(57)【要約】【課題】主軸軸受にかかる荷重負担を緩和できる工具ホルダおよび工作機械を提供する。【解決手段】工具ホルダ２は、工作機械の主軸ヘッド９に支持された主軸８に装着されるシャンク部２０と、シャンク部２０に一体的に設けられ、摩擦攪拌接合用の接合ツール１０（加工用ツール）が装着された回転部３０と、回転部３０を回転自在に支持する軸受機構５０（軸受部）と、軸受機構５０を保持する軸受保持部４０と、を備え、軸受保持部４０は、主軸ヘッド９に対向配置され、軸受機構５０が受ける荷重を主軸ヘッド９に伝達可能である。【選択図】図２
2017170603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸ヘッドに支持された主軸に装着されるシャンク部と、
前記シャンク部に一体的に設けられ、加工用ツールを装着可能な回転部と、
前記回転部を回転自在に支持する軸受部と、
前記軸受部を保持する軸受保持部と、を備え、
前記軸受保持部は、前記主軸ヘッドに対向配置され、前記軸受部が受ける荷重を前記主軸ヘッドに伝達可能であることを特徴とする工具ホルダ。
【請求項２】
前記軸受保持部は、前記主軸ヘッドに対向する表面に、前記主軸ヘッドの端面に当接可能な当接部材を有し、前記当接部材は前記主軸を中心として周方向に複数が配列されていることを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
【請求項３】
前記当接部材は、前記主軸を中心として周方向に均等に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の工具ホルダ。
【請求項４】
前記回転部に冷媒通路が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の工具ホルダ。
【請求項５】
前記加工用ツールは、摩擦攪拌接合用の接合ツールであり、
前記軸受部は、スラスト軸受を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の工具ホルダ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の工具ホルダが装着され、
前記主軸ヘッドと前記軸受保持部との間には、廻り止めが形成されていることを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具ホルダおよび工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料の接合手法として摩擦攪拌接合が用いられている（特許文献１参照）。
摩擦攪拌接合では、回転する接合ツールを被接合物に押し当て、摩擦熱で被接合物を流動化させて接合する。
摩擦攪拌接合において、接合ツールは、摩擦攪拌接合装置の主軸に装着され、被接合物の表面と交差方向の回転軸を中心に回転駆動される。そして、回転状態のまま被接合物の表面の接合部分に沿って移動される。
【０００３】
摩擦攪拌接合装置では、接合ツールを高トルクで回転させつつ、軸移動（ツールの移動もしくはワークの移動）により、圧力をかけて摩擦熱を得るため、専用の装置が多用される。一方、主軸の回転、ツールの移動またはワークの移動であれば、汎用の工作機械で代行も可能である。
接合ツールとしては、例えば円柱状のホルダの下端面に、同軸で下向きに円錐状のピンを形成したものが用いられる。ピンの周囲には段差状のショルダが形成される。
摩擦攪拌接合の動作時には、ピンが被接合物の内部に圧入され、ショルダは被接合物の表面に向かい合う状態に維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７７８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、汎用の工作機械に接合ツールを装着して摩擦攪拌接合を行う場合、接合ツールを回転させつつ圧入するために、被接合物に強い力で押し付ける必要がある。このために、接合ツールを装着した主軸および主軸ヘッドには、回転軸線方向に強いスラスト力がかかる。通常、切刃により切削加工を行う汎用の工作機械では、このような強いスラスト力を想定しておらず、主軸軸受（メインベアリング）に十分なスラスト強度を確保していない工作機械では、主軸軸受に損傷を生じる可能性がある。
このような工作機械の主軸軸受における過剰な荷重負担は、摩擦攪拌接合に限らず、他の形態の切削においても生じる可能性があり、主軸軸受に対する荷重負担を緩和できる工具ホルダおよび工作機械の提供が望まれていた。
【０００６】
