(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端面と、この先端面から軸方向内方に向かって延びるテーパ孔とを有する工作機械の主軸、および
前記主軸のテーパ孔内に嵌合するテーパシャンク部と、前記主軸の先端面に対向する鍔部端面とを有する工具ホルダを備え、
前記テーパシャンク部を前記テーパ孔内に引き込んで前記工具ホルダを前記主軸にクランプする工具ホルダ取付け構造において、
前記クランプ状態では、前記工具ホルダの鍔部端面と前記主軸の先端面との間に所定の大きさの隙間があり、
前記所定の大きさの隙間の存在によって、前記主軸の回転状態では、主軸の回転に伴う遠心力によって主軸のテーパ孔が僅かに広がり、前記テーパシャンク部が前記テーパ孔内にさらに引き込まれ、前記工具ホルダの鍔部端面と前記主軸の先端面とが密着し、前記テーパ孔と前記テーパシャンク部との密着嵌合と相俟って２面拘束が実現されることを特徴とする、工具ホルダ取付け構造。
【請求項２】
前記クランプ状態における前記工具ホルダの鍔部端面と前記主軸先端面との間の隙間量は、作業終了後に前記２面拘束状態から前記工具ホルダのアンクランプを可能にする大きさの範囲内で選ばれる、請求項１に記載の工具ホルダ取付け構造。
【請求項３】
前記クランプ状態における前記工具ホルダの鍔部端面と前記主軸先端面との間の隙間量は、０．００５ｍｍ〜０．０３ｍｍの範囲内で選ばれる、請求項１または２に記載の工具ホルダ取付け構造。
【請求項４】
前記主軸の回転数は５００ｍｉｎ−１以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の工具ホルダ取付け構造。
【請求項５】
先端面と、この先端面から軸方向内方に向かって延びるテーパ孔とを有し、回転時に遠心力によって前記テーパ孔が僅かに広がる工作機械の主軸に取り付けられる工具ホルダにおいて、
前記主軸のテーパ孔内に嵌合するテーパシャンク部と、前記主軸の先端面に対向する鍔部端面とを有し、
前記テーパシャンク部が前記主軸のテーパ孔内に引き込まれてクランプされている状態で、前記工具ホルダの前記テーパシャンク部および前記鍔部端面は、前記テーパ孔および前記先端面に対し、所定の動作を実現する寸法を有しており、
前記所定の動作は、
前記主軸が停止している状態では、前記鍔部端面は前記主軸の先端面から隙間をもって離れており、
前記主軸が回転している状態では、前記テーパシャンク部が回転に伴う遠心力によって僅かに広がった前記テーパ孔内にさらに引き込まれ、前記鍔部端面は前記主軸の先端面と密着することである、工具ホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、切削工具を設けた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回転主軸に取り付ける工具ホルダ取付け構造、および回転主軸に取り付けられる工具ホルダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の工具ホルダ取付け構造は、例えば、特許第２５７１３２５号公報（特許文献１）に開示されている。図４は、この公報の図５に対応する図であり、工具ホルダが工作機械の主軸に取り付けられている構造を示している。
【０００３】
自動工具交換装置付マシニングセンタに使用する工具ホルダ３は、テーパシャンク部４に隣接して、工具自動交換のためのマニュピレータ把持用鍔５が一体に形成されている。この工具ホルダ３は、プルスタッドボルトを用いて工作機械の主軸１に設けたテーパ孔２内に引き込まれてクランプされる。
【０００４】
