(57)【要約】【課題】交差角度の設計自由度が高く、かつ精密加工にも適用できるアングルヘッド工具を提供する。【解決手段】工作機械の主軸３に接続されるシャンク１０と、ワークを切削するツール２０と、前記ツール２０を保持するホルダ３０と、前記工作機械の主軸ヘッド２に接続されかつ前記シャンク１０および前記ホルダ３０を回転自在に保持するケース４０とを有し、前記シャンク１０の回転軸線Ａ１と前記ホルダ３０の回転軸線Ａ２とが所定の交差角度θとされたアングルヘッド工具１であって、前記シャンク１０の回転を前記ホルダ３０に伝達する伝達機構６９が、入力側の軸部１４と出力側の軸部３１とを任意の交差角度θで連結可能な自在継手６０を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸に接続されるシャンクと、ワークを切削するツールと、前記ツールを保持するホルダと、前記工作機械の主軸ヘッドに接続されかつ前記シャンクおよび前記ホルダを回転自在に保持するケースとを有し、前記シャンクの回転軸線と前記ホルダの回転軸線とが所定の交差角度とされたアングルヘッド工具であって、
前記シャンクの回転を前記ホルダに伝達する伝達機構が、入力側の回転軸と出力側の回転軸とを任意の交差角度で連結可能な自在継手を含むことを特徴とするアングルヘッド工具。
【請求項２】
請求項１に記載したアングルヘッド工具において、
前記ケースは、前記シャンクを保持する固定ケースと、前記自在継手および前記ホルダを収容する回転ケースとを有し、前記固定ケースと前記回転ケースとは互いに前記シャンクの回転軸線まわりに回転可能かつ任意の角度位置で固定可能であることを特徴とするアングルヘッド工具。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載したアングルヘッド工具において、
前記ケースは、前記シャンクの回転軸線と前記ホルダの回転軸線との交差位置より前記シャンク側の基部と、前記交差位置より前記ホルダ側の傾斜部とを有し、前記基部と前記傾斜部とは前記交差位置において接続されていることを特徴とするアングルヘッド工具。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れかに記載したアングルヘッド工具において、
前記自在継手は、前記入力側の回転軸に直交する回動軸と前記出力側の回転軸に直交する回動軸とが互いに直交方向に配置されたカルダン型ジョイントであることを特徴とするアングルヘッド工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アングルヘッド工具に関し、主軸の軸線と交差する方向の軸線を中心に刃物を回転させる工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、切削加工分野ではマシニングセンタ等の工作機械が多用されている。
これらの工作機械では、切削工具が装着された主軸を高速回転させるとともに、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸駆動系で工具の刃物位置を正確に制御し、ワークに対する高精度の加工を実現している。
通常、工作機械における主軸は、主軸ヘッドに支持されて一定の方向を向いており、従って工作機械における工具の向きも一定である。しかし、近年の多様な加工要求にあっては、工具の向きを主軸の回転軸線に対して交差方向、たとえば直角とすることが求められることがある。
このような要求に応えるものとして、アングルヘッド工具（アングルヘッドアタッチメント）が利用されている（特許文献１参照）。
【０００３】
アングルヘッド工具は、円筒状あるいは箱状のケーシングの一端に主軸と接続可能なテーパーシャンクを有する。ケーシングの他端にはテーパーシャンクの回転軸線と交差方向の軸線で回転可能な刃物が設置され、ケーシングの内部にはテーパーシャンクの回転を刃物に伝達する伝達機構が設置される。さらに、ケーシングには、廻り止め用として、テーパーシャンクを主軸に装着した際に主軸ヘッドと係合する係合機構が設置される。
このようなアングルヘッド工具では、テーパーシャンクを主軸に装着することで、係合機構によりケーシングと主軸ヘッドとが一体化され、この状態で主軸が回転することでテーパーシャンク、伝達機構および刃物が回転し、この刃物により主軸と交差する回転方向での切削加工（アングルヘッド加工）を行うことができる。
