(57)【要約】  回転ツールホルダ（２０）は、フランジ（６６）と、テーパ状外側表面（６４）と、前部および後部の接触部分（６０）と、を有するシャンク（５８）を含む。テーパ状外側表面（６４）は、スピンドルのテーパ状ボアに対応し、可撓性のある円形カンチレバー（７０、１０３）は、接触部分の一方または両方に設けられ、カンチレバーの自由端（７６、１０５）が、遠心力のため半径方向に膨張し、テーパ状ボア（５３）との接触を維持するようにする。シャンク（５８）は、内側部材（１１３）およびその上に配置されたスリーブ（１１５）から形成されることができ、その中で、スリーブ（１１５）の一部が、円形カンチレバーを形成する。円形カンチレバー（２５６）はまた、シャンク（２５３）に形成されたキャビティ（２６０）によって形成されることもできる。あるいは、円形カンチレバー（２５６）の代わりに、ツールホルダのシャンクは、一定の速度用に最適化されるテーパを有することができ、シャンク（４０３）のテーパは、静止時に第１のテーパ、および、所望の速度で異なるテーパ（＆ＰＨｇｒ；２）を有する。【選択図】図５
2007518585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドルのテーパ状ボアに回転ツールを取り外し可能に保持するための回転ツールホルダであって、
前記テーパ状ボアに対応するテーパ状外側表面を有するシャンクであって、前部接触部分および後部接触部分を有するシャンクと、
前記前部接触部分に隣接したフランジと、
前記前部接触部分および前記後部接触部分の一方に隣接した第１の円形カンチレバーであって、固定端および自由端を有する第１の円形カンチレバーと、
を具備し、
前記スピンドルに配置されるときに前記回転ツールホルダが回転すると、結果として、前記第１の円形カンチレバーの前記自由端が、これもまた回転中に遠心力の影響下で半径方向に膨張する前記テーパ状ボアの後部との接触を維持するように、遠心力の影響下で半径方向に膨張することになる回転ツールホルダ。
【請求項２】
前記円形カンチレバーは、前記テーパ状ボアとの接触を維持するために弾性的に変形可能である請求項１記載の回転ツールホルダ。
【請求項３】
前記テーパ状外側表面に環状凹領域をさらに具備し、前記環状凹領域は、前記前部接触部分および前記後部接触部分の中間に位置する請求項１記載の回転ツールホルダ。
【請求項４】
前記シャンクの後部面に形成されたキャビティであって、前記第１の円形カンチレバーの少なくとも一部を形成する外側表面を有するキャビティと、
前記キャビティに捉えられた第１の端と、前記キャビティの外側に第２の端とを有するプルスタッドであって、前記第２の端は、前記回転ツールホルダが前記スピンドルに位置決めされた後に、該第２の端に加えられた張力を有するように適合されるプルスタッドと、
をさらに具備し、
前記第２の端にかけられた張力は、前記第１の端をして、前記キャビティに、前記シャンクが該キャビティの中に位置決めされるときに、前記外側表面を前記テーパ状ボアへ向けて半径方向に外向き方向に付勢する外向き半径方向力を加えさせる請求項１記載の回転ツールホルダ。
【請求項５】
前記テーパ状外側表面に環状凹領域をさらに具備し、前記環状凹領域は、前記前部接触部分および前記後部接触部分の中間に位置する請求項４記載の回転ツールホルダ。
【請求項６】
前記キャビティのより広い底部領域からそのより狭い領域へテーパし、ボトルネックを形成する内側表面部分を有する前記キャビティと、
前記キャビティの前記より広い領域に捉えられたより大きな遠位部分から、前記キャビティの前記より狭い領域を通って延在するより狭いネックへテーパする前記プルスタッドの前記第１の端と、
をさらに具備し、
前記第２の端に加えられた張力は、前記キャビティから前記より大きな遠位部分を引くように作用し、前記より狭い領域を半径方向に外向きに付勢する請求項４記載の回転ツールホルダ。
【請求項７】
固定端および自由端を有する第２の円形カンチレバーであって、前記前部接触部分に隣接して位置し、その前記自由端が前記フランジへ向けて延在する第２の円形カンチレバーと、
前記後部接触部分に隣接して位置し、その前記自由端が前記シャンクの後部面へ向けて延在する前記第１の円形カンチレバーと、
をさらに具備し、
前記回転ツールホルダが前記スピンドル内で回転すると、結果として、前記第１および第２の円形カンチレバーの各々の前記自由端が、これもまた回転中に遠心力の影響下で半径方向に膨張する前記テーパ状ボアの後部との接触を維持するように、遠心力の影響下で半径方向に膨張することになる請求項１記載の回転ツールホルダ。
【請求項８】
前記シャンクは、
内側部材と、
前記内側部材上に配置されたスリーブ部材であって、テーパ状外側表面および第１の端を有し、前記第１の端の第１の部分は、前記自由端および前記固定端を有する前記第１の円形カンチレバーを形成し、前記自由端は前記内側部材から間隔をおかれるスリーブ部材と、
をさらに具備する請求項１記載の回転ツールホルダ。
【請求項９】
前記シャンクの前記前部接触部分および前記後部接触部分の中間に、前記スリーブ部材の前記テーパ状外側表面に、環状凹領域をさらに具備する請求項８記載の回転ツールホルダ。
【請求項１０】
第２の端を有し、前記第２の端の第２の部分は自由端および固定端を有する第２の円形カンチレバーを形成し、前記自由端は前記内側部材から間隔をおかれる前記スリーブ部材と、
前記シャンクの前記前部接触部分に隣接して位置決めされた前記スリーブ部材の前記第２の部分であって、前記第２の円形カンチレバーの前記自由端は前記フランジへ向けて延在する前記第２の部分と、
前記シャンクの前記後部接触部分に隣接して位置決めされた前記スリーブ部材の前記第１の部分であって、前記第１の円形カンチレバーの前記自由端は前記シャンクの後部面へ向けて延在する前記第１の部分と、
をさらに具備し、
前記回転ツールホルダが前記スピンドル内で回転すると、結果として、前記第１および第２の円形カンチレバーの各々の前記自由端が、これもまた回転中に遠心力の影響下で膨張する前記テーパ状ボアとの接触を維持するように、遠心力の影響下で半径方向に膨張することになる請求項８記載の回転ツールホルダ。
【請求項１１】
前記第１および第２の部分の中間に、前記スリーブ部材の前記テーパ状外側表面に、環状凹領域をさらに具備する請求項１０記載の回転ツールホルダ。
【請求項１２】
外側噛み合い表面を有する前記内側部材であって、前記外側噛み合い表面は、テーパ状部分と略円筒形部分とを有する前記内側部材と、
内側噛み合い表面を有する前記スリーブ部材であって、前記内側噛み合い表面は、前記外側噛み合い表面の前記テーパ状部分に対応するテーパ状部分を有し、前記第１の円形カンチレバーの前記自由端は、前記外側噛み合い表面の前記略円筒形部分から間隔をおかれる前記スリーブ部材と、
をさらに具備する請求項８記載のツールホルダ。
【請求項１３】
外側噛み合い表面を有する前記内側部材であって、前記外側噛み合い表面は、前記シャンクの前記前部接触部分および前記後部接触部分の各々で略円筒形部分と、前記略円筒形部分の中間にテーパ状部分と、を有する前記内側部材と、
内側噛み合い表面を有する前記スリーブ部材であって、前記内側噛み合い表面は、前記外側噛み合い表面の前記テーパ状部分に対応するテーパ状部分を有し、前記第１および第２の円形カンチレバーの各々の前記自由端は、前記外側噛み合い表面の前記略円筒形部分から間隔をおかれる前記スリーブ部材と、
をさらに具備する請求項１０記載のツールホルダ。
【請求項１４】
階段状外側表面を有する前記内側部材であって、前記階段状外側表面は、複数の略円筒形部分を有し、前記複数の略円筒形部分の各々は、前記シャンクの前記後部接触部分におけるより小さな直径からその前記前部接触部分におけるより大きな直径へ直径が増加する前記内側部材と、
階段状ボアを有する前記スリーブ部材であって、前記階段状ボアは、複数の略円筒形領域を有し、前記複数の略円筒形領域の各々は、前記シャンクの前記後部接触部分におけるより小さな直径からその前記前部接触部分におけるより大きな直径へ直径が増加する前記スリーブ部材と、
をさらに具備し、
前記スリーブ部材が前記内側部材上に配置されるときに、前記階段状外側表面の前記略円筒形部分の少なくとも一部は、前記階段状ボアの前記複数の略円筒形領域の少なくとも一部に噛み合う請求項８記載の回転ツールホルダ。
【請求項１５】
前記複数の略円筒形部分は４つの略円筒形部分をさらに具備し、前記複数の略円筒形領域は３つの略円筒形領域をさらに具備し、前記階段状外側表面の前記４つの略円筒形部分のうちの２つの少なくとも一部は、前記階段状ボアの前記３つの略円筒形領域のうちの２つの少なくとも一部に噛み合う請求項１４記載の回転ツールホルダ。
【請求項１６】
スピンドルのテーパ状ボアに回転ツールを取り外し可能に保持するための回転ツールホルダであって、
前記テーパ状ボアに対応するテーパ状外側表面を有するシャンクであって、前部接触部分および後部接触部分を有するシャンクと、
