(57)【要約】【課題】加工中の工具固定力の低下を防止しうる工作機械の工具固定装置を提供する。【解決手段】工具Ｔを工具装着穴８内に締まりばめにより固定する。工具装着穴８の内周面を開口に向かって拡径されたテーパ状とする。工具Ｔにおける工具装着穴８内に挿入される部分の外周面を、主軸２側に向かって縮径されかつ工具装着穴８の内周面とテーパ角度の等しいテーパ状とする。工具装着穴８の内周面と工具Ｔの外周面との間に非圧縮性流体充填室１２を形成する。工具ホルダ５に非圧縮性流体充填室１２内に非圧縮性流体を導入する流体通路１３を形成する。工具Ｔの工具装着穴８内への差し込みおよび抜き取りの際に、非圧縮性流体充填室１２内に供給される非圧縮性流体により、工具ホルダ５における工具装着穴８の周囲の部分を弾性変形させて径方向外方に拡げる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸の先端部に、工具固定部が主軸とともに回転するように設けられ、工具固定部に、その先端から主軸軸線方向に伸びる工具装着穴が主軸と同軸上に形成されている工作機械において、工具を工具装着穴内に挿入した状態で着脱自在に固定する装置であって、
工具が工具装着穴内に締まりばめにより固定されるようになされており、工具の工具装着穴内への差し込みおよび抜き取りの際に、工具装着穴の内周面と工具の外周面との間に供給される非圧縮性流体により、工具固定部における工具装着穴の周囲の部分を拡げることを特徴とする工作機械の工具固定装置。
【請求項２】
工具装着穴の内周面の開口側部分が開口に向かって拡径されたテーパ状となされ、工具における工具装着穴内に挿入される部分の外周面が主軸側に向かって縮径され、かつ工具装着穴の内周面とテーパ角度の等しいテーパ状となされており、工具装着穴の内周面と工具の外周面との間に非圧縮性流体充填室が形成され、工具固定部に非圧縮性流体充填室内に非圧縮性流体を導入する流体通路が形成されている請求項１の工作機械の工具固定装置。
【請求項３】
主軸に対して主軸軸線方向に移動自在であり、かつ主軸に設けられた工具固定部の工具装着穴内に工具を脱着する脱着装置を備えており、工具脱着装置が、ベースと、ベースに上下動自在に設けられた工具支持部材と、ベースに設けられかつ工具支持部材を上下動させるアクチュエータとを備えている請求項１または２の工作機械の工具固定装置。
【請求項４】
ベースに、工具固定部の係合部と係合する爪部を有しかつ爪部が工具固定部に係合する第１位置とこの係合が解除される第２位置との間で移動しうるアーム、およびアームを第１位置と第２位置との間で移動させるアクチュエータが設けられている請求項３の工作機械の工具固定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえばマシニングセンタなどの工作機械において、主軸の先端部に工具を着脱自在に固定する工具固定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の工具固定装置として、図４に示すものが知られている。この装置は、主軸の先端部に着脱自在に固定される工具ホルダ（３０）に、その先端から主軸軸線方向に伸びる円筒状工具装着穴（３１）が主軸と同軸上に形成され、工具ホルダ（３０）の工具装着穴（３１）よりも径方向外側部分に環状の油室（３２）が形成され、工具ホルダ（３０）の工具装着穴（３１）内周面と油室（３２）との間に薄肉部分（３３）が設けられ、工具ホルダ（３０）に、その外周面と油室（３２）とを連通させる連通路（３４）が形成され、連通路（３４）内にピストン（３５）が摺動自在に嵌合され、連通路（３４）における工具ホルダ（３０）の外周面側の開口部にピストン（３５）を操作する操作ねじ（３６）がねじはめられ、油室（３２）および連通路（３４）内に油が入れられているものである（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
この装置では、操作ねじ（３６）のねじ込み量を多くしてピストン（３５）を内方に押圧することにより油室（３２）内の液圧を増大させ、これにより薄肉部分（３３）を工具装着穴（３１）内方に向かって膨出させて工具装着穴（３１）内に挿入された工具（Ｔ３）を把持固定し、これとは逆に操作ねじ（３６）のねじ込み量を少なくすることにより、油室（３２）内の液圧を減少させて薄肉部分（３３）を元の状態に戻し、これにより工具（Ｔ３）を解放するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