【０００４】
アングルヘッド工具における刃物の向き（主軸軸線を中心とした刃物の回転軸線の向き）は、ケーシングと主軸ヘッドとの廻り止め用の係合機構により規定される。
例えば、主軸と刃物とが直角をなすものであれば、ケーシングの主軸軸線まわりの角度位置により、刃物の軸線は主軸直交平面内の任意の方向に設定が可能である。
これらの向きの設定は、手動操作により行われることもあるが、割り出し位置決め装置による自動設定も提案されている（特許文献２および特許文献３参照）。
【０００５】
特許文献２の割り出し位置決め装置は、テーパーシャンクの外周の複数位置に、ケーシングと主軸ヘッドとを係合させる廻り止め用の係合機構を有するとともに、係合機構を解除した際にケーシングとテーパーシャンクとが係合される構造とされ、係合機構を解除した状態で主軸を微速で回転させることでケーシングの主軸軸線まわりに回転させ、テーパーシャンクの外周の何れかの係合機構で係合させることで、複数の角度位置を選択できるようにしている。
【０００６】
特許文献３の装置では、アングルヘッドの主軸ヘッドに対する取付角度は一定としておき、この角度一定の部分に対して回動する部分を設け、これを主軸で回転させることで姿勢調整を行えるようにしている。
このような特許文献３の構成によれば、主軸の回転を利用してアングルヘッドの主軸ヘッドに対する取付角度を調整する点は前述した特許文献２と同様であるが、さらに構造の簡素化を図ることができる。すなわち、特許文献３の構成においては、主軸に対する廻り止め用の係合機構を簡素化することができ、外側への張り出しも解消することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１３０４２３号公報
【特許文献２】特公平３−４３３９号公報
【特許文献３】特開２０１１−２４５６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した特許文献１〜３のアングルヘッド工具では、一般に主軸の回転軸線と刃物の回転軸との交差角度が９０度に設定されている。そして、主軸の回転を交差方向の刃物の回転として伝達するために、それぞれ内部に歯車機構を用いており、９０度の角度変換を行うために各４５度の傘歯歯車を一対で用いる構成が採用されている。
ところが、従来のアングルヘッド工具において、主軸に対して刃物の交差角度を他の角度、例えば３０度あるいは４５度としたいという要望がある。
【０００９】
このような要望に対し、従来のアングルヘッド工具では、主軸と刃物の回転軸の交差角度を他の角度に変更しようとすると、ケース部分の再設計はもとより、傘歯形状およびこれらの収まり等といった歯車機構の再設計が必要となる。
このような歯車機構の再設計が必要となるために、従来のアングルヘッド工具においては、交差角度の変更のような設計変更が難しいという問題がある。
また、設計変更の困難さとともに、通常の稼働時においても、歯車機構による回転の伝達であるために、噛み合いに伴う微小な振動が避けられず、精密加工の際に支障を来す虞があるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、交差角度の設計自由度が高く、かつ精密加工にも適用できるアングルヘッド工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、工作機械の主軸に接続されるシャンクと、ワークを切削するツールと、前記ツールを保持するホルダと、前記工作機械の主軸ヘッドに接続されかつ前記シャンクおよび前記ホルダを回転自在に保持するケースとを有し、前記シャンクの回転軸線と前記ホルダの回転軸線とが所定の交差角度とされたアングルヘッド工具であって、前記シャンクの回転を前記ホルダに伝達する伝達機構が、入力側の回転軸と出力側の回転軸とを任意の交差角度で連結可能な自在継手を含むことを特徴とする。
【００１２】
このような本発明では、シャンクが主軸で回転駆動されることで、この回転が伝達機構を介してホルダに伝達され、ツールを回転させることで加工が行われる。
この際、ホルダおよびツールは、シャンクおよび主軸に対して所定の交差角度で配置され、アングルヘッド工具として使用することができる。
