(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具を把持する工具把持部を備え、内部に高粘性流体又はゲルのダンパ物質を封入するダンパ室を備えた工具ホルダであって、
前記ダンパ室の両端を一対のフリーピストンで塞ぎ、一方のフリーピストンに前記工具の振動を伝達する振動伝達部材を工具から延長して接触させることによりこのフリーピストンを振動伝達部材と前記ダンパ物質で挟持させ、他方のフリーピストンを、前記ダンパ室にねじ結合した固定部材で押えることにより、ダンパ物質と固定部材で挟持させたことを特徴とする工具ホルダ構造。
【請求項２】
請求項１記載の工具ホルダと、この工具ホルダを工作機械のスピンドルに取り付ける為のシャンクと、このシャンクをスピンドルに抜差しするためにシャンクに形成した把持用フランジとからなり、前記スピンドルからシャンクを脱着すること、シャンクから工具ホルダを脱着すること、工具ホルダから工具を脱着することのいずれかが自在に行えることを特徴とする工具保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば切削工具の振動を減衰することのできる工具ホルダ構造及び工具保持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークに深溝を加工するときに、溝の深さに応じた長さの切削工具を使用するが、切削工具が長くなると切削時に振動が発生し易くなる。切削工具に振動が発生すると、切削工具の寿命が短くなり、また深溝の加工精度を十分に確保することができない虞がある。
この問題を解消するために、例えば特開平６−３１５０７号公報の「旋削工具」が提案されており、この技術の要旨を次図に示す
【０００３】
図７は従来の工具の断面図であり、ホルダ本体１００に収納穴１０１を形成し、ウエイト１０２を弾性体１０３でヘッド１０５に取り付け、収納穴１０１内に粘流体１０６を充填した状態でヘッド１０５をホルダ本体１００にねじ結合して収納穴１０１にウエイト１０２を収納する。このヘッド１０５は切刃１０７を備える。
【０００４】
切刃１０７でワークを加工する際に、工具に振動が発生してウエイト１０２が固有の振動数（以下、固有振動数という）で振動する。従って、ウエイト１０２の固有振動数をホルダ本体１００の固有振動数に一致させ、かつウエイト１０２の周期がホルダ本体１００の周期と逆相になるようにウエイト１０２を振動させることによりホルダ本体１００の振動を減衰することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ヘッド１０５には弾性体１０３を介してウエイト１０２が取り付けられているので、ヘッド１０５を交換する場合には、例えば新たなヘッド１０５にウエイト１０２を取り付け直す必要があるので、ウエイト１０２の固有振動数を再調整しなければならない。このため、ヘッド１０５の交換には時間がかかる。
従って、ヘッド１０５に取り付けた切刃１０７が損耗しても、切刃１０７の交換に時間がかかり、切刃１０７を簡単に交換することができない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、防振用の工具の交換を簡単に行うことができる技術を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の請求項１は、工具を把持する工具把持部を備え、内部に高粘性流体又はゲルのダンパ物質を封入するダンパ室を備えた工具ホルダであって、前記ダンパ室の両端を一対のフリーピストンで塞ぎ、一方のフリーピストンに前記工具の振動を伝達する振動伝達部材を工具から延長して接触させることによりこのフリーピストンを振動伝達部材と前記ダンパ物質で挟持させ、他方のフリーピストンを、前記ダンパ室にねじ結合した固定部材で押えることにより、ダンパ物質と固定部材で挟持させたことを特徴とする。
【０００８】
工具を工具把持部で工具ホルダに取り付ける構成にしたので、工具の脱着を簡単に行うことができる。このため、例えば工具の切刃が損耗したとき、時間をかけないで新たな工具と交換することができる。
