。
１ブロック中に二つの不凍液用槽を設け、その一方の槽の周辺にはペルチェ素子を配置してこれを冷却し、同時に該ペルチェ素子から排出される熱をもって他方の槽の不凍液を加熱し、残余の熱は冷却水孔に流す冷水をもって該ブロック外に排出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のツールホルダ締付けリングの温度調節装置。