JP4781329B2 - 工具ホルダ - Google Patents

Description

この発明は、マシニングセンタ等の工作機械に着脱可能に装着される焼嵌め式工具ホルダに関するものである。

マシニングセンタに切削工具を装着する工具ホルダＡは、例えば、図６に示すように、マシニングセンタの主軸に着脱可能なシャンク部１とチャック部２とをマニュピレータ把持部３を介して一体に形成したものであり、チャック部２は、その先端からマニュピレータ把持部３に向かって逆円錐台状を呈してマニュピレータ把持部３に連続した形状である。図中、４はプルボルトであって、シャンク部１と一体に形成されたり、別体ものを嵌め込み固定してシャンク部１と一体にされたりしている。

この工具ホルダＡにおいて、近年、主軸の高速回転化により、切削工具５を精度良く強固に把握し、かつ剛性を有する上に、回転バランス等の性能の高度化が望まれ、その要求をみたすものとして、上記チャック部２に切削工具５を焼嵌め式でもって装着するものが注目されている（特許文献１段落０００２図１〜図３、特許文献２段落０００４図１〜図３参照）。
特開２０００−１２６９６１号公報 特開２００２−１２０１１５号公報

この焼嵌め式工具ホルダＡは、締付け具が付随するコレットチャック式に比べて、その締付け具が不要な点等から、そのチャック部２の径を細くすることができる。
このチャック部２の径を細くできることは、切削工具５のチャック部２の先端からの突出量（長さ）を極力短くすることができることであって、切削工具５の切削時に受ける切削負荷に耐え得る強さである剛性を高めることができる。
さらに、チャック部２の径を細くできることは、被加工物とのそのチャック部２の干渉を極力避ける形状とすることができることであり、深彫加工が容易になる。また、切削工具５の剛性が高いことから、切り込み代を大きく取れ、加工精度が高く、その加工仕上げ面もきれいとなり（仕上げ精度も向上し）、かつ切削工具５の寿命の向上を図ることができる（特許文献２段落０００５参照）。

さらに、マシニングセンタにおけるＮＣ制御において、今日、加工効率の面から、従来、主流であった３軸制御（上下（Ｚ軸）、左右（Ｘ軸）及び前後（Ｙ軸）の軸方向移動制御）から、その各軸方向の姿勢の二つを変更可能な５軸制御（例えば、ＸＹＺ軸制御に加えて、Ｘ軸周りのＡ軸とＹ軸周りのＢ軸の制御）が普及しつつある。

この５軸制御は切削工具５の姿勢を変えることができることから、先端の刃部５ａ（図６参照）を球面としたＲ刃の切削工具５を使用した被加工面に対し、傾けて切削する技術が普及している。
すなわち、図７に示すように、円弧状被加工面の被加工物Ｗを切削する場合、同（ａ）のように、加工面に対して切削工具５を立てると、その切削作用は、刃部５ａの先端のみで行うこととなってその先端の摩耗・損傷が激しく、切削工具５の寿命が短くなる。このため、同図（ｂ）に示すように、切削工具５を傾ければ、刃部５ａによる切削部も広くなって、摩耗・損傷も軽減すると共に、切削面も広くなって切削効率も向上するからである。

今日の金型加工においては、上記焼嵌め式工具ホルダＡや５軸制御によって、飛躍的な加工効率の向上が認められている。
しかし、航空宇宙分野、原動機分野及び医療分野等において使用される、例えば、ブレード、インペラー、人工関節等は、インコネル（インコ社(International Nickel Company)：商品名）、チタン等で代表される耐熱合金からなり、それらの被加工物は、難削材加工物と称されており、その焼嵌め式工具ホルダＡや５軸制御による加工効率の向上が十分になされていないのが実情である。

このような難削材加工物において、上記加工効率の向上を図ろうとする場合、例えば、切り込み量を大きくするため、切削工具５、工具ホルダＡと被加工物Ｗとの干渉を無くすためには、切削工具５、チャック部２を細くかつ長くすることとなるが、それらを細く長くすれば、剛性が低下し、加工精度が低下し、その加工仕上げ面も荒れるとともに、切削工具５の寿命も低下する。
また、切削工具５を被加工面に対し傾けた場合、チャック部２を細くすれば、被加工物Ｗとの干渉度合は減少するが、剛性の問題が生じ、逆に、太くすれば、被加工物Ｗとの干渉度合は増加する。

