JP5802318B1 - 工具ホルダと主軸の締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】静剛性と減衰性能の双方をある程度確保することができ、切削工具のビビリを解消することができる工具ホルダと主軸の締結構造を提供する。【解決手段】工具ホルダと主軸の締結構造は、切削工具把握部（２１）、鍔部（２２）、およびテーパシャンク部（２３）を有する工具ホルダ（２０）と、鍔部の後端面（２２ａ）と対面する先端面（１２）、この先端面から軸方向後方に向かって延びテーパシャンク部を受け入れるテーパ孔（１３）を有する主軸（１０）と、工具ホルダを軸方向後方に向かって引き込む引込機構（５１，５２）と、鍔部の後端面（２２ａ）と先端面（１２）との間の引込代を無くすまで工具ホルダを引き込む際、減衰性能を高めるために当該工具ホルダに先端側に向かう予圧Ｆｐを与える予圧付与機構（６０）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、切削工具を把握する工具ホルダを自動工具交換装置付マシニングセンタ等の工作機械の主軸に装着する締結構造に関する。

工具ホルダと主軸の締結構造として例えば、特開平５−２８５７１５号公報（特許文献１）に開示されている二面拘束タイプのものが広く知られている。特許文献１の締結構造は、工具ホルダの後端領域に形成される先細のテーパシャンク部を主軸先端中央のテーパ孔に嵌合するとともに、工具ホルダのフランジ部に形成される平坦な環状のフランジ部端面を主軸先端周縁の平坦面に突き当てることによって二面拘束を実現するものである。

特開平５−２８５７１５号公報

工作機械の主軸は高速回転しながら主軸先端に取り付けられた切削工具でワークを切削することから、当該切削の際に切削工具のビビリが生じないよう配慮する必要がある。切削理論として、ビビリは締結構造の静剛性および締結構造の減衰性能と相関関係にあると考えられる。要するに工具ホルダと主軸の締結構造において、静剛性が高くても減衰性能が低ければ切削工具のビビリを有効に防止することができない。反対に減衰性能が高くても静剛性が低ければ、加工精度が低下する虞がある。そこで静剛性と減衰性能の双方をある程度確保することが望まれる。

従来の二面拘束タイプの締結構造では、テーパおよび平坦面の二面で工具ホルダを締結することから、テーパおよび平坦面の結合面圧を大きくして静剛性を高めることができるが減衰特性が低く、ビビリが問題となる虞がある。

本発明は、上述の実情に鑑み、静剛性と減衰性能の双方をある程度確保することができ、切削工具のビビリを解消することができる工具ホルダと主軸の締結構造を提供することを目的とする。

この目的のため本発明による工具ホルダと主軸の締結構造は、先端領域に位置する切削工具把握部、中間領域に位置する鍔部、および鍔部の後端面から軸方向後方に向かって延びる先細のテーパシャンク部を有する工具ホルダと、鍔部の後端面と対面する先端面、先端面から軸方向後方に向かって延びテーパシャンク部を受け入れるテーパ孔、テーパ孔にテーパシャンク部が差し込まれた状態で工具ホルダを軸方向後方に向かって引き込む引込機構、および引込機構が鍔部の後端面と先端面との間の引込代を無くすまで工具ホルダを引き込む際、減衰性能を高めるために該工具ホルダに先端側に向かう予圧を与える予圧付与機構を有する主軸とを備える。

かかる本発明によれば、強力な引き込み力で工具ホルダを引き込んで、テーパ面および平坦面の二面拘束状態を実現する工具ホルダと主軸の締結構造において、予圧付与機構が工具ホルダに先端方向の予圧を与えることから、テーパ面および平坦面の結合面圧が従来よりも低下する。したがって従来の工具ホルダと主軸の締結構造と比較して締結構造の減衰性能を高めることができる。しかも従来と同様に強い力で工具ホルダを引き込むことによって当該締結構造の静剛性をある程度確保することができる。したがって静剛性と減衰性能の双方を確保することができ、ビビリを解消することができる。

本発明の一実施形態として、予圧付与機構は、弾性部材を含み、弾性部材の弾性力によって工具ホルダに予圧を与える。かかる実施形態によれば、簡易な機械的構成によって予圧を得ることができる。弾性部材としては例えば、皿ばね、コイルばね等が挙げられる。尚、皿ばね、コイルばね等は単体で摩擦減衰性を有する。