実公昭６１−３５５２号公報（第３欄６〜１６行、第３欄３２行〜第４欄１３行）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置においては次のような問題がある。すなわち、密閉された油室（３２）内にある油を加圧して工具（Ｔ３）を固定するための力を発生させているので、油が外部に漏れると油室（３２）内の液圧が低下し、薄肉部分（３３）による工具（Ｔ３）に対する固定力も低下する。その結果、主軸の回転中に工具（Ｔ３）の滑りが発生し、加工精度が低下するとともに、加工中に工具（Ｔ３）が工具装着穴（３１）から飛び出すという危険性がある。また、薄肉部分（３３）による工具（Ｔ３）に対する固定力が低下していないかどうかを定期的に点検し、必要に応じて操作ねじ（３６）を増し締めする必要があり、そのため加工を定期的に停止しなければならず、点検および増し締め作業が面倒であるとともに加工効率が低下する。さらに、主軸の回転により生じる遠心力により、薄肉部分（３３）が径方向外方に膨出し、工具（Ｔ３）に対する固定力が低下して、油洩れの場合と同様な問題が生じることもある。そして、上記遠心力による工具（Ｔ３）の固定力の低下を防止するために、主軸を高回転数で回転させることができないので、工作機械の用途が限定される。
【０００６】
この発明の目的は、上記問題を解決し、加工中の工具固定力の低下を防止しうる工作機械の工具固定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明による工作機械の工具固定装置は、
主軸の先端部に、工具固定部が主軸とともに回転するように設けられ、工具固定部に、その先端から主軸軸線方向に伸びる工具装着穴が主軸と同軸上に形成されている工作機械において、工具を工具装着穴内に挿入した状態で着脱自在に固定する装置であって、
工具が工具装着穴内に締まりばめにより固定されるようになされており、工具の工具装着穴内への差し込みおよび抜き取りの際に、工具装着穴の内周面と工具の外周面との間に供給される非圧縮性流体により、工具固定部における工具装着穴の周囲の部分を拡げることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１の発明による工作機械の工具固定装置において、工具固定部は、主軸に一体に形成されることがあり、また主軸とは別体でありかつ主軸に着脱自在に取り付けられる、たとえば工具ホルダからなることがある。
【０００９】
請求項１の発明の工具固定装置によれば、工具が工具装着穴内に締まりばめにより固定されるようになされており、工具の工具装着穴内への差し込みおよび抜き取りの際にのみ工具装着穴の内周面と工具の外周面との間に供給される非圧縮性流体により、工具固定部における工具装着穴の周囲の部分を拡げるようになっているので、主軸の回転中にも工具の固定力が低下することはなく、工具の滑りが発生することが防止される。したがって、加工精度が向上するとともに、加工中に工具が工具装着穴から飛び出すという危険性がなくなる。また、工具の固定力の低下が防止されるので、加工中に固定力の変化を定期的に点検する必要はなく、加工効率が向上する。さらに、主軸回転中での固定力の低下が防止されるので、主軸を高回転数で回転させることができ、工作機械の用途が拡がる。しかも、工具固定部における工具装着穴の周囲を弾性変形させて工具の着脱を行うので、工具の着脱を繰り返しても、工具固定力は変化することがなく、工具を確実に固定することができる。
【００１０】
また、非圧縮性流体として油を用いた場合、工具装着穴の内周面と工具外周面との間に油膜が形成されるので、工具を工具装着穴に抜き差しする際に、工具や工具装着穴内周面に傷が生じることを防止することが可能となる。
【００１１】
請求項２の発明による工作機械の工具固定装置は、請求項１の発明において、工具装着穴の内周面の開口側部分が開口に向かって拡径されたテーパ状となされ、工具における工具装着穴内に挿入される部分の外周面が主軸側に向かって縮径され、かつ工具装着穴の内周面とテーパ角度の等しいテーパ状となされており、工具装着穴の内周面と工具の外周面との間に非圧縮性流体充填室が形成され、工具固定部に非圧縮性流体充填室内に非圧縮性流体を導入する流体通路が形成されているものである。
