(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸のスリーブ内に存在し、かつスリーブとの係合によって、引き棒との接点を中心として、先端部分が主軸の中心軸側に回転移動することができるコレットチャックに対する引き棒の後方への引っ張り力に基づき、コレットチャックが工具のプルボルトを把持する工具保持装置において、引き棒の前方部に、コレットチャックの数に応じた隆起部を引き棒の軸から放射方向に設け、該隆起部は、その後部において後側から前方側に順次隆起し、かつサラバネの前側に位置している傾斜部を有し、複数個の各コレットチャックは、その中途部位において該隆起部及び各球を嵌合する前後方向細長穴を上下両側を貫通した状態に設け、該穴の後端に球と当接し、かつサラバネの前側に位置している壁面を設け、スリーブの内壁に、該隆起部の該放射方向に対応し、かつサラバネの前側の位置に複数の窪みを設け、該窪みは、その前部において後側から前側にかけて順次下降する傾斜部を有し、該球は、隆起部の該傾斜部、コレットチャックの該後端に位置する壁面、及び窪みの該傾斜部の何れかの位置に同時に当接できる程度の大きさであり、隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部がそれぞれ該球と接する位置における軸方向に対する傾斜角度をそれぞれα、βとし、コレットチャックの該壁面が球と接する位置における軸と直交する方向に対する傾斜角度をγとし（但しα、β＞０であり、γは右上方向への傾斜角度の場合をγ＞０とする）、球に対する隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部及びコレットチャックの該壁面の各静止摩擦係数の平均値をμとした場合、サラバネの引き棒に対する軸方向の引っ張り力Ｆよりも、コレットチャックの該後端に位置する壁面が球に対し、前方に押す力ｆを大きくするために、α、β、γ及びμが下記式を充足することに基づく工具保持装置。
記
【数１】
0003646996.tif 000015
【請求項２】
コレットチャックの該壁面が垂直方向又は右上方向に傾斜させ、α、β、γ及びμが下記の式を充足することを特徴とする請求項１記載の工具保持装置。
記
【数２】
0003646996.tif 000016
【請求項３】
γ＝０とすることを特徴とする請求項１記載の工具保持装置。
【請求項４】
隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部及びコレットチャックの該壁面がそれぞれ直線状であることを特徴とする請求項１記載の工具保持装置。
【請求項５】
隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部及びコレットチャックの該壁面の少なくとも一部が曲線状であることを特徴とする請求項１記載の工具保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数の工具を使用する工作機械において、順次使用する工具を保持する保持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来コレットチャック２を使用した工具保持装置は、図１に示すように、工具のプルボルト部分をコレットチャック２によって把持しているが、この場合の把持力は、主軸３の内側に設けられているサラバネ５の引き棒１を介した引っ張り力（図１の矢印→によって示す。）に由来しており、かつその大きさは該引っ張り力によって支配されている。
【０００３】
そして、図１からも明らかなように、従来のコレットチャック２及び引き棒１の関係は、単にコレットチャック２の後端部と引き棒１の先端部の鍔状部分とが、相互に接触面を介してサラバネ５の引っ張り力を引き棒１がそのままコレットチャック２に伝達しているに過ぎなかった。
【０００４】
即ち、コレットチャック２を後方へ押圧する力は、引き棒１に対するサラバネ５の引っ張り力と同一であった。
【０００５】
通常主軸３内に収納されているサラバネ５の数は数十枚〜百数十枚程度であることが多いが、要請される工具に対する把持力によって、サラバネ５の数が決定される為、主軸３の長さはサラバネ５の枚数によって支配されることを免れない。
【０００６】
然るに、高速回転を行っている主軸３において、例えば軸断面の中心位置がずれること等を原因として、軸方向に対する垂直方向の振動が生ずることがあるが、この場合主軸３が長くなるにしたがって、該振動の共振周波数が低くなると共に、該垂直方向の振幅が大きくなる傾向がある。