【０００９】
また、工具ホルダのダンパ室を一対のフリーピストンで塞いでダンパ室にダンパ物質を封入した。このため、工具ホルダに発生した振動を一対のフリーピストンを介してダンパ物質に伝え、ダンパ物質の振動により工具ホルダの振動を吸収して熱として消散する。従って、工具ホルダに発生した振動を減衰することができる。
【００１０】
一方、工具の振動を伝達する振動伝達部材を一方のフリーピストンに接触させた。このため、工具に発生した振動を振動伝達部材及び一方の先フリーピストンを介してダンパ物質に伝え、ダンパ物質の振動により工具の振動を吸収して熱として消散する。従って、工具に発生した振動を減衰することができる。
【００１１】
請求項２は、請求項１記載の工具ホルダと、この工具ホルダを工作機械のスピンドルに取り付ける為のシャンクと、このシャンクをスピンドルに抜差しするためにシャンクに形成した把持用フランジとからなり、スピンドルからシャンクを脱着すること、シャンクから工具ホルダを脱着すること、工具ホルダから工具を脱着することのいずれかが自在に行えることを特徴とする。
【００１２】
スピンドルからシャンクを外して、シャンクから工具ホルダを外すことができるので、シャンクを交換して工具ホルダを他の工作機械に適合させることができる。
また、工具ホルダから工具を簡単に取外すことができるので、例えば工具の切刃が損耗しても、新たな工具と交換して工具ホルダを継続して使用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る工具保持装置（第１実施例）を使用するＮＣ工作機械の斜視図であり、図左上に示すＸはテーブルの移動方向、ＹはＸに直交する軸、ＺはＸ，Ｙに直交する鉛直軸である。
【００１４】
ＮＣ工作機械１０は、ベース１１にＸ軸方向に移動自在に取付けたテーブル１２と、このテーブル１２の両側から立上げた固定コラム１３と、この固定コラム１３にＹ軸に平行に固定したレール１４と、このレール１４に沿って移動自在に取付けたＹ軸部１５と、このＹ軸部１５にＺ軸に平行に移動自在に取り付けたＺ軸部１６と、このＺ軸部１６に取り付けてテーブル１２上のワーク１７を切削する切削工具装置２０ａと、この切削工具装置２０ａを交換するための自動工具交換装置１８とからなる。
【００１５】
自動工具交換装置１８は、ツールマガジン１９ａとチェンジャアーム１９ｂとからなり、ツールマガジン１９ａは切削工具装置２０ａ・・・（・・・は複数個を示す）を予め納めておくものであり、チェンジャアーム１９ｂはＺ軸部１６の切削工具装置２０ａをツールマガジン１９ａの切削工具装置２０ａ・・・と交換するものである。
切削工具装置２０ａは、本発明に係る工具保持装置２０に工具２２を取り付けたものである。以下、本発明に係る工具保持装置２０を詳しく説明する。
【００１６】
図２は本発明に係る工具保持装置（第１実施例）の断面図である。
工具保持装置２０は、工具２２を保持する工具ホルダ構造３０と、この工具ホルダ構造３０をＺ軸部１６（図１に示す）のスピンドル７０に取り付ける為のシャンク７５と、このシャンク７５をスピンドル７０に抜差しするためにシャンク７５に形成した把持用フランジ７７とからなる。
工具２２は、例えば鋳造金型等のワーク１７（図１に示す）に深溝を加工するために球状の底刃２２ａをもつボールエンドミルであって、上方に延長した振動伝達部材２４（すなわち、工具柄部になる部分）を一体に備えたものである。
【００１７】
工具ホルダ構造３０は、工具２２を把持する工具把持部３２をホルダ本体４０の先端に備え、内部にダンパ物質５０を封入するダンパ室５２を備え、ダンパ室５２の両端５３，５４を各々一方のフリーピストン６０（以下、先フリーピストン６０と記す）及び他方のフリーピストン６４（以下、後フリーピストン６４と記す）で塞ぎ、先フリーピストン６０に工具２２と一体の振動伝達部材（工具柄部）２４を接触させることにより先フリーピストン６０を振動伝達部材２４とダンパ物質５０で挟持させ、後フリーピストン６４をスクリュープラグなどの固定部材６８で押えることにより、ダンパ物質５０と固定部材６８で挟持させたものである。