この発明は、工具ホルダとワーク（被加工物）Ｗとの干渉を少なくすると共に、工具ホルダの剛性を高めることを課題とする。

上記課題を達成するために、この発明は、図６、図７に示すように、従来の工具ホルダＡのチャック部２は、その先端からマニュピレータ把持部３に向かって逆円錐台状を呈した形状であるが、図７（ｃ）の態様において、図１ａに示すように、その斜線部分は被加工物Ｗとは干渉していない点、及び、被加工物との干渉が問題となる個所は、切削工具５の近傍、すなわちチャック部２の先端部であることに着目し、図１ｂに示すように、マシニングセンタの主軸に着脱可能な逆円錐台状シャンク部１と逆円錐台状チャック部２とをマニュピレータ把持部３を介して一体にした従来のものにおいて、そのチャック部２の外周を、その先端からマニュピレータ把持部３の外周縁に至る円錐台状内（斜線部分）に入る、そのチャック部の先端からシャンク部に向かって所要長さの凹孤状面の形状とすることとしたのである（図２〜図５参照）。

工具ホルダ（切削工具）を傾けて切削する場合、被加工物と干渉する部分は突出している一部であって、その部分を避ければ、干渉はしなくなる。すなわち、干渉を避けた後も工具ホルダ（チャック部）の径を小さくして無用な退避をする必要はない。このため、その突部を避ける凹弧状とすれば、円錐状台状の場合に比べて、チャック部の先端から同一距離の位置における径は大きく（太く）し得るため、チャック部の剛性は高くなる（図１ａの鎖線で囲まれた円錐台状とその円錐台状に斜線部分を加えた凹孤状との対比）。剛性が高くなれば、加工精度が高くなり、仕上げ精度も向上し、さらに切削工具５の寿命も向上する。

上記所要長さＬは、被加工物の加工面形状、チャック部の全体長さ等を考慮して実験等によって適宜に設定する（図２、図３参照）。また、凹孤状の曲率は、被加工物の加工面の曲率に応じて適宜に設定すれば良いが、例えば、下記（１）〜（４）式で表されるものとする。その（１）式は分数関数、（２）式はトラクトリクス、（３）式はカテナリー、（４）式は放物線であって、Ｘはチャック部の軸心方向、Ｙはその径方向を示し、その各式中のＵ、ａは、所要長さＬ、チャック部の最大径及び最小径、材質等を考慮して各種の実験によって適宜に選定する。

この発明の構成としては、工作機械に着脱可能なシャンク部と、切削工具を焼嵌め式によって保持するチャック部とを備えたマシニングセンタ用焼嵌め式工具ホルダであって、前記チャック部の外周は、シャンク部から先端に向かって徐々に縮径し（途中に同一径部を有する場合も含む。）、かつ、そのチャック部先端からシャンク部に向かってその先端から所要長さ全長に亘って凹孤状面となっている構成を採用することができる。

この構成において、被加工物が一定の曲率の加工面のものである場合等においては、上記凹孤状面をその被加工面に沿う曲率とすれば、干渉せずに十分な剛性をもったチャック部とすることができる（図１ａ参照）。
また、その凹孤状面は、曲率が異なって連続する複数の凹孤状面に分割されているものとすることができる。凹孤状面を分割すれば、剛性を高めつつ加工面の形状に対応し易くなる。その分割数は２つ、３つ・・等と任意である。
このチャック部を分割した際、その各分割体は一体物であったり（図３、図５参照）、各分割体が嵌め合いでもって一体化された物（図４参照）としたりすることができる。

上記切削工具には、周知のものを適宜に採用すればよいが、Ｒ刃のものとすれば、その先端のみならず、その刃の側面によっても切削できるため、切削工具の姿勢を傾けて切削できる等の作業の幅が広がり、５軸制御による切削加工において非常に有意義なものとなる。すなわち、加工効率の向上を図ることができる。

この発明は、以上のように、チャック部の外周を、その先端からシャンク部に向かって所要長さの凹孤状面の形状とすることとしたので、有効に干渉を抑えて、チャック部の剛性を高くすることができるため、インコネル、チタン等の耐熱合金からなる難削材加工物においても、従来に比べれば、加工精度が高くなり、仕上げ精度も向上し、さらに切削工具の寿命も向上する。