【０００７】
このような軸と直交する方向の振動の振幅が大きいことは、主軸３の回転摩擦、更にはこれに伴って摩擦熱が大きくなり、極めて危険な回転状態となるが、これを避ける為、主軸３の回転速度に対する制約が必然的に生ずることになる。
【０００８】
即ち、主軸３の長さに応じて、その回転速度の制約が大きくならざるを得ないが、主軸３の長さがサラバネ５の数によって支配される以上、サラバネ５の数が増えるほど回転数の制約が大きくなるという不合理性を免れない。
【０００９】
しかも、主軸３が長くなるにしたがって、加工時間、運搬上の便宜、操作上の取り扱い、精度を要する加工上の運転等において不利とならざるを得ない。
【００１０】
このように、サラバネ５の引っ張り力の要請上、所定の長さの主軸３を使用せざるを得なかったにも拘らず、サラバネ５の引っ張り力を一層効率化させようとする工夫はこれまで行われていなかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のように、主軸が内包するサラバネの枚数によって、要請される長さを緩和する為、スリーブの内側、引き棒、コレットチャックの結合関係を改善して、サラバネの引っ張り力を、従来技術に比し、効率的に利用し、これによって逆にサラバネの枚数、ひいては主軸の長さを短縮できる工具保持装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成する為、本発明の構成は、主軸のスリーブ内に存在し、かつスリーブとの係合によって、引き棒との接点を中心として、先端部分が主軸の中心軸側に回転移動することができるコレットチャックに対する引き棒の後方への引っ張り力に基づき、コレットチャックが工具のプルボルトを把持する工具保持装置において、引き棒の前方部に、コレットチャックの数に応じた隆起部を引き棒の軸から放射方向に設け、該隆起部は、その後部において後側から前方側に順次隆起し、かつサラバネの前側に位置している傾斜部を有し、複数個の各コレットチャックは、その中途部位において該隆起部及び各球を嵌合する前後方向細長穴を上下両側を貫通した状態に設け、該穴の後端に球と当接し、かつサラバネの前側に位置している壁面を設け、スリーブの内壁に、該隆起部の該放射方向に対応し、かつサラバネの前側の位置に複数の窪みを設け、該窪みは、その前部において後側から前側にかけて順次下降する傾斜部を有し、該球は、隆起部の該傾斜部、コレットチャックの該後端に位置する壁面、及び窪みの該傾斜部の何れかの位置に同時に当接できる程度の大きさであり、隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部がそれぞれ該球と接する位置における軸方向に対する傾斜角度をそれぞれα、βとし、コレットチャックの該壁面が球と接する位置における軸と直交する方向に対する傾斜角度をγとし（但しα、β＞０であり、γは右上方向への傾斜角度の場合をγ＞０とする）、球に対する隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部及びコレットチャックの該壁面の各静止摩擦係数の平均値をμとした場合、サラバネの引き棒に対する軸方向の引っ張り力Ｆよりも、コレットチャックの該後端に位置する壁面が球に対し、前方に押す力ｆを大きくするために、α、β、γ及びμが下記式を充足することに基づく工具保持装置。
記
【数２】
0003646996.tif 000002
からなる。
【００１３】
【発明の作用】
図２は、本発明の前記構成の概略を示す引き棒１、コレットチャック２及び球４の形状を示す分解見取図であり、図３（イ）、(ロ)は、コレットチャック２の球４と接している壁面が右上方向に傾斜している場合、及び左上方向に傾斜している場合における軸方向側断面図を示す。
【００１４】
図３(イ)、(ロ)に示すように、引き棒１の前側部に、コレットチャック２の数に応じた隆起部１１を軸の中心位置から放射状に複数個設けた隆起部１１の後側傾斜部の球４と接している位置における傾斜角度を軸方向に対しαと設定する。
【００１５】
他方、各コレットチャック２に設けられた上下に貫通した軸方向の細長穴２１に、該隆起部１１及び球４が嵌合され、しかも球４は引き棒１がサラバネ５によって引っ張られ、これによってコレットチャック２を後側方向に押圧しており、引き棒１は、隆起部１１の後側傾斜部→球４→コレットチャックの細長穴２１の後側壁面２２の順序によって、サラバネ５の引っ張り力を伝達している。
【００１６】