弾性部材の位置は特に限定されないが、本発明の好ましい実施形態として工具ホルダは、テーパシャンク部の後端面に取付固定されて該テーパシャンク部と一体化するプルスダッドを含み、プルスタッドは、先端側がテーパシャンク部の雌ねじ孔に螺合するとともに後端側がテーパシャンク部の後端面から突出する軸部、および軸部に形成されてテーパシャンク部の後端面に密着するフランジ部を有し、引込機構はプルスタッドの軸部と連結して工具ホルダを引き込み、弾性部材は、プルスタッドのフランジ部の後端面と、テーパ孔の孔奥に配置されてプルスタッドのフランジ部の後端面と向き合う主軸の対向面との間に配置される。かかる実施形態によれば、テーパシャンク部に予圧を与えることができる。したがって予圧の中心を工具ホルダの中心線に合わせることができる。なお主軸の対向面は、主軸本体に形成されてもよく、あるいは主軸本体に取り付けられた部品に形成されてもよい。

他の実施形態として、予圧付与機構は、液圧や空圧といった流体圧によって工具ホルダに予圧を与える。かかる実施形態によれば、流体圧を増減させることにより予圧を所望の大きさに調整することができる。尚、流体圧もこれ自体で摩擦減衰性を有する。

本発明の好ましい実施形態として、予圧付与機構は予圧の大きさを調整する予圧調整部を含むとよい。かかる実施形態によれば、ワークの形状、切削工具の種類、切削工具の送り方向、切削送りといった切削加工の内容に対応して予圧の大きさを予め設定しておき、主軸に締結される工具ホルダを付け替える際に予圧を調整するとよい。これにより個々の切削加工の内容において好適な減衰性能を設定することが可能となる。

本発明の好ましい実施形態として、予圧調整部は切削加工の内容に対応して予圧の大きさを自動調整するとよい。かかる実施形態によれば、作業者の作業負担が軽減される。他の実施形態として、作業者が予圧調整部を操作して予圧の大きさを手動で調整する。

本発明によれば、従来の二面拘束タイプの締結構造よりも減衰性能を高めることができる。したがってビビリを解消することができる。

本発明の一実施形態になる工具ホルダと主軸の締結構造を示す全体図である。 同実施形態の締結構造を示す全体図であって、引込代を残した状態を示す。 本発明の他の実施形態になる工具ホルダと主軸の締結構造を示す全体図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。図１および図２は本発明の一実施形態になる工具ホルダと主軸の締結構造を示す全体図であって、工作機械側を断面図で示し、工具ホルダ側を側面図で示す。また図１はテーパ面同士および平坦面同士を密着させた二面拘束状態を示し、図２はテーパ面同士を密着させ平坦面同士間に引込代を残した状態を示す。工具ホルダ２０は、先端領域に位置する切削工具把握部２１、中間領域に位置する鍔部２２、および鍔部の後端面から軸方向後方（単に後方という場合もある）に向かって延びる先細のテーパシャンク部２３を有する。

切削工具把握部２１は、エンドミルやドリルといった様々な種類の切削工具３０を着脱可能に把握する。切削工具把握部２１によって、切削工具３０は工具ホルダ２０の中心線に沿うよう高精度かつ強力に把握される。鍔部２２は工具自動交換の際にマニュピレータによって把持される。テーパシャンク部２３は、工具ホルダ２０の中心線に沿って延び、テーパシャンク部２３の後端にはプルスタッド４０が予め確りと取付固定される。テーパシャンク部２３の中央孔にきつく螺合するプルスタッド４０は、フランジ部４３と、このフランジ部４３から後方へ突出して延びる小径の軸部４１と、軸部４１の先端に形成される大径の端部４２を有する。フランジ部４３は、テーパシャンク部２３の後端に密着し、工具ホルダ２０と一体化されることから、以下の説明においてフランジ部４３の後端面４３ａを、工具ホルダ２０の後端面４３ａと呼ぶ。

工作機械の主軸１０は、主軸１０の外周に配置されたボールベアリング１７を介して、図示しない主軸頭に回転可能に支持される。主軸１０は先端部分１０ａと後端部分１０ｂからなり、先端部分１０ａと後端部分１０ｂは主軸の軸方向に組み付けられてボルト１０ｃで締結固定される。そして後端部分１０ｂに形成された中間孔１４の先端に、先端部分１０ａに形成されたテーパ孔１３の後端を接続する。テーパ孔１３は、主軸１０の先端面１２から主軸１０の軸線Ｏに沿って後方へ延び、後方へ向かうにつれて細くなる。中間孔１４は、主軸１０の軸線Ｏに沿って内径一定に延び、テーパ孔１３の後端と接続する。なお中間孔１４の孔底から後方孔１６が後方へさらに延びる。