そして、伝達機構においては、所定の交差角度での回転伝達を行うために自在継手（ユニバーサルジョイント）を用いているため、従来の歯車機構の噛み合いのような微小な振動等を回避することができ、精密加工にも適用することができる。
【００１３】
さらに、本発明では、ホルダおよびツールとシャンクおよび主軸との交差角度を変更したい場合、ケースを交換することで簡単に対応することができる。伝達機構においては、自在継手によって任意の交差角度に対応できるため、伝達機構についての再設計は不要である。従って、交差角度の変更にあたっては、ケースの設計変更だけで済み、任意の交差角度のアングルヘッド工具を自由に設計、製造することができる。
【００１４】
なお、本発明において、ツールとしては、エンドミル、ドリル、フライスカッタ等の各種刃物あるいは切削工具が利用できる。また、切削に限らず、研削工具や研磨工具などの他の原理に基づくツールを採用することもできる。
これらのツールは、ホルダに着脱自在とすることで随時交換できるようにすることが望ましい。
【００１５】
本発明のアングルヘッド工具において、前記ケースは、前記シャンクを保持する固定ケースと、前記自在継手および前記ホルダを収容する回転ケースとを有し、前記固定ケースと前記回転ケースとは互いに前記シャンクの回転軸線まわりに回転可能かつ任意の角度位置で固定可能であることが望ましい。
【００１６】
このような本発明では、固定ケースに対して回転ケースを回転させ、任意角度で固定することで、主軸ヘッドに対するツールの向き、つまりアングルヘッド工具としての向きを自由に選択することができる。
このようなツールの向きは、手動操作により回転ケースを回転させて固定してもよいが、例えば主軸の回転を利用して回転ケースを固定ケースに対して回転させることにより自動運転で行ってもよい。このような自動運転による向きの調整には、特許文献３に記載の技術を利用することができる。
【００１７】
本発明のアングルヘッド工具において、前記ケースは、前記シャンクの回転軸線と前記ホルダの回転軸線との交差位置より前記シャンク側の基部と、前記交差位置より前記ホルダ側の傾斜部とを有し、前記基部と前記傾斜部とは前記交差位置において接続されていることが望ましい。
【００１８】
このような本発明では、交差角度に応じてケースを設計変更する場合でも、基部および傾斜部の各々の設計は流用し、その接続部分について重点的に設計を行うことで対応でき、設計作業を簡単に行うことができる。
さらに、基部と傾斜部とを、交差位置を中心に回動可能かつ任意の角度位置で固定可能な構造とし、ケースを可動式とすることで、アングルヘッド工具としての交差角度を任意に設定および変更することができる。つまり、ケースの設計変更および交換ではなく、同じケースのまま自由に交差角度を変更することができ、工作機械上での稼働中において交差角度を随時変更することができる。
【００１９】
本発明のアングルヘッド工具において、前記自在継手は、前記入力側の回転軸に直交する回動軸と前記出力側の回転軸に直交する回動軸とが互いに直交方向に配置されたカルダン型ジョイントであることが望ましい。
【００２０】
このような本発明では、自在継手としてカルダン型ジョイント（フック型ジョイント）を用いることで、確実な回転伝達を図ることができる。
さらに、カルダン型ジョイントの特徴である不等速性（一回転の間での角速度の変動）を利用して、ツールの回転速度を各回転の間に脈動させることができ、いわゆる切削性能の向上に利用することができる。
【００２１】
なお、本発明の自在継手としては、カルダン型ジョイントに限らず、等速ボールジョイントでもよく、角速度一定となることで安定した加工が可能となる。また、自在継手としてスプリングジョイントを用いてもよく、きわめて構造簡素で安価である。但し、スプリングジョイントは大きなトルクが働いた際に弾性変形して位相遅れ等を生じることがあるので配慮が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態を示す斜視図。
【図２】前記実施形態を示す部分断面図。
【図３】前記実施形態を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、図２および図３の各部において、本発明のアングルヘッド工具１は、工作機械の主軸ヘッド２および主軸３に装着されて用いられるものである。