ＪＩＳ規格またはＩＳＯ規格によれば、テーパ孔２およびテーパシャンク部４の最大径Ｄ、軸方向長さ（基準寸法）Ｌ等を規格化すると共に、ある程度の製作誤差Δｉを見込んで、主軸１の基準端面１ａと工具ホルダ３の鍔部５の端面５ａとの間に所定の対向間隙Ｙを設けることが規格化されている。
【０００５】
上記の構成によれば、基準端面１ａや鍔部端面５ａが製作誤差により僅かに対向面に向かって突出したとしても、所定の対向間隙Ｙがあるので基準端面１ａと鍔部端面５ａとが互いに当接することがなく、テーパ孔２にテーパシャンク部４を確実に密着嵌合させることができる。
【０００６】
反面、切削負荷がテーパシャンク部４に集中的にかかるため、テーパ孔２とテーパシャンク部４との密着面がフレッティングコロージョン現象等により摩耗されやすくなるという欠点がある。
【０００７】
上記の欠点を解消するために、主軸１の基準端面１ａや鍔部端面５ａを対向間隙Ｙ分だけ突出するように延長させ、テーパ孔２とテーパシャンク部４とを互いに密着嵌合させると同時に、基準端面１ａと鍔部端面５ａとを互いに密着させることが考えられる。ところが、製作誤差Δｉが許容されているため、例えば主軸端面が製作誤差分だけ若干突出したとすると、テーパ孔２にテーパシャンク部４が密着嵌合する前に、主軸の端面と工具ホルダの鍔部端面とが当接するため、テーパ孔とテーパシャンク部との間に隙間が生じ、主軸に工具ホルダを確実に取り付けることができなくなる。
【０００８】
特許第２５７１３２５号公報に記載の発明は、上記の課題を解決するために、主軸側端面とこれに対向する鍔部端面とのそれぞれを、工業規格で定められた許容の製作誤差Δｉの数値より多く延出すると共に、両延出量α１、α２の合計が許容の対向間隙Ｙの数値の範囲内で、互いに対向方向に延出してそれぞれ延出端面に形成し、両延出端面が互いに吻合するようにして、主軸１に工具ホルダ３を取り付けることが可能となっている構成を採用することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２５７１３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許第２５７１３２５号公報に記載の発明は従来の課題を完全に解決していない。この公報には明確に記載されていないが、工作機械の主軸のテーパ孔内に工具ホルダを挿入した時には、主軸端面と鍔部端面との間に隙間が存在している必要がある。なぜなら、工具ホルダをテーパ孔内に引き込んでクランプする際に主軸が弾性変形し、工具ホルダは、挿入時の位置よりも０．０１ｍｍ〜０．０３ｍｍ程度軸方向に引き込まれるからである。
【００１１】
工具ホルダの挿入時には主軸端面と鍔部端面との間に隙間があるが、クランプした状態で主軸端面と鍔部端面とが密着するとともに、テーパ孔とテーパシャンク部とが密着嵌合することが一見望ましいようにみえるが、実際上は、この場合においても解決すべき課題が存在する。本願発明者は、主軸が回転するときに遠心力によって主軸が僅かに広がることによる問題点に着目した。すなわち、クランプ時に２面拘束状態が実現されていたとしても、主軸が回転すれば遠心力でテーパ孔が僅かに広がり、テーパ孔とテーパシャンク部との間に微小隙間が生じてしまう。そのため、主軸回転時には、テーパ孔とテーパシャンク部との間に微小隙間が生じ、常に軸方向内方に引き込まれている工具ホルダの鍔部端面と主軸端面とだけが密着する端面密着状態となる。
【００１２】
本発明の目的は、主軸回転時に２面拘束状態を実現し得る工具ホルダ取付け構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に従った工具ホルダ取付け構造は、工作機械の主軸および工具ホルダを備える。主軸は、先端面と、この先端面から軸方向内方に向かって延びるテーパ孔とを有する。工具ホルダは、主軸のテーパ孔内に嵌合するテーパシャンク部と、主軸の先端面に対向する鍔部端面とを有する。工具ホルダの取付けに際しては、工具ホルダのテーパシャンク部を主軸のテーパ孔内に引き込んで工具ホルダを主軸にクランプする。