【００１８】
工具把持部３２は、ホルダ本体４０のテーパ穴４５にコレットチャック３３を差し込んで、コレットチャック３３の外周テーパ面３３ａをテーパ穴４５の内周テーパ面４５ａに接触させ、コレットチャック３３の先端溝３３ｂに押付リング３５の内周３５ａを差し込み、押付リング３５の外周に連結リング３６でナット３７を連結し、ナット３７をホルダ本体４０の先端ねじ部４４にねじ結合したものである。
【００１９】
このため、把持ナット３７を締め付けると、押付リング３５を介してコレットチャック３３をホルダ本体４０側に押し付けることができる。この結果、コレットチャック３３の外周テーパ面３３ａをホルダ本体４０の内周テーパ面４５ａに押し付け、コレットチャック３３を縮径して工具２２を把持することができる。
また、把持ナット３７を緩めることにより、コレットチャック３３を拡径して工具２２を簡単に取り外すことができる。
【００２０】
工具２２をホルダ本体４０にコレットチャック３３で取り付ける構成にしたので、工具２２の脱着を簡単に行うことができる。このため、例えば工具２２の切刃２２ａが損耗したとき、時間をかけないで新たな工具２２と交換することができる。
【００２１】
ホルダ本体４０は、シャンク７５の把持用フランジ７７にボルト４１で取り付け可能なフランジ４２を形成し、後端外周にシャンク７５のテーパ穴７８に差し込むためのテーパ部４３を形成し、先端外周にナット３７をねじ結合するための先端ねじ部４４を形成し、先端にコレットチャック３３を差し込むためのテーパ穴４５を形成し、テーパ穴４５の後方に振動伝達部材２４を差し込むための差込穴４６を形成し、差込穴４６の後方にダンパ物質５０を封入するダンパ室５２を備え、ダンパ室５２の後方に固定部材６８をねじ結合するためのねじ部６９を形成した筒形部材である。
ホルダ本体４０は、ボルト４１を緩めることでシャンク７５から取り外すことができる。
【００２２】
先フリーピストン６０は、円柱状のピストン本体６１の中央に環状溝６１ａを形成して、環状溝６１ａにＯリング６２を取り付けたものであって、Ｏリング６２をダンパ室５２の内周５５に接触させてダンパ室５２の先端５３を塞ぎ、かつダンパ室５２の下面５３ａにピストン本体６１の下面６１ｂを押し付けると共にピストン本体６１の下面６１ｂに振動伝達部材２４の背面２４ａを当接させたものである。
【００２３】
後フリーピストン６４は、円柱状のピストン本体６５の中央に環状溝６５ａを形成して、環状溝６５ａにＯリング６６を取り付けたものであって、Ｏリング６６をダンパ室５２の内周５５に接触させてダンパ室５２の後端５４を塞いだものである。
【００２４】
ダンパ物質５０は、高粘性流体又はゲルを使用することによって振動を減衰するためのものである。
以下、ダンパ物質５０として高粘性流体を使用した例を説明する。高粘性流体５０は、一例として温度４０℃のときの動粘度νが６７．９×１０−６ｍ２／ｓ（６７．９ｃＳｔ）の潤滑油である。
ここで、動粘度νは、絶体粘度（粘性係数）ηと密度ρとの比η／ρで表される。なお、絶体粘度ηとは、流体内部において互に接する流体の相対運動に抵抗する粘性の程度をいう。
【００２５】
この高粘性流体５０は、外部から加えられた振動を速やかに吸収して、熱として消散させる能力が大きい。高粘性流体５０には粒子が浮遊状態で存在しているので、外部からの振動で粒子が粘性変形を繰り返し、振動エネルギを内部摩擦熱に変えて消散するためである。
【００２６】
このため、ダンパ物質５０をホルダ本体４０に封入するだけで、ホルダ本体４０や工具２２の振動エネルギをダンパ物質５０で吸収することができるので、簡単な構成の防振用工具保持装置２０を得ることができる。この結果、工具保持装置２０のコストを抑えることができる。
【００２７】
シャンク７５は、Ｚ軸部１６（図１に示す）のスピンドル７０に差込むための外周テーパ部７６を形成し、下端にシャンク７５をスピンドル７０に抜差しするときに把持する把持用フランジ７７を形成し、下端にホルダ本体４０のテーパ部４３を差し込むためのテーパ穴７８を形成したものである。
