(57)【要約】【課題】工作機械の主軸回転時にツールホルダに遠心力が作用しても主軸テーパ穴とツールホルダテーパシャンク部の良好な接触状態を維持できるツールホルダ構造を見出すことである。【解決手段】切削工具の把持機構５とテーパシャンク部４とを有し、該テーパシャンク部４を工作機械のテーパ穴に嵌合して使用するツールホルダ２０であって、前記テーパシャンク部４をツールホルダの軸方向に複数部材２２、２３を結合して構成することを特徴とするツールホルダであり、テーパ面の接触状態の制御が容易に可能になるツールホルダ構造を提供し得た。【選択図】図１
2011025395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具の把持機構とテーパシャンク部とを有し、該テーパシャンク部を工作機械のテーパ穴に嵌合して使用するツールホルダであって、前記テーパシャンク部をツールホルダの軸方向に複数部材を結合して構成することを特徴とするツールホルダ。
【請求項２】
切削工具の把持機構とテーパシャンク部とを有し、該テーパシャンク部を工作機械のテーパ穴に嵌合して使用するツールホルダであって、前記テーパシャンク部をツールホルダの軸方向に中空円錐台形状部材を結合して構成したことを特徴とするツールホルダ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のツールホルダにおいて、テーパシャンク部を構成する部材の一つが鋳鉄製であることを特徴とするツールホルダ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のツールホルダにおいて、テーパシャンク部の部材の結合方法がねじ締結であることを特徴とするツールホルダ。
【請求項５】
テーパシャンク部小径側端部にツールホルダの回転中心軸と同軸方向に設けた貫通穴と、テーパ部材が結合されたプルスタッドボルトと、中空円錐台形状テーパシャンク部材の内周面に設けたテーパ面とを有する請求項２に記載のツールホルダであって、工作機械のドローバーで前記プルスタッドボルトが工作機械主軸に引き込まれたときに前記プルスタッドボルトに結合されたテーパ部材の外周面を中空円錐台形状テーパシャンク部材のテーパ面に当接させることを特徴としたツールホルダ。
【請求項６】
テーパシャンク部小径側端部にツールホルダの回転中心軸と同軸方向に設けた貫通穴と、テーパ部材が結合されたプルスタッドボルトと、中空円錐台形状テーパシャンク部材の内周面に設けたテーパ面とを有する請求項２又は請求項３に記載のツールホルダであって、工作機械のドローバーでプルスタッドボルトが工作機械主軸に引き込まれたときに前記プルスタッドボルトに結合されたテーパ部材の外周面を中空円錐台形状テーパシャンク部材のテーパ面に当接させることによって、主軸テーパ穴との接触面圧の調整が可能な構造としたことを特徴とするツールホルダ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のツールホルダにおいて、ツールホルダのテーパシャンク側フランジ端面を主軸端面と当接させることによって、ツールホルダのフランジ端面とテーパシャンク部の接触面圧の調整が可能な構造としたことを特徴とするツールホルダ。
【請求項８】
切削工具の把持機構とテーパシャンク部とを有し、該テーパシャンク部を工作機械のテーパ穴に嵌合して使用するツールホルダであって、ツールホルダのテーパシャンク側フランジ端面が主軸端面と当接させることによって、ツールホルダのフランジ端面とテーパシャンク部の接触面圧の調整が可能な構造としたことを特徴とするツールホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に金属加工を目的とした工作機械に用いられるツールホルダに関する発明である。ツールホルダは、テーパシャンク部と工具把持部とを有し、工具把持部で切削工具を把持するとともに、テーパシャンク部を工作機械主軸のテーパ穴に嵌合して使用する。ツールホルダの工作機械主軸への嵌合は、工作機械主軸に内蔵のドローバーでツールホルダテーパシャンク部の小径側端部にねじ締結したプルスタッドボルトをクランプして行われる。
【０００２】
本発明は、工作機械の主軸回転数が高速化しても、ツールホルダの把持力の低下が少なく、汎用的に用いられる工作機械の主軸構造に対応でき、ツールホルダのテーパシャンク部と工作機械主軸テーパ穴の接触状態を改善できるツールホルダを提供するものである。
【背景技術】
【０００３】
自動車部品といったプレス成形に用いられる金型を高効率で切削加工を実現する一つの方法として、大出力の高回転数主軸モータを搭載した工作機械による高速切削法があり、主軸回転数を高くして加工する方法が採用される。しかし、工作機械の主軸回転数を高速化することによって、加工中にびびり振動が発生しやすくなるなど、高速化を妨げる様々な問題が頻出することが知られている。
【０００４】