そして、主軸３のスリーブ３１の内側において、引き棒１の各隆起部１１に対し、該放射方向に対応した位置に設けられた窪み３２の、前側に存在する傾斜部の該球４と接している位置における傾斜角度をβと設定し、コレットチャックの該壁面２２を、軸方向に対し該球４と接している位置における傾斜角度をγと設定した場合（但しγは、垂直又は右上方向に傾斜させた場合をγ≧０とする。）、サラバネ５の引き棒１に対する引っ張り力Ｆと、該球４を介したコレットチャックの該壁面２２に対する後側への押圧力ｆとの関係について考察する。
【００１７】
図３に示すように、球４と引き棒１の傾斜面との接触位置において、前記引っ張り力Ｆは、球４の中心方向の力Ｆ１と傾斜面に沿った力Ｆ’とに分解することができ、
Ｆ１＝Ｆsinα
Ｆ’＝Ｆcosα
が成立する。
【００１８】
球４と引き棒１、スリーブ３１の内側面、コレットチャックの壁面２２との静摩擦係数をそれぞれμ１、μ２、μ３とし、スリーブ３１の傾斜面及びコレットチャックの後側壁面２２の球４の中心方向に向かう抗力（引き棒１の球４に対する作用に抵抗して生ずる反発力）をそれぞれＦ２、Ｆ３とした場合、図３からも明らかなように、軸方向及びこれに直交する方向の力のバランスから、以下の式が成立する。
【数４】
0003646996.tif 000003
【数５】
0003646996.tif 000004
【００１９】
尚、上式において、球４の中心方向に向かう力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３に基づく静摩擦力は、実際のＦ１、Ｆ２、Ｆ３が大きな値である為、静摩擦力の上限値であるμ１Ｆ１、μ２Ｆ２、μ３Ｆ３の値となっている。
【００２０】
また、上２式だけでなく、回転モーメントのバランスを考慮した数式、即ち
【数６】
0003646996.tif 000005
（但しａ：球４の半径）が成立するが如くにも考えられるが、引き棒１の傾斜面、スリーブの窪み３２の傾斜面及びコレットチャックの後側壁面２２の何れにおいても、球４の回転を阻止する摩擦力、即ち回転摩擦力がこれらの各面において生じている為、上記の如き単に静摩擦力μ１Ｆ１、μ２Ｆ２、μ３Ｆ３のみによる回転モーメントのバランスの式は成立しない（各面との回転、摩擦力をも考慮したことによる式が成立することになる。）。
【００２１】
前記（１）、（２）の２式から、Ｆ２を消去した場合、
【数７】
0003646996.tif 000006
【００２２】
ここで、コレットチャックの壁面２２に作用する軸方向の力ｆは、抗力Ｆ３とその摩擦力μ３Ｆ３の各軸方向の成分の総和であるから、
【数８】
0003646996.tif 000007
である。
【００２３】
他方、Ｆ１＝Ｆsinαであるから、
【数９】
0003646996.tif 000008
が成立する。
【００２４】
ここで、球４と引き棒１、スリーブ３１及びコレットチャックの後側壁面２２の摩擦係数は概略等しいので、各面における静摩擦係数の平均値をμとした場合には、μ≒μ１≒μ２≒μ３が成立し、
【数１０】
0003646996.tif 000009
が成立する。（但し
【数１１】
0003646996.tif 000010
は値が小さいので省略した。）
【００２５】
上記（３）の式が１より大きい場合には、ｆ＞Ｆとなり、サラバネ５による引き棒１に対する引っ張り力Ｆよりも、コレットチャックの壁面２２への押圧力ｆの方が大きいことになる。
【００２６】
尚コレットチャックの壁面２２の球４と接する位置が、左上方向に傾斜している場合は、前記（３）の式において、tanγが負の値となるが、一般にμ＜１／２であるから、前記左上方向の傾斜の場合には、右上方向の傾斜の場合に比し、（３）式の分母が大きな値となる。
【００２７】
何れにせよ、ｆ＞Ｆとなる為には、前記（３）において、
【数１２】
0003646996.tif 000011
が成立することが必要である。
【００２８】
即ち、本願発明では、前記（４）を条件として、引き棒１に対するサラバネ５による引っ張り力Ｆを引き棒１の傾斜面、スリーブ３１の傾斜面及び球４を介することによるコレットチャックの壁面２２への押圧力ｆに変換することによってｆ＞Ｆを実現する点に、本願発明の基本的技術思想が存在する。
【００２９】
【実施例１】
実施例１は、前記（４）の式が比較的煩雑であることに着目し、特にγ＞０、即ちコレットチャックの壁面２２の球４と接する位置が右上方向に傾斜している場合において、前記（４）の要件に関する式を簡略させた実施例を示す。
【００３０】
前記右上方向の傾斜の場合には、tanγ・tanβ≧0であり、しかも一般に球４と各面との静摩擦係数が０．５よりも小さいので、
