JP6441403B2 - 切削工具保持機構、切削工具ホルダおよび工作機械システム - Google Patents

Description

本発明は、切削工具を自動でアンクランプする切削工具保持機構、切削工具ホルダおよび工作機械システムに関する。

下記特許文献１には、クーラント液の圧力によりピストンが前進し、これによりスプリングコレットも前進して、小径工具をアンクランプするものが開示されている。

特開平０９−１９２９６３号公報

上記特許文献１では、ワークの切削加工時に、小径工具（切削工具）内にクーラント液（流体）を供給することができない問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、ワークの切削加工時に切削工具内に流体を供給することができる切削工具保持機構、切削工具ホルダおよび工作機械システムを提供することを目的とする。

本発明の態様は、工作機械の主軸に設けられ、切削工具を脱着可能に保持する切削工具保持機構であって、前記切削工具をクランプおよびアンクランプするコレットチャックと、前記コレットチャックの先端側に配置されて、弾性力により前記コレットチャックを、前記主軸の先端側から奥側に向かう方向に付勢して、前記切削工具を前記コレットチャックにクランプさせる第１弾性部と、前記コレットチャックよりも前記主軸の奥側に配置され、前記主軸の奥側から供給される流体の圧力により前記コレットチャックを、前記主軸の奥側から先端側に向かう方向に付勢して、前記切削工具を前記コレットチャックからアンクランプさせるピストンと、前記ピストンに設けられ、前記主軸の回転時の遠心力により開弁して、前記主軸から供給された前記流体を前記切削工具に供給するスプール弁と、前記ピストンに設けられ、弾性力により前記スプール弁を閉弁方向に付勢する第２弾性部と、を有する。

本発明によればワークの切削加工時に切削工具内に流体を供給することができる。

工作機械システムの正面概略図である。 主軸、主軸頭および切削工具の構成を示す断面模式図である。 図２の円Ａで示す範囲の拡大図である。 図３の円Ｂで示す範囲の拡大図である。 図２の円Ａで示す範囲の拡大図であって、主軸が回転している状態を示している。 切削工具ホルダの構成を示す断面模式図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施の形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［工作機械システムの全体構成］
図１は工作機械システム１０の正面概略図である。工作機械システム１０は、工作機械１２とロボット１４とを有している。

工作機械１２は、主軸２６に取り付けられたドリル等の切削工具１８によりワークＷの切削加工を行う。工作機械１２は、ベッド２０、テーブル２２、テーブル駆動機構２４、主軸２６、主軸頭２８、主軸モータ３０、コラム３２、主軸頭駆動機構３４、クーラント液供給機構３６および制御装置５２を有している。

テーブル２２の上には、ワークＷが固定される。テーブル駆動機構２４は、テーブル２２をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる。Ｘ軸およびＹ軸は水平面上に延びる軸であって、Ｘ軸とＹ軸とは直交している。テーブル駆動機構２４は、ベッド２０の上に設置されている。テーブル駆動機構２４は、Ｙ軸レール３８、図示しないＹ軸モータ、サドル４０、Ｘ軸レール４２およびＸ軸モータ４４を有している。

Ｙ軸レール３８は、ベッド２０上にＹ軸方向に延びるように設けられている。サドル４０は、Ｙ軸レール３８上をＹ軸方向に移動可能に設置されている。Ｙ軸モータはサーボモータであり、図示しないボールねじ機構を介してサドル４０に接続している。Ｙ軸モータが駆動することにより、Ｙ軸モータはサドル４０をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸モータはベッド２０に支持されている。

Ｘ軸レール４２は、サドル４０上にＸ軸方向に延びるように設けられている。テーブル２２は、Ｘ軸レール４２上をＸ軸方向に移動可能に設置されている。Ｘ軸モータ４４は、サーボモータであり、図示しないボールねじ機構を介してテーブル２２に接続している。Ｘ軸モータ４４が駆動することにより、Ｘ軸モータ４４はテーブル２２をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸モータ４４は、サドル４０に支持されている。テーブル駆動機構２４により、テーブル２２に設置されたワークＷはＸ軸方向およびＹ軸方向に移動することが可能となる。