工作機械の高速回転時の耐びびり性を改善する方法として、特許文献１〜６に記載された従来技術がある。例えば、特許文献１や特許文献２では、工作機械主軸の高速回転域での切削加工でも良好な切削状態が維持できるツールホルダとして、二面拘束型のツールホルダが提案されている。この二面拘束型ツールホルダの特徴は、工作機械主軸に装着したときに工作機械主軸とツールホルダをテーパ面同士で接触させるほか、主軸端面でツールホルダのフランジ部と接触させるため、二つの接触面でツールホルダを工作機械主軸に拘束できる構造になっている。従来のＢＴシャンクのツールホルダとの互換性が高いこともその特徴の一つである。
【０００５】
しかし、従来の二面拘束型ツールホルダはその寸法管理が厳しく、主軸端面とツールホルダテーパシャンク面の両方で主軸との接触を実現し、かつ主軸回転が高速化してもそれらの接触を確実に維持することは困難である。工作機械主軸端面とツールホルダの接触状態が悪化した場合、従来の二面拘束型でないツールホルダより耐びびり性が低下するといった懸念もある。
【０００６】
また、特許文献３〜特許文献６では、ツールホルダのテーパシャンク部にテーパースリーブを嵌合してツールホルダの剛性や減衰性の向上を図る従来技術が提示されている。特許文献３では、ツールホルダのクランプ時にプルスタッドボルトをドローバーで主軸の奥行き方向に引っ張って主軸のテーパ穴に嵌合した場合、ツールホルダテーパシャンク部の一部に膨出部が発生して、ツールホルダの剛性の低下や芯振れの増大の原因となるとしている。
【０００７】
以上のように、高速回転時のツールホルダの耐びびり性を向上させるには、工作機械主軸とツールホルダの接触状態の改善が最も重要な課題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３-１９１１１２号公報
【特許文献２】特開２００１-９６５７号公報
【特許文献３】特開２００２-３７０１３４号公報
【特許文献４】特開２００３-１１７７５１号公報
【特許文献５】特開２０００-１５８２７０号公報
【特許文献６】特表２００７-５１８５８５号公報
【特許文献７】特許第２８４１２５４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】安東広之・小幡文雄・上原一剛、精密工学会発行、２００５年度精密工学会鳥取地方学術講演会講演論文集、第３１〜３２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
工作機械主軸の高速回転時の工作機械主軸およびツールホルダの耐びびり性の低下は、特許文献３中にも記載されているように、主軸の高速回転中時にツールホルダのテーパシャンクと工作機械主軸のテーパ部の接触状態の悪化がその原因の一つと考えられている。
【００１１】
ＳＣＭ４１５製テーパシャンクを有するツールホルダを工作機械主軸に把持して高速回転させた場合、非特許文献１に示されるように、工作機械主軸およびツールホルダに作用する遠心力によってテーパ面同士の良好な接触状態を維持することができなくなる。これは工作機械主軸のテーパ穴の大きさが遠心力によってツールホルダのテーパシャンク部より大きくなるためであり、工作機械主軸はツールホルダに比べて遠心力の影響を受けやすいことが原因と考えられる。
【００１２】
本来、ツールホルダの構造設計によってツールホルダシャンク部テーパ面での接触状態を改善できることが望ましい。しかし、従来の中実・一体のテーパシャンク部を有するツールホルダ構造ではテーパシャンク面における接触面圧を自由に制御することはできなかった。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、工作機械の主軸回転時にツールホルダに遠心力が作用しても主軸テーパ穴とツールホルダテーパシャンク部の良好な接触状態を維持できるツールホルダ構造を見出すことであり、本発明によってテーパ面の接触状態の制御が容易に可能になるツールホルダ構造を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明は、切削工具の把持機構とテーパシャンク部とを有し、該テーパシャンク部を工作機械のテーパ穴に嵌合して使用するツールホルダであって、前記テーパシャンク部をツールホルダの軸方向に複数部材を結合して構成したものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、ツールホルダの前記テーパシャンク部をツールホルダの軸方向に中空円錐台形状部材を結合して構成したものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のツールホルダにおいて、テーパシャンク部を構成する部材の一つが鋳鉄製であることを特徴とするツールホルダである。