(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸に工具を着脱するクランプ・アンクランプ機構のプッシュロッドが皿ばねの撥力により後方に付勢されると前記クランプ・アンクランプ機構が工具をクランプし、前記皿ばねの撥力に抗して前進されると工具をアンクランプし、水性の液体が浸入する雰囲気で使用する皿ばね装置において、前記皿ばねは複数のばね素子よりなり、前記プッシュロッドは前記各ばね素子に穿設された中心穴を貫通して前記皿ばねを案内支持し、前記各ばね素子と前記プッシュロッドの両方の表面に夫々異なる種類の四フッ化エチレン重合体（ＰＴＦＥ）皮膜または充填剤入りＰＴＦＥ皮膜からなる固体潤滑剤皮膜のコーティングを施したことを特徴とする皿ばね装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸に工具を着脱するクランプ・アンクランプ機構のプッシュロッドが、複数のばね素子よりなる皿ばねの各ばね素子に穿設された中心穴を貫通して前記皿ばねを案内支持するとともに、該皿ばねの撥力により後方に付勢される皿ばね装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタのような工作機械には、例えば図１に示すように、工具Ｔを固定した工具ホルダ３５を着脱可能に主軸１０の先端に装着するクランプ・アンクランプ機構３０が装備されている。クランプ・アンクランプ機構３０においてクランプ力を発生させるために、多数のばね素子２５ａを重ねてなる皿ばね２５と、この各ばね素子２５ａに穿設された中心案を貫通して皿ばね２５を案内支持するプッシュロッド（ガイドロッド）２０よりなる皿ばね装置を使用したものがある。クランプ・アンクランプ機構３０の摺動部材３１に延長部２１を介して連結されたプッシュロッド２０は、主軸１０に係止された第１ばね受け２６とプッシュロッド２０の後端部にねじ込み固定された第２ばね受け２７の間に介装した皿ばね２５により後向きに付勢され、この付勢力が延長部２１を介して摺動部材３１を後退させることにより、プッシュロッド２０から摺動部材３１に伝達されて工具ホルダ３５は主軸１０の先端に装着される。またプッシュロッド２０の後端を皿ばね２５の付勢力に抗してプッシャ（図示省略）により押すことにより、プッシュロッド２０と摺動部材３１が前進して工具ホルダ３５は主軸１０の先端から離脱される。
【０００３】
このような皿ばね２５は多数のばね素子２５ａを重ねたものであり、横方向剛性（皿ばね２５全体としての曲げ剛性）がないので、各ばね素子２５ａに穿設された中心穴にプッシュロッド２０を貫通して皿ばね２５を案内支持するようにしている。クランプ・アンクランプ機構３０のプッシュロッド２０のストロークはかなり大きい（例えば１５ｍｍ）ので、ばね素子２５ａ（特に第１ばね受け２６付近のもの）とプッシュロッド２０との間の摺動量もかなり大きくなる。また皿ばね２５は横剛性がないため、特に圧縮された状態では横方向にバックリングしようとしてプッシュロッド２０の表面に接触して強く押すので、作動回数に応じて皿ばね２５の内縁とプッシュロッド２０の表面に摩耗を生じて引っ掛かりによる作動不良を生じ、あるいはばね素子２５ａが破損して作動不能となることがある。
【０００４】
これを防止するために、従来はプッシュロッド２０および皿ばね２５の表面にグリスを塗布し、或いは皿ばね２５のばね素子２５ａ表面に潤滑性のよい二硫化モリブデン系樹脂皮膜のコーティングを行い、プッシュロッド２０と皿ばね２５の間の摺動部の摩擦抵抗を減少させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
クランプ・アンクランプ機構３０のプッシュロッド２０のストロークはかなり大きいので、ばね素子２５ａとプッシュロッド２０との間の摺動量もかなり大きくなる。そして、プッシュロッド２０は皿ばね２５との相対移動につれて広い面積範囲で順次接触するが、皿ばね２５は同一箇所の狭い面積範囲でプッシュロッド２０に接触するので、皿ばね２５のばね素子２５ａ表面に二硫化モリブデン系樹脂皮膜をコーティングしても短期間で剥離する不具合があった。
【０００６】
また、工作機械の主軸１０には、プッシュロッド２０に設けた中心孔２３を通して工具Ｔによる加工部に水溶性のクーラントを供給するスルークーラントタイプのものがあるが、この水溶性クーラントが各部の隙間を通して皿ばね２５の収納空間内に浸入することは避けがたく、このような水性の液体の存在下ではグリスの塗布による潤滑効果が失われ錆なども生じるので、プッシュロッド２０と皿ばね２５の間の摺動部の摩擦抵抗が増大して作動不良を生じ、或いは工具ホルダ３５のクランプ・アンクランプ回数が規定寿命に達する前にばね素子２５ａが破損して作動不能となるおそれがある。このような皿ばね２５の収納部内への水溶性クーラントの浸入による問題は、スルークーラントタイプのものに限らず、外部に設けたノズルにより加工部に直接水溶性のクーラントを供給するものでも、クーラントが主軸の先端側から主軸内に浸入することを完全に防ぐことはできないので、避けることはできない。
