JP2009045719A - 工具ホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】工具ホルダを工作機械の主軸に嵌合して取り付ける際に、経年変化による嵌合部の形状の崩れに拘わらず、良好な嵌合状態を維持する。
【解決手段】工作機械の主軸テーパ穴内で工作機械側のクランプ機構にクランプされて引張力を受けるプルスタッドボルト４と、前記テーパ穴に嵌合されるテーパ部２と、前記プルスタッドボルト４に連結されたピストンロッド７と、該ピストンロッド７に連結されたピストン８と、前記テーパ部２の外周部に設けられた流体圧拡張（油圧拡張スリーブ６、９）と、前記ピストン８の押圧力を受けて流体を介して前記流体圧拡張スリーブ（油圧拡張スリーブ６、９）に内周側から外周側に向けた流体圧を与える流体圧通路（油圧通路５）を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、工具を取り付けた状態で、工作機械の主軸に対し保持させるとともに、前記主軸からの取り外しを可能とする工具ホルダに関するものである。

従来のマシニングセンタでは、工具交換を自動で行うために工具をテーパシャンク部を有した工具ホルダに取り付けた状態で使用している。工具ホルダのテーパは規格で定められているので、色々な形状の工具でも共通のホルダで使用可能となり、１台のマシニングセンタで多種の工具を使用しながら様々な加工が可能となっている。機械側の主軸にも同形状のテーパ穴があり、テーパ面の密着により剛性を確保している。
工具ホルダ４０は、図４に示すように、主軸３０の内部に設けられたクランプ機構３１により工具ホルダ４０端面のプルスタッドボルト４１が機械主軸３０に引き込まれ、工具ホルダ４０のテーパシャンク部４２と主軸３０内のテーパ穴３２とが密着するようにして固定される。クランプ機構３１の多くは皿バネ３３を用いたもので、バネ力によりプルスタッドボルト３１を主軸３０側に引き込むように構成されている。

上記のようにマシニングセンタの主軸テーパ穴３２と工具ホルダ４０のテーパシャンク部４２とは、互いの面が密着して嵌合されることで工具ホルダの保持剛性を確保しているため、密着性が損なわれると保持剛性が低下して主軸回転時に振動が生じるなどの問題が生じる。例えば、特許文献１では、プルスタッドボルトがテーパシャンク部に螺合された構造において螺合部でテーパシャンク部に膨らみが生じて上記密着性が損なわれることが課題として挙げられている。特許文献１では、この課題に対する対策として、テーパ部を二重にし、外側のスリーブと内側の軸部の間に微少量のスキマを設け、そのスキマによって螺合によるふくらみ変形を吸収している。
特開２００２−３７０１３４号公報

ところで、テーパ部やテーパ穴の嵌合部では、工具、機械の長期間の使用により、それぞれのテーパ面は形状が崩れる事が多くあり、この経年変化による形状の崩れは均一なものではなく、テーパの真円度を崩して進行する。形状の崩れる原因は、工具の繰り返し脱着による繰り返し打痕や切り屑の噛み込みよる圧痕などが起点となり進行する。
上記嵌合部でのテーパ面同士のアタリが悪くなると、密着度が低下するために工具を保持したときに振れ精度が低下したり、接触面低下による剛性ならびに減衰能力の低下により加工性能が低下する。以上の対策として、定期的な工具ホルダの交換やテーパ面の再研削などの方法があるが、コストがかかるためにあまり実行されない。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、主軸側と工具ホルダとの嵌合部において経年的に形状のダレが生じる場合にも、嵌合部での密着性を良好に維持して嵌合部での取り付け剛性を良好に保ち、振動の発生などを未然に防止する工具ホルダを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の工具ホルダのうち、第1の本発明は、工作機械の主軸テーパ穴内で工作機械側のクランプ機構にクランプされて引張力を受けるプルスタッドボルトと、前記テーパ穴に嵌合されるテーパ部と、前記プルスタッドボルトに連結されたピストンロッドと、該ピストンロッドに連結されたピストンと、前記テーパ部の外周部に設けられた流体圧拡張スリーブと、前記ピストンの押圧力を受けて流体を介して前記流体圧拡張スリーブに内周側から外周側に向けた流体圧を与える流体圧通路とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、工具ホルダを工作機械の主軸にクランプする際に、プルスタッドボルトが引張力を受けて工具ホルダのテーパ部が主軸のテーパ穴に嵌合してテーパ同士が密着する。また、この際に、プルスタッドボルトへの引張力がピストンロッドを介してピストンに伝えられ、該ピストンによって流体圧通路にある流体に自動的に押圧力が加わる。この押圧力は流体圧通路に沿って流体によって流体圧として流体圧拡張スリーブに伝えられ、該流体圧拡張スリーブを内周側から外周側に向けて押圧する。これにより経年変形によってテーパ穴とテーパ部との密着性が損なわれる場合にも流体圧拡張スリーブが外側に拡張して前記嵌合における密着性を向上させることができる。