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のツールホルダにおいて、テーパシャンク部の部材の結合方法がねじ締結であることを特徴とするツールホルダである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、テーパシャンク部小径側端部にツールホルダの回転中心軸と同軸方向に設けた貫通穴と、テーパ部材が結合されたプルスタッドボルトと、中空円錐台形状テーパシャンク部材の内周面に設けたテーパ面とを有する請求項２に記載のツールホルダであって、工作機械のドローバーで前記プルスタッドボルトが工作機械主軸に引き込まれたときに前記プルスタッドボルトに結合されたテーパ部材の外周面を中空円錐台形状テーパシャンク部材のテーパ面に当接させることを特徴としたツールホルダである。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、テーパシャンク部小径側端部にツールホルダの回転中心軸と同軸方向に設けた貫通穴と、テーパ部材を結合したプルスタッドボルトと、中空円錐台形状テーパシャンク部材の内周面に設けたテーパ面とを有する請求項２又は請求項３に記載のツールホルダであって、工作機械のドローバーでプルスタッドボルトが工作機械主軸に引き込まれたときに前記プルスタッドボルトに結合されたテーパ部材の外周面を中空円錐台形状テーパシャンク部材のテーパ面に当接させることによって、主軸テーパ穴との接触面圧の調整が可能な構造としたことを特徴とするツールホルダである。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のツールホルダにおいて，ツールホルダのテーパシャンク側フランジ端面を主軸端面と当接させることによって、ツールホルダのフランジ端面とテーパシャンク部の接触面圧の調整が可能な構造としたことを特徴とするツールホルダである。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、切削工具の把持機構とテーパシャンク部とを有し、該テーパシャンク部を工作機械のテーパ穴に嵌合して使用するツールホルダであって、ツールホルダのテーパシャンク側フランジ端面が主軸端面と当接させることによって、ツールホルダのフランジ端面とテーパシャンク部の接触面圧の調整が可能な構造としたことを特徴とするツールホルダである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のツールホルダによれば、ツールホルダの内部構造の設計の自由度が増すとともに、テーパシャンク部の接触面圧分布の制御が可能になるので、高速回転時でも耐びびり性の高いツールホルダ構造を見出すことが可能になる。
【００２３】
本発明の請求項１〜４に記載の発明は、ツールホルダのテーパシャンク部を複数の部材からなる同種または異種の金属の結合により構成することを特徴とするツールホルダである。この構成によれば、ツールホルダテーパシャンク部の複数部材の適切な配置によって、主軸高速回転時でも主軸テーパ穴とツールホルダテーパシャンク部の接触状態を良好に保持できる構成となしえる。
【００２４】
本発明の請求項５および請求項６に記載の発明は、テーパシャンク部の内部にテーパ部材を設けることによって、プルスタッドの引き込み力を利用して主軸テーパ穴とツールホルダテーパ面との接触面圧を調整できるように構成したツールホルダであり、請求項１〜４に記載したツールホルダに比べてより細分化した領域での接触面圧の調整が可能になる。
【００２５】
本発明の請求項７および請求項８に記載の発明は、ツールホルダのテーパシャンク部長さの調整によって、ツールホルダのテーパシャンク側フランジ端面を主軸端面に当接させる構成にしてテーパシャンク部の接触面圧の調整だけなく、ツールホルダテーパシャンク側フランジ端面の接触面圧の調整も可能になる構成となしえる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１に係るツールホルダの構造を説明するための図である。
【図２】本発明における実施例１、実施例２、実施例３に係るツールホルダを嵌合した主軸系モデルの構造を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例１に係るツールホルダのテーパシャンク部の接触面圧分布のＦＥＭ解析結果を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係るツールホルダの構造を説明するための図である。
【図５】本発明の実施例２に係るツールホルダのテーパシャンク部の接触面圧分布のＦＥＭ解析結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例３に係るツールホルダの構造を説明するための図である。
【図７】本発明の実施例３に係るツールホルダのテーパシャンク部の接触面圧分布のＦＥＭ解析結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例４に係るツールホルダの構造を説明するための図である。
【図９】本発明の実施例５に係るツールホルダの構造を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例５に係るツールホルダのテーパシャンク部およびフランジ端面の接触面圧分布のＦＥＭ解析に用いた主軸系モデルの構造を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施例５に係るツールホルダのテーパシャンク部およびフランジ端面の接触面圧分布のＦＥＭ解析結果を示す図である。