主軸３は主軸ヘッド２に回転自在に支持され、図示しないモータにより回転駆動される。工作機械には主軸ヘッドをＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向に移動させる駆動機構が設置され、アングルヘッド工具１は工作機械のテーブル上に設置されたワークに対して相対移動可能である。
【００２４】
アングルヘッド工具１は、主軸３に接続されるシャンク１０と、ワークを切削するツール２０と、ツール２０を保持するホルダ３０と、主軸ヘッド２に接続されかつシャンク１０およびホルダ３０を回転自在に保持するケース４０とを有する。
アングルヘッド工具１では、シャンク１０の回転軸線Ａ１とツール２０およびホルダ３０の回転軸線Ａ２とが所定の交差角度θとされている。
本実施形態において、交差角度θは例えば３０度である。ただし、本実施形態では、交差角度θは０度から９０度の範囲で適宜設定してもよい。なお、交差角度θが９０度のとき、本実施形態のアングルヘッド工具１は、従来のアングルヘッド工具と同様の機能を有するものとなる。
【００２５】
アングルヘッド工具１は、ケース４０の内部にシャンク１０の回転をホルダ３０に伝達する伝達機構６９を有する。この伝達機構６９は、入力側の回転軸と出力側の回転軸とを、前述した交差角度θを含む任意の交差角度で連結可能とする自在継手６０を含む。
【００２６】
シャンク１０は、既存の工作機械で多用される規格に基づくテーパー式ツールシャンクであり、主軸３の先端に形成されたチャックに連結され、主軸３により回転駆動される。
シャンク１０には自動工具交換装置（ＡＴＣ）で把持するための把持部１１が形成されている。把持部１１には、ＡＴＣのホルダを係合させるためのＶ溝１２および主軸３に装着された際に主軸３と係合される廻り止め用のキー溝１３が形成されている。
シャンク１０の把持部１１には軸部１４が接続され、軸部１４はケース４０により回転自在に保持されている。
【００２７】
ケース４０は、固定ケース４１および回転ケース４２とで構成されている。
固定ケース４１は、シャンク１０の軸部１４を回転自在に保持するものであり、軸部１４と同軸の円筒状に形成されている。
固定ケース４１の側面には、径方向に延びる延長部４３が設置され、この延長部４３には主軸ヘッド２に接続するためのサブシャンク４４が設置されている。
主軸ヘッド２には、サブシャンク４４に対応した位置に係止ブロック４が設置され、シャンク１０を主軸３に接続した際にはサブシャンク４４が係止ブロック４に係合され、これにより固定ケース４１は主軸３の回転に拘わらず主軸ヘッド２に対して回り止めされる。
【００２８】
回転ケース４２は、一部が固定ケース４１内に収容され、当該部分が図示しない軸受機構を介して支持されている。このような構造により、回転ケース４２は固定ケース４１に対して主軸３と同軸つまり回転軸線Ａ１を中心に回転自在とされている。
回転ケース４２の周囲には角度目盛４５が形成され、固定ケース４１に対する角度位置を目視できるようになっている。固定ケース４１と回転ケース４２との間には、図示しない係合機構が設置され、この係合機構により固定ケース４１と回転ケース４２とを任意の角度位置で互いに係合可能である。
このようなケース４０においては、固定ケース４１と回転ケース４２とを任意の角度位置とすることができ、主軸ヘッド２に対するツール２０の向きを任意に設定することができる。
【００２９】
回転ケース４２は、固定ケース４１に回転自在に接続された基部４６と、基部４６に対して所定角度で傾斜した傾斜部４７とで構成される。
図２に示すように、傾斜部４７内には軸受機構４８が設置され、ホルダ３０は軸受機構４８により回転自在に支持されている。
軸受機構４８およびホルダ３０は、その回転中心が前述した回転軸線Ａ２となるように設置され、主軸３の回転軸線Ａ１に対して前述した所定の交差角度θだけ傾斜されている。
【００３０】
ホルダ３０は、軸受機構４８に支持された軸部３１と、軸部３１の先端つまり回転ケース４２から露出した部分に形成されたチャック３２と、チャック３２の外周に螺合されてチャック３２を締め付けるリング３３とを備えている。