後方孔１６は、中間孔１４よりも小径であり、中間孔１４の孔底から主軸１０の軸線Ｏに沿って内径一定に延びる。なお中間孔１４の孔底は環状の平坦面とされ、軸線Ｏに対し直角である。テーパ孔１３に工具ホルダ２０のテーパシャンク部２３が差し込まれると、中間孔１４の孔底は工具ホルダ２０の平坦な後端面４３ａと向き合うので、これ以後の説明では中間孔１４の孔底を対向面１５と呼ぶ。ただし対向面１５は工具ホルダ２０の後端面４３ａと厳密に対向する必要はなく、例えば対向面１５の内周は後端面４３ａの外周よりも大きくてもよい。要するに前方（軸線Ｏの先端側方向をいう）を指向する対向面１５は、後方に指向する後端面４３ａよりも軸方向後方に配置されるとよい。詳しくは後述するが、工具ホルダ２０の後端面４３ａと主軸１０側の対向面１５の間には予圧付与機構６０が設けられる。

ここで附言すると、中間孔１４の内周面と環状の対向面１５と後方孔１６の内周面は連続する１部材の主軸で構成されてもよいが、本実施形態では主軸１０を構成する２部材から構成される。具体的には、主軸１０の後端部分１０ｂに穿設された中間孔１４は、テーパ孔１３の後端から後方に向かって長く延び、かかる中間孔１４に後方から円筒状のスリーブ６５が通される。スリーブ６５は主軸１０に取り付けられる主軸部品である。そしてスリーブ６５の先端面が対向面１５を構成する。またスリーブ６５の内周面は後方孔１６を構成する。スリーブ６５は軸方向に動くことがないよう基本的に固定されるが、その軸方向位置を調整可能である。スリーブ６５の位置調整については後で詳しく説明する。

工作機械は工具ホルダを軸方向後方に向かって引き込むための引込機構を備える。引込機構は、筒状のコレット５１およびコレット５１の後端と連結するドローバ５２を有し、コレット５１およびドローバ５２は後方孔１６、すなわちスリーブ６５内に配置される。テーパシャンク部２３をテーパ孔１３に差し込んだ状態で、プルスタッド４０の軸部４１は予圧付与機構６０の中央孔６４を貫通し、プルスタッド４０の端部４２が後方孔１６内に位置する。そして端部４２は、コレット５１の先端と連結する。

中間孔１４内に配置される予圧付与機構６０は、少なくとも１枚の皿ばね６１と、環状円板６２と、スナップリング６３とを有する。皿ばね６１は、中央孔６４を伴うリング状の弾性鋼板であり、丸皿状に形成される。本実施形態の皿ばね６１は軸線Ｏに沿って複数枚積層され、軸方向に弾性力を発揮する。なお皿ばね６１の枚数は任意に選択可能である。また本実施形態では外周縁が後方を向く後ろ向きの皿ばね６１と、外周縁が前方を向く前向きの皿ばね６１とが混在するが、皿ばね６１の向きは本実施形態に限定されるものではない。例えば図には示さなかったが全ての皿ばねを前向きに積層してもよい。あるいは全ての皿ばねを後ろ向きに積層してもよい。いずれにせよ軸方向最後方の皿ばね６１は、対向面１５と接触する。また軸方向最前方の皿ばね６１は、平坦な環状円板６２の後端面と接触する。環状円板６２の内径は、プルスタッド４０よりも大きく、工具ホルダ２０の後端面４３ａよりも小さい、このため環状円板６２の先端面は工具ホルダ２０の後端面４３ａと接触する。環状円板６２よりも前方にはスナップリング６３が配置される。スナップリング６３は、中間孔１４の内周面に形成された環状溝に係止され、環状円板６２が前方へ抜け出すことを防止する。

主軸１０と工具ホルダ２０の締結方法を説明する。

まず図２を参照して、主軸１０のテーパ孔１３に工具ホルダ２０のテーパシャンク部２３を差し込み、工具ホルダ２０の後端面４３ａから突出するプルスタッド４０の軸部４１を予圧付与機構６０の中央孔６４に通し、プルスタッド４０の端部４２を引込機構のコレット５１に連結する。そして引込機構のドローバ５２は矢で示す後ろ向きの軽い力Ｆ1で工具ホルダ２０を軸方向後方に向かって引き込む。かかる軽い引き込み力Ｆ1により、鍔部後端面２２ａと主軸１０の先端面１２との間に引込代Ｄ1を残しつつ、テーパシャンク部２３のテーパ外周面がテーパ孔１３のテーパ内周面に密着する。なお引込代Ｄ1は０．０１〜０．０３ｍｍの僅かな隙間である。このときはテーパ面による一面拘束であり、予圧付与機構６０は工具ホルダ２０の後端面４３ａに僅かな予圧を与えるか、あるいは全く予圧を与えていない。