【００１２】
この場合、工具の取付は次のようにして行われる。すなわち、まず工具の外周面が工具装着穴の内周面に密接するまで工具を工具装着穴内に挿入し、かつ工具を工具装着穴の奥側に加圧しておく。そして、工具固定部の流体通路を通して非圧縮性流体充填室内に非圧縮性流体を充填するとともにこの非圧縮性流体を加圧し、これにより工具固定部における工具装着穴の周囲の部分を弾性変形させて径方向外方に拡げると、工具は工具装着穴の奥側に移動する。この状態で、非圧縮性流体充填室内の非圧縮性流体への加圧を停止すると、工具固定部における工具装着穴の周囲の部分が弾性により元の状態に復元し、工具が締まりばめにより工具固定部の工具装着穴内に挿入固定される。工具を取り外す際には、工具固定部の流体通路を通して非圧縮性流体充填室内に非圧縮性流体を充填するとともにこの非圧縮性流体を加圧し、これにより工具固定部における工具装着穴の周囲の部分を弾性変形させて径方向外方に拡げると、工具装着穴の内周面および工具の外周面がテーパ状であることにより、工具の抜き取りが可能になる。しかも、非圧縮性流体充填室内の非圧縮性流体を加圧した際に、工具装着穴のテーパ場内周面に作用する力の反作用により、工具には工具装着穴外方への力が作用するので、工具は自動的に工具装着穴から抜ける。
【００１３】
請求項３の発明による工作機械の工具固定装置は、請求項１または２の発明において、主軸に対して主軸軸線方向に移動自在であり、かつ主軸に設けられた工具固定部の工具装着穴内に工具を脱着する脱着装置を備えており、工具脱着装置が、ベースと、ベースに上下動自在に設けられた工具支持部材と、ベースに設けられかつ工具支持部材を上下動させるアクチュエータとを備えているものである。
【００１４】
この場合、工具の取付の際に、脱着装置の工具支持部材により工具を支持するとともに、アクチュエータにより工具の外周面が工具装着穴の内周面に密接するまで工具を工具装着穴内に差し込みかつ工具を工具装着穴の奥側に加圧しておくことができる。
【００１５】
請求項４の発明による工作機械の工具固定装置は、請求項３の発明において、ベースに、工具固定部の係合部と係合する爪部を有しかつ爪部が工具固定部に係合する第１位置とこの係合が解除される第２位置との間で移動しうるアーム、およびアームを第１位置と第２位置との間で移動させるアクチュエータが設けられているものである。この場合、工具の取付の際における工具の工具装着穴奥側への加圧をより強く行うことができる。
【００１６】
なお、請求項４の発明において、アームに、アームが第１位置にあるときに工具固定部の流体通路と通じる流体通路を形成することにより、工具の着脱の際に、アームの流体通路を通して工具固定部の流体通路に非圧縮性流体を送り込むことができる。
【００１７】
【発明の実施形態】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１はこの発明による工具固定装置を備えた工作機械の主軸装置の前部を示し、図２は工具固定部としての工具ホルダの前部および工具脱着装置を示し、図３は工具の取付方法を示す。なお、以下の説明において、図面の上下を上下というものとする。
【００１９】
図１において、工作機械の主軸装置は、図示しない主軸頭に固定状に設けられた固定ハウジング（１）と、固定ハウジング（１）内に配された鉛直状態の中空状主軸（２）とを備えている。
【００２０】
主軸（２）の前部は複数の主軸軸受（３）により固定ハウジング（１）に回転自在に支持されている。主軸軸受（３）としては、ラジアル荷重と少なくとも１方向のスラスト荷重を受けることができる軸受、たとえばアンギュラ玉軸受、深溝玉軸受、円すいころ軸受などが用いられる。
【００２１】
主軸（２）の前端面にはテーパ穴（４）が形成されており、このテーパ穴（４）内に、工具固定部としての工具ホルダ（５）のテーパシャンク（５ａ）が挿入されている。工具ホルダ（５）のテーパシャンク（５ａ）後端のプルスタッド（５ｂ）は、主軸（２）内に主軸（２）軸線方向に移動しうるように配置されたドローバー（６）の前端部に設けられた把持装置（７）により把持され、これにより工具ホルダ（５）が主軸（２）前端に着脱自在に取り付けられている。