前記前部接触部分に隣接したフランジと、
前記前部接触部分に隣接した第１の円形カンチレバーであって、固定端および自由端を有し、前記自由端は前記フランジへ向けて延在する第１の円形カンチレバーと、
前記後部接触部分に隣接した第２の円形カンチレバーであって、固定端および自由端を有し、前記自由端は前記シャンクの後部面へ向けて延在する第２の円形カンチレバーと、
を具備し、
前記スピンドルに配置されるときに前記回転ツールホルダが回転すると、結果として、前記第１および第２の円形カンチレバーの各々の前記自由端が、これもまた回転中に遠心力の影響下で膨張する前記テーパ状ボアとの接触を維持するように、遠心力の影響下で半径方向に膨張することになる回転ツールホルダ。
【請求項１７】
前記円形カンチレバーは、回転中に前記自由端が前記テーパ状ボアとの接触を維持するために半径方向に延在するように、回転中に遠心力の影響下で弾性的に変形可能である請求項１６記載の回転ツールホルダ。
【請求項１８】
前記シャンクは、
内側部材と、
前記内側部材上に配置されたスリーブ部材であって、前記テーパ状外側表面、第１の端および第２の端を有するスリーブ部材と、
前記自由端および前記固定端を有する前記第１の円形カンチレバーを形成する第１の部分を有する前記第１の端であって、前記自由端は前記内側部材から間隔をおかれる前記第１の端と、
前記自由端および前記固定端を有する前記第２の円形カンチレバーを形成する第２の部分を有する前記第２の端であって、前記自由端は前記内側部材から間隔をおかれる前記第２の端と、
をさらに具備する請求項１６記載の回転ツールホルダ。
【請求項１９】
前記シャンクの前記前部接触部分および前記後部接触部分の中間に、前記スリーブ部材の前記テーパ状外側表面に、環状凹領域をさらに具備する請求項１８記載の回転ツールホルダ。
【請求項２０】
スピンドルのテーパ状ボアに回転ツールを取り外し可能に保持するための回転ツールホルダであって、その中で前記テーパ状ボアは、前部直径および前記前部直径よりも小さな後部直径によって画成されたテーパを有し、前記前部直径および前記後部直径は各々が、前記スピンドルが回転するときに、前記テーパ状ボアが異なる回転速度で異なるテーパを有するように、遠心力の影響下で異なる率で変化する回転ツールホルダにおいて、
テーパ状外側表面を有するシャンクであって、前記テーパ状外側表面は、第１の直径および前記第１の直径よりも小さな第２の直径によって画成されたテーパを有し、前記第１および第２の直径は各々が、前記シャンクが前記スピンドル内で回転するときに、前記テーパ状外側表面が異なる回転速度で異なるテーパを有するように、遠心力の影響下で異なる率で変化するシャンクと、
前記テーパ状ボアの中に配置され前記スピンドルが静止しているときに前記テーパ状ボアの前記前部直径にほぼ対応する前記第１の直径と、
を具備し、
前記第２の直径は、前記シャンクが前記スピンドルに配置され一定の速度範囲内で回転するときに、前記テーパ状外側表面に最適化されたテーパを有させるように選択され、前記最適化されたテーパは、前記一定の速度範囲内に前記テーパ状外側表面と前記テーパ状ボアとの間の改良された接触が結果として生じるように、前記一定の速度範囲内で前記テーパ状ボアのテーパに実質的に対応する回転ツールホルダ。
【請求項２１】
前記円形カンチレバーは、回前記テーパ状ボアとの接触を維持するために弾性的に変形可能である請求項２０記載の回転ツールホルダ。
【請求項２２】
前記ツールホルダの前記前部接触部分および前記後部接触部分の中間に、前記ツールホルダの前記テーパ状外側表面に、環状凹領域をさらに具備する請求項２０記載の回転ツールホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ツールホルダに関し、より詳細には、精密な切削または研削操作のために、回転ツールホルダを解放可能に保持するための回転ツールホルダに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転テーパ状ツールホルダは、一般に「急テーパ」ツールホルダと称され、業界では公知である。急テーパツールホルダは、Ｖフランジ部分から延在する雄テーパ状部分を有する。Ｖフランジ部分は、Ｖ字形溝を有し、ツールを握る際に機械ツールチェンジャー機構を補助する。米国において、もっとも一般的な急テーパツールホルダ設計の１つは、キャタピラー（Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ）Ｖフランジツールホルダであり、一般に「ＣＶ」ツールホルダと称される。ＣＶツールホルダは、非常に類似したツールホルダ設計用の数標準の１つであり、そのすべては７／２４テーパ（長さ２４インチ当たり直径７インチの変化）を有する。別の一般的な７／２４テーパ状ツールホルダ標準は、「ＢＴ」ツールホルダである。
【０００３】
急テーパツールホルダのテーパ状シャンク部分は、スピンドルの対応する雌テーパ状部分に保持される。ツールホルダは、スピンドルに保持され、スピンドルによって高速で回転する。一般に、２種類の急テーパツールホルダがある。（１）テーパのみ接触ツールホルダ、ツールホルダのテーパ状表面のみがスピンドルのテーパ状内側表面に接触する。（２）面−テーパ接触ツールホルダ、ツールホルダのテーパ状部分とスピンドルとの間の表面接触に加えて、ツールホルダフランジの面がスピンドルの面に接触する。面−テーパ接触型ツールホルダは、特別に設計されたスピンドルを必要とする可能性があり、スピンドルの噛み合い表面はより精密に機械加工され、ツールホルダＶフランジ部分の面に接触して操作するのを容易にする。
【０００４】
両方の種類の従来の急テーパツールホルダは、一定の問題を受ける可能性がある。たとえば、標準急テーパツールホルダでは、ツールホルダテーパおよびスピンドルテーパ用のテーパ許容値が、隣接するテーパは前部ではしっかり接触するが、後部では接触しないこともあるという状況を生成する。ツールホルダが回転するときには、テーパ角度のこの発散は、ツールホルダの「揺動」を生成する可能性があり、結果として、正確さおよびバランスが失われる。スピンドルは高速で回転するため、遠心力の影響下で、スピンドルテーパ直径およびツールホルダテーパ直径の両方が増加する。しかし、スピンドルテーパ直径は、ツールホルダテーパ直径よりも速く増加する。さらに、直径の増加は、典型的に、スピンドルテーパの長さ方向に沿って均一ではなく、テーパの前部で最大である。結果として、スピンドルテーパ角度は変化し、テーパ状表面は凸状になることさえある。スピンドルテーパが均一に膨張するとすれば（同一テーパ角度を維持する）、スピンドルとツールホルダとの間の良好な嵌めが、スピンドル内に軸方向に動くツールを経由して、高速で維持することができるであろう。残念ながら、スピンドルテーパ角度は変化するため、ツールホルダとスピンドルとの間の嵌めは、高速で低下する。結果は、標準ツールホルダでは２つである。第１に、スピンドルテーパ直径全体はツールホルダテーパ直径よりも速く増加し且つ面接触がないため、ツールホルダはスピンドル内に引かれる（軸方向に動く）。第２に、テーパ角度の変化のため、主な接触は、初期にはテーパの前部であるが、テーパの中間部または後部へ動き、これは結果として、スピンドル内のツールホルダの「揺動」を増加する。ツールホルダテーパはまた、直径が増加し、高速では角度を変えるが、ツールホルダの平均直径がかなり小さいため、変化の量はスピンドルに比較して非常に小さい。
【０００５】
先行技術の面−テーパ接触急テーパツールホルダが遭遇する不利点もある。たとえば、「揺動」は、大幅に減少することができる。しかし、ツールホルダが高速で回転するため、軸方向位置決めは面接触のため維持されるが、スピンドルテーパ直径は依然としてツールホルダテーパ直径よりも速く増加する。しかし、ツールホルダはスピンドル内に引かれることはできないため、テーパの間に半径方向ギャップが生成され、これは、ツールホルダの半径方向運動を可能にし、結果として、正確さおよびバランスが失われる。
【０００６】
別の先行技術の型の面−テーパ接触ツールホルダは、シャンクにテーパ状スリーブを使用し、これは、回転速度が増加するにつれて、軸方向に動き、そのため、ツールホルダはスピンドルに接触したままである。可動スリーブは、許容要件を容易にすることができるが、ツールホルダが高速で回転するため、スリーブは軸方向に動きスピンドルに接触したままである。しかし、スリーブもまた、遠心力のため直径が増加する。したがって、スリーブがスピンドルとの接触を維持するにもかかわらず、スリーブは、ツールホルダシャンクとの接触を失う可能性があり、結果として半径方向のギャップになり、したがって、結果として、アンバランスになり、正確さが失われる。
【０００７】
