JP5426677B2 - 伸長溝を備えるシュリンクチャック - Google Patents

Description

本発明は、特にドリル、フライス工具、またはリーマ工具の形態の、回転軸を中心として回転可能な工具のための工具ホルダに関する。

このような工具のシャンクを、それ自体として閉じた、多くの場合スリーブ部分として施工される、工具ホルダの環状の部分で保持することが知られている。この目的のために、スリーブ部分はその工具収容開口部に、工具ホルダの回転軸に対して同心的な嵌め合い面を有しており、工具のシャンクをプレス嵌めでこの嵌め合い面に固定することができる。

工具ホルダのスリーブ部分は、工具の常温のシャンクをスリーブ部分の嵌め合い面と係合させたり係合を外したりすることができる程度まで、すなわちスリーブ部分へ差し込んだりこれから引き抜いたりできる程度まで、加熱によって半径方向に拡張させることができる。スリーブ部分が再び冷却されるとただちに、スリーブ部分と、スリーブ部分の嵌め合い面に対して一定の超過寸法を有している工具のシャンクとの間で、プレス結合が成立する。このようなプレス結合により、工具は工具ホルダで確実に固定される（焼きばめ技術）。

特に、実際の作業で剛性に関して特別な要求事項が課せられる場合には、スリーブ部分が肉厚に施工された工具ホルダが用いられる。そのような工具ホルダでは、工具の取外しがたびたび問題となる。

工具を所定のときに再び取り外せるようにするために、実際の作業では誘導加熱装置が利用されるのが通例であり、すなわち、スリーブ部分の外側円周面で渦電流を誘導し、この渦電流がスリーブ部分を外側から加熱する、高周波の誘導コイルが利用される。このとき、取り外されるべき工具のシャンクは遮断されており、それによってシャンク自身が加熱されることはない。とりわけ周波数が高いときにはいわゆる表皮効果が発生し、すなわち、熱を生成する渦電流は実際にはスリーブ部分の表面のすぐ下で誘導される。こうしてスリーブ部分の外側円周面の表面の下で生成された熱が、熱伝導によってスリーブの中心部の方向に浸透していくが、どうしても遅延が生じる。特定の時点で、スリーブ部分はこれに導入された熱により、その瞬間にまだ常温である工具のシャンクをスリーブ部分から引き抜くことができる程度まで伸長して広がる。それまで成立していたプレス嵌めが、スリーブ部分の直径の増大によって解消されるからである。

しかしこの場合、半径方向のスリーブ部分の厚みが増すにつれて問題が発生する。スリーブ部分が半径方向に厚くなるほど、スリーブ部分は不均等に加熱される。いずれかの時点で、大きく外側に位置する半径部の領域ではスリーブ部分がすでに比較的強く加熱されているのに対して、大きく内側に位置する半径部の領域ではまだほぼ常温であるという段階が生じる。このことは比較的強い熱応力につながる。半径方向で伸長して広がっているだけでなく、すでに軸方向でも著しく長くなっているスリーブ部分の外側領域は、まだほぼ常温である内部領域によって軸方向への伸長があまりに強力に妨げられると、ただちにスリーブ部分を内方へ折り込もうとする顕著な傾向を示す。その様子は（大まかに図示すれば）、図面を見やすくする目的のために大きく誇張して図１に図示されている。

このような望ましくないスリーブ部分の変形は、工具シャンクが最初のうち依然として局所的に嵌め合い面により挟み込まれているにもかかわらず、嵌め合い面の大部分は工具シャンクと係合が外れる程度までスリーブ部分がすでに伸長していることにつながるので、非生産的である。そのようにして少なくとも、工具シャンクをスリーブ部分から問題なく引き抜くことができるタイムスロットが狭くなる。これは望ましくない。そのうえ、嵌め合い面が実際にどの個所でも工具シャンクとの係合が外れる程度まで、スリーブ部分が拡張するように強いるために、不必要に大量の熱をスリーブ部分へ与えなくてはならない。このことも望ましくない。

こうした問題を回避するために、実際の作業では、スリーブ部分の壁厚を小さく抑えるように尽力されている。そのため、標準シュリンクチャックはその先端部のところで、ＤＩＮ６９８８２−８によれば次の壁厚を有している（単位はｍｍ）：