【００１４】
工具ホルダをテーパ孔に引き込んでクランプし、かつ主軸が停止している状態では、工具ホルダの鍔部端面と主軸の先端面との間に所定の大きさの隙間がある。この所定の大きさの隙間が存在しているので、クランプ状態を維持したままで主軸を通常の動作速度で回転させると、主軸の回転に伴う遠心力によって主軸のテーパ孔が僅かに広がり、テーパ孔とテーパシャンク部との間に微小隙間が生じると、常時軸方向内方への引込力が作用しているテーパシャンク部がテーパ孔内にさらに引き込まれ、工具ホルダの鍔部端面と主軸の先端面とが密着し、テーパ孔とテーパシャンク部との密着嵌合と相俟って２面拘束が実現される。
【００１５】
好ましい実施形態では、クランプ状態における工具ホルダの鍔部端面と主軸先端面との間の隙間量は、作業終了後に２面拘束状態から工具ホルダのアンクランプを可能にする大きさの範囲内で選ばれる。隙間量が大きすぎる場合、例えば切削加工時の切削熱によって主軸が発熱してテーパ孔が大きく広がり、工具ホルダのテーパシャンク部が軸方向内方に必要以上に引き込まれてしまうと、テーパ孔とテーパシャンク部との結合力が強くなりすぎて、自動工具交換装置による交換作業の際に工具ホルダをアンクランプできなくなる。逆に、隙間量が小さすぎると、テーパ孔とテーパシャンク部とが密着嵌合せず、工具ホルダの鍔部端面と主軸先端面との間の端面密着状態のみとなる。
【００１６】
クランプ状態における工具ホルダの鍔部端面と主軸先端面との間の好ましい隙間量は、０．００５ｍｍ〜０．０３ｍｍの範囲内で選ばれる。主軸の回転数は、例えば、５００ｍｉｎ−１以上である。
【００１７】
この発明に従った工具ホルダは、先端面と、この先端面から軸方向内方に向かって延びるテーパ孔とを有し、回転時に遠心力によって前記テーパ孔が僅かに広がる工作機械の主軸に取り付けられるものであり、主軸のテーパ孔内に嵌合するテーパシャンク部と、主軸の先端面に対向する鍔部端面とを有する。特徴とするところは、主軸のテーパ孔内に引き込まれてクランプされている状態では、鍔部端面は主軸の先端面から隙間をもって離れており、主軸が回転している状態では、鍔部端面は主軸の先端面と密着する。
【００１８】
上記構成の工具ホルダによれば、主軸回転時に、テーパシャンク部の密着嵌合および鍔部端面の端面密着の２面拘束を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】工具ホルダを主軸のテーパ孔に取り付けた状態の断面図である。
【図２】工具ホルダを主軸のテーパ孔内に引き込んでクランプした状態の断面図である。
【図３】主軸を通常の速度で回転させている状態の断面図である。
【図４】特許第２５７１３２５号公報の図５に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明は、特に主軸のテーパ孔内で工具ホルダのテーパシャンク部を拘束するＢＴタイプの工具ホルダ取付け構造に適用されることを意図したものである。
【００２１】
図１は、工作機械の主軸に工具ホルダを取り付けた状態の断面図を示している。主軸１０は、基準端面となる先端面１２ａと、この先端面１２ａから軸方向内方に向かって延びるテーパ孔１１とを有する。
【００２２】
工具ホルダ２０は、主軸１０のテーパ孔１１内に嵌合するテーパシャンク部２１と、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鍔部２２とを有する。鍔部２２は、主軸１０の先端面１２ａに対向する鍔部端面２３を有する。
【００２３】