以上のように、工具クランプ時にスリーブ内面から流体圧をかけることにより、機械主軸内部でテーパ表面を拡張させて密着性を向上させる。流体圧は工具クランプ時に使用するプルスタッドボルトを可動式のピストン形式として、工具クランプ時に流体圧が自動的に発生する。
また、流体圧通路を適宜配設することで、プルスタッドボルトとテーパ部との螺合部の膨らみを流体圧通路によって吸収する作用も得られる。

なお、流体圧拡張スリーブは、上記流体圧の付与によって外周側に拡張するものであり、例えば、薄肉にすることで流体圧によって変形し、外周側に拡張することができる。また、流体圧拡張スリーブを周方向において分割されたものとし、各分割片が流体圧によって拡張するものであってもよい。各分割には、それぞれ流体圧が付与されるように流体圧通路を配設する。流体圧拡張スリーブは、テーパ部と異なる材質で構成しても良いが、嵌合に際しての密着が均等になされるようにテーパ部と同じ材質で構成するのが望ましい。

第２の本発明の工具ホルダは、前記第１の本発明において、前記流体圧が油圧であることを特徴とする。

前記流体圧は、非圧縮性の流体である油圧を用いることによって流体圧を安定して流体圧拡張スリーブに付与することができる。また、工具ホルダの内部に充填させれば軸方向に移動することはほとんど無い。

第３の本発明の工具ホルダは、前記第１または第２の本発明において、前記流体圧拡張スリーブは、前記テーパ部の軸方向において位置を異にして複数備えられていることを特徴とする。

前記流体圧拡張スリーブをテーパ部の軸方向において位置を異にして複数配置することで、流体圧拡張スリーブにはそれぞれ流体圧が作用して、テーパ部の大径側と小径側とでそれぞれ流体圧拡張スリーブの拡張による押圧力が得られ、テーパ部とテーパ穴との密着性をより良好にすることができ、また工具ホルダの保持がより安定する。なお、流体圧拡張スリーブの数は、第３の本発明では、軸方向において２以上の任意の数とすることができる。

以上説明したように、本発明の工具ホルダによれば、工作機械の主軸テーパ穴内で工作機械側のクランプ機構にクランプされて引張力を受けるプルスタッドボルトと、前記テーパ穴に嵌合されるテーパ部と、前記プルスタッドボルトに連結されたピストンロッドと、該ピストンロッドに連結されたピストンと、前記テーパ部の外周部に設けられた流体圧拡張スリーブと、前記ピストンの押圧力を受けて流体を介して前記流体圧拡張スリーブに内周側から外周側に向けた流体圧を与える流体圧通路とを備えるので、テーパ部またはテーパ穴において経年変形によって密着性に影響がある場合にも、特別な操作を要することなく流体圧拡張スリーブを外周側に拡張させて密着性を向上させ、工具保持剛性や減衰性が向上し工具寿命の向上や加工精度の向上に寄与する効果がある。