主軸頭２８は、ベアリング４６（図２）を介して主軸２６をＺ軸周りに回転可能に支持している。主軸２６は切削工具１８とともに、主軸モータ３０により回転駆動される。主軸頭２８は、主軸頭駆動機構３４のＺ軸レール４８に接続している。主軸頭駆動機構３４は、Ｚ軸レール４８、Ｚ軸モータ５０および図示しないボールねじ機構を有している。Ｚ軸レール４８は、コラム３２上に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向に延びるように設けられている。Ｚ軸モータ５０はサーボモータであり、ボールねじ機構を介して主軸頭２８に接続している。Ｚ軸モータ５０が駆動することにより、Ｚ軸モータ５０は主軸頭２８をＺ軸方向に移動させる。Ｚ軸モータ５０はコラム３２に支持されている。主軸頭駆動機構３４により、主軸２６はＺ軸方向に移動することが可能となる。この主軸２６のＺ軸方向の移動と、テーブル２２のＸ軸方向およびＹ軸方向の移動とによって、工作機械１２は、ワークＷを任意の三次元形状に加工することができる。

クーラント液供給機構３６は、クーラント液を貯留する図示しない貯留槽、貯留槽内のクーラント液を主軸２６内に供給する図示しないポンプ等から構成されている。クーラント液供給機構３６は、ワークＷの加工中に主軸２６にクーラント液を供給する。主軸２６に供給されたクーラント液は、切削工具１８の先端から吐出され、ワークＷおよび切削工具１８の冷却や切削屑の排出を行う。また、クーラント液供給機構３６は、切削工具１８を交換するときにもクーラント液を主軸２６内に供給する。切削工具１８の交換時におけるクーラント液の供給については、後に詳述する。

制御装置５２は処理装置、記憶装置、電源回路等を有し、記憶装置に記憶されているプログラムにしたがって、またはオペレータの操作にしたがって、主軸モータ３０、Ｙ軸モータ、Ｘ軸モータ４４およびＺ軸モータ５０、クーラント液供給機構３６のポンプ等を制御する制御信号を演算して出力する。

ロボット１４は、工作機械１２の近傍に設置された架台６０に設置されている。ロボット１４は、工作機械１２の切削工具１８の交換を行う。ロボット１４は、アーム６２、ハンド６４および制御装置６６を有している。アーム６２は、複数の関節を有し、その先端にハンド６４が取り付けられている。アーム６２の各関節は、図示しない関節モータにより駆動され、またハンド６４は、図示しないハンドモータによって駆動される。アーム６２を、工作機械１２の主軸２６に向かって伸ばし、ハンド６４により切削工具１８の交換を行う。制御装置６６は、処理装置、記憶装置、電源回路等を有し、記憶装置に記憶されているプログラムにしたがって、またはオペレータの操作にしたがって、アーム６２の各関節を駆動する関節モータ、ハンド６４を駆動するハンドモータ等を制御する制御信号を演算して出力する。

［主軸の構成］
図２は主軸２６、主軸頭２８および切削工具１８の構成を示す断面模式図である。図３は図２の円Ａで示す範囲の拡大図である。図４は図３の円Ｂで示す範囲の拡大図である。主軸２６には、回転軸Ｏ上をＺ軸方向に延び、クーラント液供給機構３６からクーラント液が供給される液路２６ａが形成されている。切削工具１８には、回転軸Ｏ上をＺ軸方向に延び、主軸２６の液路２６ａからクーラント液が供給される液路１８ａが形成されている。

主軸２６のＺ軸負方向側の先端部分には、切削工具１８を脱着可能に保持する切削工具保持機構６８が設けられている。切削工具保持機構６８は、主軸２６のＺ軸負方向側に設けられたチャック７０およびＺ軸正方向側に設けられたピストン１００を有している。

（チャックの構成）
チャック７０は、コレットチャック７２、チャックボディ７４、コレットホルダ７６、皿ばね７８およびキャップナット８０を有している。

コレットチャック７２は円筒状の部材であって、その内周に切削工具１８が挿入される。コレットチャック７２はその外周面に、Ｚ軸正方向側からＺ軸負方向側に向かって徐々に外径が大きくなるように形成されているテーパ面８２を有している。またコレットチャック７２には、Ｚ軸方向に延びるスリットが形成されている。スリットは、周方向に互いに離間して複数本形成されている。コレットチャック７２のＺ軸負方向側端部には、Ｚ軸負方向に向かって突出する凸部８４が形成されている。凸部８４の内周側には、Ｚ軸正方向側からＺ軸負方向側に向かって、徐々にその内径が大きくなるテーパを有する被係合部８４ａが形成されている。