ドイツ特許第１０２４４７５９号明細書は、スリーブ部分の望ましくない変形の問題をすでに取り上げている。望ましくない変形を防止するために、この特許は、もっとも前方にあるスリーブ部分の先端部の領域で、深く刻設された半径方向の環状溝を嵌め合い面に設け、この環状溝が本来の嵌め合い面をその前側領域で区切ることを提案している。この思想の根底にあるのは、そのようにしてスリーブ部分の先端部の脆弱化された領域が、妨げられることなく半径方向に伸長して広がることができ、そのようにして、スリーブ部分がその先端部の領域であまりにも大きく内方に折り込まれるのを防止するというものである。つまり大づかみに言えば、ドイツ特許第１０２４４７５９号明細書の根底にあるコンセプトは、スリーブ部分の先端部の領域における望ましくない後からの内方への折り込みに対して、これと反対の効果を重ね合わせることにある。

これに加えて、嵌め合い面を、工具と反対を向いているほうの内方を向く端部で、さらに別の環状溝によって区切ることが提案されている。しかしながら、同特許が「主クランプ面１３」と呼んでいる本来の嵌め合い面は、同特許で提案されている解決法では、環状の切込みによって中断されるのではなく、両方の端部のところで環状溝により縁取られるにすぎない。

さらに別の対応策は、同特許の提案によれば、必要な場合に軸方向に延びる追加の溝を刻むことにあり、これらの溝は嵌め合い面ないし主クランプ面を弾性作用のある個々のセグメントに分割し、これらのセグメントが、円周方向で相並んで位置する一種の積層ばねを形成する。

しかし同特許で提案されている方策は、とりわけ肉厚のスリーブ部分を備える工具ホルダにおいては十分ではなく、ないしは、同特許で提案されている軸方向溝が追加的に適用される場合には、スリーブ部分の歪みという問題に対処するために精度の損失につながってしまい、そのうえプレス嵌めを脆弱にしてしまう。これに加えて、他ならぬスリーブ部分のもっとも前側の領域で最大の力が伝達されることになる（工具の曲げモーメントとせん断力）。したがって軸方向溝が用いられていなくても、この領域でのスリーブ部分の脆弱化は剛性をきわめて大幅に引き下げるので、回避されるほうが望ましい。

ドイツ特許出願第１０２００４０４２７７０号明細書も、工具のシャンクを焼きばめで挟むことができるスリーブ部分を備える工具ホルダを記載している。この工具ホルダのスリーブ部分がこの目的のために内面に備えている嵌め合い面は、狭い間隔をおいた一連の切込みによって中断されて、非常に細い個々のセグメントに分割されている。このように嵌め合い面を個々の小さなセグメントに分割する意味は、小さなセグメントがそれぞれ一種の逆鉤のようになり、これが軸方向への工具シャンクの意図しない引き延ばしに対して、高い抵抗力で作用するという点にある。というのも小さなセグメントは、大づかみに要約すれば、工具シャンクが少しだけ軸方向へ引き出されたときに、静止摩擦に基づいて工具シャンクにより連行されるように構想されているからである。これらの小さなセグメントは曲げに対して柔軟なので、そのような過程で起立し、そのようにしてスリーブ部分と工具のシャンクとの間の押圧力を高める。つまり、このようにして一種のセルフロックが具体化される。

この特許出願に示されている工具ホルダのスリーブ部分は明らかに通常の壁厚しか有していないので、そこで適用されている切込みは、加熱時のスリーブ部分の伸長挙動にはさほどの影響を及ぼさない。というのも壁厚が薄い場合には、まだ常温である内側領域はすでに高温になっている外側領域によって「引きさらわれ」、すなわち、工具シャンクを支障なく取り付けられる程度に、および特に再び取り外すことができる程度に、もしくはそのために十分な程度に、拡張して広がっているからである。

当然ながら、スリーブ部分の嵌め合い面が、曲げに対して柔軟な小さいセグメントに分割されているような設計は、特別に固定的であるわけではない。

それに対して本発明の課題は、スリーブ部分を肉厚に施工することができ、明確に固定的な工具の挟み込みをセンタリングの高い品質で可能にする工具ホルダを提供することにある。

この課題は請求項１の構成要件によって解決される。
それによると本発明の１つの主要な態様は、特に、スリーブ部分が嵌め合い面の側から限定数の周回する切込みを有しており、該切込みは嵌め合い面を軸方向で実質的にそれ自体として剛性の高い複数の嵌め合い面セグメントに区分することにある。このとき切込みの半径方向の深さは、スリーブ部分の外側円周にわたって適用される熱の影響のもとで、すべての嵌め合い面セグメントで実質的に均等にプレス嵌めが解消されるように選択される。