以下に、本発明の一実施形態を図１、２に基づいて説明する。
工具ホルダ１の先端側は、先端側ほど小径となるテーパ部２とされ、その内部は筒穴形状とされている。該筒穴内には、筒形状の圧力配管スリーブ３が内挿されている。該圧力配管スリーブ３の筒穴にはピストンロッド７が微小に摺動できるように嵌合されており該ピストンロッド７の先端側には筒穴が形成されて該筒穴内に雌ねじが形成されている。該雌ねじにプルスタッドボルト４が螺合されて、テーパ部２の先端側にプルスタッドボルト４が突出している。

前記圧力配管スリーブ３の後方側に確保された空間と、該空間に連なって圧力配管スリーブ３内部および圧力配管スリーブ３外周壁とテーパ部２の内壁との間で前方に伸張する小隙間によって油圧通路５が形成されており、該油圧通路５は、さらにテーパ部２内で径方向に沿って外周側に伸張し、テーパ部２の小径側外周面に設けたスリーブ用の凹部表面に開口している。この油圧通路５は、本発明の流体圧通路に相当する。

上記スリーブ用の凹部は、円周方向に沿って全周に亘って形成されており、該凹部にリング状で薄板の油圧拡張スリーブ６が嵌合している。該油圧拡張スリーブ６は、本発明の流体圧拡張スリーブに相当する。油圧拡張スリーブ６は、上記凹部との間で略隙間なく嵌合し、その内周面と上記凹部の外周面との間で面シールが可能になっている。また、油圧拡張スリーブ６の外周面は、凹部に嵌合した状態で、テーパ部２の外周面と略面一になっている。

また、前記圧力配管スリーブ３の後方側空間にある油圧通路５の後方端側は、テーパ部２内で径方向に沿って外周側に伸張し、テーパ部２の大径側の外周面に設けたスリーブ用の凹部表面に開口している。大径側の該スリーブ用凹部は、円周方向に沿って全周に亘って形成されており、該凹部にリング状で薄板の油圧拡張スリーブ９が嵌合している。該油圧拡張スリーブ９は、本発明の流体圧拡張スリーブに相当する。油圧拡張スリーブ９は、凹部との間で略隙間なく嵌合し、その内周面と凹部の外周面との間で面シールが可能になっている。また、油圧拡張スリーブ９の外周面は、凹部に嵌合した状態で、テーパ部２の外周面と略面一になっている。

また、ピストンロッド７の後方側は、前記油圧通路５の後方端よりもさらに後方に伸張して円柱形状で中心に取付穴が設けられたピストン８が外挿されナット１０によってピストンロッド７に一体化されている。該ピストン８の前面側は、前記油圧通路５の後方端に接するとともに、テーパ部２の内周面に微小に摺動できるように嵌合されている。
ピストン８は、上記のようにしてピストンロッド７に連結されているが、本発明としてはピストンロッド７とピストン８とが一体になっているものであってもよい。なお、図中１１は、リング状のゴムシールである。

次に、上記工具ホルダ１の動作について説明する。
上記油圧通路５には、油圧用油が充填され、圧力配管スリーブ３、ピストン８、油圧拡張スリーブ６、９を主にしてテーパ部２内部で封止されている。該工具ホルダ１を図示しない工作機械の主軸に取り付ける際には、プルスタッドボルト４を主軸内のテーパ穴内に挿入する。プルスタッドボルト４は、主軸側のクランプ機構によって引き込まれて引張力が発生し、該引張力がピストンロッド７を介してピストン８に伝達され、該ピストン８が軸方向に微小量移動することによって油圧通路５内の圧力油に押圧力が加わる。この押圧力は油圧として油圧通路５内で伝達され、前記油圧拡張スリーブ６、９を内周側から外周側に向けて拡張させる。主軸のテーパ穴に接触しているスリーブ６、９は接触面圧が高くなり剛性が向上する。また。テーパのアタリが悪く、微小隙間を発生させている部分はスリーブが変形することで隙間が無くなり、剛性や減衰性が向上する。