チャックボディ７４は円筒状の部材であって、その内周面にＺ軸正方向側からＺ軸負方向側に向かって、徐々に内径が大きくなるように形成されているテーパ面８６を有している。チャックボディ７４の内周には、コレットチャック７２のテーパ面８２が、チャックボディ７４のテーパ面８６に接した状態でＺ軸方向に移動可能に収容されている。コレットチャック７２は、チャックボディ７４内をＺ軸正方向側に移動するとコレットチャック７２の内径が縮径し、切削工具１８をクランプする。一方、コレットチャック７２は、チャックボディ７４内をＺ軸負方向側に移動するとコレットチャック７２の内径が拡径し、切削工具１８をアンクランプする。またチャックボディ７４の外周面には、Ｚ軸正方向側に大径部８８と、大径部８８のＺ軸負方向側に小径部９０が形成されている。小径部９０の外形は、大径部８８の外径よりも小径に形成されている。

コレットホルダ７６は円筒状の部材であって、その内径はチャックボディ７４の大径部８８の外径よりも小径であって、小径部９０の外径よりも大径に形成されている。コレットホルダ７６は、チャックボディ７４が主軸２６の内周に挿入された状態で、主軸２６とチャックボディ７４との間に圧入される。コレットホルダ７６により、主軸２６の回転軸Ｏに対してチャックボディ７４が同芯上に配置される。また、コレットホルダ７６のＺ軸正方向側の面が、コレットチャック７２の大径部８８と小径部９０との間の段面に当接することにより、コレットチャック７２のＺ軸方向の移動を規制している。

キャップナット８０は蓋状の部材であって、主軸２６のＺ軸負方向側端部の外周部に螺合して取り付けられている。キャップナット８０は、底部９２の中心部分に貫通孔９４を有している。貫通孔９４には、切削工具１８が貫通している。キャップナット８０の底部９２のＺ軸正方向側の面であって、貫通孔９４の外周側には、円状の溝である凹部９６が形成されている。凹部９６には、皿ばね７８が設けられている。皿ばね７８は、コレットチャック７２の凸部８４に当接し、コレットチャック７２をＺ軸正方向に向かって付勢する。キャップナット８０を閉まる方向に回転させると、コレットチャック７２がＺ軸正方向に移動し、切削工具１８をクランプする。キャップナット８０を開く方向に回転させると、コレットチャック７２がＺ軸負方向に移動し、切削工具１８をアンクランプする。凹部９６の内周側の面であって、Ｚ軸正方向側には、Ｚ軸正方向側からＺ軸負方向側に向かって、徐々にその外径が大きくなるように係合部９６ａが形成されている。コレットチャック７２がＺ軸負方向側に移動すると、係合部９６ａは、コレットチャック７２の被係合部８４ａと係合し、コレットチャック７２を拡径させる。

（ピストンの構成）
ピストン１００は、本体１０２、スプール弁１０４およびコイルばね１０６を有している。本体１０２は略円盤状の部材であって、主軸２６に対してＺ軸方向に摺動可能に設けられている。本体１０２のＺ軸負方向側の面には、Ｚ軸負方向に突出する凸部１０２ａが形成されている。凸部１０２ａをＺ軸負方向側から見ると円形に形成されており、その外径は、チャックボディ７４のＺ軸正方向側の面に開口するテーパ面８６の内径よりも小径であって、コレットチャック７２の内径よりも大径に形成されている。本体１０２がＺ軸負方向側に移動することにより、凸部１０２ａがコレットチャック７２をＸ軸負方向側に押圧し、切削工具１８をアンクランプさせる。

本体１０２は、主軸２６の回転軸Ｏ上をＺ軸方向に延びる液路１０２ｂが形成されている。液路１０２ｂのＺ軸正方向側は、主軸２６の液路２６ａに連通し、液路１０２ｂのＺ軸負方向側は、切削工具１８の液路１８ａに接続する。スプール弁１０４は、液路１０２ｂを開閉弁する。スプール弁１０４は、本体１０２の内部でＺ軸方向に対して直交する方向に摺動し、コイルばね１０６により液路１０２ｂを閉弁する方向に付勢されている。図５は図２の円Ａで示す範囲の拡大図であって、主軸２６が回転している状態を示している。図５に示すように、主軸２６が回転すると、遠心力によりスプール弁１０４はコイルばね１０６の付勢力に抗して、液路１０２ｂを開弁する方向に移動する。