【図１２】本発明の実施例６に係るツールホルダの構造を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略した。
【実施例１】
【００２８】
図１は、本発明の請求項１に係るツールホルダの構成を説明するための図である。図２は、図１に示したツールホルダテーパシャンク部４の接触面圧を解析するために用いた主軸系モデル２１であり、本発明の実施形態に係るツールホルダ２０を工作機械の主軸に装着したものである。
【００２９】
本実施例では、請求項１に係るツールホルダ２０の構造について、図２に示したＦＥＭ解析を用いた数値シミュレーションでその有効性について明らかにする。
【００３０】
図１、図２においてツールホルダ２０はその一端に主軸２のテーパ穴７に嵌合するテーパシャンク部４を有し、そのテーパシャンク部に連接して主軸端面１０に対向するフランジ部８を有する。テーパシャンク部４は、ツールホルダ２０本体に連接する小径側部材２３と小径側部材２３に嵌装された大径側部材２２とからなる。小径側部材２３と大径側部材２２の結合方法についての詳細な図示は省略するが、ねじ結合や金属拡散接合のように、小径側部材２３の端面２５と大径側部材２２の端面２４が堅固に固着できる方法であればいずれの方法でもよい。
【００３１】
本実施例のツールホルダテーパシャンク部４は、ツールホルダの軸方向に２つの部材に分割した構造としたが、３つ以上の複数部材を連接して構成してもよい。さらに、本実施例では、大径側部材２２と小径側部材２３はそれぞれ異なる金属材料としたが、同じ材質の材料で構成してもよい。
【００３２】
主軸系モデル２１は、鋼製の工作機械主軸２、請求項１に係るツールホルダ２０、軸受３、プルスタッドボルト６から構成される。なお、５はツールホルダのホルダ部、７は工作機械主軸の端部に形成されたテーパ穴であり、４はツールホルダのテーパシャンク部である。主軸系モデル２１では、ツールホルダ２０を主軸２のテーパ穴７に嵌装した場合、
主軸端１０とツールホルダフランジ部８の端面９との間には１ｍｍの隙間が生じる構造となっている。また、主軸２は４個の主軸端側アンギュラ玉軸受３で支持している。しかし、フランジ端面との隙間、軸受の配置および個数については、これらに限定されるものではない。
【００３３】
表１、表２および表３はそれぞれ、実施例１に係るツールホルダ２０のテーパシャンク面接触面圧分布の解析に用いた物性値と解析条件を示す。工作機械主軸２は鋼製とした。なお、本解析モデルでは簡略化のため軸受３の内輪は中実としたが、軸受内部の隙間による影響を考慮するため、軸受３の内輪のヤング率および密度の値はツールホルダ２０の材料の半分とした。表中のＬ／Ｄはツールホルダ２０のホルダ部５の長さＬとホルダ部５の直径Ｄの比であり、本解析モデルでは３とした。
【００３４】
【表１】
2011025395.tif 000003
【００３５】
【表２】
2011025395.tif 000004
【００３６】
【表３】
2011025395.tif 000005
【００３７】
本解析の主軸系モデル２１では、ツールホルダ２０とプルスタッドボルト６および主軸２と軸受３は、それぞれの接触面において互いに連結させた。ツールホルダのテーパシャンク部４と主軸テーパ穴７の面の接触は接触要素を用いてモデル化した。アンギュラ玉軸受３の外周は完全固定した。プルスタッドボルト６を介してツールホルダ２０にクランプ力Ｆｃ＝７ｋＮを加えた。主軸２の回転による遠心力を考慮するため、主軸２およびツールホルダ２０の回転軸に対して各回転速度に対応した角加速度ωを与えた。また、ＦＥＭ解析には市販の静的陰解法有限要素解析ソフトウェアを用い、解析モデルの対称性を考慮した１／４モデルで解析を行った。解析モデルの全要素数は約19,000 であった。
【００３８】
以下に、図１に示した実施例１に記載のツールホルダ２０の有効性について、図２に示
した主軸系モデル２１を用いた有限要素解析を行った結果に基づいて示す。表４に示す２種類の設計変数の組み合わせのツールホルダ２０について、テーパシャンク部の接触面圧解析を行った。
【００３９】
【表４】
2011025395.tif 000006
【００４０】
図３は、図１に示した実施形態のツールホルダ２０について主軸回転数がツールホルダテーパシャンク部４の接触面圧分布に及ぼす影響の解析結果を示す。なお、図３中には、本実施例のツールホルダ２０の有効性を示すために、通常用いられている一体型のＳＣＭ４１５製テーパシャンクを有するツールホルダのテーパシャンク部の接触面圧分布も示した。
【００４１】
実施例１の構成によるツールホルダ２０であれば、主軸回転数が高速になっても、工作機械主軸テーパ穴７とツールホルダ２０のテーパシャンク部４の接触は保持されており、それらの接触状態は良好であるといえる。従来の中実・一体構造のテーパシャンク部４を有するツールホルダでは主軸テーパ穴７との接触面圧の調整は容易ではなかったが、本発明のテーパシャンク部構造を採用すれば接触面圧の調整は容易になる。
