JP5921841B2 - 工具ホルダ - Google Patents
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このため、加減速が大きく働くコーナ部では、慣性力が大きく働く工具ホルダほど(例えば、質量が大きい、主軸基準面から工具ホルダの重心までが遠い等)、工具ホルダは撓みやすく、工具ホルダがたわむと、切削工具がワークに食い込んだりする。この食い込みによって、削りすぎ等によりワークが不良となったり、切削工具が折損したりする。これらのことから、切削加工時において、慣性力が小さいほど工具ホルダは安定し、そのことは高能率加工に反映される。
これらの難削材を高能率に加工する工作機械は、アルミ加工の場合、回転速度が30000rpmに及んだり、送り速度が30000mm/min(X、Y軸)以上に及んだり、主軸電動機出力が80kW(100馬力)以上に及んだりし、チタン加工の場合、主軸トルクが1500Nmに及ぶものもあり、それらを担うものが製品化されている。
この多軸マシニングセンタで上記難削材を加工する際、特に、5軸制御マシニングセンタによる難削材の高能率加工においては、主軸は高トルクとなり、従来の大型機に採用されている規格の主軸テーパに比べひと回り大きな規格(例えば、ISO規格、HSK−A125等)が採用されている。このため、その主軸に搭載される工具ホルダもその規格に則って、従来に比べてひと回り大きいものとなる。
(1) 二面拘束によるラジアル、アキシアル方向のクランプ力により極めて高い剛性が得られる、高い静・動的剛性を有する。
(2) テーパ面と端面全体に強い摩擦密着が生じるように固定されるため、高いトルク伝達と正確な位置決め(ATC繰り返し精度)が実現できる。
(3) 回転数の上昇によって、くさび形締付機構の締付力がより強くなり、ラジアル方向の隙間が生じない高速機械加工性能を有する。
(4) シャンク長さが従来の7/24テーパシャンクの約1/3、また重量も約1/2と軽いため、工具交換時間が短くなる。
(5) クーラント供給など実用の高速・高精度加工に要求される性能を十分備えている。
工具ホルダの質量の目安としては、大型機に最も多く採用されているテーパ規格に則ったBT50(JIS規格)の工具ホルダが考えられて、最大10kg程度である。また、多く利用されるエンドミル系の工具を把持する工具ホルダの質量は10kg以下が多い。
このような実状から、HSKシャンクを有する工具ホルダにおいてもできるだけ軽いことが望ましい。
このような材料の無駄を省き、生産における環境負荷を最小限に抑えながら、十分なアイテムの工具ホルダを提供できることが望ましい。
因みに、切削加工の観点からは、高トルク主軸の能力に堪え得る機械強度、曲げ剛性を持ち、加工能率に貢献し得る工具ホルダでなければならないことは言うまでもない。
また、工具ホルダのシャンクとチャックを別部材とし、そのシャンク部材とチャック部材を相互に接合可能とすると共に、各種の形状として、多様化する工具ホルダの生産性を高めるとともに、納入時期の短縮化を図った技術が開示されている(特許文献2段落0013、図1参照)。
さらに、チャックの外周面を先端に向かって徐々に縮径する凹弧状面とするとともに、そのチャックを軸方向複数に分割した技術も開示されている(特許文献3段落0015、図5参照)。
さらに、軽量化を図った特許文献1等の工具ホルダは、工具最大モーメントを考慮したものはない。
なお、チャック部及び中間部の外周面は、先端に向かって徐々に縮径する形状であれば良く、全長に亘って連続する綺麗な円弧又は直線テーパ状は勿論のこと、その円弧、直線が混ざった段階的な縮径形状でも良い。
さらに、中間部内周面がその外周面と同様にチャック先端に向かって徐々に縮径することは、クーラントがその流れの絞り効果によって先端(切削工具)にスムーズに流れる効果がある。
さらに、中空工具ホルダAは、同工具最大モーメントが35%近く低い値となっており、ATCに使用しても、工具交換時の遠心力が小さく、その交換時間の短縮を図ることができる。また、工具最大モーメントが低いことから、同様に、慣性モーメントも30%程低い値となっている。