引き続きドローバ５２が強い力Ｆ2（Ｆ2＞Ｆ1）で工具ホルダ２０を後方に引き込むと、引込代Ｄ1が小さくなって図１に示すように鍔部後端面２２ａが主軸１０の先端面１２に密着する。これによりテーパ面と平坦面による二面拘束が実現する。このとき予圧付与機構６０の皿ばね６１は引込代Ｄ1と等量押し縮められる。そして予圧付与機構６０は、工具ホルダ２０と主軸１０の締結構造の減衰性能を高めるために、図１に矢で示すように工具ホルダ２０の後端面４３ａに前向きの予圧Ｆ_ｐを与える。二面拘束状態におけるドローバ５２の引き込み力をＦ_２とすると、テーパ面および平坦面に作用する結合面圧はＦ_２−Ｆ_ｐになる。

本実施形態によれば、テーパ面および平坦面に作用する結合面圧の合計を従来よりも予圧Ｆ_ｐだけ小さくすることができる。このようにテーパ面および平坦面の結合面圧を従来の二面拘束タイプよりも低くすることができることから、減衰性能を従来の二面拘束タイプよりも高くすることができる。しかも本実施形態によれば、引き込み力Ｆ2を従来通り強くして、予圧Ｆ_ｐを適度な大きさにすることにより主軸と工具ホルダの締結箇所における静剛性をある程度確保することができる。したがって静剛性および減衰性能の双方を確保して、切削工具３０のビビリを解消することができる。

また本実施形態によれば、予圧調整部としてのスリーブ６５によって、皿ばね６１の弾性力を調整することができる。具体的にはスリーブ６５の軸方向位置を調整して対向面１５を前方のα位置に固定すると、皿ばね６１が前進して工具ホルダ２０の後端面４３ａに大きな予圧を与える。これに対しスリーブ６５の軸方向位置を調整して対向面１５を後方のβ位置に固定すると、皿ばね６１が後退して後端面４３ａに小さな予圧を与える。

したがって、ワークの形状、切削工具の種類、切削工具の送り方向、切削送りといった切削加工の内容に対応して予圧の大きさを予め設定しておき、自動工具交換装置で主軸１０に締結される工具ホルダ２０を付け替える際、自動で予圧の大きさを調整するとよい。これにより個々の切削加工の内容において好適な減衰性能を設定することが可能となり、インテリジェンス機能を搭載した工作機械の自動制御システムを提供することができる。

スリーブ６５の位置調整機構として例えば、スリーブ６５の外周に雄ねじを刻設し、主軸１０の内周面に雌ねじを刻設し、スリーブ６５を主軸１０に螺合させておき、スリーブ６５を回転させることによって軸方向に進退動させる。あるいは主軸１０の内周面に対してスリーブ６５を摺動可能とし、主軸１０の後端に付設したアクチュエータによってスリーブ６５を軸方向に進退動させる。

あるいはスリーブ６５による予圧調整に代えて、皿ばね６１の枚数や規格を変えることにより、簡易な予圧調整が可能になる。

なお主軸１０に締結された工具ホルダ２０を、自動工具交換装置に依らず、手動で交換する場合、プルスタッド４０、コレット５１、およびドローバ５２に代えて手動用のドローボルトを準備し、ドローボルトの先端をテーパシャンク部２３の雌ねじ孔に螺合して固定するとよい。

次に本発明の他の実施形態につき説明する。図３は本発明の他の実施形態を示す全体図であり、二面拘束状態を表す。他の実施形態につき、前述した実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成について以下に説明する。他の実施形態では予圧付与機構６０が油圧などの流体圧によって工具ホルダ２０に予圧を与える。