別の先行技術の型の面−テーパ接触ツールホルダは、円周方向に屈曲することができ、したがって直径を変えるように、分割されるスリーブを使用する。スリーブは、したがって、スピンドルテーパ直径が変化するにつれて、ツールホルダシャンクおよびスピンドルテーパに同時接触したままであることができる。しかし、スリーブは、変化していくテーパ角度に依然として適合することができず、接触は、依然としてテーパの前部か後部かのいずれかに局限される。また、摩擦が、ツールホルダとテーパとの間にしっかりした接触を常に維持するスリーブの能力を制限し、「はね」が存在しがちであり、ツールホルダの剛性を減少する。分割されたスリーブはまた、汚染問題を受ける傾向があるが、それは、スリーブとツールホルダシャンクとの間に存在するいずれの材料が設計の効果を減少し、封止することは非現実的でありうるからである。
【０００８】
したがって、先行技術の面−テーパ接触ツールホルダは、標準ツールホルダに対する改良を提供することができるが、それらはまた、高速では変動する限界を有する可能性があり、機械的複雑さが増加し、すべてが面接触を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、公知の急テーパツールホルダの限界を克服することができ、テーパに関連した正確さおよびバランスの問題を減少するかまたは排除する改良された急テーパツールホルダが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明にしたがって、スピンドルのテーパ状ボアに回転ツールを取り外し可能に保持するための回転ツールホルダが設けられ、ツールホルダは、テーパ状外側表面、前部接触部分および後部接触部分を備えたシャンクを具備する。シャンクはまた、スピンドルのテーパ状ボアに対応するテーパ状外側表面、および、前部接触部分に隣接したＶフランジもまた有する。回転中にテーパ状ボアとの接触を維持するために、可撓性のある円形カンチレバー部分は、後部接触部分に隣接して設けることができる。円形カンチレバーは、固定端および自由端を有し、スピンドルボア内で回転ツールホルダが回転すると、結果として、円形カンチレバーの自由端が、これもまた回転中に遠心力の影響下で半径方向に膨張するテーパ状ボアの後部との接触を維持するように、遠心力の影響下で半径方向に膨張することになる。
【００１１】
別の実施の形態において、ツールホルダは、前部接触部分および後部接触部分の両方に隣接する円形カンチレバーを有し、好ましくは、前部接触部分に隣接して位置する円形カンチレバーの自由端はフランジへ向けて延在し、後部接触部分に隣接して位置する円形カンチレバーの自由端はシャンクの後部面へ向けて延在する。この場合、スピンドル内にツールホルダが回転すると、結果として、円形カンチレバーの各々の自由端が、前部接触部分および後部接触部分の両方でテーパ状ボアとの接触を維持するように、遠心力の影響下で半径方向に膨張する。
【００１２】
シャンクのテーパ状外側表面は、好ましくは、前部接触部分および後部接触部分の中間に、特に円形カンチレバーの中間に、位置する環状凹領域を有する。
【００１３】
ツールホルダのシャンクは、内側部材および内側部材上に配置された外側スリーブ部材から構成されることができる。スリーブ部材は、スピンドルのテーパ状ボアに対応するテーパ状外側表面を有し、前部接触部分および後部接触部分の一方または両方に隣接する端部分も含む。端部分は、上述の円形カンチレバーを具備する。上述の環状凹領域は、スリーブ部材のテーパ状外側表面に、シャンクの前部接触部分および後部接触部分の中間に、設けられる。
【００１４】
さらなる実施の形態において、円形カンチレバーは、シャンクの後部面に形成されたキャビティによって形成され、キャビティの外側表面は、円形カンチレバーの少なくとも一部を形成する。プルスタッドは、キャビティに捉えられた第１の端と、その外側に第２の端とを有し、第２の端は、ツールホルダをスピンドルのボアに引くために張力が加えられるものである。プルスタッドの第２の端にかかる張力は、第１の端をして、キャビティに外向き半径方向力を加えさせ、これは、外側表面すなわち円形カンチレバーを、テーパ状ボアへ向けて半径方向外向き方向に促す。より詳細には、キャビティは、より広い底部領域からその開口部近傍のより狭い領域へテーパし、ボトルネックを形成する内側表面を有する。プルスタッドの第１の端は、キャビティのより広い領域に捉えられたより大きな遠位部分から、キャビティのより狭い領域を通って延在するより狭いネックへテーパする。このようにして、張力が加えられるときには、プルスタッドの第２の端は、より大きな遠位部分をキャビティから引くように作用し、それは、キャビティのより狭い領域を半径方向に外向きに付勢する。
【００１５】
本発明のさらなる実施の形態は、一定の速度または速度の範囲用に最適化されるテーパを有するツールホルダを具備する。スピンドルのテーパ状ボアは前部直径および後部直径によって画成されたテーパを有し、後部直径は前部直径よりも小さい。前部直径および後部直径は各々が、スピンドルが回転するときに、テーパ状ボアが異なる回転速度で異なるテーパを有するように、遠心力の影響下で異なる率で変化する。本発明にしたがって、最適化されたテーパツールホルダの実施の形態は、テーパ状外側表面を備えたシャンクを有し、テーパは、第１の直径および第１の直径よりも小さい第２の直径によって画成される。スピンドルのテーパ状ボアと同様に、ツールホルダシャンクの第１の直径および第２の直径もまた、各々が、ツールホルダがスピンドル内を回転するときに、遠心力の影響下で異なる率で変化する。したがって、テーパ状外側表面もまた、異なる回転速度で異なるテーパを有するが、テーパは、一定の速度範囲内でボアのテーパにほぼ整合するように最適化される。シャンクの第１の直径は、ツールホルダおよびスピンドルが静止しているときに、テーパ状ボアの前部直径とほぼ同一である（マイナス許容値）。しかし、第２の直径は、シャンクが一定の速度でまたは一定の速度範囲内で回転するときに、シャンクのテーパ状外側表面に最適化されたテーパを有させるように選択される。最適化されたテーパは、そのような速度またはその範囲でスピンドルのテーパ状ボアのテーパに実質的に対応するように設計される。このようにして、シャンクのテーパは変化して、所定の速度または速度の範囲でテーパ状ボアに対して改良された接触を提供する。
【００１６】
本発明の他の詳細、目的および利点は、下記の詳細な説明およびその一定の実施の形態の添付の図面から、明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に図面を参照すると、先行技術の急テーパツールホルダが、図１Ａ〜４Ｂに例示される。標準の、テーパ接触のみの、急テーパツールホルダ２０（図１Ａおよび１Ｂ）は、Ｖフランジ部分２４から延在する雄テーパ状部分２２を有する。テーパ状部分２２は、スピンドル２８の対応する雌テーパ状部分２６に保持される。ツールホルダ２０は、プルスタッドによってスピンドル２８に保持され（図５参照）、スピンドル２８を駆動するモータ（図示せず）によって高速で回転する。
【００１８】
先に説明したように、標準の急テーパツールホルダは、一定の不利点を被る。図１Ａに示されるように、ツールホルダは静止しており、ツールホルダテーパは、一般に「フロントゲージライン」と称される前部接触領域でスピンドルテーパに接触する。これは、ツールホルダテーパおよびスピンドルテーパのテーパ許容値のため、発生する。ツールホルダ２０が、図１Ｂに例示されるように、高速で回転するときには、テーパ角度のこの発散は、ツールホルダ２０の「揺動」を生成する可能性があり、結果として正確さおよびバランスが失われることになる。スピンドル２８は高速で回転するため、スピンドルテーパ直径およびツールホルダテーパ直径の両方が、遠心力の影響下で増加する。しかし、スピンドルテーパ直径はツールホルダテーパ直径よりも速く増加する。さらに、直径の増加は典型的に、スピンドルテーパの長さ方向に沿って均一ではなく、テーパの前部で最大である。したがって、スピンドルテーパ角度は変化し、テーパ状の表面は、凸状にさえなることができる。結果は、標準ツールホルダ２０では２つである。第１に、スピンドルテーパ直径全体はツールホルダテーパ直径よりも速く増加し且つ面接触がないため、図１Ａの寸法Ａと図１Ｂの寸法Ｂとの間の差に見ることができるように、ツールホルダ２０はスピンドル２８内に引かれる（軸方向に動く）。第２に、テーパ角度の変化のため、主な接触は、初期にはテーパの前部すなわちフロントゲージラインであるが、テーパの中間部または後部へ移り、これは、結果として、スピンドル２８内のツールホルダ２０をさらに揺動する。
【００１９】