７１はシャンク７５にねじ結合したつかみ部であり、７２・・・はつかみ部７１を掴む爪である。従って、爪７２・・・をつかみ部７１から解放することにより、シャンク７５を取り外すことができる。
【００２８】
このため、工具保持装置２０は、スピンドル７０からシャンク７５を脱着すること、シャンク７５から工具ホルダ構造３０を脱着すること、工具ホルダ構造３０から工具２２を脱着することのいずれかが自在に行える。
【００２９】
従って、シャンク７５を交換することにより、工具ホルダ構造３０を他の工作機械に取り付けることができる。このため、工具ホルダ構造３０を複数の工作機械に汎用的に使用することができる。
また、工具ホルダ構造３０から工具２２を簡単に取り外すことができるので、例えば工具２２の切刃２２ａが損耗しても、新たな工具２２と交換して工具ホルダ構造３０を継続して使用することができる。
【００３０】
以上に述べた本発明に係る工具ホルダ構造の作用を説明する。
図３は本発明に係る工具ホルダ構造（第１実施例）の第１作用説明図であり、ホルダ本体４０に発生した振動を減衰する例を説明する図である。
工具保持装置２０を矢印▲１▼の如く回転させながら矢印▲２▼の如く移動して工具２２でワーク１７に深溝１７ａを加工する。このとき、工作機械側の振動が矢印▲３▼の如くシャンク７５からホルダ本体４０に伝わり、ホルダ本体４０から先・後のフリーピストン６０，６４を介して矢印▲４▼，▲４▼の如く高粘性流体５０に伝わる。
【００３１】
高粘性流体５０が振動することにより、高粘性流体５０の粒子が粘性変形を繰り返してホルダ本体４０の振動エネルギを内部摩擦熱に変えて消散する。この結果、ホルダ本体４０に発生した振動カーブ８０を振動カーブ８２に減衰することができる。
【００３２】
図４は本発明に係る工具ホルダ構造（第１実施例）の第２作用説明図であり、工具２２に発生した振動を減衰する例を説明した図である。
工具保持装置２０を矢印丸１の如く回転させながら矢印丸２の如く移動して工具２２でワーク１７に深溝１７ａを加工する。このとき、工具２２が白抜き矢印の如く振動して、この振動が矢印丸５の如く工具２２→振動伝達部材２４→先フリーピストン６０→高粘性流体５０に伝わる。
【００３３】
高粘性流体５０が振動することにより、高粘性流体５０の粒子が粘性変形を繰り返して工具２２の振動エネルギを内部摩擦熱に変えて消散する。この結果、工具２２に発生した振動カーブ８４を振動カーブ８６に減衰することができる。
【００３４】
図５（ａ），（ｂ）は本発明に係る工具ホルダ構造（第１実施例）の減衰状態を説明するグラフであり、（ａ）は減衰手段を備えない工具保持装置の振動加速度を「比較例」として示し、（ｂ）は図１〜図３で説明した工具保持装置１０の振動加速度を「実施例」として示した。縦軸は加速度（Ｇ）を示し、横軸は加工時間（Ｔ）を示す。
【００３５】
切削条件は、工具の突出長さＬを８０ｍｍ、工具の回転数Ｒを１２０００ｒｐｍとして、鋳造金型に切削深さ６７．５ｍｍの深溝を加工し、このときに工具に発生する加速度Ｇを計測し、さらに加工精度を確認した。
（ａ）は、工具の最大加速度は３．１Ｇであり、ワークの加工精度を十分に高め難いことが判った。
（ｂ）は、工具の最大加速度は０．６Ｇであり、（ａ）の最大加速度３．１Ｇと比較すると約１／５に減衰して、ワークの加工精度を十分に高めることができることが判った。
【００３６】
次に、第２実施例を説明する。
前記第１実施例では、ダンパ物質５０として高粘性流体をダンパ室５２に封入したが、高粘性流体５０に空気を混合した状態でダンパ室５２に封入しても同様の効果を得る。
空気を混合することにより、ダンパ室５２内で高粘性流体５０が振動しやすくなり、外部の振動を効率よく吸収することができる。
【００３７】
ここで、高粘性流体と空気との割合は、高粘性流体：空気＝９：１に設定した。
空気が１０％を越えると、高粘性流体５０を適量確保することができなくなり、高粘性流体５０で外部の振動を効率よく吸収することができないからである。
空気が１０％以下になると、空気を混合しない状態とほぼ同じになるからである。
【００３８】
次に、第３実施例を説明する。
前記第１実施例では、ダンパ物質５０として高粘性流体をダンパ室５２に封入したが、ダンパ物質５０としてゲル（gel）を使用しても同様の効果を得ることができる。