【００２２】
工具ホルダ（５）には、その前端面から後方に伸びる工具装着穴（８）が主軸（２）と同軸上に形成されている。工具装着穴（８）の内周面は、前方に向かって拡径されたテーパ状であり、そのテーパ角はたとえば６〜８度程度である。
【００２３】
工具（Ｔ）は、工具装着穴（８）内に挿入される工具装着具（Ｔ１）と、工具装着具（Ｔ１）に固定された工具本体（Ｔ２）とよりなり、工具装着穴（８）内に締まりばめにより固定されるようになっている。工具装着具（Ｔ１）の外周面は、主軸（２）側（上側）に向かって縮径されたテーパ状となされており、そのテーパ角は、工具装着穴（８）の内周面のテーパ角と等しくなっている。工具装着具（Ｔ１）の上端の外径（小端径）および下端の外径（大端径）は、それぞれ工具装着穴（８）の上端の内径（小端径）および下端の内径（大端径）より大きくなっている。工具装着具（Ｔ１）の外周面における高さの中央部に環状溝（１１）が全周にわたって形成されており、これにより工具装着穴（８）の内周面と工具（Ｔ）の外周面との間に非圧縮性流体充填室（１２）が形成されている。なお、環状溝（１１）の下側側面の幅は上側側面の幅よりも広くなっている。　そして、非圧縮性流体充填室（１２）内に連通するように、工具ホルダ（５）における工具装着穴（８）の周囲の部分に流体通路（１３）が形成されており、この流体通路（１３）を通して外部から非圧縮性流体充填室（１２）内に非圧縮性流体を導入しうるようになっている。流体通路（１３）は、工具（Ｔ）が工具装着穴（８）内に締まりばめにより固定されている場合（図１および図２参照）、ならびに工具（Ｔ）を工具装着穴（８）内に仮挿入した場合（図３（ｂ）参照）のいずれの場合にも、非圧縮性流体充填室（１２）内と通じるようになっている。
【００２４】
図２に示すように、工作機械の工具固定装置は、主軸（２）に対して主軸（２）軸線方向に移動自在であり、かつ工具ホルダ（５）の工具装着穴（８）内に工具（Ｔ）を脱着する工具脱着装置（２０）を備えている。工具脱着装置（２０）は、ベース（２１）と、ベース（２１）上に上下動自在に設けられた工具支持部材（２２）と、工具支持部材（２２）の下方においてベース（２１）に設けられかつ工具支持部材（２２）を上下動させる支持部材用アクチュエータ（２３）と、工具ホルダ（５）に一体に形成された係合部（５ｃ）と係合する爪部（２４ａ）を有しかつ爪部（２４ａ）が係合部（５ｃ）に係合する第１位置とこの係合が解除される第２位置との間で移動しうる２つの半円筒状アーム（２４）と、ベース（２１）に設けられかつ各アーム（２４）を第１位置と第２位置との間で移動させる２つのアーム用アクチュエータ（２５）と、支持部材用アクチュエータ（２３）を駆動するアクチュエータ駆動装置（２６）と、アーム用アクチュエータ（２５）を駆動するアクチュエータ駆動装置（２７）とを備えている。
【００２５】
工具支持部材（２２）にはその上端面から下方に伸びる有底穴（２２ａ）が形成されている。アーム（２４）は工具支持部材（２２）の周囲に配置されており、その上端に径方向内方に突出した爪部（２４ａ）が設けられている。一方のアーム（２４）には、アーム（２４）が第１位置にあるときに工具ホルダ（５）の流体通路（１３）と密に通じる流体通路（２８）が形成されている。この流体通路（２８）には非圧縮性流体供給装置（２９）が接続されている。支持部材用アクチュエータ（２３）は、ベース（２１）上面の中央部に形成された凹所（２１ａ）内に配置されている。各アーム用アクチュエータ（２５）は、各アーム（２４）の径方向外側においてベース（２１）上に配置されている。
【００２６】
次に工具（Ｔ）の工具ホルダ（５）への着脱方法について、図３を参照して説明する。
【００２７】