先行技術の面テーパ接触急テーパツールホルダのいくつかの特定の例は、ダイショウワセイキビッグプラス（Ｄａｉｓｈｏｗａ  Ｓｅｉｋｉ  Ｂｉｇ−ＰＩｕｓ）（商標）、ショウワＤ−Ｆ−Ｃ（Ｓｈｏｗａ  Ｄ−Ｆ−Ｃ）（商標）、およびニッケン３ロック（Ｎｉｋｋｅｎ  ３Ｌｏｃｋ）（商標）である。ビッグプラス（Ｂｉｇ−ＰＩｕｓ）（商標）ツールホルダ３３は、図２Ａおよび２Ｂに全体として示されるだけであり、面テーパが同時接触されるが、高い構成要素の剛性および比較的低い保持力のためテーパの間に最小の干渉しかないように、非常に厳しい寸法許容値に作られる。しかし、図２Ａに示されるように、それぞれのテーパの許容値のため、依然として主にフロントゲージラインに、テーパ接触がある。面接触のために、「揺動」は、ツールホルダ３３では、静止時にかなり減少する。このツールホルダ３３は高速で回転するため、スピンドルテーパ直径は、図２Ｂに示されるように、これもまた、ツールホルダテーパ直径よりも速く増加する。面接触のために、ツールホルダ３３はスピンドル２８内に引かれることができないため、テーパの間に半径方向ギャップが作られる。このギャップは、ツールホルダ３３が半径方向に動くのを可能にし、結果として、正確さおよびバランスが失われることになる。しかし、軸方向位置決めは、面接触によって維持される。
【００２０】
次に図３Ａおよび３Ｂを参照すると、ショウワＤ−Ｆ−Ｃ（商標）急テーパツールホルダ３６は、面接触と組み合わされて、円筒形シャンク４０にばね荷重テーパ状スリーブ３８を有する。スリーブ３８の意図された目的は、回転速度が増加するにつれて軸方向に動くことであり、そのため、ツールホルダ３３は、スピンドル２８に接触したままである。可動スリーブ３８の使用はまた、ビッグプラス（商標）ツールホルダにおいてより重大である許容値要件を容易にする。静止時に、主な接触は、図３Ａに示されるように、依然としてフロントゲージラインにある。Ｄ−Ｆ−Ｃ（商標）ツールホルダが高速で回転するため、スリーブ３８は軸方向に動き、図３Ｂに示されるように、スピンドル２８に接触したままである。しかし、スリーブ３８はまた遠心力のため、直径が増加する。したがって、スリーブ３８がスピンドル２８との接触を維持するにもかかわらず、スリーブ３８はツールホルダシャンク４０との接触を失う可能性があり、結果として、半径方向のギャップになる。結果として、ツールホルダ３３が半径方向に動く可能性があり、アンバランスを生み正確さを失うという点で、状況は、ビッグプラス（商標）ツールホルダに類似する。
【００２１】
次に図４Ａおよび４Ｂを参照すると、ニッケン３ロック（商標）ツールホルダ４３は、スリーブ４６が円周方向に屈曲し且つしたがって直径を変えることができるように分割されていることを除いて、Ｄ−Ｆ−Ｃ（商標）ツールホルダ３３に類似する。可撓性のあるスリーブ４６は、Ｄ−Ｆ−Ｃ（商標）ツールホルダの１つの限界を克服するが、それは、スピンドルテーパ直径が変化していくときに、スリーブ４６が今やツールホルダシャンク４８およびスピンドルテーパに同時接触したままであることができるからである。しかし、図４Ｂに示されるように、接触が依然としてテーパの前部または後部のいずれか一方に局限されるように、スリーブ４６は、依然として、変化していくテーパ角度に適合することができない。また、摩擦の存在が、ツールホルダ４３とテーパとの間に常にしっかりした接触を維持するスリーブ４６の能力を制限し、「はね」が存在しがちであり、ツールホルダの剛性を減少する。分割されたスリーブ４６はまた、汚染問題を受ける傾向があるが、それは、スリーブ４６とツールホルダシャンク４８との間に存在するいずれの材料が設計の効果を減少し、設計を封止することは非現実的でありうるからである。
【００２２】
上述の先行技術のツールホルダ設計の各々は、ほぼ挙げられた順に、先の設計に対して増分的改良を提供することができる。しかし、各々はまた、それに応じて機械的複雑さが増す可能性があり、すべてが操作するのに面接触を必要とする。さらに、各々は静止時には効果的であるように見えるが、各々が、高速では様々な限界を有する。
【００２３】
次に図５および６Ａ〜６Ｂを参照すると、スピンドル５５のテーパ状ボア５３に回転ツールを取り外し可能に保持するための回転急テーパツールホルダ５０の実施の形態が示される。回転ツールホルダ５０は、前部接触部分６０と、後部接触部分６２と、スピンドルのテーパ状ボア５３に対応するテーパ状外側表面６４と、を有するシャンク５８を具備する。ツールホルダ５０はまた、その前部接触部分６０に隣接して通常のフランジ部材６６を有し、テーパ状シャンク５８の前部接触部分６０は、面接触が意図されないように、スピンドル５５のテーパ状ボア５３との接触を提供するように設計される。本発明のこの実施の形態にしたがって、単一の円形カンチレバー７０は、その前部接触部分６０または後部接触部分６２のいずれか一方に隣接するシャンク５８上に設けられることができる。この特定の実施の形態において、円形カンチレバー７０は、図５〜６Ａに示されるように、シャンクの後部接触部分６２に隣接して設けられる。「カンチレバー」という用語が暗示するように、円形カンチレバーは、固定端７３および自由端７６を有し、これは、ツールホルダ５０がスピンドル５５内を回転するときに遠心力の影響下で半径方向に外向きに動くように設計される。
【００２４】
先に説明したように、スピンドル５５およびツールホルダ５０が高速で回転するときには、遠心力が、スピンドル５５のテーパ状ボア５３およびツールホルダ５０のシャンク５８の両方を、半径方向に外向きに延在させる。ツールホルダ５０がスピンドル５５のテーパ状ボア５３内を回転するときには、円形カンチレバー７０、および、具体的にはその自由端７６は、自由端７６がテーパ状ボア５３の後部との接触を維持するように、外向きに延在するテーパ状ボア５３とともに半径方向に外向きに延在する。また、テーパ状ボア５３はその前部で半径方向に拡大するため、ツールホルダ５０はテーパ状ボア５３内に軸方向に引かれ、したがって、テーパ状ボア５３の前部でしっかりした接触が維持される。このようにして、ツールホルダ５０は、テーパ角度の不整合を調整し、高い速度でテーパ角度を変える。結果として、ツールホルダ５０は軸方向に動くが、すべての操作状態下でテーパの前部および後部の両方でしっかりした接触が維持される。この２つの場所接触が、ツールホルダ５０の揺動および半径方向運動を排除し、したがって、関連する正確さおよびバランス問題を排除する。
【００２５】
さらに、シャンク５８のテーパ状外側表面６４には、前部接触部分６０と後部接触部分６２との中間に環状凹領域８０が設けられる。このようにして、テーパ状シャンク５８は、前部接触区域６０および後部接触区域６２にしか接触しないように、テーパ状ボア５３に嵌る。シャンク５８の後部接触領域６２は支持されず、言い換えると、円形カンチレバー７０の自由端７６上にある。したがって、接触領域６２の変形および可撓性の量は、カンチレバー７０の自由端７６の長さおよび厚さを制御することによって調整することができる。
【００２６】
環状凹領域８０はまた、テーパ状シャンク５８の外側表面に応力をかけるかまたは変形することなく、円形カンチレバー７０の自由端７６が半径方向に動くのを可能にする。環状凹８０はまた、シャンク５８のテーパ状外側表面を適切な許容値に製造するのを容易にし、スピンドル５５のテーパ状ボア５３に良好に嵌まるのを達成する。
【００２７】
例示されるように、ツールホルダ５０のテーパ状シャンク５８は、内側部材８３と、内側部材８３上に配置されたスリーブ部材８５と、から構成されることができる。スリーブ部材８５の外側表面は、シャンク５８のテーパ状外側表面６４を具備する。スリーブ部材８５はまた、第１の端を有し、その第１の部分は、シャンク５８の後部接触部分６２に円形カンチレバー７０を形成する。円形カンチレバー７０は、本質的にスリーブ部材８５の第１の端の一部であり、それは、後部接触部分６２に隣接する内側部材８３上に軸方向に延在するが、その間に設けられた狭いギャップ８８を備える。
【００２８】
より詳細には、内側部材８３には、テーパ状部分９０と、円形カンチレバー７０の自由端７６に隣接するほぼ円筒形の部分９３と、を有する外側噛み合い表面が形成される。スリーブ８５は、内側部材８３の外側噛み合い表面のテーパ状部分９０に対応するテーパ状部分９６を有する内側噛み合い表面を有する。円形カンチレバー７０を形成するスリーブ部材８５の部分、および、より詳細には、その自由端７６は、外側噛み合い表面の略円筒形部分９３から間隔をおかれており、したがって、その間に前述のギャップ８８を設ける。
【００２９】
円形カンチレバー７０の自由端７６と内側部材８３との間のギャップ８８は、ツールホルダ５０がスピンドル５５のテーパ状ボア５３に配置され保持されるときに、自由端７６が、半径方向に内向きに内側部材８３へ向けて部分的に圧縮されるのを可能にする。典型的に、ツールホルダ５０は、ツールホルダ５０が回転する前にプルスタッド５９へ張力を加えることによって（図５に示される）、テーパ状ボア５３内にきつく引かれる。一般に、約５０００または６０００ポンドの軸方向力があり、これは、プルスタッド５９を経由して、ツールホルダ５０をスピンドル５５内に引き、これは、円形カンチレバー７０の直径を減少する。円形カンチレバー７０の自由端７６は、したがって、半径方向に内向きに強制され、これは、弾性エネルギをカンチレバー７０に保存する。次いで、ツールホルダ５０が高速で回転し、スピンドルボア５３は直径が半径方向に開き、自由端７６は無負荷位置へ向けて戻り、すなわち、半径方向に外向きに膨張し、そうしながら、スピンドルボア５３に接触したままである。これは、円形カンチレバー７０の設計を改良するが、それは、これが外向きに半径方向の屈曲の範囲を減少するからであり、これは、そうでなければ、自由端７６によって必要とされるものである。