本発明の目的は、主軸軸受にかかる荷重負担を緩和できる工具ホルダおよび工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の工具ホルダは、工作機械の主軸ヘッドに支持された主軸に装着されるシャンク部と、前記シャンク部に一体的に設けられ、加工用ツールを装着可能な回転部と、前記回転部を回転自在に支持する軸受部と、前記軸受部を保持する軸受保持部と、を備え、前記軸受保持部は、前記主軸ヘッドに対向配置され、前記軸受部が受ける荷重を前記主軸ヘッドに伝達可能であることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、主軸に装着されたシャンク部が主軸で駆動されることで、回転部およびこれに装着された加工用ツールが回転される。そして、回転する加工用ツールを加工対象のワークに接触させることで加工を行うことができる。
ここで、ワークからの反力により、加工用ツールが装着された回転部には強い荷重負担が生じるが、この荷重は軸受部を介して軸受保持部へ伝達され、主軸ヘッドに伝達させて逃がすことができる。このため、主軸に強い荷重負担がかかることを回避でき、主軸軸受を安全に保つことができる。
【０００９】
本発明の工具ホルダにおいて、前記軸受保持部は、前記主軸ヘッドに対向する表面に、前記主軸ヘッドの端面に当接可能な当接部材を有し、前記当接部材は前記主軸を中心として周方向に複数が配列されていることが望ましい。
【００１０】
本発明では、当接部材を介して軸受部からの荷重を主軸ヘッドへと伝達できる。
さらに、当接部材が複数に分割され、全周に連続する場合よりも接触面積を縮小することができ、加工用ツールが発生させる高い熱が主軸ヘッドに伝導することを抑制できる。
【００１１】
本発明の工具ホルダにおいて、前記当接部材は、前記主軸を中心として周方向に均等に配列されていることが望ましい。
本発明では、当接部材が周方向に均等に配列されていることで、主軸ヘッドに対する荷重の円周バランスを確保することができる。
【００１２】
本発明の工具ホルダにおいて、前記回転部に冷媒通路が形成されていることが望ましい。
本発明では、加工用ツールから回転部へと伝導してくる熱を、冷媒通路を通る冷媒で冷却することができ、軸受部ないし主軸ヘッドへの熱の伝導も抑制できる。さらに、接合終了後のツール冷却も可能となり、接合再開までの時間を短縮できる。
【００１３】
本発明の工具ホルダにおいて、前記加工用ツールは、摩擦攪拌接合用の接合ツールであり、前記軸受部は、スラスト軸受を有することが望ましい。
本発明では、回転する接合ツールを加工対象の被接合物に押し付けることで、摩擦攪拌接合を行うことができる。
ここで、被接合物からの反力により、接合ツールおよび回転部には強いスラスト力が生じるが、このスラスト力はスラスト軸受を介して軸受保持部へ伝達され、主軸ヘッドへと逃がすことができる。このため、主軸に強いスラスト力がかかることを回避でき、主軸軸受を安全に保つことができる。
【００１４】
本発明の工作機械は、前述した本発明の工具ホルダが装着され、前記主軸ヘッドと前記軸受保持部との間には、廻り止めが形成されていることを特徴とする。
本発明の工作機械によれば、前述した本発明の工具ホルダと同様な効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、主軸軸受にかかる荷重負担を緩和できる工具ホルダおよび工作機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態を示す側面図。
【図２】前記実施形態の内部構造を示す断面図。
【図３】前記実施形態のシャンク部側を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２において、本実施形態の摩擦攪拌接合工具１は、工作機械の主軸ヘッド９に支持された主軸８に装着されて、被接合物７の摩擦攪拌接合を行うものである。
【００１８】
本実施形態の工作機械としては、主軸８の回転およびワーク（本実施形態では被接合物７だが工作機械として用いる際には被切削物）に対する主軸８の相対移動が可能な各種の形式が利用でき、主軸ヘッド９ないし摩擦攪拌接合工具１を、被接合物７に対して任意の位置へと移動可能である。
工作機械において、主軸８は主軸ヘッド９に回転自在に支持され、主軸ヘッド９に設置された図示しないモータにより回転駆動される。
【００１９】
摩擦攪拌接合工具１は、摩擦攪拌接合用の接合ツール１０を有するとともに、主軸８に装着するためのシャンク部２０を有する。さらに、摩擦攪拌接合工具１は、接合ツール１０およびシャンク部２０を接続する回転部３０と、主軸ヘッド９に接続される軸受保持部４０と、軸受保持部４０内に設置されて回転部３０を回転自在に支持する軸受機構５０を有する。
ここで、接合ツール１０は本発明の加工用ツールであり、軸受保持部４０は本発明の軸受保持部であり、軸受機構５０は本発明の軸受部である。
これらのシャンク部２０、回転部３０、軸梅部である軸受機構５０、軸受保持部である軸受保持部４０により、本発明の工具ホルダ２が構成されている。