工具（Ｔ）を、工具本体（Ｔ２）が有底穴（２２ａ）に入り込んだ状態で工具支持部材（２２）上に載置するとともに、アーム用アクチュエータ（２５）により両アーム（２４）をそれぞれ第２位置に移動させておく。この状態で、工具脱着装置（２０）を主軸（２）に接近するように移動させ（図３（ａ）参照）、工具（Ｔ）の工具装着具（Ｔ１）を工具ホルダ（５）の工具装着穴（８）内に仮挿入する。このとき、工具装着具（Ｔ１）のテーパ状外周面が工具装着穴（８）のテーパ状内周面に密に面接触し、非圧縮性流体充填室（１２）が密閉されるとともに、非圧縮性流体充填室（１２）内が流体通路（１３）と連通状態になる。また、両アーム用アクチュエータ（２５）により両アーム（２４）をそれぞれ第１位置に移動させ、爪部（２４ａ）を工具ホルダ（５）の係合部（５ｃ）に係合させる（図３（ｂ）参照）。このとき、一方のアーム（２４）の流体通路（２８）が工具ホルダ（５）の流体通路（１３）と連通状態になる。ついで、支持部材用アクチュエータ（２３）により工具支持部材（２２）を介して工具（Ｔ）を上方に加圧しつつ、非圧縮性流体供給装置（２９）により２つの流体通路（２８）（１３）を通して非圧縮性流体充填室（１２）内に、油などの非圧縮性流体を充填するとともにこの非圧縮性流体を加圧し、これにより工具ホルダ（５）における工具装着穴（８）の周囲の部分を弾性変形させて径方向外方に拡げる。すると、支持部材用アクチュエータ（２３）により上方に加圧されている工具（Ｔ）は工具装着穴（８）の奥側に移動する。この状態で、非圧縮性流体充填室（１２）内の非圧縮性流体への加圧を停止すると、工具ホルダ（５）における工具装着穴（８）の周囲の部分が弾性により元の状態に復元し、工具（Ｔ）が締まりばめにより工具ホルダ（５）の工具装着穴（８）内に挿入固定される（図３（ｃ）参照）。
【００２８】
工具（Ｔ）を取り外す際には、主軸（２）と工具脱着装置（２０）とを図３（ｃ）に示す状態とする。このとき、工具支持部材（２２）は、図３（ｃ）とは異なって支持部材用アクチュエータ（２３）により下降させておく。ついで、非圧縮性流体供給装置（２９）からアーム（２４）および工具ホルダ（５）の流体通路（２８）（１３）を通して非圧縮性流体充填室（１２）内に非圧縮性流体を充填するとともにこの非圧縮性流体を加圧し、これにより工具ホルダ（５）における工具装着穴（８）の周囲の部分を弾性変形させて径方向外方に拡げる。すると、工具装着穴（８）の内周面および工具（Ｔ）の外周面がテーパ状であることにより、工具（Ｔ）の抜き取りが可能になる。しかも、非圧縮性流体充填室（１２）内の非圧縮性流体を加圧した際に、工具装着穴（８）のテーパ場内周面に作用する力の反作用により、工具（Ｔ）には工具装着穴（８）外方（下方）への力が作用するので、工具（Ｔ）は自動的に工具装着穴（８）から抜ける。
【００２９】
上記実施形態は、工具ホルダ（５）が主軸（２）に取り付けられた状態で工具（Ｔ）を交換する場合を示すが、これに限るものではなく、工具ホルダ（５）を主軸（２）から取り外して適当な固定部に固定した状態で工具（Ｔ）を交換するようにしてもよい。また、上記実施形態においては、主軸（２）の前端部に工具固定部としての工具ホルダ（５）が取り付けられているが、これに代えて、主軸（２）の前端部に工具装着穴（８）を有する工具固定部を一体に設けておいてもよい。さらに、上記実施形態においては、非圧縮性流体充填室（１２）は工具（Ｔ）の外周面に環状溝を形成することにより設けられているが、これに代えて、工具装着穴（８）の内周面に環状溝を形成したり、工具（Ｔ）の外周面および工具装着穴（８）の内周面の両方に環状溝を形成することにより非圧縮性流体充填室（１２）を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による工具固定装置を備えた工作機械の主軸装置の前部を示す垂直断面図である。
【図２】工具固定部としての工具ホルダの前部および工具脱着装置を示す垂直断面図である。
【図３】工具の取付方法を示す垂直断面図である。
【図４】従来の工具固定装置を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
（２）：主軸
（５）：工具ホルダ（工具固定部）
（５ｃ）：係合部
（８）：工具装着穴
（１２）：非圧縮性流体充填室
（１３）：流体通路
（２０）：工具脱着装置
（２１）：ベース
（２２）：工具支持部材
（２３）：支持部材用アクチュエータ
（２４）：アーム
（２４ａ）：爪部
（２５）：アーム用アクチュエータ
（Ｔ）：工具
（Ｔ１）：工具装着具
（Ｔ２）：工具本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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