なお、チャックの外周面がシャンクから先端に向かって徐々に縮径すれば、重心Gが主軸基準面に近づくとともに、図1(a)と同(b)の対比から、中間部20を中空とすることによって、重心Gの位置が主軸基準面に近づくため、上記第2の課題を達成し得る。
このように、シャンク部材、チャック部材及び中間部材の3部材(3ピース)とすることで、下記中空部の形成が容易となる。特に、HSKシャンク等の高トルク主軸に装着されるシャンクの場合は工具ホルダが大型化するため、その中空化が容易であることは有効である。また、3部材とすることにより、各部材のそれぞれの最大外径に削り代を考慮した鋼製のバー材(直棒材)を個々に使用することにより、外周削り出し量を、3部材を同一径の一バー材から製作する場合に比べて削減できる。すなわち、切屑が少なくなって環境負荷を低減することができる。なお、中間部材はその長さ方向において、さらに、2分割、3分割等とし得る。このように、上記特許文献3記載のチャックの分割とは異なり、中間部材の分割位置を特定し、この中間部材を工具ホルダの延長部(長さ調整部)となるようにしたのである。
その電子ビーム溶接は、強固な接合と量産性が可能という利点がある上に、シャンク部材と中間部材、中間部材とチャック部材の各接合精度が高く、シャンク部材軸心に対して中間部材及びチャック部材の偏心及び傾きの極めて少ない同一軸上の接合が可能である。また、電子ビーム溶接は極めて局所溶接のため、TIG溶接のように、予熱や後熱工程を必要とせず、シャンク部材、中間部材及びチャック部材の機械加工(切削加工等)→各部材の溶接→各部材の機械加工(仕上げ加工等)と各工程をスムーズに進め得る利点もある。
この接合によって、中間部材の外周面及びチャック部材の外周面は、チャック先端に向かって徐々に縮径するテーパ状となる。
なお、電子ビーム溶接の技術力により、シャンク部材、中間部材及びチャック部材のフレキシブルな組合せが自在に行い得るため、それらの部材の一体化が容易である。
また、分割する場合は、シャンク部材と中間部材との接合端面及び中間部材とチャック部材との接合端面はそれぞれ同一大きさとすることが好ましい。
各接合端面が同一大きさであれば、その接合部における質量等の偏位も極力少なく、回転バランスが良いものとなるとともに、最少接合面積で最大の接合強度を得ることができる。また、チャック部材と中間部材のそれぞれの外周面がその接合部(線)で連続したものとなる。
シャンク部材、中間部材及びチャック部材は、同一材料でも良いが、それぞれの部材を異なる材料としたり、シャンク部材と中間部材の接合部を内周面、外周面とも曲線で形成したりすることにより、防振効果を高めることができる。
図2aの実施形態は、そのホルダ長L:285mm、シャンク部材10と中間部材20との接合面の径c:94mm、中間部材長a:165mm、チャック部材長b:70mm、チャック部材先端外径d:15mm、取付孔径(工具径)e:12mmとし、図2bの実施形態は、そのホルダ長L:285mm、シャンク部材10と中間部材20との接合面の径c:98mm、中間部材長a:165mm、チャック部材長b:70mm、チャック部材先端外径d:26mm、取付孔径e:20mm(L、c、a、b,d、eは図2a参照)とした。
チャック部材30は、その先端から軸心上に切削工具Aの取付孔32が形成され、その取付孔32に続いて段差をもって同一径の空洞33が形成されている。この空洞33は、中間部材20に向かって徐々に拡径する円錐台状とし得る。取付孔32には切削工具Aが焼き嵌めによって装着される。
なお、中間部材20及びチャック部材30は中心軸oを中心とした点対称の横断面(図2a、図2bにおいて水平断面)として、回転ムラが生じないようにする。
また、ワンランク小さい従来の規格工具ホルダH4との比較においては、表3の「H1/H4」から、両者(H1、H4)の質量はほぼ同等であるが、表4の比較(H4/H1)からたわみ量は、前者(H4)が1.5倍近くと大きくなっている。
さらに、同じ質量となる形状で比較した場合、中実の工具ホルダH3が工具ホルダH1に対して、表5の比較(H3/H1)から、たわみ量が1.13〜1.65倍と大きくなっている。