図１は、工具ホルダ２０のテーパシャンク部２１を主軸１０のテーパ孔１１内に挿入して取り付けた状態である。図１に示す状態から、プルスタッド３０を用いて、テーパシャンク部２１をテーパ孔１１内に引き込んでクランプする。図２は、クランプ後の状態を示している。工具ホルダ２０のテーパシャンク部２１を主軸１０のテーパ孔１１内に引き込んでクランプする際には、主軸１０が弾性変形するために、工具ホルダ２０は、挿入時の位置（図１に示す状態）よりも０．０１ｍｍ〜０．０３ｍｍ程度軸方向内方に引き込まれる。
【００２４】
既に記載したように、ＪＩＳ規格またはＩＳＯ規格によれば、主軸または工具ホルダの製作誤差を見込んで、主軸１０の基準端面１２ａと工具ホルダ２０の鍔部端面２３との間に所定の対向間隙を設けることが規格化されている。例えば、ＢＴ３０およびＢＴ４０の対向間隙は２ｍｍであり、ＢＴ５０の対向間隙は３ｍｍである。
【００２５】
使用時に、テーパ部分における密着嵌合に加えて、主軸１０の基準端面１２ａと工具ホルダ１０の鍔部端面２３との間の端面密着状態を実現するために、例えば、主軸１０の基準端面１２ａを鍔部端面側に延出して主軸延出端面１２ｂを形成する。主軸延出端面１２ｂの延出量は、例えば、［規格化された対向間隙］÷２−［クランプ時の工具ホルダの引込量］で決定される。前述したように、［クランプ時の工具ホルダの引込量］は、０．０１〜０．０３ｍｍ程度である。さらに、工具ホルダ２０の鍔部端面２３に対しても、主軸１０の基準端面側に延出する鍔部延出端面を設ける。その延出量は、例えば、［規格化された対向間隙］÷２で決定される。このようにクランプ時の工具引込量を考慮して延出端面を設ければ、工具ホルダを主軸に取り付け、さらに軸方向内方に引き込んでクランプした状態では、主軸１０の延出端面と工具ホルダ２０の鍔部延出端面との端面密着状態が実現される。
【００２６】
しかしながら、工具ホルダ１０を主軸に引き込んでクランプしているときに、端面密着状態が実現される構造では、主軸が通常の動作速度で回転するときに遠心力の影響によりテーパ部分の密着嵌合が解かれてしまう。本願発明者は、この課題を解決するために、以下に記載する特有の構成をなすに到った。
【００２７】
図１に示す状態、すなわち工具ホルダ２０のテーパシャンク部２１を主軸１０のテーパ孔１１内に挿入して取り付けているが、クランプしていない状態では、主軸１０の延出端面１２ｂと鍔部端面２３との間に隙間Ｄ０が存在している。この隙間Ｄ０は、クランプ時の工具ホルダ２０の引込量に加えて、主軸回転時のテーパ孔の広がりによる工具ホルダ２０の引込量を考慮したものである。
【００２８】
図２に示す状態、すなわち、プルスタッド３０を用いて工具ホルダ２０のテーパシャンク部２１を主軸１０のテーパ孔１１内に引き込んでクランプしている状態では、主軸１０の延出端面１２ｂと鍔部端面２３との間に隙間Ｄ１が存在している。隙間Ｄ１は、ゼロよりも大きいが、図１に示す隙間Ｄ０よりも小さい。この隙間Ｄ１は、主軸回転時のテーパ孔の広がりによる工具ホルダ２０の引込量を考慮したものである。
【００２９】
図２に示すクランプ状態において隙間Ｄ１を設けることが、本発明の重要な特徴である。工作機械の運転に伴って主軸１０が通常の動作速度で回転すると、遠心力の影響により、主軸１０のテーパ孔１１が僅かに径方向外方に広がる。そのため、図２に示すクランプ状態で、隙間Ｄ１を無くしてテーパ部分の密着嵌合状態および端面部分の端面密着状態の両者（２面拘束）を実現させたとしても、主軸１０が通常の動作速度で回転すると、テーパ部分の密着嵌合が解かれて、端面部分の端面密着状態のみの１面拘束になってしまう。
【００３０】