ゲル５０は、一例としてシリコーン（Silicone）をベースとした付加反応型シリコーンであって、２液を混合した後、真空脱泡・加熱硬化させて針入度（ＪＩＳ  Ｋ２５３０）を５０〜２００としたゲル状物質である。
【００３９】
シリコーンは、けい素を含む有機化合物の高分子同族体の総称であり、その状態により、シリコーングリース、シリコーンオイル、シリコーン樹脂と呼ばれるものである。
針入度は、針入度計で測定したゲルの硬さを示す数値であって、所定温度において針に荷重５０ｇをかけ、針が所定時間にゲルに貫入する深さをｍｍ単位で測定し、その数の１０倍で表示したものである。
【００４０】
図６は本発明に係る工具ホルダ構造（第３実施例）の減衰状態を説明するグラフであり、縦軸は加速度（Ｇ）を示し、横軸は加工時間（Ｔ）を示す。
切削条件は、工具の突出長さＬを８０ｍｍ、工具の回転数Ｒを１２０００ｒｐｍとして、鋳造金型に切削深さ６７．５ｍｍの深溝を加工し、このときに工具に発生する加速度Ｇを計測し、さらに加工精度を確認した。
工具の最大加速度は０．５Ｇであり、第１実施例の工具の最大加速度の０．６Ｇより小さい。従って、ワークの加工精度をさらに高めることができることが判った。
【００４１】
前記実施例では、工具保持装置１０を工作機械に縦向きにセットした例を説明したが、横向きにセットしても同様な効果を得ることができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、工具を工具把持部で取り付ける構成にしたので、工具の脱着を簡単に行うことができる。このため、例えば工具の切刃が損耗したとき、時間をかけないで新たな工具と簡単に交換することができる。
【００４３】
また、工具ホルダに発生した振動を一対のフリーピストンを介してダンパ物質に伝え、ダンパ物質を振動させてホルダ本体の振動を減衰することができる。一方、工具に発生した振動を振動伝達部材及び先フリーピストンを介してダンパ物質に伝え、ダンパ物質を振動させて工具に発生した振動を減衰することができる。
このように、工具ホルダの振動や工具の振動を減衰することができるので、切削工具の寿命を長くすることができ、また深溝の加工精度を高めることができる。
【００４４】
請求項２は、スピンドルからシャンクを脱着すること、シャンクから工具ホルダを脱着すること、工具ホルダから工具を脱着することのいずれかが自在に行える。このため、スピンドルからシャンクを外して、シャンクから工具ホルダを外すことができるので、シャンクを交換して工具ホルダを他の工作機械に適合させることができる。この結果、工具ホルダを複数の工作機械に汎用的に使用することができる。
【００４５】
また、工具ホルダから工具を簡単に取外すことができるので、例えば工具の切刃が損耗しても、新たな工具と交換して工具ホルダを継続して使用することができる。この結果、工具保持装置の使い勝手が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る工具保持装置（第１実施例）を使用するＮＣ工作機械の斜視図
【図２】本発明に係る工具保持装置（第１実施例）の断面図
【図３】本発明に係る工具ホルダ構造（第１実施例）の第１作用説明図
【図４】本発明に係る工具ホルダ構造（第１実施例）の第２作用説明図
【図５】本発明に係る工具ホルダ構造（第１実施例）の減衰状態を説明するグラフ
【図６】本発明に係る工具ホルダ構造（第３実施例）の減衰状態を説明するグラフ
【図７】従来の工具の断面図
【符号の説明】
２０…工具保持装置、２２…工具、２４…振動伝達部材、３０…工具ホルダ構造、３２…工具把持部、５０…ダンパ物質、５２…ダンパ室、５３…先端、５４…後端、６０…先フリーピストン、６４…後フリーピストン、６８…固定部材、７０…スピンドル、７５…シャンク、７７…把持用フランジ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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