【実施例２】
【００４２】
実施例１では、ツールホルダ２０のテーパシャンク部４は中実部材を結合して構成した構造であったが、この実施例でも部材の長さや材質によって接触面圧分布を制御可能であった。本実施例では、ツールホルダテーパシャンク部４は中空部材を結合して構成した構造の場合について、主軸に嵌合したときのテーパシャンク部の接触面圧をＦＥＭ解析で明らかにし、ツールホルダテーパシャンク部４を中空部材の結合で構成することの有効性について明らかにする。
【００４３】
図４は、ツールホルダテーパシャンク部４を中空部材の結合によって構成した中空・異種金属結合ツールホルダ３０の構造を示す図である。このツールホルダ３０は、その一端に主軸２（図２も参照、以下、図６、図８の説明時も同様）のテーパ穴７に嵌合するテーパシャンク部４を有し、そのテーパシャンク部４に連接して主軸端面１０に対向するフランジ部８を有する。テーパシャンク部４は、ホルダ本体３０に連接する小径側中空部材３３と小径側中空部材３３に嵌装された大径側中空部材３２とからなる。従来のＢＴシャンクのツールホルダは中実構造であるが、異種金属の結合を簡便な方法で実現するためにテーパシャンク部４の内部は中空構造とした。本実施例では、従来の中実ＢＴシャンクと互換性を保つため、テーパシャンク部のテーパは7/24 とし、大径側中空部材３２と小径側中空部材３３の部材はテーパシャンク部内部に設置したねじ結合する構造とした。
【００４４】
小径側中空部材３３と大径側中空部材３２の結合方法についての詳細な図示は省略するが、ねじ結合や金属拡散接合のように、小径側中空部材３３の端面３５と大径側中空部材
３２の端面３４が堅固に固着できる方法であればいずれの方法でもよい。また、実施例２のツールホルダ３０では、ツールホルダ３０のテーパシャンク部４をツールホルダの軸方向に２つの部材に分割した構造とし、大径側中空部材３２と小径側中空部材３３はそれぞれ異なる金属材料としたが、テーパシャンク部４の大径側中空部材３２と小径側中空部材３３は同じ材質の材料で構成してもよい。
【００４５】
図４に示したツールホルダテーパシャンク部４の接触面圧の解析には、実施例１に示した図２と同じ主軸系モデル３１を用いた。工作機械主軸テーパ穴７との接触面圧のＦＥＭ解析は、表５に示した２種類の設計因子の組み合わせで行った。また、テーパシャンク部４の接触面圧の解析条件と物性値は実施例１の表１〜表３に示した条件と同じとして解析を行った。
【００４６】
【表５】
2011025395.tif 000007
【００４７】
図５は、図４に示した実施形態のツールホルダ３０について主軸回転数がツールホルダテーパシャンク部４の接触面圧分布に及ぼす影響の解析結果を示す。なお、図５中には、本実施例のツールホルダ３０の有効性を示すために、通常用いられている一体型のＳＣＭ４１５製テーパシャンクを有するツールホルダのテーパシャンク部の接触面圧分布も示した。実施例２の構成によるツールホルダ３０であれば、設計因子の選択によってツールホルダテーパシャンク部の接触面圧の分布は大きく異なった。条件１では、主軸回転数が30,000 min-1で小径側中空部材の広い範囲で接触面圧が高いのに対して、条件２では小径側中空部材の一部分のみ接触面圧が高くなった。以上のように、本実施例の設計因子を変更することによって接触面圧分布の調整は可能である。
【実施例３】
【００４８】
実施例１、２のツールホルダ構造であっても、テーパシャンク部の部材の長さや材質によって接触面圧分布を制御可能であることが数値シミュレーション結果から明らかになった。
【００４９】
本実施例では、テーパシャンク部の接触面圧分布の制御をより細分化して制御できるツールホルダ構造についてＦＥＭ解析を用いた数値シミュレーションから明らかにする。
【００５０】
図６は、請求項６に係るツールホルダの構造を示す図である。ツールホルダ４０は、その一端に主軸２のテーパ穴７に嵌合するテーパシャンク部４を有し、そのテーパシャンク部４に連接して主軸端面１０に対向するフランジ部８を有する。テーパシャンク部４は、ツールホルダのフランジ部８に連接する小径側中空部材４３と小径側中空部材４３に嵌装された大径側中空部材４２とからなる。従来のＢＴシャンクのツールホルダは中実構造であるが、異種金属の結合を簡便な方法で実現するためにテーパシャンク部４の内部は中空構造とした。本実施例では、従来の中実ＢＴシャンクと互換性を保つため、テーパシャン
ク部４のテーパは7/24 とし、大径側中空部材４２と小径側中空部材４３はテーパシャンク部内部に設置したねじ結合する構造とした。
【００５１】
小径側中空部材４３と大径側中空部材４２の結合方法についての詳細な図示は省略するが、ねじ結合や金属拡散接合のように、小径側中空部材４３の端面４７と大径側中空部材４２の端面４６が堅固に固着できる方法であればいずれの方法でもよい。また、小径側中空部材４３は、本実施例のツールホルダでは、ツールホルダ４０のテーパシャンク部４をツールホルダ４０の軸方向に２つの部材に分割した構造とし、大径側中空部材４２と小径側中空部材４３はそれぞれ異なる金属材料としたが、テーパシャンク部４の大径側部材４２と小径側部材４３は同じ材質の材料で構成してもよい。