［切削工具保持機構の動作］
主軸２６が停止しているときには、スプール弁１０４はコイルばね１０６によって付勢されて、液路１０２ｂを閉弁する。このときに、クーラント液供給機構３６により、主軸２６の液路２６ａにクーラント液が供給されると、クーラント液の圧力により、ピストン１００が全体としてＺ軸負方向に移動する。これにより、本体１０２の凸部１０２ａがコレットチャック７２をＸ軸負方向側に押圧し、切削工具１８をアンクランプさせる。

主軸２６が回転しているときには、スプール弁１０４は遠心力によってコイルばね１０６の付勢力に抗して移動して、液路１０２ｂを開弁する。このとき、クーラント液供給機構３６により、主軸２６の液路２６ａにクーラント液が供給されるとクーラント液は本体１０２の液路１０２ｂを通過して、切削工具１８の液路１８ａに供給される。これにより、切削工具１８の先端からクーラント液が吐出され、切削工具１８およびワークＷの冷却および切削屑の排出を行う。

［作用効果］
クーラント液の圧力を利用してピストン１００を移動させ、ピストン１００によりコレットチャック７２を押圧して、切削工具１８をアンクランプさせるために、ピストン１００によりクーラント液の流れを堰き止める必要がある。しかし、ピストン１００によりクーラント液の流れを堰き止めると、切削工具１８の液路１８ａにクーラント液を供給できず、加工中に切削工具１８の先端からクーラント液を吐出することができない。

そこで、本実施の形態の切削工具保持機構６８では、ピストン１００の本体１０２に液路１０２ｂを開閉弁するスプール弁１０４を設けた。そして、主軸２６が停止しているときには、スプール弁１０４がコイルばね１０６に付勢されて閉弁して液路１０２ｂを遮断し、主軸２６が回転しているときには、スプール弁１０４が遠心力により開弁して液路１０２ｂを連通するようにした。これにより、主軸２６が停止しているときには、チャック７０により切削工具１８を自動的にアンクランプできるとともに、主軸２６が回転しているときには、切削工具１８の液路１８ａにクーラント液を供給できる。

また本実施の形態の切削工具保持機構６８では、キャップナット８０の底部９２に係合部９６ａが形成され、コレットチャック７２の凸部８４に、被係合部８４ａが形成されている。これにより、コレットチャック７２がＺ軸負方向側に移動したときに、係合部９６ａと被係合部８４ａとが係合し、コレットチャック７２を確実に拡径させることができる。

〔第２の実施の形態〕
第１の実施の形態では、主軸２６のＺ軸負方向側の先端部分に切削工具保持機構６８を設けたが、第２の実施の形態では、主軸２６に脱着可能に取り付けられる切削工具ホルダ１２０のＺ軸負方向側の先端部分に切削工具保持機構６８を設けた。図６は、切削工具ホルダ１２０の構成を示す断面模式図である。

切削工具保持機構６８の構成は、第１の実施の形態と同様である。切削工具ホルダ１２０は、回転軸Ｏ上をＺ軸方向に延び、主軸２６の液路２６ａからクーラント液が供給される液路１２０ａが形成されている。液路１２０ａは、ピストン１００の本体１０２の液路１０２ｂのＺ軸正方向側と連通している。

［作用効果］
本実施の形態では、切削工具ホルダ１２０に第１の実施の形態と同様の切削工具保持機構６８を設けた。主軸２６に切削工具ホルダ１２０を介して切削工具１８を取り付けられる工作機械１２であっても、主軸２６が停止しているときには、チャック７０により切削工具１８を自動的にアンクランプできるとともに、主軸２６が回転しているときには、切削工具１８の液路１８ａにクーラント液を供給できる。

〔他の実施の形態〕
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることはもちろんである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

〔実施の形態から得られる技術的思想〕
上記実施の形態から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。

工作機械（１２）の主軸（２６）に設けられ、切削工具（１８）を脱着可能に保持する切削工具保持機構（６８）は、切削工具（１８）をクランプおよびアンクランプするコレットチャック（７２）と、コレットチャック（７２）の先端側に配置されて、弾性力によりコレットチャック（７２）を、主軸（２６）の先端側から奥側に向かう方向に付勢して、切削工具（１８）をコレットチャック（７２）にクランプさせる第１弾性部（７８）と、コレットチャック（７２）よりも主軸（２６）の奥側に配置され、主軸（２６）の奥側から供給される流体の圧力によりコレットチャック（７２）を、主軸（２６）の奥側から先端側に向かう方向に付勢して、切削工具（１８）をコレットチャック（７２）からアンクランプさせるピストン（１００）と、ピストン（１００）に設けられ、主軸（２６）の回転時の遠心力により開弁して、主軸（２６）から供給された流体を切削工具（１８）に供給するスプール弁（１０４）と、ピストン（１００）に設けられ、弾性力によりスプール弁（１０４）を閉弁方向に付勢する第２弾性部（１０６）と、を有する。これにより、主軸（２６）が停止しているときには、コレットチャック（７２）により切削工具（１８）を自動的にアンクランプできるとともに、主軸（２６）が回転しているときには、切削工具（１８）の液路（１８ａ）に流体を供給できる。