図３に示す予圧付与機構６０は、環状のピストン６６と、環状の流体圧室６７と、流体圧供給路６８とを有する。ピストン６６は中央孔６４を有する環状体であって、円筒部６６ｃと、円筒部６６ｃの先端から径方向内外側に広がるフランジ部６６ｆとを有する。ピストン６６の中央孔６４はプルスタッド４０を受け入れる。フランジ部６６ｆの外周は中間孔１４の内周面に沿って軸方向に摺動可能とされる。また円筒部６６ｃの外周は後方孔１６の内周面に沿って軸方向に摺動可能とされる。後方孔１６の先端は、後方孔１６よりも大径の中間孔１４と接続する。そして後方孔１６と中間孔１４の境界には、前方に指向する平坦な環状段差面１８が形成される。これにより、環状段差面１８と、円筒部６６ｃと、フランジ部６６ｆと、中間孔１４の内周面は、環状の流体圧室６７を形成する。流体圧室６７は、主軸１０の壁内部に形成された流体圧供給路６８と接続し、流体圧供給路６８から流体圧を供給される。

ピストン６６の平坦な先端面６６ａは工具ホルダ２０の後端面４３ａと接触し、工具ホルダ２０に前向きの予圧Ｆ_ｐを与える。この予圧Ｆ_ｐは流体圧室６７の流体圧を調整することによって制御可能である。

図３に示す実施形態によっても、流体圧供給路６８に流体圧を供給する流体圧源を予圧調整部として、予圧Ｆ_ｐを調整することができる。そこでワークの形状、切削工具の種類、切削工具の送り方向、切削送りといった切削加工の内容に対応して予圧Ｆ_ｐを調整するとよい。したがって図３に示す実施形態によっても、工具ホルダ２０と主軸１０の締結構造の減衰性能を調整することができる。

以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明になる工具ホルダと主軸の締結構造は、工作機械において有利に利用される。

１０ 主軸、 １２ 主軸の先端面、 １３ テーパ孔、
１４ 中間孔、 １５ 対向面、 １６ 後方孔、
１７ ボールベアリング、 １８ 環状段差面、
２０ 工具ホルダ、 ２１ 切削工具把握部、 ２２ 鍔部、
２２ａ 鍔部後端面、 ２３ テーパシャンク部、
３０ 切削工具、 ４０ プルスタッド、 ４３ フランジ部、
４３ａ 工具ホルダの後端面、 ５１ 引込機構のコレット、
５２ 引込機構のドローバ、 ６０ 予圧付与機構、
６１ 皿ばね、 ６２ 環状円板、 ６３ スナップリング、
６４ 中央孔、 ６５ スリーブ、 ６６ ピストン、
ピストンの先端面６６ａ、 ６７ 流体圧室、
６８ 流体圧供給路、 Ｄ1 引込代、 Ｏ 軸線。

Claims (6)

1. 先端領域に位置する切削工具把握部、中間領域に位置する鍔部、および前記鍔部の後端面から軸方向後方に向かって延びる先細のテーパシャンク部を有する工具ホルダと、
   前記鍔部の後端面と対面する先端面、前記先端面から軸方向後方に向かって延び前記テーパシャンク部を受け入れるテーパ孔、前記テーパ孔に前記テーパシャンク部が差し込まれた状態で前記工具ホルダを軸方向後方に向かって引き込む引込機構、および前記引込機構が前記鍔部の後端面と前記先端面との間の引込代を無くすまで前記工具ホルダを引き込む際、減衰性能を高めるために該工具ホルダに先端側に向かう予圧を与える予圧付与機構を有する主軸とを備える、工具ホルダと主軸の締結構造。
2. 前記予圧付与機構は、弾性部材を含み、前記弾性部材の弾性力によって前記工具ホルダに予圧を与える、請求項１に記載の工具ホルダと主軸の締結構造。
3. 前記工具ホルダは、前記テーパシャンク部の後端面に取付固定されて該テーパシャンク部と一体化するプルスダッドを含み、
   前記プルスタッドは、先端側が前記テーパシャンク部の雌ねじ孔に螺合するとともに後端側が前記テーパシャンク部の後端面から突出する軸部、および前記軸部に形成されて前記テーパシャンク部の後端面に密着するフランジ部を有し、
   前記引込機構は、前記プルスタッドの軸部と連結して前記工具ホルダを引き込み、
   前記弾性部材は、前記プルスタッドのフランジ部の後端面と、前記テーパ孔の孔奥に配置されて前記プルスタッドのフランジ部の後端面と向き合う前記主軸の対向面との間に配置される、請求項２に記載の工具ホルダと主軸の締結構造。
4. 前記予圧付与機構は流体圧によって前記工具ホルダに予圧を与える、請求項１に記載の工具ホルダと主軸の締結構造。
5. 前記予圧付与機構は予圧の大きさを調整する予圧調整部を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の工具ホルダと主軸の締結構造。
6. 前記予圧調整部は切削加工の内容に対応して予圧の大きさを自動調整する、請求項５に記載の工具ホルダと主軸の締結構造。

Images