【００５２】
また、本実施例のツールホルダ４０は、テーパシャンク部４の小径側中空部材４３の端部にツールホルダ４０の回転中心軸と同軸方向に設けた貫通穴４８と、テーパ部材４４を結合したプルスタッドボルト５１と、小径側中空部材４３の内周面に設けたテーパ面４５とを有する。工作機械のドローバー（図示せず）でプルスタッドボルト５１が工作機械主軸２に引き込まれたときに前記プルスタッドボルト５１に結合されたテーパ部材４４の外周面を中空円錐台形状テーパシャンク部材のテーパ面４５に当接させる構造としたが，この構造に限定されるものでない。
【００５３】
図６に示したツールホルダ４０のテーパシャンク部４の接触面圧を解析には、実施例１に示した図２の主軸系モデル４１を用いた。工作機械主軸のテーパ穴７との接触面圧のＦＥＭ解析は、表６に示した２種類の寸法の組み合わせで行った。
【００５４】
【表６】
2011025395.tif 000008
【００５５】
以下に、図６に示した実施例３に記載のツールホルダ４０の有効性を、図２に示した主軸系モデル４１を用いたＦＥＭ解析結果に基づいて示す。図７は、図６に示した実施例３のツールホルダ４０について主軸回転数がツールホルダ４０のテーパシャンク部４の接触面圧分布に及ぼす影響の解析結果を示す。なお、図７中には、本実施例のツールホルダ４０の有効性を示すために、通常用いられている一体型のＳＣＭ４１５製テーパシャンクを有するツールホルダのテーパシャンク部の接触面圧分布も示した。実施例３の構成によるツールホルダ４０であれば、設計因子の選択によってツールホルダテーパシャンク部の接触面圧の分布は大きく異なった。条件１では、主軸回転数が30,000 min-1で小径側中空部材の両端部で接触面圧が高いのに対して、条件２では小径側中空部材の小径端部のみ接触面圧が高くなった。以上のように、本実施例の設計因子を変更することによって接触面圧分布の調整は可能である。
【実施例４】
【００５６】
実施例３では、テーパシャンク部の接触面圧分布の制御をより細分化して制御できるツ
ールホルダ構造を示した。ツールホルダの剛性やその減衰性を考慮する場合、請求項６に係るツールホルダは、実施例３に示した方法の他に、本実施例に示す構成とすることが望ましい。
【００５７】
図８は、請求項６に係るツールホルダの構造について、最も望ましい実施例を示す図である。ツールホルダ６０は、その一端に主軸２のテーパ穴７に嵌合するテーパシャンク部４を有し、そのテーパシャンク部４に連接して主軸端面１０に対向するフランジ部８を有する。テーパシャンク部４は、ツールホルダのフランジ部８に連接する小径側中空部材６３と小径側中空部材６３に嵌装された大径側中空部材６２とからなる。実施例２、実施例３に示した発明と同様、本実施例では、従来の中実ＢＴシャンクと互換性を保つため、テーパシャンク部４のテーパは7/24 とし、大径側中空部材６２と小径側中空部材６３はテーパシャンク部内部に設置したねじ結合する構造とした。
【００５８】
小径側中空部材６３と大径側中空部材６２の結合方法についての詳細な図示は省略するが、ねじ結合や金属拡散接合のように、小径側中空部材６３の端面６７と大径側中空部材６２の端面６６が堅固に固着できる方法であればいずれの方法でもよい。また、本実施例のツールホルダでは、大径側中空部材６２と小径側中空部材６３はそれぞれ異なる金属材料を想定しているが、テーパシャンク部４の大径側部材６２と小径側部材６３は同じ材質の材料で構成してもよい。
【００５９】
また、本実施例のツールホルダ６０は、テーパシャンク部４の小径側中空部材６３の端部にツールホルダ６０の回転中心軸と同軸方向に設けた貫通穴６８と、テーパ部材６４とテーパ部材６５を結合したプルスタッドボルト６１と、小径側中空部材６３の内周面にテーパ面７０とテーパ面７１を有する。工作機械のドローバー（図示せず）でプルスタッドボルト６１が工作機械主軸２に引き込まれたときに前記プルスタッドボルト６１に結合されたテーパ部材６４とテーパ部材６５の外周面をそれぞれ、中空円錐台形状テーパシャンク部材のテーパ面７０とテーパ面７１に当接させる構造とした。本実施例では、テーパ部材６４とテーパ部材６５の外周面が小径側中空部材６３のテーパ面７０とテーパ面７１に当接させる構造としたが、この構造に限定されるものではない。
【００６０】
本実施例に示した請求項６に記載したツールホルダは、中空円錐台形状テーパシャンク部材の内周面に設けた二カ所の接触面を設けることによって、請求項５に記載したツールホルダに比べてテーパシャンク部の接触面の制御をより細分化して行える。
【００６１】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【実施例５】
【００６２】