【数１３】
0003646996.tif 000012
が成立する。
【００３１】
従って、図３に示すコレットチャックの壁面２２が右上方向の傾斜している場合には、
【数１４】
0003646996.tif 000013
が成立する。
【００３２】
かくして、
【数１５】
0003646996.tif 000014
が成立する場合には、ｆ／Ｆ＞１が明らかに成立し、しかも（３）の式が１より大きい要件を一層簡略な式とすることができる。
【００３３】
【実施例２】
実施例２は、図４に示すように、コレットチャック２の球４と当接する壁面を、軸方向と直交する方向とし、γ＝０とすることを特徴としている。
【００３４】
実施例２においては、図４に示すように、壁面２２の球４の中心方向に向かう抗力Ｆ３と、コレットチャックの壁面２２に作用する軸方向の力ｆと同一方向とすることができる。
【００３５】
【実施例３】
実施例３は、引き棒１の傾斜面、スリーブ３１の傾斜面及びコレットチャックの後側壁面２２の少なくとも一部を湾曲した形状とした場合を示す。
【００３６】
即ち、図３及び図４では、引き棒１の傾斜面、スリーブ３１の傾斜面及びコレットチャックの後側壁面２２を何れも平面形状に設計した場合を示した。
【００３７】
しかしながら、図５に示すように、球４が接している引き棒１の傾斜面、スリーブ３１の傾斜面及びコレットチャックの後側壁面２２が湾曲していたとしても、前記（３）、（４）の式が１より大きい場合には、ｆ＞Ｆを実現することが可能である以上、本願発明は、引き棒１の傾斜面、スリーブ３１の傾斜面及びコレットチャックの後側壁面２２の少なくとも一部が湾曲していてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上の如き、引き棒の傾斜面、スリーブの傾斜面、コレットチャックの後側壁面及び球を用いたことによる本願発明の構成によって、サラバネの引っ張り力よりもコレットチャックの後側壁面に、大きな押圧力を作用させることが可能となるので、逆に、本願発明の工具保持装置では、従来の工具保持装置と比較した場合、工具に対する同一の把持力、即ち同一のコレットチャックに対する押圧力を実現するうえで、本願発明の場合にはサラバネの枚数を少なくし、ひいては、主軸の長さを短縮することができる。
【００３９】
これによって、主軸を従来技術に比し、短縮することができ、前記で述べたような主軸の回転数の制約、下降時間の短縮、運搬上の便宜、操作上の取扱及び精度を要する下降上の運転等において、従来技術の欠点を改良することが可能となる。
【００４０】
尚、本願の構成による引き棒、コレットチャック及びスリーブ面を用いた場合において、工具を取り外す工程を、図６(イ)、(ロ)、(ハ)、(ニ)、(ホ)によって示す（尚図６では、コレットチャックの後部壁面について、γ＝０とした平面形状の場合を示す。）。
【００４１】
即ち、本願発明にかかる工具保持装置においても、工具の取り外しは従来技術の場合と同様、当然可能である。
【００４２】
このように、本願発明は、サラバネの引っ張り力を効率的に利用することによって、主軸の長さを短縮し、これによって従来技術における長い主軸の長さを短縮し、これによって従来技術における諸々の欠点を克服することができるので、本発明の価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の工具保持装置の構成を示す側断面図
【図２】  本願発明の主軸、コレットチャック及び球の対応関係及び外形を示す見取図
【図３】  本願発明の基本的原理を説明する側断面図
【図４】  実施例２の基本構成を示す側面図
【図５】  実施例３の基本構成を示す側面図
【図６】  （イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）：本願発明において、工具を取り外す場合の工程を示す側面図
【符合の説明】
１：引き棒
１１：引き棒の隆起部
２：コレットチャック
２１：コレットチャックの細穴
２２：コレットチャックの後側壁部分
３：主軸
３１：スリーブ
３２：スリーブの窪み
４：球
５：サラバネ
６：弾性バネ
【図１】
0003646996.tif 000017
【図２】
0003646996.tif 000018
【図３】
0003646996.tif 000019
【図４】
0003646996.tif 000020
【図５】
0003646996.tif 000021
【図６】
0003646996.tif 000022