ツール２０は、基部をチャック３２に挿入されたうえリング３３で締め付けられることでホルダ３０に固定され、ホルダ３０とともに回転することで先端の刃物によりワークの切削加工を行うことができる。
【００３１】
図２に示すように、ホルダ３０の軸部３１とシャンク１０の軸部１４とを連結するために、回転ケース４２内に自在継手６０が設置されている。
自在継手６０は、例えば一対のヨーク部材６１，６２およびスパイダ６３で構成されるクロスピンジョイント方式のカルダン型ジョイント（フック型ジョイント）であり、ヨーク部材６１およびスパイダ６３を連結する回転軸とヨーク部材６２およびスパイダ６３を連結する回転軸とが直交方向に配置されることで、回転軸線を任意の角度に屈曲させた状態で回転を伝達可能である。
【００３２】
自在継手６０は、回転ケース４２の屈曲した部分つまり基部４６と傾斜部４７とが連結される部分に配置されており、基部４６内において一方のヨーク部材６１がシャンク１０の軸部１４に接続され、傾斜部４７内において他方のヨーク部材６２がホルダ３０の軸部３１に接続されている。
本実施形態においては、シャンク１０の軸部１４、自在継手６０およびホルダ３０の軸部３１により伝達機構６９が構成されている。この伝達機構６９により、シャンク１０に伝達された主軸３の回転力が、自在継手６０を介して前述した所定の交差角度θだけ傾斜したホルダ３０に伝達され、これによりツール２０を回転駆動可能である。
【００３３】
このような本実施形態における作用効果として、以下を挙げることができる。
本実施形態では、シャンク１０が主軸３で回転駆動されることで、この回転が伝達機構６９を介してホルダ３０に伝達され、ツール２０を回転させることでワークの加工を行うことができる。
この際、ホルダ３０およびツール２０の回転軸線Ａ２は、シャンク１０および主軸３の回転軸線Ａ１に対して所定の交差角度θとされ、アングルヘッド工具１としての機能を得ることができる。
そして、伝達機構６９においては、所定の交差角度θでの回転伝達を行うために自在継手６０（ユニバーサルジョイント）を用いているため、従来の歯車機構の噛み合いのような微小な振動等を回避することができ、精密加工にも適用することができる。
【００３４】
本実施形態では、ホルダ３０およびツール２０とシャンク１０および主軸３との交差角度θを変更したい場合、ケース４０を交換することで簡単に対応することができる。
伝達機構６９においては、自在継手６０によって任意の交差角度θに対応できるため、伝達機構６９についての再設計は不要である。従って、交差角度θの変更にあたっては、ケース４０の設計変更だけで済み、任意の交差角度θのアングルヘッド工具１を自由に設計、製造することができる。
【００３５】
とくに、本実施形態では、ケース４０を固定ケース４１および回転ケース４２に分け、自在継手６０を回転ケース４２に納めることで、固定ケース４１については交差角度θに拘わらず共用することができ、設計変更は回転ケース４２についてのみ行えばよい。
このため、交差角度θの変更に伴う設計変更が必要な部品を最小限とすることができ、設計作業の簡略化、設計変更に伴うコスト低減を一層進めることができる。
【００３６】
本実施形態においては、ケース４０を固定ケース４１および回転ケース４２に分け、これらの固定ケース４１と回転ケース４２とがシャンク１０および主軸３の回転軸線Ａ１まわりに回転可能かつ任意の角度位置で固定可能とした。このため、固定ケース４１に対して回転ケース４２を回転させ、任意角度で固定することで、主軸ヘッド２に対するツール２０の向き、つまりアングルヘッド工具１としての向きを自由に選択することができる。
【００３７】
本実施形態では、ケース４０を構成する回転ケース４２をシャンク１０側の基部４６と、ホルダ３０側の傾斜部４７とに分け、これらを回転軸線Ａ１，Ａ２の交差位置である自在継手６０の位置で接続するようにした。このため、回転ケース４２を交差角度θに応じて設計変更する場合でも、基部４６および傾斜部４７の各々の設計は流用し、その接続部分について重点的に設計を行うことで対応でき、設計作業を簡単に行うことができる。
【００３８】
本実施形態においては、自在継手６０としてヨーク部材６１，６２およびスパイダ６３を用いたカルダン型ジョイントを用いているため、確実な回転伝達を行うことができる。