本実施形態においては、摩擦攪拌接合用の接合ツール１０を工具ホルダ２に装着することにより、摩擦攪拌接合工具１が構成されている。
【００２０】
接合ツール１０は、摩擦攪拌接合用の工具であり、ツール本体１１の先端にショルダ１２およびピン１３を有する。
接合ツール１０は、回転状態で被接合物７に押し付けられることで、先端のピン１３が被接合物７の材料を加熱溶融させつつ被接合物７内に圧入され、被接合物７の継ぎ目を溶融接合することができる。
【００２１】
シャンク部２０は、ＪＩＳＢ６３３９−２：２０１１に定められた自動工具交換用７／２４テーパシャンク（ＢＴタイプ）とされ、同規格に対応するＪＩＳＢ６３４０−２：２０１１に基づく主軸８に着脱可能である。
シャンク部２０は、テーパコーン２１とプルスタッド２２を有し、プルスタッド２２で主軸８のテーパ孔の内部へと引き込まれる。そして、テーパコーン２１がテーパ孔の内面に密着することで、主軸８に保持されて回転力を伝達可能となる。
【００２２】
回転部３０は、円筒状のシャフト３１を有する。シャフト３１の主軸８側は、連続して前述したシャンク部２０とされている。
シャフト３１の接合ツール１０側には、接合ツール１０を固定するためのチャック３２が形成されている。
チャック３２は、接合ツール１０のツール本体１１を同軸に収容可能な筒状に形成され、筒状の部分には中心向きに複数のボルト３２１が設置されている。
ツール本体１１を装着する際には、ツール本体１１をチャック３２の筒状の底部に押し当て、スラスト方向の力を受けられる状態とする。さらに、ボルト３２１により、ツール本体１１を締め付けることで、接合ツール１０をシャフト３１に対して廻り止めしている。
【００２３】
軸受保持部４０は、円筒状のケース４１を有する。
図３にも示すように、ケース４１の主軸８側の端面には、外周縁に沿って当接部材４２がボルト４２１により固定されている。また、当接部材４２の間隔の一部には、位置決め部材４３がボルト４３１により固定されている。
【００２４】
当接部材４２は円弧状の部材であり、４つが等間隔で配置されている。
当接部材４２は、摩擦攪拌接合工具１を主軸８に装着した状態で、主軸ヘッド９の端面の最も内側の部位に当接可能である。この状態では、当接部材４２が主軸８と干渉することはない。
【００２５】
位置決め部材４３は、一対の当接部材４２の間に設置され、当接部材４２よりも突出して形成されている。
主軸ヘッド９には、この位置決め部材４３が収容可能な凹部４３２（図１参照）が形成され、摩擦攪拌接合工具１を主軸８に装着した状態では、位置決め部材４３が凹部４３２に嵌合されることにより、軸受保持部４０は主軸ヘッド９に対して所期の角度位置において廻り止めされる。
【００２６】
軸受機構５０は、一対のアンギュラローラ軸受５１，５２を背面合わせに設置して構成されている。アンギュラローラ軸受５１，５２は、多数のローラを、各々の回転軸線が回転部３０の回転軸線に斜めに交差する方向で、それぞれ保持したものである。このようなアンギュラローラ軸受５１，５２は、中心軸線に沿う荷重を受けるスラスト軸受としての機能と、中心軸線と交差する方向の荷重を受けるラジアル軸受としての機能とを兼ね備えている。
【００２７】
なお、本実施形態では、軸受機構５０をアンギュラローラ軸受５１，５２としたが、ボール式のアンギュラ軸受に替えてもよい。ただし、ローラ軸受のほうが高負荷に耐えうる。また、アンギュラ軸受ではなく、スラスト軸受とラジアル軸受とを組み合わせて代替してもよい。ただし、アンギュラ軸受のほうが省スペース化できる。また、アンギュラローラ軸受５１，５２のように一対とすることは必須ではなく、少なくとも接合ツール１０側から主軸８側に向かう軸線方向に沿った荷重を、回転部より軸受保持部に負担できるスラスト軸受の機能を備えていればよい。
【００２８】
本実施形態の摩擦攪拌接合工具１には、図２に示すように、軸受保持部４０および回転部３０を巡る冷媒通路６０が形成されている。
冷媒通路６０は、当接部材４２の一部に形成された導入部６１と、ケース４１内に形成された軸受保持部通路６２および環状溝６３と、シャフト３１内に形成された可動部通路６４および排出部６５とを備えている。
導入部６１は軸受保持部通路６２に連通され、軸受保持部通路６２は環状溝６３に連通されている。環状溝６３はケース４１の内周面を一巡しており、可動部通路６４はシャフト３１がどのような角度位置であっても、環状溝６３および軸受保持部通路６２と連通される。排出部６５は、シャフト３１のシャンク部２０際の外周面に開口されている。
【００２９】
従って、摩擦攪拌接合工具１を主軸８に装着した状態で、主軸ヘッド９側の冷媒供給ノズル（図示省略）が導入部６１に接続されるように設定しておけば、導入部６１に供給された冷媒が軸受保持部通路６２から環状溝６３、可動部通路６４を経て排出部６５から排出される。