実施例１乃至実施例３に示したツールホルダ構造を採用すれば、ツールホルダテーパシャンク部の部材の長さや材質によってテーパシャンク部の接触面圧分布を制御可能であることが数値シミュレーション結果から明らかにした。
【００６３】
本実施例では、請求項７に記載のツールホルダ構造の採用によって、ツールホルダのテーパシャンク側のフランジ端面とテーパシャンク部の接触面圧分布を制御できるツールホルダ構造についてＦＥＭ解析を用いた数値シミュレーション結果から明らかにする。
【００６４】
図９は、請求項７に係るツールホルダの構造を示す図である。図１０は、図９に示したツールホルダのテーパシャンク部２１４およびフランジ端面２１０の接触面圧を解析するために用いた主軸系モデルであり、本発明の実施形態に係るツールホルダ２１２を工作機械主軸２００に装着した状態を示す。主軸系モデルは、鋼製の工作機械主軸２００、請求
項７に係るツールホルダ２１２、軸受２０６、プルスタッドボルト２０３から構成される。なお、２０１は工作機械主軸の端部に形成されたテーパ穴であり、２０８はツールホルダテーパシャンク部のテーパ面である。図１０に示した主軸系モデルでは、２個の主軸端側軸受２０６で主軸を支持しているが、軸受の配置および個数については、これらに限定されるものではない。請求項７に係るツールホルダ２１２のテーパシャンク面およびフランジ端面の接触面圧分布の解析には表７に示した物性値を用いた。工作機械主軸２００，ツールホルダ（小径側中空部材２０４を除く）２１２，プルスタッドボルト２０８は中炭素鋼製，ツールホルダテーパシャンク部２１４の小径側中空部材２０４は鋳鉄製とした。なお、本解析モデルでは簡略化のため軸受２０６は中実とし、軸受２０６の内輪のヤング率および密度の値はツールホルダ（小径側中空部材２０４を除く）２１２の材料と同じとした。図９，図１０においてツールホルダ２１２は、その一端に主軸２００のテーパ穴２０１に嵌合するテーパシャンク部２１４を有し、そのテーパシャンク部２１４に連接して主軸端面２１１に対向するフランジ部２１３を有する。テーパシャンク部２１４は、ツールホルダのフランジ部２１３に連接する大径側中実部材２０５と小径側中空部材２０４とからなる。従来のＢＴシャンクのツールホルダは中実構造であるが、本実施例ではテーパシャンク部の小径側部材２０４の内部は中空構造とした。また，本実施例では、従来の中実ＢＴシャンクと互換性を保つため、テーパ面２０８のテーパは7/24 とし、大径側中実部材２０５と小径側中空部材２０４はテーパシャンク部内部に設置したねじ結合する構造とした。
【００６５】
小径側中空部材２０４と大径側中実部材２０５の結合方法についての詳細な図示は省略するが、ねじ結合や金属拡散接合のように、小径側中空部材２０４と大径側中実部材２０５が堅固に固着できる方法であればいずれの方法でもよい。また、小径側中空部材２０４は、本実施例のツールホルダでは、ツールホルダ２１２のテーパシャンク部２０８をツールホルダ２１２の軸方向に２つの部材に分割した構造とし、大径側中実部材２０５と小径側中空部材２０４はそれぞれ異なる金属材料としたが、テーパシャンク部２１４の大径側中実部材２０５と小径側中空部材２０４は同じ材質の材料で構成してもよい。
【００６６】
また、本実施例のツールホルダ２１２は、テーパシャンク部２１４の小径側中空部材２０４の端部にツールホルダ２１２の回転中心軸と同軸方向に設けた貫通穴２１５と、テーパ部材２１６を結合したプルスタッドボルト２０３と、小径側中空部材２０４の内周面に設けたテーパ面２１７とを有する。工作機械のドローバー（図示せず）でプルスタッドボルト２０３が工作機械主軸２００に引き込まれたときに前記プルスタッドボルト２０３に結合されたテーパ部材２１６の外周面を小径側中空円錐台形状テーパシャンク部材２０４の内周面のテーパ面２１７に当接させる構造とした。
【００６７】
さらに，本実施例のツールホルダ２１２は，テーパシャンク部２１４の長さlの調整によってツールホルダ２１２のテーパシャンク側フランジ端面２１０を主軸端面２１１に当接させる構造とした．
工作機械主軸のテーパ穴２０１および主軸端面２１１との接触面圧のＦＥＭ解析は、表８に示した３種類の寸法の組み合わせで行った。
【００６８】
【表７】
2011025395.tif 000009
【００６９】
【表８】
2011025395.tif 000010
【００７０】
以下に、図９に示した請求項７に記載のツールホルダ２１２の有効性について、図１０に示した主軸系モデルを用いたＦＥＭ解析を行った結果に基づいて示す。図１１は、図９に示した実施例５のツールホルダ２１２について主軸回転数がツールホルダ２１２のテーパシャンク部テーパ面２０８とフランジ端面２１０の接触面圧分布に及ぼす影響の解析結果を示す。実施例５の構成によるツールホルダ２１２であれば、ツールホルダテーパシャンク部２１４の長さｌの選択によってツールホルダテーパシャンク部およびフランジ端面の接触面圧の分布は大きく異なった。条件１では、小径側中空部材２０４の一部分とフランジ端面の接触面圧が高いのに対して、条件３ではツールホルダはフランジ部のみで主軸と接触した。また、ツールホルダテーパシャンク部２１４の長さｌの調整によって、ツールホルダ小径側中空部材２０４の接触面圧の大きさも調整可能であることがわかる。以上のように、本実施例の設計因子であるテーパシャンク部長さｌを変更することによってツールホルダのテーパシャンク部２１４の接触面圧分布の調整が可能であり、また、テーパシャンク部２１４とフランジ端面２１０の接触面圧分布の調整も可能である。