そこで、本発明では、図２に示すクランプ状態、すなわち、工具ホルダ２０をテーパ孔１１内に引き込んでクランプし、かつ主軸１０が停止している状態では、工具ホルダ２０の鍔部端面２３と主軸１０の延出端面１２ｂとの間に所定の大きさの隙間Ｄ１を設けている。隙間Ｄ１の大きさは、主軸１０を通常の動作速度で回転させると、主軸の回転に伴う遠心力によって主軸のテーパ孔が僅かに広がり、テーパ孔とテーパシャンク部との間に微小隙間が生じると、常時軸方向内方への引込力が作用しているテーパシャンク部がテーパ孔内にさらに引き込まれ、工具ホルダの鍔部端面と主軸の先端面とが密着し、テーパ部分の密着嵌合状態および端面部分の端面密着状態の両者（２面拘束）が実現できるように選ばれる。
【００３１】
図３は、主軸１０が回転し、２面拘束が実現されている様子を示している。隙間Ｄ１が存在していたことにより、図３に示す状態では、主軸１０の回転に伴って遠心力によってテーパ孔１１が僅かに広がり、常時軸方向内方への引込力が作用しているテーパシャンク部２１がテーパ孔１１内にさらに引き込まれる。そして、通常の動作時には、主軸１０のテーパ孔１１と工具ホルダ２０のテーパシャンク部２１との密着嵌合状態に加えて、主軸１０の延出端面１２ｂと工具ホルダ２０の鍔部端面２３との端面密着状態となる２面拘束を実現することができる。
【００３２】
ＢＴ規格のように、主軸端面と鍔部端面との間の対向間隙が大きい場合、切削時の切削熱によって主軸が発熱し主軸のテーパ孔が大きく広がると、テーパシャンク部２１が軸方向内方に引き込まれ過ぎてテーパ孔１１とテーパシャンク部２１との結合力が強くなりすぎる。その場合、自動工具交換装置による交換作業の際に、工具ホルダ２０をアンクランプすることができなくなる。
【００３３】
そこで、好ましい実施形態では、クランプ状態における工具ホルダの鍔部端面と主軸先端面（延出端面）との間の隙間量は、加工作業終了後に工具ホルダのアンクランプを可能にする大きさの範囲内で選ばれる。逆に、クランプ状態における鍔部端面と主軸先端面との間の隙間量が小さすぎると、加工動作時の主軸回転に伴う遠心力の影響によるテーパ孔の拡大で、テーパ孔とテーパシャンク部とが密着嵌合せず、工具ホルダの鍔部端面と主軸先端面との間の端面密着状態のみとなる。以上のことを考慮すると、クランプ状態における工具ホルダの鍔部端面と主軸先端面との間の好ましい隙間量は、０．００５ｍｍ〜０．０３ｍｍの範囲内で選ばれる。なお、主軸の回転数は、例えば５００ｍｉｎ−１以上である。
【００３４】
主軸回転時の２面拘束を実現するために、工具ホルダ単体を所定の寸法にしても良い。すなわち、主軸が通常の動作速度で回転する際に遠心力によってテーパ孔が僅かに広がることを考慮して、工具ホルダ単体を、主軸のテーパ孔内に引き込まれてクランプされている状態では鍔部端面が主軸の先端面から隙間をもって離れており、主軸が回転している状態では鍔部端面が主軸の先端面と密着する状態となるように、設計する。
【００３５】
なお、延出端面に関しては、主軸の基準端面にのみ設けても良いし、鍔部端面にのみ設けても良いし、主軸基準端面および鍔部端面の両者に設けるようにしても良い。
【００３６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、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。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、加工動作時に２面拘束を実現し得る工具ホルダおよび工具ホルダ取付け構造として有利に利用され得る。
【符号の説明】
【００３８】
１０  主軸、１１  テーパ孔、１２ａ  基準端面、１２ｂ  主軸延出端面、２０  工具ホルダ、２１  テーパシャンク部、２２  鍔部、２３  鍔部端面、３０  プルスタッド。
【図１】
0005456112.tif 000002
【図２】
0005456112.tif 000003
【図３】
0005456112.tif 000004
【図４】
0005456112.tif 000005