つまり本発明によると嵌め合い面は、通常の場合、互いに実質的に切り離された個々のセグメントに区分されている。このとき嵌め合い面は、プレス結合の生成の主たる要因となる嵌め合い面セグメントと、副次的な貢献しか果たさない小さい嵌め合い面セグメントとに区分されるのではない。それに代えて嵌め合い面は、実質的に互いに同等の保持力でプレス結合の成立に貢献する、複数の嵌め合い面セグメントに分割される。実質的に互いに同等とは、４０％を超えて相違することがない貢献のことである。各々の嵌め合い面セグメントにより生成される保持力が、事実上互いに相違していないことさえ好ましい。このことは、当然、副次的な貢献を果たすだけの個々の嵌め合い面セグメントが追加的に存在していてもよいことを排除するものではない。

このとき個々の切込み相互の間隔は、嵌め合い面セグメントが軸方向で見て実質的にそれ自体として剛性が高くなる大きさとなっている。つまり嵌め合い面セグメントは軸方向で見て、工具シャンクをスリーブ部分から引き抜こうとする、またはその深くに押し込もうとする傾向を有する軸方向力が工具シャンクに生じたときに、さほど変形することがない一種の「剛性の高いブロック」を形成する。このようにして、工具シャンクは工具ホルダのスリーブ部分で固定的に挟み込まれる。

スリーブ部分の外側円周にわたって適用される熱の影響のもとで、どの嵌め合い面セグメントにおいても実質的に均等にプレス嵌めが解消されるために、切込みの半径方向の深さをどれくらいに選択しなければならないかは、一般的妥当性をもって数字を挙げることはできない。切込みの深さは個別ケースに応じて大きく左右され、特に、スリーブ部分の壁厚や、クランプされるべき工具シャンクの公称直径、ないしはこれら両方の量の比率に左右されるからである。しかし当業者であれば、自身により具体的に解消されるべきそのつどの個別ケースについて、簡単な実験によって容易にこれを見出すことができる。実質的に均等な解消と言えるのは、常温のスリーブ部分における個々の嵌め合い面セグメントが工具シャンクと成立させるプレス嵌めが、スリーブ部分の外側円周に対する指定どおりの熱の適用後に実質的に同時に解消され、それにより、スリーブ部分からの工具シャンクの引抜きが、プレス嵌めがまだ解消されないいかなる嵌め合い面セグメントによっても妨げられなくなるときである。

本発明によるスリーブ部分の構成を適用すれば、厚壁のスリーブ部分の利点を、薄壁のスリーブ部分の好ましい熱挙動と組み合わせることができ、深く刻まれた切込みはあくまでも細いので、スリーブ部分のねじり抵抗力ないし曲げ剛性をさほど引き下げることがない。これは特に、スリーブ部分が工具シャンクとともに１つのユニットを形成し、このユニットが、プレス結合が成立しているときに、共同で高い幾何学的慣性モーメントを有するからである。その一方で、深く刻まれた切込みによってスリーブ部分の内側に位置する中心領域が脆弱化されるが、この中心領域は外部から印加される熱が到達するのが非常に遅いところであり、したがって、切込みが存在していなければ軸方向へのスリーブ部分の伸長を妨げ、そのために支障となるスリーブ部分の歪みが生じることになり、このような歪みは本発明によって回避し、ないしは最低限に抑えられる必要がある。

大きい壁厚と本発明に基づく構成とを備えるスリーブ部分の使用は、特にフライス工具を挟み込むときに好ましく、特に、硬さやその他の理由により切削加工が難しい素材を加工するためのフライス工具を挟み込むときに好ましい。というのも、とりわけそのような素材では、特に工作物の縁部のところで望ましくない振動が発生しやすいからである。こうした振動は、特に、フライス工具の連続する切れ刃が少数しか同時に工作物と係合しなくなると、あるいは工作物と係合しているフライス工具の切れ刃の数が変化すると、ただちに発生する。これに加えて切込みは、本明細書に記載されている深さで施工されれば、振動を減衰させる効果も有している。無視できる以上の深さでスリーブ部分が中断されるので、振動が伝達されにくくなるからである。