一実施形態を図２に示し、この実施形態は、図１ｂ、図６に示したマシニングセンタの主軸に着脱可能な逆円錐台状シャンク部１と逆円錐台状チャック部２とを自動工具交換装置（ＡＴＣ）用マニュピレータ把持部（Ｖフランジ部）３を介して一体にしたものにおいて、そのチャック部１２の外周全長を、その先端からマニュピレータ把持部１３の外周縁に至る凹孤状面の形状１２ａとしたものであって、同（ａ）〜（ｃ）は、そのチャック部１２の長さＬを変えたものである。その長さＬは、使用態様に応じて適宜に設定する。
切削工具５は、種々のものが採用できるが、この実施形態では、Ｒ刃５ａの超硬ボールエンドミルであって、従来と同様にして焼嵌め式によってチャック部１２に固定する。

図３に示す実施形態は、チャック部１２の先端から所要長さＬまでを凹孤状面の形状１２ａとし、その後を従来と同様な円錐台状１２ｂ及び円弧状１２ｃとしたものである。その凹孤状部分１２ａ及び円錐台状部分１２ｂは、同図（ａ）のように一段でも、同図（ｂ）のように２段、３段以上（１２ａ_１、１２ｂ_１、１２ａ_２、１２ｂ_２・・）と任意である。その際、同一径部分１２ａ_２、円錐台状部分１２ｂ_１を共に凹孤状面の形状としたり、前者１２ａ_２を円錐台状、後者１２ｂ_１を同一径としたりすることができる。

その２段の凹孤状面の形状１２ａ_１、１２ａ_２とした一実施形態を図４（ａ）に示す。この実施形態は、シャンク部１１、チャック部１２及びマニュピレータ把持部１３を切り離し不能な一体ものとしたものであるが、同図（ｂ）に示すように、嵌め込み形式の２ピース構成とすることができる。嵌め込み態様としては、焼嵌め式、ねじ込み式、テーパ結合式、サイドロック式等が考え得る。
この実施形態においては、図４（ｃ）に示す従来の２段構成のもの（細線で示す円錐台状チャック部のもの）に比べて、太線で示す両凹孤状面形状部１２ａ_１、１２ａ_２が肉厚（斜線部分）となっていることから、同一材質の場合、剛性が高いものであることが理解できる。

図５の示す実施形態は、ミーリングチャックＢにおける使用例であり、シャンク部１１が同一径のストレートアーバとなっている。
また、チャック部１２を分割する場合において、その各分割体も外周の凹孤状の曲率は異なっても同一でも良く、３分割以上の場合、曲率が異なるものと、同一のものが混在していても良い。
さらに、この発明の工具ホルダは、５軸制御に限らず、６軸制御等の５軸制御以上の多軸制御においても使用し得ることは勿論である。

この発明の作用説明図 同作用説明図 （ａ）〜（ｃ）は各実施形態の正面図 （ａ）、（ｂ）は他の実施形態の正面図 （ａ）、（ｂ）は他の実施形態の正面図、（ｃ）は同実施形態の作用正面図 （ａ）は他の実施形態の正面図、（ｂ）は同実施形態のチャックへの取付状態正面図 従来例の一部切断正面図 切削加工説明図

符号の説明

１、１１ シャンク部
２、１２ チャック部
３、１３ マニュピレータ部
５ 切削工具
５ａ Ｒ刃部
１２ａ、１２ａ_１、１２ａ_２ チャック部の凹孤状面形状部（同一径部）
１２ｂ、１２ｂ_１、１２ｂ_２ チャック部の円錐台状部
Ａ 工具ホルダ

Claims (3)

1. 工作機械に着脱可能なシャンク部（１１）と、Ｒ刃（５ａ）の切削工具（５）を焼嵌め式によって保持するチャック部（１２）とを備えた、被加工物（Ｗ）の加工面に対しそのチャック部（１２）の軸心を傾けて使用するマシニングセンタ用焼嵌め式工具ホルダ（Ａ）であって、
   上記チャック部（１２）の外周は、被加工物（Ｗ）との干渉を避けるために上記シャンク部（１１）から先端に向かって徐々に縮径するとともに、そのチャック部（１２）の剛性を高めるために、そのチャック部（１２）の先端から前記シャンク部（１１）に向かってその先端から所要長さ（Ｌ）全長に亘って凹孤状面（１２ａ）となっていることを特徴とする焼嵌め式工具ホルダ。
2. 上記凹孤状面（１２ａ）が被加工面に沿う曲率であることを特徴とする請求項１に記載の焼嵌め式工具ホルダ。
3. 上記凹孤状面（１２ａ）が、曲率が異なって連続する複数の凹孤状面（１２ａ_１、１２ａ_２）に分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の焼嵌め式工具ホルダ。

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