さらに、自在継手６０においては、カルダン型ジョイントの特徴である不等速性（一回転の間での角速度の変動）を利用して、ツール２０の回転速度を各回転の間に脈動させることができ、いわゆる切削性能の向上に利用することができる。
【００３９】
〔変形例〕
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲内での変形等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、ツール２０としてエンドミルを用いたが、本発明のツールとしては、エンドミル以外にも、ドリル、フライスカッタ等の各種刃物あるいは切削工具が利用できる。また、切削に限らず、研削工具や研磨工具などの他の原理に基づくツールを採用することもできる。
これらのツールは、前記実施形態のように、ホルダ３０に着脱自在とすることで随時交換できるツール２０とすることが望ましい。但し、ホルダ３０に固定されて交換できないツールであってもよい。
【００４０】
前記実施形態では、主軸ヘッド２に対するツール２０の向きは、手動操作により回転ケース４２を回転させて固定ケース４１に固定するとしたが、例えば主軸３の回転を利用して回転ケース４２を固定ケース４１に対して回転させることにより自動運転で行ってもよい。
このような自動運転による向きの調整には、特許文献３に記載の技術を利用することができる。
【００４１】
前記実施形態では、基部４６と傾斜部４７とが所定の交差角度θで固定的に接続された一体式の回転ケース４２を用いたが、基部４６と傾斜部４７とが回動可能に接続された可動式の回転ケース４２としてもよい。
例えば、基部４６と傾斜部４７とを、自在継手６０が設置された位置を中心に回動可能に接続され、かつ任意の角度位置で固定可能な構造としておけば、アングルヘッド工具１としての交差角度θを任意に設定および変更することができる。つまり、ケース４０の設計変更および交換ではなく、同じケース４０のまま自由に交差角度θを変更することができ、工作機械上での稼働中において交差角度θを随時変更することができる。
【００４２】
前記実施形態では、自在継手６０としてカルダン型ジョイントを用いたが、これに限らず、等速ボールジョイントを用いてもよい。自在継手６０として等速ボールジョイントを用いた場合、角速度一定となることで安定した加工が可能となる。また、自在継手６０としてスプリングジョイントを用いてもよく、きわめて構造簡素で安価にできる。
【００４３】
前記実施形態では、伝達機構６９に自在継手６０を１つだけ設置したが、複数の自在継手６０を直列に設置してもよい。
この際、複数の自在継手６０は同じ形式のものを連結してもよく、異なる形式の継手を連結してもよい。
複数のカルダン型ジョイントを連結する場合、各々の位相を一致させることで前述した不等速性による脈動を強調することができる。一方で、２つのカルダン型ジョイントの位相を９０度とすることで、各々における不等速性を相殺することもでき、途中の位相角とすることで不等速性を加減することもできる。
【００４４】
前記実施形態では、交差角度θを３０度とし、あるいは交差角度θを０度から９０度の範囲で適宜設定してもよいとしたが、交差角度θを６０度以上にする場合、自在継手６０を２つ以上とし、個々の自在継手６０が分担する角度がなるべく４５度を超えないようにすることが望ましい。
このように複数の自在継手６０を用いれば、例えば９０度以上の交差角度θ、つまりツール２０が主軸ヘッド２側を向くような配置とすることも可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…アングルヘッド工具
２…主軸ヘッド
３…主軸
４…係止ブロック
１０…シャンク
１１…把持部
１２…溝
１３…キー溝
１４…軸部
２０…ツール
３０…ホルダ
３１…軸部
３２…チャック
３３…リング
４０…ケース
４１…固定ケース
４２…回転ケース
４３…延長部
４４…サブシャンク
４５…角度目盛
４６…基部
４７…傾斜部
４８…軸受機構
６０…自在継手
６１，６２…ヨーク部材
６３…スパイダ
６９…伝達機構
Ａ１，Ａ２…回転軸線
θ…交差角度
【図１】
2014037025.tif 000003
【図２】
2014037025.tif 000004
【図３】
2014037025.tif 000005