該油圧拡張スリーブ６、９の拡張の様子を図２に基づいてさらに説明をする。
図２（ａ）は、従来の工具ホルダの嵌合状態を示すものである。工具ホルダのテーパ部４２が主軸側のテーパ穴３２内に挿入されており、当初は両者が面状態で密着して良好な剛性が得られている。しかし、経年的に両者の形状が崩れると、図示するように、部分的に点接触の状態になり、保持剛性が低下する。本発明においても図２（ｂ）に示すように経年的な形状の崩れは回避できないが、上記油圧拡張スリーブ６、９を、工具ホルダを主軸にクランプする際に発生する油圧によって外周側に拡張させることで、図２（ｂ）に示すようにテーパ部とテーパ穴とを面状態で密着させて良好に接触させることが可能になる。

なお、上記実施形態では、油圧拡張スリーブをテーパ部の小径側と大径側とにそれぞれ配置してテーパ穴とテーパ部との密着性を向上させているが、本発明としては、油圧拡張スリーブの数は特に限定されるものではない。但し、工具ホルダを確実に、かつ安定して保持するためには、上記油圧拡張スリーブは、上記実施形態のようにテーパ部の小径側と大径側とで複数を配置するのが望ましい。この理由を図３に基づいて説明する。

図３（ａ）に示す例は、テーパ部２の軸方向略全長に亘る油圧拡張スリーブ２０を配置し、この油圧拡張スリーブ２０の軸方向略中央に至る油圧通路５ａを配置して、油圧拡張スリーブ２０への油圧付与を可能にしている。この例では、クランプ時に油圧拡張スリーブ２０が油圧で拡張することによって嵌合部での経年劣化による形状の崩れに対して密着性を向上させる効果は得られるものの、拡張部分がテーパ部の軸方向での一部にあるため、均等な密着性を得て安定して工具ホルダを保持するという点でやや劣っている。

また、図３（ｂ）に示す例は、テーパ部２の小径側にのみ油圧拡張スリーブ６を配置したものである。この例でも、油圧拡張スリーブ６が油圧で拡張することによって嵌合部での経年劣化による形状の崩れに対して密着性を向上させる効果は得られるものの、拡張部分がテーパ部の軸方向での先端側にのみあるため、均等な密着性を得て安定して工具ホルダを保持するという点でやや劣っている。

これに対し、図３（ｃ）に示す例は、上記実施形態に相当するものであり、テーパ部２の小径側に油圧拡張スリーブ６が配置され、テーパ部２の大径側に油圧拡張スリーブ９が配置されたものである。この例では、油圧拡張スリーブ６と油圧拡張スリーブ９とが油圧で拡張することによって嵌合部での経年劣化による形状の崩れに対して密着性を向上させる効果が得られる。そして拡張部分は軸方向において異なる位置で作用するため均等な密着性が得られ、工具ホルダの保持も安定するという点で優れた効果が得られる。

以上、上記実施形態によって本発明の説明を行ったが、本発明は、上記実施形態の説明内容に限定をされるものではなく、本発明を逸脱しない限りは当然に上記実施形態の変更が可能である。

本発明の工具ホルダの一実施形態を示す断面図である。 同じく、作用を説明するための拡大した一部断面図である。 同じく、油圧拡張ホルダの配置による作用の相違を説明するための断面図である。 従来の工具ホルダの構造の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 工具ホルダ
２ テーパ部
３ 圧力配管スリーブ
４ プルスタッドボルト
５ 油圧通路
６ 油圧拡張スリーブ
７ ピストンロッド
８ ピストン
９ 油圧拡張スリーブ

Claims (3)

1. 工作機械の主軸テーパ穴内で工作機械側のクランプ機構にクランプされて引張力を受けるプルスタッドボルトと、前記テーパ穴に嵌合されるテーパ部と、前記プルスタッドボルトに連結されたピストンロッドと、該ピストンロッドに連結されたピストンと、前記テーパ部の外周部に設けられた流体圧拡張スリーブと、前記ピストンの押圧力を受けて流体を介して前記流体圧拡張スリーブに内周側から外周側に向けた流体圧を与える流体圧通路とを備えることを特徴とする工具ホルダ。
2. 前記流体圧が油圧であることを特徴とする請求項１記載の工具ホルダ。
3. 前記流体圧拡張スリーブは、前記テーパ部の軸方向において位置を異にして複数備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の工具ホルダ。

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