【００３０】
スリーブ部材８５は、内側部材８３に、プレス嵌めまたは締り嵌めされることができる。スリーブ８５の円形カンチレバー７０の切り取られたセクション、すなわち、自由端７６は、固有の（しかし制御可能の）可撓性によって、選択された場所（この場合、後部接触部分６２）でテーパ接触するのを可能にし、合理的な製造許容値でそうする。さらに、自由端７６の可撓性が、相当な大きさの半径方向の変形を可能にするため、設計は、半径方向の正確さを失わずに、高速操作に適切である。円形カンチレバー７０は、スピンドル５５とツールホルダ５０との間のテーパ角度の差を補正することができる。これはまた、スピンドルボア５３とツールホルダ５０のシャンク５８との間の半径方向膨張率の差も補正することができ、テーパの前部および後部の異なる膨張率を含む。
【００３１】
次に図７Ａおよび７Ｂを参照すると、本発明によるツールホルダ１００の別の実施の形態が例示される。このツールホルダ１００は、第２のカンチレバー１０３がシャンク５８の前部接触部分６０に設けられることを除いて、上述のツールホルダ５０に類似する。ツールホルダ１００のこの実施の形態はまた、Ｖフランジ６６とスピンドル５５の面５６との間に面接触が発生するように設計されることも異なる。したがって、ツールホルダ１００がスピンドル５５のボア５３内に軸方向に動くことは防止される。しかし、このツールホルダ１００において、同様に自由端１０６および固定端１０９を有する第２のカンチレバー１０３が、シャンク５８の前部接触部分６０に設けられる。自由端１０６は、前部接触部分６０に隣接して位置し、フランジ６６へ向けて延在する。この実施の形態において、ツールホルダ１００がスピンドル５５内で回転することは、結果として、第１および第２のカンチレバー７０および１０３の各々の自由端７６および１０６が遠心力の影響下で半径方向に膨張することになり、テーパ状ボア５３もまた遠心力の影響下で膨張するため、自由端７６および１０６がテーパ状ボア５３との接触を維持するようにする。面接触はツールホルダ１００がスピンドル５５のボア５３内に軸方向に引かれることを防止するため、前部接触部分６０で円形カンチレバー１０３が使用され、ツールホルダ１００の前部接触部分６０が回転中にスピンドル５５のテーパ状ボア５３との接触を維持するのを可能にする。
【００３２】
ツールホルダ１００は、このようにして、先に記載されたエラーの源のすべてを排除する。ツールホルダ１００は、ツール揺動、半径方向運動または軸方向運動を有さない。しかし、ツールホルダ１００は、スピンドル５５との面接触を必要とし、したがって、すべての現在のツールおよび機械と直接交換可能ではない。それにもかかわらず、面接触を受け入れるように現在のスピンドルを修正することは比較的容易であり、修正されたスピンドルは依然として従来の非面接触ツールと互換性がある。
【００３３】
また、単一円形カンチレバーのツールホルダ５０に類似して、二重円形カンチレバーのツールホルダ１００のシャンク５８は、内側部材１１３と、内側部材１１３上に配置された外側スリーブ部材１１５と、から構成される。このスリーブ部材１１５は、単一円形カンチレバーのツールホルダ５０に関連して記載されたスリーブ部材８５と同様であってもよく、シャンク５８の後部接触部分６２に隣接した第１の端にテーパ状外側表面および第１の円形カンチレバー７０を含む。しかし、このスリーブ部材１１５は、第２の円形カンチレバー１０３をさらに含み、これは、シャンク５８の前部接触部分６０に隣接するその第２の端にスリーブ部材の第２の部分によって形成される。第２の円形カンチレバー１０３の自由端１０６は、シャンク５８の前部接触部分６０に隣接してフランジ６６へ向けて延在し、自由端１０６とシャンクの内側部材１１３との間にギャップ１２０を備える。
【００３４】
内側部材８３と同様に、内側部材１１３は、後部接触部分６２の近傍に略円筒形部分９３と、テーパ状部分９０と、を有する。しかし、内側部材１１３は、前部接触部分６０に隣接する第２の略円筒形部分１２３をさらに有し、テーパ状部分９０が前部接触部分６０および後部接触部分６２に隣接する２つの略円筒形部分１２３、９３の中間にあるようにする。スリーブ部材８５と同様に、スリーブ部材１１５には、内側部材１１３の外側噛み合い表面のテーパ状部分９０に対応するテーパ状部分を有する内側噛み合い表面９６が形成される。円形カンチレバー７０、１０３を形成するスリーブ部材１１５の第１および第２の部分およびさらに詳細にはその自由端７６、１０６は、各自由端７６、１０６と隣接する略円筒形部分９３、１２３との間にギャップ８８、１２０があるように、内側部材１１３の略円筒形部分９３、１２３から間隔をおかれる。ギャップ８８、１２０は、単一円形カンチレバーのツールホルダ５０に関連して先に記載されたのと同一の理由のために設けられる。
【００３５】
回転中に、第１の円形カンチレバー７０の自由端７６は膨張して、後部接触部分６２でテーパ状ボア５３との接触を維持し、第２の円形カンチレバー１０３の自由端１０６は膨張して、前部接触部分６０でテーパ状ボア５３との接触を維持し、一方、フランジ６６とスピンドル面５６との間の面接触は、ツールホルダ１００がスピンドル５５内に軸方向に引かれることを防止する。このようにして、エラーの上述の源のすべて、すなわち、揺動、半径方向運動および軸方向運動が排除される。
【００３６】
さらに、単一円形カンチレバーのツールホルダ５０と同様に、スリーブ部材１１５のテーパ状外側表面は、２つの円形カンチレバー７０、１０３の中間に位置する環状凹領域８０を有し、これは、先に記載されたのと同一の理由のために設けられる。
【００３７】
図８を参照すると、二重円形カンチレバーのツールホルダ２００の別の実施の形態が例示され、シャンク２０３は、階段状内側部材２０６と、その上に配置されたスリーブ部材２０９と、から構成される。この実施の形態において、内側部材２０６は、階段状外側表面２１２を有し、複数の略円筒形部分２１４、２１５、２１６および２１７から形成され、その各々は、シャンク２０３の後部部分２１０におけるより小さな直径から、その前部部分２１１におけるより大きな直径へ、段々大きくなる直径を有する。スリーブ部材２０９は、相補的な形状の階段状ボア２２０を有し、すなわち、複数の略円筒形領域２２２、２２３および２２４から形成され、その各々は、シャンク２０３の後部部分２１０におけるより小さな直径から、その前部部分２１１におけるより大きな直径へ、直径が増加する。スリーブ部材２０９の複数の略円筒形領域の２つ、すなわち、領域２２３および２２４は、内側部材２０６の略円筒形部分の２つ、すなわち、部分２１５および２１６に噛み合う。例示されたように、円筒形領域２２３および２２４、および、円筒形部分２１５および２１６は、スリーブ部材２０９がたとえばプレス嵌め等によって内側部材２０６上に配置されるときに、部分的にのみ重なり合ってもよい。１つの現在の好適な実施の形態において、内側部材２０３は４つの略円筒形部分２１４〜２１７を有し、スリーブ部材２０９は３つの略円筒形領域２２２〜２２４を有する。
【００３８】
図９Ａおよび９Ｂは、本発明にしたがったツールホルダ２５０のさらなる実施の形態を例示し、ツールホルダ２５０は、図５〜６Ｂに示された単一カンチレバーのツールホルダ５０に類似して、テーパ状シャンク２５３と、シャンク２５３の後部接触部分２５９に隣接した単一円形カンチレバー２５６と、を有する。しかし、ツールホルダ２５０のこの実施の形態は、シャンク２５３の後部面２６３に形成されたキャビティ２６０を有し、その中で、キャビティの側壁、特にその外側表面が、後部接触表面２５９で円形カンチレバー２５６を形成する。上記に参照されたツールホルダ５０と同様に、ツールホルダ２５０のこの実施の形態のカンチレバー２５６は、シャンク２５３の後部面２６３に向けて延在する。先に、すなわち、図５〜７Ｂに関連して記載されたツールホルダ５０、１００のいずれとも異なり、このツールホルダ２５０のシャンク２５３は、内側部材と、１つまたはそれ以上の円形カンチレバーを形成する端部分を有する外側スリーブと、から構成されない。代わりに、このツールホルダ２５０のカンチレバー２５６は、キャビティ２６０の側壁が円形カンチレバー２５６になるようにシャンク２５３の後部面２６３にキャビティ２６０を作ることによって形成され、固定端２６７はキャビティ２６０の底部２６１に隣接し自由端２７０はキャビティの開口部２６２にある。
【００３９】