上記切削工具保持機構（６８）は、コレットチャック（７２）の先端側に配置され、コレットチャック（７２）が主軸（２６）の奥側から先端側に向かう方向に移動したときに、コレットチャック（７２）の内周面に係合し、コレットチャック（７２）を拡径させるテーパ部（９６ａ）を有してもよい。これにより、コレットチャック（７２）が主軸（２６）の先端側に移動したときに、コレットチャック（７２）をテーパ部（９６ａ）により確実に拡径させることができる。

上記切削工具保持機構（６８）は、主軸（２６）の回転軸（Ｏ）上に形成された液路（２６ａ）に、クーラント液を供給するクーラント液供給機構（３６）を有してもよい。流体は、クーラント液供給機構（３６）から供給されるクーラント液であってもよい。これにより、主軸（２６）が回転しているときには、切削工具（１８）の液路（１８ａ）にクーラント液を供給でき、切削工具（１８）およびワーク（Ｗ）の冷却および切削屑の排出を行うことができきる。

主軸（２６）に脱着可能に保持される切削工具ホルダ（１２０）は、上記切削工具保持機構（６８）を有する。これにより、主軸（２６）に切削工具ホルダ（１２０）を介して切削工具（１８）を取り付けられる工作機械（１２）であっても、主軸（２６）が停止しているときには、コレットチャック（７２）により切削工具（１８）を自動的にアンクランプできるとともに、主軸（２６）が回転しているときには、切削工具（１８）の液路（１８ａ）にクーラント液を供給できる。

工作機械システム（１０）は、上記切削工具保持機構（６８）を有する工作機械（１２）と、切削工具（１８）を交換するロボット（１４）と、を有する。これにより、切削工具（１８）を自動的に交換することができる。

１０…工作機械システム １２…工作機械
１４…ロボット １８…切削工具
２６…主軸 ３６…クーラント液供給機構
６８…切削工具保持機構 ７２…コレットチャック
７８…皿ばね（第１弾性部） ９６ａ…係合部（テーパ部）
１００…ピストン １０４…スプール弁
１０６…コイルばね（第２弾性部） １２０…切削工具ホルダ

Claims (5)

1. 工作機械の主軸に設けられ、切削工具を脱着可能に保持する切削工具保持機構であって、
   前記切削工具をクランプおよびアンクランプするコレットチャックと、
   前記コレットチャックの先端側に配置されて、弾性力により前記コレットチャックを、前記主軸の先端側から奥側に向かう方向に付勢して、前記切削工具を前記コレットチャックにクランプさせる第１弾性部と、
   前記コレットチャックよりも前記主軸の奥側に配置され、前記主軸の奥側から供給される流体の圧力により前記コレットチャックを、前記主軸の奥側から先端側に向かう方向に付勢して、前記切削工具を前記コレットチャックからアンクランプさせるピストンと、
   前記ピストンに設けられ、前記主軸の回転時の遠心力により開弁して、前記主軸から供給された前記流体を前記切削工具に供給するスプール弁と、
   前記ピストンに設けられ、弾性力により前記スプール弁を閉弁方向に付勢する第２弾性部と、
   を有する切削工具保持機構。
2. 請求項１に記載の切削工具保持機構であって、
   前記コレットチャックの先端側に配置され、前記コレットチャックが前記主軸の奥側から先端側に向かう方向に移動したときに、前記コレットチャックの内周面に係合し、前記コレットチャックを拡径させるテーパ部を有する、切削工具保持機構。
3. 請求項１または２に記載の切削工具保持機構であって、
   前記工作機械は、前記主軸の回転軸上に形成された液路に、クーラント液を供給するクーラント液供給機構を有し、
   前記流体は、前記クーラント液供給機構から供給されるクーラント液である、切削工具保持機構。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削工具保持機構を有し、前記主軸に脱着可能に保持される切削工具ホルダ。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削工具保持機構を有する工作機械と、
   前記切削工具を交換するロボットと、
   を有する工作機械システム。

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