本発明は、問題なくクランプの着脱を保証するために、嵌め合い部を過小寸法に引き下げずにすませることを可能にする。つまり、簡単な焼きばめの着脱を実現するために、クランプ力の低下を甘受しなくてもよい。

１つの好ましい実施形態の枠内では、嵌め合い面の軸方向の長さに応じて、嵌め合い面は少なくとも２つ、好ましくは３つから５つの互いに同等の嵌め合い面セグメントに区分されていることが意図される。これよりも多い数の嵌め合い面セグメントに嵌め合い面を分割することは、脆弱化と製造コストが大きくなりすぎるので、あまり有意義ではない。せいぜいのところ、ある程度の性能低下を甘受して特許法上の抜け道的な解決法がなされることを斟酌した場合に、極端なケースとして６つから最大８つの嵌め合い面セグメントへの分割が考慮の対象となる程度である。

工具シャンクが非常に固定的に挟み込まれる工具ホルダを具体化するために、嵌め合い面の領域（すなわち半径方向で見て嵌め合い面と並んで外側に位置する領域）におけるスリーブ部分の最小の壁厚は少なくとも１５ｍｍで施工され、さらに好ましくは少なくとも１７、部分的には少なくとも１９ｍｍで施工される。

さらに別の好ましい実施形態の枠内では、端面側の環状面の次に位置する切込みと、端面側の内側端部との間隔は８ｍｍよりも大きく、さらに好ましくは１０ｍｍよりも大きいことが意図される。

上記以外の利点、作用、および構成の可能性は、縮尺に従って図示されて寸法が記入された図面を参照しながら説明する、以下に述べる実施例から明らかとなる。これらの図面の開示内容は、実施例にとって本質的に重要なものである。

従来技術で知られている工具ホルダの変形挙動をスリーブ部分の領域で概略的に示す模式図である。 本発明による工具ホルダの詳細な実施例である。 図２の工具ホルダであるが、本発明を実施するために重要な各部分の具体的な寸法が付されている。

請求項に記載のとおり、使用する工具なしで図１に示されている鋼製の工具ホルダは、大まかに言えば通常の方式の工具ホルダである。工具ホルダは、スリーブ部分２と反対を向いているほうの側に円錐クランプ部を備えており、これを用いて工作機械のスピンドルに取り付けることができる。円錐クランプ部に代えて、工作機械のスピンドルに工具ホルダを取り付けるための代替案として知られている、関連する別の既知であるクランプシステムも容易に考慮の対象となる。

工具ホルダ１は、円錐クランプ部と向かい合う他方の側に、スリーブ部分２を備えている。スリーブ部分は、本例では円筒状の開口部からなる工具収容開口部３を有している。工具収容開口部は、その内側表面の一部にわたって嵌め合い面４を備えている。この嵌め合い面４は、クランプされるべき工具のシャンク直径に対して定義された過小寸法を有しており、それにより、スリーブ部分が常温のときに工具のシャンクがプレス嵌めにより保持される。その結果、工具の作動時に工具で発生するすべての力を、プレス嵌めを通じて工具ホルダ１へ、およびそこを起点として工作機械へと伝えることができ、これと逆に伝えることもできる。工具ホルダ１への工具の焼きばめによる装着、および特にこれからの取出しは、実際の作業では、ドイツ特許出願公開第１０１０２７１０Ａ１号明細書に記載されているように行われるのが通常であり、これをもって同文献を引用により本明細書の対象物とする。

スリーブ部分２は、本例では比較的厚壁に施工されている。シャンク直径が１６ｍｍの工具をクランプする役目をする図２に示す実施例では、嵌め合い面の領域におけるスリーブ部分の最小の壁厚ＷＳは１７．５ｍｍよりも若干大きい。

工具収容開口部３の開口部は大幅な面取りを備えており、すなわち、まだ嵌め合い面４の構成要素ではない、最大に広がった直径部がそのつどの工具シャンクの挿入を容易にする区域を備えている。

この面取りに続いて、図示した実施例では円周方向で周回する２つの切込み６によって全部で３つの嵌め合い面セグメント４^＊に区分された嵌め合い面４が始まっている。切込み６は、嵌め合い面の側からスリーブ部分に刻まれている。切込み６の深さは６ｍｍである。切込みは、どの切込みにおいても統一されているのが好ましい。嵌め合い面の領域でのスリーブ部分は、各々の切込みによってその壁厚のほぼ１／３で脆弱化されており、通常の場合、この脆弱化は壁厚の１／４よりも多く、かつ１／２よりも小さい。