冷媒が通されることで、接合ツール１０から回転部３０へと伝導される熱が冷却され、軸受機構５０および軸受保持部４０、ないしは主軸８および主軸ヘッド９へと伝導することが防止される。なお、冷媒としては、エア（空冷）が利用できる。熱を伝える流体であれば、クーラント（水冷）や、他のものでもかまわない。冷媒にクーラントを利用する場合、軸受部分の潤滑に影響を与えないように、クーラントの流路に配慮する必要がある。
【００３０】
本実施形態においては、シャンク部２０を主軸８に接続することで、摩擦攪拌接合工具１を工作機械に装着する。装着に伴って、軸受保持部４０は、当接部材４２で主軸ヘッド９の端面に当接され、位置決め部材４３で位置決めされる。
この状態で、主軸ヘッド９および摩擦攪拌接合工具１を移動させ、接合ツール１０を被接合物７に対向させる。そして、主軸８を回転させることで、シャンク部２０、回転部３０および接合ツール１０が一体に回転駆動される。そして、接合ツール１０を被接合物７に圧入した後、移動することで、摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００３１】
ここで、被接合物７からの反力により、接合ツール１０および回転部３０には強いスラスト力が生じる。このスラスト力は、スラスト軸受の機能を有する軸受機構５０を介して軸受保持部４０へ伝達され、当接部材４２から主軸ヘッド９へと逃がすことができる。このため、主軸８に強いスラスト力がかかることを回避でき、主軸ヘッド９において主軸８を支持する主軸軸受を安全に保つことができる。
【００３２】
本実施形態では、当接部材４２を介して、接合ツール１０からのスラスト力を主軸ヘッド９へと伝達できる。
この際、当接部材４２が周方向に均等に配列されていることで、主軸ヘッド９に対するスラストの円周バランスを確保することができる。
さらに、当接部材４２が複数に分割され、全周に連続する場合よりも主軸ヘッド９との接触面積を縮小することができる。このため、接合ツール１０の高熱が主軸ヘッド９に伝導することを抑制できる。
【００３３】
本実施形態では、接合ツール１０から回転部３０へと伝導してくる熱を、冷媒通路６０を通る冷媒で冷却することができ、軸受機構５０から軸受保持部４０ないし主軸ヘッド９への熱の伝導も抑制できる。
【００３４】
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での変形などは本発明に含まれる。
前述した通り、接合ツール１０およびシャンク部２０は既存のものを採用することができ、これらはシャフト３１から連続的に形成されても、別体のものを接続してもよい。
軸受機構５０についても、本発明の軸受部としての機能が得られれば、その構造は適宜変更等することができる。
【００３５】
当接部材４２の配置および寸法は、実施にあたって適宜設計すればよく、強度的に問題がない範囲で主軸ヘッド９に対する接触面積を小さくすることが望ましい。当接部材４２の配置は、主軸８の中心に対して点対称であることは、望ましいが必須ではなく、荷重バランスが確保できる程度のアンバランスは許容できる。
【００３６】
冷媒通路６０は、軸受機構５０を外側から冷却できるように、軸受保持部通路６２がケース４１を広く巡るように形成してもよい。
冷媒通路６０としては、シャンク部２０の中心を貫通する通路を設け、主軸８のセンタースルーで供給される冷媒を用いるようにしてもよい。
前記実施形態では、加工用ツールとして摩擦攪拌接合用の接合ツール１０を用い、これを本発明に基づく工具ホルダ２に装着することで摩擦攪拌接合工具１を構成した。ただし、本発明の工具ホルダ２に装着される加工用ツールとしては、摩擦攪拌接合用の接合ツール１０に限らず、切削加工用などの他の加工用ツールを装着することで切削工具を構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、工具ホルダおよび工作機械に関し、汎用の工作機械を用いて主軸軸受の荷重負担が大きな加工を行う際に利用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１…摩擦攪拌接合工具、２…工具ホルダ、１０…加工用ツールである接合ツール、１１…ツール本体、１２…ショルダ、１３…ピン、２０…シャンク部、２１…テーパコーン、２２…プルスタッド、３０…回転部、３１…シャフト、３２…チャック、３２１…ボルト、４０…軸受保持部、４１…ケース、４２…当接部材、４２１…ボルト、４３…廻り止めを構成する位置決め部材、４３１…ボルト、４３２…廻り止めを構成する凹部、５０…軸受部である軸受機構、５１，５２…アンギュラローラ軸受、６０…冷媒通路、６１…導入部、６２…軸受保持部通路、６３…環状溝、６４…可動部通路、６５…排出部、７…被接合物、８…主軸、９…主軸ヘッド。
【図１】
2017170603.tif 000003
【図２】
2017170603.tif 000004
【図３】
2017170603.tif 000005