以上から、この発明の構成のように中間部材20を中空テーパ形状とすることで、曲げ剛性の低下を防ぎつつ、大きく軽量化し得る利点が生まれることが理解できる。
また、他の実験から、中間部材20のチャック部材30との接合面の径f(図2a参照)は中間部材20とシャンク部材10との接合面の径cの0.8以下(f<0.8c)とし、その厚み(肉厚)tは5〜30mmとするのが好ましい。
例えば、図5に示すように、各種大きさ・形状の中間部材20(20a、20b、20c)に対し、各種態様のチャック部材30a、30b、30c、30d、30eを準備することによって、各種態様の工具ホルダを得ることができる。同図においては,中間部材20aに対して、同図の焼き嵌め式チャック部材30a、コレットチャック部材30bを連結(接合)し、同中間部材20bに対して、同コレットチャック部材30c、カッタ型チャック部材30dを連結し、同中間部材20cに対して、同サイドロック式チャック部材30eを連結する。このとき、チャック部材30の形状により,中間部材(延長部材)20は軸方向及び径方向に複数のサイズを適宜に選択可能である。中間部材20は、1つ又は2つ以上を組合せて、軸方向も自在に変更が可能である。
このように、工具ホルダのチャックを、中間部材20とチャック部材30からなるものとし、その中間部材20とチャック部材30を相互に接合可能とすると共に、各種の形状とすることによってして、多様化する工具ホルダの生産性を高めるとともに、納入時期の短縮化を図ることができる。
また、シャンク等は3部材10、20、30から構成することなく、図1(a)に示すように、シャンク及びチャックを一バー材から製作した構成であったり、中間部材20とチャック部材30を一バー材から製作し、それをシャンク部材10に溶接した構成であったりした工具ホルダであっても、この発明は採用し得ることは勿論である。
このように、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
11 マニピュレータ部
20 中間部材(延長部)
30 チャック部材
A 切削工具
H1、H2、H3、H4 工具ホルダ
Claims (4)
- シャンクに外周面が先端に向かって徐々に縮径するチャックを同一軸に設けた、工作機械の主軸に前記シャンクでもって装着される工具ホルダであって、
マニピュレータ部(11)を有する上記シャンクを構成するシャンク部と、上記チャックの切削工具保持用チャック部分を構成するチャック部と、そのシャンク部とチャック部との間を構成する上記チャックの残部をなす中空の中間部とからなり、工具最大モーメント、慣性モーメント及び慣性力を低減するために、前記中間部の外周面及びチャック部の外周面は、上記チャックの先端に向かって徐々に縮径するテーパ状とするとともに、前記中間部の中空内周面はその外周面に沿う形状とされており、
上記中間部の外周面と内周面との肉厚(t)をチャック部側からシャンク部側に向かって徐々に厚くしたことを特徴とする工具ホルダ。 - 上記シャンク部、中間部及びチャック部を、それぞれ別部材であるシャンク部材(10)、中間部材(20)及びチャック部材(30)から構成し、そのシャンク部材(10)と中間部材(20)及び中間部材(20)とチャック部材(30)はそれぞれ溶接部を介して接合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。
- 上記シャンクがHSKシャンクであり、上記切削工具(A)が装着される際、その切削工具(A)が焼き嵌め式で上記チャック部に装着されるものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の工具ホルダ。
- 上記中間部の内外周面に硬化処理層を有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一つに記載の工具ホルダ。
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