軸方向の切込みの幅は、理想的には１．５から３ｍｍであり、具体的な事例では２ｍｍである。

こうしてできた嵌め合い面セグメント４^＊は、軸方向で実質的に等しい長さを有している。このようにして、それぞれの嵌め合い面セグメントはプレス結合にほぼ同等の力の貢献を果たし、すなわち、類似するオーダーの貢献を果たし、この貢献のある程度の差異は、スリーブ部分が嵌め合い面の領域で工具ホルダの回転軸に対しておよそ３から６度だけテーパ状になった外側輪郭を有しており、すなわち完全に一定の壁厚を有しているのではないという理由だけからも、不可避であるとともに無害である。

図２に示す実施例では、軸方向で内側に向かう方向で嵌め合い面４ないし最後の嵌め合い面セグメント４^＊の後にロック部が続いており、その後で工具収容部が終わっている。この終端領域とロック機構はいずれも嵌め合い面４および本発明の一部ではないので、関心の対象ではない。

比較的シャンク直径の大きい工具がクランプされるべき工具ホルダの場合でも、具体的な実施例の主要な基準量について上に説明したのと類似する状況が該当する。明細書末尾に掲げる表を参照のこと。

この表には、嵌め合い面がそれぞれ同じく３つの嵌め合い面セグメントに区分された、異なる工具ホルダの基準量が掲げられている。

１ 工具ホルダ
２ スリーブ部分
３ 工具収容開口部
４ 嵌め合い面
４^＊ 個々の嵌め合い面セグメント
５ 工具ホルダの回転軸
６ 環状に周回する切込み
７ 該当なし
８ 端面側の面取り
９ 端面側の環状面
１０ 嵌め合い面の内側端部
ＥＴ 切込みの深さ
ＢＮ 切込みの幅
ＡＮ 切込みの相互間隔
ＷＳ 壁厚

Claims (7)

1. スリーブ部分（２）の形態の工具収容部を備える工具ホルダ（１）であって、該スリーブ部分は前記工具ホルダ（１）の回転軸（５）に対して同心的な嵌め合い面（４）を備える工具収容開口部（３）を有しており、用途に即して前記スリーブ部分（２）の前記工具収容開口部（３）に挿入された工具のシャンクをプレス嵌めで該嵌め合い面に固定することができ、前記スリーブ部分（２）は前記嵌め合い面（４）の側から複数の周回する切込み（６）を有している、そのような工具ホルダにおいて、前記切込み（６）は前記嵌め合い面（４）を軸方向で実質的にそれ自体として剛性の高い互いに同等の複数の嵌め合い面セグメント（４^*）に区分しており、前記切込み（６）の半径方向の深さ（ＥＴ）は、前記スリーブ部分（２）の外側円周にわたって適用される熱の影響のもとで、すべての嵌め合い面セグメント（４^*）で実質的に均等にプレス嵌めが解消されるように選択されており、前記切込みは前記スリーブ部分を壁厚の１／４よりも多く、かつ１／２よりも少なく脆弱化することを特徴とする工具ホルダ。
2. 前記嵌め合い面（４）は少なくとも２つの互いに同等の嵌め合い面セグメント（４^*）に区分されていることを特徴とする、請求項１に記載の工具ホルダ（１）。
3. 前記嵌め合い面（４）の領域における前記スリーブ部分（２）の壁厚（ＷＳ）は少なくとも１５ｍｍであ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（１）。
4. 切込み深さ（ＥＴ）は少なくとも４ｍｍであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の工具ホルダ（１）。
5. 軸方向における個々の前記嵌め合い面セグメントの長さは１０から３０ｍｍの間であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の工具ホルダ（１）。
6. 端面側の面取り（８）の内側端部から、端面側の環状面（９）のもっとも近くに位置する切込み（６）までの間隔は切込み幅（ＢＮ）の少なくとも４倍に相当していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の工具ホルダ（１）。
7. 前記嵌め合い面の内側端部（１０）から、端面側の環状面（９）のもっとも遠くに位置する切込み（６）までの間隔は切込み幅（ＢＮ）の少なくとも４倍に相当していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の工具ホルダ（１）。

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