【実施例６】
【００７１】
実施例５に示したツールホルダ構造を採用すれば、ツールホルダテーパシャンク部とツールホルダフランジの接触面圧分布を制御可能であることが数値シミュレーション結果から明らかにした。
【００７２】
図１２は、請求項８に係るツールホルダの実施形態の一つである。ツールホルダシャンク部２１４を中実一体構造としても、ツールホルダテーパシャンク長さを調整することによって、ツールホルダテーパシャンク部とツールホルダフランジ部端面の接触面圧分布の制御が可能となる。
【符号の説明】
【００７３】
２    主軸
３    軸受
４    ツールホルダのテーパシャンク部
５    ツールホルダのホルダ部
６    プルスタッドボルト
７    主軸のテーパ穴
８    ツールホルダのフランジ部
９    ツールホルダのフランジ端面
１０  主軸の端面
２０  実施例１に係るツールホルダ
２１  実施例１に係るツールホルダを嵌合した主軸系モデル
２２  実施例１に係るツールホルダテーパシャンク部の大径側部材
２３  実施例１に係るツールホルダテーパシャンク部の小径側部材
２４  実施例１に係るツールホルダの大径側部材２２の端面
２５  実施例１に係るツールホルダの小径側部材２３の端面
３０  実施例２に係るツールホルダ
３１  実施例２に係るツールホルダを嵌合した主軸系モデル
３２  実施例２に係るツールホルダテーパシャンク部の大径側部材
３３  実施例２に係るツールホルダテーパシャンク部の小径側部材
３４  実施例２に係るツールホルダの大径側部材３２の端面
３５  実施例２に係るツールホルダの小径側部材３３の端面
４０  実施例３に係るツールホルダ
４１  実施例３に係るツールホルダを嵌合した主軸系モデル
４２  実施例２に係るツールホルダテーパシャンク部の大径側部材
４３  実施例２に係るツールホルダテーパシャンク部の小径側部材
４４  テーパ部材
４５  テーパ面
４６  実施例３に係るツールホルダの大径側部材４２の端面
４７  実施例３に係るツールホルダの小径側部材４３の端面
４８  実施例３に係るツールホルダの小径側部材４３の端部に設けた貫通穴
４９  プルスタッドボルトのおねじ
５０  プルスタッドボルトのフランジ部
５１  実施例３に係るプルスタッドボルト
６０  実施例４に係るツールホルダ
６１  実施例４に係るプルスタッドボルト
６２  実施例４に係るツールホルダテーパシャンク部の大径側部材
６３  実施例４に係るツールホルダテーパシャンク部の小径側部材
６４  プルスタッドボルト６１に結合したテーパ部材
６５  プルスタッドボルト６１に結合したテーパ部材
６６  実施例４に係るツールホルダの大径側部材６２の端面
６７  実施例４に係るツールホルダの小径側部材６３の端面
６８  実施例４に係るツールホルダの小径側部材６３の端部に設けた貫通穴
６９  プルスタッドボルト６１のおねじ
７０  実施例４に係るツールホルダの小径側部材６３の内周面に設けたテーパ面
７１  実施例４に係るツールホルダの小径側部材６３の内周面に設けたテーパ面
２００  工作機械主軸
２０１  工作機械主軸テーパ穴
２０３  実施例５に係るツールホルダに装着したプルスタッドボルト
２０４  実施例５に係るツールホルダテーパシャンク部の小径側部材
２０５  実施例５に係るツールホルダテーパシャンク部の大径側部材
２０６  軸受
２０８  実施例５に係るツールホルダのテーパシャンク部のテーパ面
２１０  実施例５に係るツールホルダのテーパシャンク側フランジ端面
２１１  工作機械主軸端面
２１２  実施例５に係るツールホルダ
２１３  実施例５に係るツールホルダのフランジ部
２１４  実施例５に係るツールホルダのテーパシャンク部
２１５  実施例５に係るツールホルダの小径側部材２０４の端部に設けた貫通穴
２１６  実施例５にかかるツールホルダのテーパ部材
２１７  実施例５に係るツールホルダの小径側部材内周面のテーパ面
【図１】
2011025395.tif 000011
【図２】
2011025395.tif 000012
【図３】
2011025395.tif 000013
【図４】
2011025395.tif 000014
【図５】
2011025395.tif 000015
【図６】
2011025395.tif 000016
【図７】
2011025395.tif 000017
【図８】
2011025395.tif 000018
【図９】
2011025395.tif 000019
【図１０】
2011025395.tif 000020
【図１１】
2011025395.tif 000021
【図１２】
2011025395.tif 000022