ツールホルダ２５０は、マルチピースウェッジロッキングシステムを使用して、テーパ状シャンク２５３の後部上の円形カンチレバー２５６とスピンドル５５のボア５３との接触を生ずる。この設計において、円形カンチレバー２５６の自由端２７０は、ツールホルダ２５０がスピンドルボア５３内に引かれた後に、ウェッジロッキング作用を経由してスピンドルボア５３と接触するように強制される。ウェッジロックおよび円形カンチレバー２５６の組み合わせは、操作中のテーパ角度エラーおよびテーパ寸法変化にもかかわらず、シャンク２５３がスピンドルボア５３に接触したままであることを可能にする。
【００４０】
典型的に、プルスタッド５９は、たとえば、図５に例示されるように、シャンクのねじ山を切ったボアに受け取られるねじ山を切ったシャフト部分を有する。その種類の係合において、プルスタッド５９の張力は、結果として、シャンク５８の後部接触表面６２上の相当な外向き半径方向力にならない。しかし、図９Ａおよび９Ｂに示されるように、プルスタッド２７５に加えられた張力が、結果としてキャビティ２６０の側壁でおよびしたがって円形カンチレバー２５６の自由端２７０で外向き半径方向力を形成するように、シャンク２５３の後部面２６３に形成されたキャビティ２６０は、プルスタッド２７５の特別に構成された遠位端２７３を捉えるように構成される。したがって、ツールホルダ２５０がスピンドルボア５３に位置決めされ、張力がプルスタッド２７５に加えられるときには、張力は、円形カンチレバー２５６の自由端２７０の外向き半径方向膨張をさらに促進し、それによって、自由端２７０をスピンドル５５のテーパ状ボア５３に対して付勢する。
【００４１】
より詳細には、キャビティ２６０は、内部側壁表面を有し、それが、キャビティ２６０の底部２６１のより広い領域からキャビティ２６０の開口部２６２近傍のより狭い領域へテーパし、ボトルネックを形成する。キャビティ２６０に捉えられたプルスタッド２７５の遠位端２７３は、相補的形状を有し、キャビティ２６０の開口部２６２を通って延在するより狭いシャフト２７７へテーパするより広い端部分を有する。キャビティ２７０の内側表面のテーパは、プルスタッド２７５の遠位端２７３上のテーパに対応する。プルスタッド２７５へ加えられた張力は、より広い遠位端２７３をキャビティ２６０から引こうとするが、それは、シャンク２５３の前部接触表面２５８および後部接触表面２５９が、ツールホルダ２５０がスピンドル５５のボア５３内に軸方向に動くのを防止するからである。キャビティ２６０の内部、およびキャビティ２６０に捉えられたプルスタッド２７５の遠位端２７３の対応するテーパは、プルスタッド２７５のより広い遠位端２７３がキャビティ２６０から除去されるために、円形カンチレバー２５６の自由端２７０であるキャビティ２６０の側壁が外向きに半径方向に膨張しなければならないように、協働する。したがって、プルスタッド２７５上の張力は、円形カンチレバー２５６の外向き半径方向の膨張をさらに促進し、スピンドル５５のテーパ状ボア５３と接触するように付勢する。
【００４２】
ツールホルダ２５０は、このようにして、図５〜６Ｂに例示された先に記載された単一カンチレバーのツールホルダ１００と同一の種類の利点を提供する。ツールホルダ２５０がスピンドル５５のテーパ状ボア５３内で回転するときには、円形カンチレバー２５６および特にその自由端２７０は、自由端２７０がテーパ状ボア５３の後部部分との接触を維持するように、外向きに膨張するテーパ状ボア５３とともに半径方向に外向きに膨張する。このツールホルダ２５０との面接触もまたないため、テーパ状ボア５３が前部接触区域２５８に隣接して半径方向に拡大するにつれて、ツールホルダ２５０はテーパ状ボア５３内に軸方向に引かれる。このようにして、テーパ状ボアの前部接触領域５８に隣接してしっかりした接触も維持される。このようにして、ツールホルダ２５０も同様に、テーパ角度の不整合を調整し、高い速度でテーパ角度を変える。したがって、ツールホルダ２５０は軸方向に動くが、すべての操作状態下で前部接触部分２５８および後部接触部分２５９の両方でしっかりした接触が維持される。したがって、ツールホルダ２５０の揺動および半径方向運動が、付随する正確さおよびバランス問題とともに、排除される。
【００４３】
さらに、薄く固いカンチレバーリングの代わりに、円形カンチレバー２５６は、代替的に、可撓性を加えるために、複数の半径方向スロットを備えたスプリットリングであってもよい。プルスタッドの設計は、様々な設計を想定することができ、スプリットリングの設計を補完する。しかし、いずれかの場合でも、カンチレバー２５６は、ツールホルダ２５０が軸方向に座す後まで自由端２７０とスピンドルボア５３との間のしっかりした接触が発生しないように、寸法づけることができる。そうでない場合には、ウェッジロッキング作用が、ツールホルダ２５０がスピンドル５５内にさらに軸方向に動くのを妨げることができる。この設計の１つの利点は、より低いツールホルダ２５０の解放力であるが、これは、ツールホルダロッキング力すなわちプルスタッド２７５上の張力が解放された後には、円形カンチレバー２５６はスピンドルボア５３に接触しないからである。
【００４４】
また、先に記載されたツールホルダ５０、１００に類似して、ツールホルダ２５０のこの実施の形態は、前部接触部分２５８と後部接触部分２５９との中間でシャンク２５３のテーパ状外側表面に環状凹領域２８０を有する。環状凹領域２８０は、ツールホルダ５０および１００の環状凹領域８０に関して先に記載されたのと同一の理由のために設けられる。ツールのすべての実施の形態に環状凹領域２８０を含む必要がないことが認識される。
【００４５】
図１０は、先行技術の接触のみ急テーパツールホルダ２９５の寸法詳細を示す。例示されたように、標準急テーパツールホルダは、２．７５０インチの主テーパ直径（前部接触区域）および４．００インチのテーパ長さを有する。典型的な７／２４テーパ（１６度３５分４０秒）角度で、これは、１．５８３インチ副直径（後部接触区域）へ平行移動する。図１０には、テーパ半角度（８度１７分５０秒）が示される。１６度３５分４０秒角度は、７／２４テーパ角度用の「基本」角度寸法である。言い換えると、雄ツールホルダテーパは、この基本角度から「プラス」の許容値を有し、雌ツールホルダテーパは、この基本角度から「マイナス」の許容値を有する。各許容値の量は、テーパ用の「嵌め合い区分」（ｃｌａｓｓ  ｏｆ  ｆｉｔ）の関数である。たとえば、典型的なツールホルダは「ＡＴ３」許容値であり、これは、１６度３５分４０秒／１６度３５分４６秒である。典型的なスピンドルは「ＡＴ２」許容値であり、これは、１６度３５分３６秒／１６度３５分４０秒である。
【００４６】
図１１は、シャンク（図示せず）の前部接触部分３０６および後部接触部分３０８の各々に１つが隣接する２つの円形カンチレバー３０２、３０４を有するツールホルダ用のスリーブ部材３００の現在の好適な実施の形態の断面図である。スリーブ部材３００は、図７Ａ〜７Ｂに関連して記載されたツールホルダ５０および１００用のスリーブ部材８５および１１５と同一でありうる。スリーブ部材３００は、特にツールホルダ１００のスリーブ部材１１５と同様であってもよく、内側部材１１３は、シャンク５８の前部接触部分６０および後部接触部分６２に隣接する一対の略円筒形部分９３および１２３、および、特にスリーブ部材１１５の端上の２つの円形カンチレバー７３、１０３の中間に、テーパ状噛み合い表面９０を有する。
【００４７】
現在の好適な実施の形態の断面図にしたがって、スリーブ３００の外側表面３１０は、半角度α（８度１７分５０秒）として示される前述の７／２４テーパを有し、内側噛み合い表面は、半角度βとして示されるテーパを有し、これは、１度３０分０秒である。内側部材（図示せず）の外側噛み合い表面は、スリーブ３００の内側噛み合い表面３１２と同一のテーパを有し、すなわち、１度３０分０秒である。環状凹領域３１４が、円形カンチレバー３０２、３０４の間に設けられ、約０．０２０インチの深さωを有する。
【００４８】
スリーブ部材３００の内側噛み合い表面３１２に、円形カンチレバー３０２、３０４の各々に隣接して、より大きな半径のボアが設けられ、内側部材の略円筒形部分とスリーブの端との間に所望のギャップを形成し、したがって、円形カンチレバー３０６および３０８の自由端３２１および３２２を形成する。前部接触部分３０６で、円形カンチレバー３０２の自由端３２２の外径ｄfoは、約２．７５０インチであってもよく、内径（これは、内側部材の略円筒形前部部分の前部部分におけるスリーブ３００の直径ｄbfに対応する）は約１．６５０インチであってもよく、円形カンチレバー３０６の自由端３２２の内径ｄfiは、約２．４６０インチであってもよい。ｄfiとｄBfとの間の差は、自由端３２２と内側部材の略円筒形部分との間に、前部接触部分３０６に隣接する約０．４０５インチのギャップｇfを形成する。後部接触部分３０８で、円形カンチレバー３０４の自由端３２１の外径ｄroは、約１．６５９インチであってもよく、後部部分でスリーブ３００の内径ｄbr（これは、内側部材の略円筒形後部部分の直径に対応する）は、約１．６５０インチよりわずかに小さくてもよく（テーパ角度βを考慮に入れる）、円形カンチレバー３０４の自由端３２１の内径ｄriは、約１．５５６インチであってもよい。これは、自由端と内側部材と内側部材の略円筒形後部部分との間に、後部接触部分３０８に隣接する０．０５１５インチよりもわずかに小さいギャップを画成する。
【００４９】
スピンドルのテーパ状ボアに隣接する前部接触部分３０６を形成する円形カンチレバー３０２の自由端３２２の部分は、約０．４６０インチの長さｌfcを有することができ、スピンドルのテーパ状ボアに隣接する後部接触部分３０８を形成する円形カンチレバー３０４の自由端３２１の部分は、約０．３８０インチの長さｌrcを有することができる。前部円形カンチレバー３０２における自由端３２２の合計長さｌfは、約０．５８０インチであってもよく、一方、後部円形カンチレバー３０４における自由端３２１の合計長さｌrは、約０．７４７インチであってもよい。スリーブ部材３００の全体長さｌoは、約３．７４０インチであってもよく、内側部材（図示せず）の全体長さは典型的に約４．０インチである。
【００５０】
後部接触部分３０８に隣接する円形カンチレバー３０４用の上述の本実施例の好適な寸法は、図５〜６Ｂおよび９Ａ〜９Ｂに示された単一カンチレバーのツールホルダ５０、１００の後部接触部分に隣接する円形カンチレバーのものと同一であってもよい。
【００５１】
本発明によるツールホルダは、ここに記載されるように、標準テーパ（非面接触）ツールホルダの製造コストを削減することができる。予熱処理された鋼を、ツールホルダシャンクの内側部材に使用することができ、本体細部を機械加工をした後に熱処理する必要性を排除する。スリーブ部材は、組み立てる前に、機械加工し熱処理することができる。テーパの仕上げ研削は、組立後に発生するものである。このアプローチは、ツールホルダの「前端」の機械加工後に熱処理の必要性を排除することによって、サイクルタイムを大幅に減少する。
【００５２】
標準（非面接触）ツール用の改良された嵌めは、たとえば、シャンクの後部部分のみに円形カンチレバーを備えたスリーブ部材を有する単一円形カンチレバーのツールホルダを使用して、達成することができる。前部部分のしっかりしたテーパ接触は、適切なツール軸方向位置決めを確実にし、一方、可撓性のある円形カンチレバーの後部接触部分は、テーパ許容値の不整合を補正し、システムの「揺れ」を排除する。この設計は、標準テーパ状ツールホルダのテーパ正確さの現在の複数のクラスを排除するが、それは、後部円形カンチレバーを備えたツールホルダが、シャンクとスピンドルとの間のテーパ角度差に適応することができるからである。
【００５３】
このようにして、本発明にしたがった円形カンチレバーのツールホルダは、嵌め合いを改良することができ、したがって、標準非面接触急テーパツールホルダのバランス、正確さおよび剛性は、おそらく、標準非面接触ツールホルダの製造コストを削減し、また、現在利用可能な面接触急テーパツールホルダに対する性能改良も提供する。
【００５４】
現在の面接触ツールホルダに対する性能改良は、３つの点接触、すなわち、面接触、前部円形カンチレバーおよび後部円形カンチレバーを提供する２つの円形カンチレバーのツールホルダの実施の形態によって達成することができる。３点接触は、可動部品または非常に厳しい許容値なしで提供され、３点接触は、テーパ角度不整合にもかかわらず、組立時に生成される高い干渉のため高い回転速度で、維持される。
【００５５】
円形カンチレバーは、ツールホルダの性能を最良に最適化する構成を有するように、設計されることができる。たとえば、剛性のカンチレバーは、ツールホルダ剛性を最大限にする。可撓性のあるカンチレバーは、テーパ不整合により適応し、また、高い回転速度でスピンドルに接触したままでもある。カンチレバーは、半径方向の可撓性を上げるために周辺のまわりの２つまたはそれ以上の対称的な場所にスロットを作ることができる。しかし、そのようなスロットは、ツールホルダの側方向剛性を減少する。
【００５６】
先行の記載を考慮して、本発明の他の変形例または修正例が当業者に明らかになることもまた理解されなければならない。たとえば、ツールシャンク上の可撓性のあるカンチレバーの代わりに、可撓性のある領域がスピンドルに置かれてもよく、または、シャンク上のスリーブ部材ではなくスピンドルスリーブであってもよい。そのような可撓性のあるセクションは、同一の嵌め合い利点をツールホルダに提供し、したがって、正確さおよびバランスを改良する。スピンドルに可撓性を置く利点は、１つの項目のみを修正しなければならないことであり、結果として、すべてのツールホルダの嵌め合い利点になる。しかし、スピンドルに可撓性を置くことの不利点は、すべてのツールホルダが減少した結合剛性、すなわち、ツールを粗くする望ましくない変化を経験することである。
【００５７】
次に、図１２Ａおよび１２Ｂを参照すると、改良されたツールホルダ４００のさらなる実施の形態が例示され、ツールホルダ４００のシャンク４０３は、特別なテーパΦ1を有し、これは、特定の回転速度でまたは所定の速度の範囲内で、スピンドル５５のテーパ状ボア５３に接触する高い前部および後部を提供するように最適化される。図１２Ａに示されるように、静止状態下（静止時）でシャンク４０３のテーパΦ1とテーパ状ボア５３との間に比較的大きな差がありえ、結果として、シャンク４０３の後部４０４とスピンドル５５のテーパ状ボア５３との間の比較的大きなギャップ４１３になる。しかし、図１２Ｂに示されるように、所定の回転速度でシャンクテーパΦ1は、「最適化された」テーパΦ2にわずかに変化し、これは、所定の速度でまたはその範囲内で、ボア５３のテーパ（これもまたその静止テーパ角度から変化している）に緊密に整合する。
【００５８】
先に説明されたように、スピンドルのテーパ状ボア５３は、前部直径および前部直径よりも小さな後部直径によって画成されるテーパを有する。高速で回転中にボア５３の前部直径および後部直径は、各々が、遠心力の影響下で異なる率で変化する。したがって、テーパ状ボア５３は、異なる回転速度で異なるテーパを有する。
【００５９】
最適化されたテーパツールホルダ４００において、シャンク４０３のテーパ状外側表面もまた、スピンドル５５のテーパ状ボア５３と同様に、シャンク４０３の前部接触部分４０７で第１の直径Ｄf、および、第１の直径Ｄfよりも小さな、シャンク４０３の後部接触部分４１０で第２の直径Ｄrによって、画成される。また、スピンドル５５のテーパ状ボア５３同様、第１の直径Ｄfおよび第２の直径Ｄrは、各々が、シャンク４０３がスピンドル５５内を高速で回転するときに、遠心力の影響下で異なる率で変化する。このようにして、テーパ状ボア５３と同様に、テーパ状シャンク４０３もまた、異なる回転速度で異なるテーパを有する。許容値を考慮に入れて、シャンク４０３の前部接触部分４０７の直径Ｄfは、シャンク４０３が静止しているときに、前部接触部分４０７に隣接するテーパ状ボア５３の直径にほぼ等しく（許容値を考慮に入れる）、したがって、テーパ状ボア５３に表面接触する。しかし、本発明にしたがって、後部接触部分４１０におけるシャンク４０３の直径Ｄrは、シャンク４０３が所定の速度でまたは速度の範囲で回転するときに、テーパ状外側表面に最適化されたテーパΦ2を有させるように選択される。最適化されたテーパΦ2は、テーパ状シャンク４０３の前部接触部分４０７および後部接触部分４１０の両方とテーパ状ボア５３との間に改良された接触があるように、所望の速度の範囲内でスピンドル５５のテーパ状ボア５３のテーパに実質的に対応するように設計される。面接触がないため、ツールホルダ４００のテーパ状ボア５３内への軸方向運動が発生する。このようにして、テーパ状ボア５３の前部でしっかりした接触が維持され、シャンク４０３の変化するテーパは、所定の速度でまたはその範囲で、ボア５３とのテーパ角度不整合を調整する。結果として、ツールホルダ４０３は軸方向に動くが、最適化された操作速度でまたは速度の範囲で、前部接触部分４０７および後部接触部分４１０の両方でしっかりした接触が達成される。結果として、ツールホルダ４００の揺動および半径方向運動が排除され、関連する正確さおよびバランス問題も同様である。
【００６０】
最適化されたテーパのツールホルダ４００は、可撓性のあるカンチレバーを含まないが、代わりに、所定の最適化された速度でまたは最適化された速度の範囲で、操作するように具体的に設計される。言い換えると、ツールホルダ４００のテーパが最適化される特定の回転速度に対応する変形された状態でスピンドル５５のテーパ状ボア５３のテーパに嵌るように設計される。最適化されたテーパ設計は、現在の先行技術のツールホルダと同一であるが、テーパ角度の非常にわずかな変化を除き、これは、結果として、所望の操作速度でまたは操作速度の範囲で、最適化されたテーパになる。したがって、さらなる製造操作は必要ない。最適化されたテーパのツールホルダ４００は、前部接触部分４０７と後部接触部分４１０との中間に環状凹領域４８０を含むことができる。先に記載されたように、環状凹領域４８０は、シャンク４０３のテーパ状外側表面を適切な許容値で製造するのを容易にし、スピンドル５５のテーパ状ボア５３に良好は嵌めを達成する。
【００６１】
先行技術の急テーパ（７／２４）ツールホルダは、業界標準テーパ状角度および許容値に作られ、目的は、最良の可能な嵌めを生成することである。テーパ角度が異なる場合には、ツールホルダは、スピンドル内で「揺動する」可能性があり、結果として、正確さおよびバランスのエラーになる。ツールホルダおよびスピンドル用の典型的な許容値範囲は、「ＡＴ」分類に基づいている。もっとも頻繁に使用される分類は、スピンドルではＡＴ２、ツールホルダではＡＴ３である。５０テーパツールホルダ用のこれらの分類の角度許容値は下記の通りである。
【００６２】
最小                最大
スピンドル  ＡＴ２  １６度３５分３６秒  １６度３５分４０秒
ツール      ＡＴ３  １６度３５分４０秒  １６度３５分４６秒
これらの分類を使用して、５０テーパツールホルダ用の最良の可能な状態は、スピンドルとツールホルダとの間の完全な整合であり、最悪の場合は１０秒の差である。
【００６３】
他のテーパサイズ用の類似の許容値が存在する。たとえば、４０テーパツールホルダ用である。
【００６４】
最小                最大
スピンドル  ＡＴ２  １６度３５分３５秒  １６度３５分４０秒
ツール      ＡＴ３  １６度３５分４０秒  １６度３５分４８秒
これらの分類を使用して、４０テーパツールホルダ用の最悪の場合は１３秒の差である。
【００６５】
ツールホルダおよびスピンドルは段々高い速度で回転するため、遠心力の作用下で変形し膨張する。スピンドルは、より大きな平均直径を有し、ツールホルダよりもかなり多くの膨張を受ける。さらに、スピンドルの前部は、最大テーパ直径で、後部よりも膨張する。この可変変形は、スピンドルのテーパ角度を変化し、したがって、ツールホルダとの嵌め合いを変化する。
【００６６】
スピンドルテーパの前部は直径を後部よりも速く増加するため、ツールホルダとスピンドルとの間の嵌め合いは、回転速度が増加し始めるときに、テーパが正確に整合する点まで、実際に改良する。速度は、テーパ角度の間の元々の不整合に、および、スピンドルの構造細部に、依存する。次いで、速度のさらなる増加が、テーパの不整合の量を増加し始め、不整合は次に、スピンドルおよびツールホルダが静止時にそうであったようなスピンドルテーパの後部ではなく、スピンドルテーパの前部に隙間を生成する。
【００６７】
本発明にしたがって、初期シャンクテーパΦ1は、所望の操作速度（または速度の範囲）で最適化されたテーパ角度Φ2へ変わるように設計され、そのような所定の操作速度または速度の範囲で、スピンドルとツールホルダテーパとの間に最良の可能な整合を提供する。このようにして、ツールホルダおよびスピンドルが静止しているときにテーパを整合することは、必ずしも最良の設計目的ではない。むしろ、設計目的は、ツールホルダの操作速度でスピンドルとツールホルダテーパとの間に最良の可能な整合を得ることである。大半のツールホルダは、広い速度範囲にわたって操作することができるため、すべての速度でテーパ嵌め合いを最適化することは可能ではない。しかし、典型的な操作速度範囲で特に所定の操作速度で、現在の設計に対して嵌め合いを改良することは可能である。
【００６８】
例として、スピンドル外径が１００ｍｍでありツールホルダの半径方向膨張はない（ツールホルダの半径方向膨張は、スピンドルに比較して非常に小さい）ものとして、急テーパスピンドルおよびツールホルダ用の近似計算が行われた。計算は、２０，０００ｒｐｍでスピンドルテーパ角度が変化しおよそ０度０分２６．７秒だけ増加することを示す。したがって、スピンドルおよびツールのテーパが静止時に完全に整合する場合には、２０，０００ｒｐｍでは０度０分２６．７秒だけ不整合になる。しかし、ツールホルダおよびスピンドルの両方が、静止時にその許容値範囲のもっとも極端な値、０度０分１０秒のテーパ不整合にあった場合には、２０，０００ｒｐｍでの不整合は０度０分１６．７秒だけになる。
【００６９】
代わりに、ツールテーパ角度許容値範囲が、１６度３５分４０秒〜１６度３５分４６秒から１６度３６分００秒〜１６度３６分０６秒までである場合には、２０，０００ｒｐｍでのエラー範囲は、先の０度０分１６．７秒〜０度０分２６．７秒の範囲から、−０度０分３．３秒〜０度０分６．７秒の範囲へ減少し、最大可能なテーパ角度エラーの減少は、７５パーセントである。現在のスピンドルおよびツール許容値スキームの皮肉な点は、静止時に許容値嵌め合い範囲の極端な値であるスピンドル／ツールホルダ組み合わせが高速では実際に最良の嵌め合いを有することがあることである。
【００７０】
いずれの特定のツールホルダ許容値範囲に最適な操作速度があるが、エラーがいくつかの所定の範囲内に入る速度の範囲を使用することができる。ツールホルダまたはスピンドルのいずれか一方のテーパ許容値を変えて、上記変化に影響を与えることができる。しかし、スピンドル許容値を標準で保ち、高速操作用に設計されたツールホルダのツールホルダテーパ角度を変えるだけであることが好ましい。そうでなければ、スピンドルテーパを変えることは、結果として、低速操作用に設計されるツールホルダ用のエラーが増加する。ツールホルダのテーパ許容値を変えることによって、操作速度の意図された範囲に基づいて異なるツールホルダ用に異なる許容値を使用することが可能である。
【００７１】
上記の例は、より厳しい許容値は使用せず、許容値帯を移動するだけであることに注意されたい。したがって、製造コストにかかる影響は、ごくわずかであるべきである。
【００７２】
図１３の図は、標準の先行技術のツールホルダ（左側）と、本発明にしたがった最適化されたテーパを有するツールホルダ（右側）との比較を例示する。図は、スピンドルテーパが、標準ツールホルダテーパ角度（左）および最適化されたテーパツールホルダ角度（右）に対して、異なる回転速度でテーパ角度変化をどのように受けるかを示す。
【００７３】
示されたもっとも上の寸法、すなわち、例示の両側で、０．００００は、ツールホルダが静止しているときである。各外向き垂線は、ツールホルダの各側の前部部分および後部部分で、ツールホルダの１分間につき１０，０００回転（ｒｐｍ）での増加を表す。このようにして、図は、０から４０，０００ｒｐｍでシャンクの前部接触部分および後部接触部分における直径の変化を例示する。
【００７４】
図において、最適化されたテーパのツールホルダは、３０，０００ｒｐｍで操作するのに最適化されており、そこで、最適化されたツールホルダの前部接触部分および後部接触部分の両方で寸法は０．０００３１であることがわかる。図からわかるように、最適化されたテーパツールホルダが静止しているときに、後部接触部分の嵌めは、標準ツールホルダ用のものほどきつくはない。しかし、３０，０００ｒｐｍでは、後部接触部分のギャップが、今や前部接触部分のギャップにほぼ整合し、結果として、スピンドルのテーパ状ボアに対して改良された嵌めを有するテーパになる。
【００７５】
本発明は、その一定の特定の実施の形態に関連して具体的に記載されているが、これは、例示のためであり限定のためではないことを理解すべきであり、添付の特許請求の範囲の範囲は、先行技術が許すほど広く解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】先行技術のテーパのみ接触の、標準急テーパツールホルダの概略図である。
【図２】先行技術の面テーパ接触急テーパツールホルダの概略図である。
【図３】第２の先行技術の面テーパ接触急テーパツールホルダの概略図である。
【図４】第３の先行技術の面テーパ接触急テーパツールホルダの概略図である。
【図５】本発明にしたがった急テーパツールホルダの実施の形態を例示する図である。
【図６】本発明にしたがった急テーパツールホルダの別の実施の形態を例示する図である。
【図７】本発明にしたがった急テーパツールホルダのさらなる実施の形態を例示する図である。
【図８】本発明にしたがった急テーパツールホルダのさらなる実施の形態を例示する図である。
【図９】本発明にしたがった急テーパツールホルダのさらなる実施の形態を例示する図である。
【図１０】先行技術の標準ツールホルダ用の寸法情報を提供する図である。
【図１１】本発明の実施の形態の断面図である。
【図１２】本発明にしたがった急テーパツールホルダのさらなる実施の形態を例示する図である。
【図１３】図１２Ａおよび１２Ｂに示されたような本発明の実施の形態に比較した従来の急テーパツールホルダの変化するテーパ角度を例示する図である。
【図１】
2007518585.tif 000003
【図２】
2007518585.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007518585.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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