【０００７】
本発明は、工作機械の主軸に工具を着脱するクランプ・アンクランプ機構の皿ばね装置におけるプッシュロッドとの接触、或いは加工部に供給された水溶性クーラントの浸入による問題を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の作用効果】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、工作機械の主軸に工具を着脱するクランプ・アンクランプ機構のプッシュロッドが皿ばねの撥力により後方に付勢されると前記クランプ・アンクランプ機構が工具をクランプし、前記皿ばねの撥力に抗して前進されると工具をアンクランプし、水性の液体が浸入する雰囲気で使用する皿ばね装置において、前記皿ばねは複数のばね素子よりなり、前記プッシュロッドは前記各ばね素子に穿設された中心穴を貫通して前記皿ばねを案内支持し、前記各ばね素子と前記プッシュロッドの両方の表面に夫々異なる種類の四フッ化エチレン重合体（ＰＴＦＥ）皮膜または充填剤入りＰＴＦＥ皮膜からなる固体潤滑剤皮膜のコーティングを施したことである。
本発明によれば、各ばね素子とプッシュロッドの両方の表面に夫々異なる種類の四フッ化エチレン重合体（ＰＴＦＥ）皮膜または充填剤入りＰＴＦＥ皮膜からなる固体潤滑剤皮膜のコーティングを施したので、工作機械の主軸に工具を着脱するクランプ・アンクランプ機構のプッシュロッドを付勢する皿ばね装置の収納部内に、加工部に供給される水溶性のクーラントが浸入してもプッシュロッドと皿ばねの間の摺動部の摩擦抵抗が増大することはない。従って皿ばね装置に作動不良を生じたり、工具ホルダのクランプ・アンクランプ回数が規定寿命に達する前にばね素子が破損して、工具ホルダのクランプ・アンクランプが作動不能となったりするおそれがなくなり、クランプ・アンクランプ機構の皿ばねのばね素子が破損するまでの工具交換耐久数を極めて増大することができる。また、クランプ時とアンクランプ時のヒステリシスも少ない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態に係る皿ばね装置を図面に基づいて説明をする。図１に示すマシニングセンタなどの工作機械の主軸１０の先端に工具ホルダ３５を着脱可能に装着するクランプ・アンクランプ機構３０には、本発明の実施形態に係る皿ばね装置が使用されているが、クランプ・アンクランプ機構３０の機械的構造それ自体は先に説明した従来技術のものと同一であるので、先に説明を省略した部分について主として説明する。
【００１０】
主軸１０は軸受を介して工作機械の主軸ヘッド（図示省略）により軸支されるもので、後端から前端に向かって内孔１５と、それより多少小径の嵌合孔１６と、それより多少大径のガイド孔１７と、前側が開いたテーパ孔１８が、同軸的に形成されている。クランプ・アンクランプ機構３０の摺動部材３１は嵌合孔１６の前部に軸線方向摺動自在に案内支持されて、その前部には環状溝部３１ａが形成されている。この環状溝部３１ａには、円周方向に複数個に分割された引掛け部材３２の後爪部３２ａが係合され、図示の位置から摺動部材３１と共に前進すれば、引掛け部材３２は前部外側の突起部３２ｃがガイド孔１７の前部の大径孔部１７ａ内に入って、後爪部３２ａ付近を中心として前側の前爪部３２ｂが拡開可能となる。
【００１１】
プッシュロッド（ガイドロッド）２０の先端部２０ａが同軸的にねじ込まれて固定された延長部２１は、嵌合孔１６に軸線方向摺動自在に案内支持されて、その先端部２１ａは摺動部材３１の後部に同軸的にねじ込まれて固定されている。プッシュロッド２０の外径を挿通可能な中心穴を有する第１ばね受け２６は、内孔１５と嵌合孔１６の間の段部に係止されている。プッシュロッド２０、延長部２１および摺動部材３１には、その全部を貫通する中心孔２３が形成されている。
【００１２】
平ワッシャを浅い皿状に成形した多数のばね素子２５ａを１枚ずつ逆向きにして同軸的に重ね合わせた２組の皿ばね２５は、各ばね素子２５ａの中心穴がプッシュロッド２０の外周面により案内支持されるようにして内孔１５の内部に挿入され、２組の皿ばね２５の間には中間リング２９が介装されている。プッシュロッド２０の後部にねじ込まれた第２ばね受け２７は、第１ばね受け２６との間に２組の皿ばね２５および中間リング２９を挟んで、ロックナット２８により位置決め固定されている。
【００１３】
テーパ孔１８と嵌合されるテーパ面を有する工具ホルダ３５から後方に同軸的に突出するプルスタッド３６の後端には、半径方向に突出する環状突起３６ａが形成されている。この工具ホルダ３５に同軸的に形成された取付孔３８には工具Ｔのシャンク部が嵌合固定され、プルスタッド３６を含む工具ホルダ３５の後部に同軸的に形成された連通孔３７と工具Ｔに形成された中心孔Ｔａは互いに連通されている。
【００１４】
プッシュロッド２０の後端部を皿ばね２５の付勢力に抗してプッシャ（図示省略）により押してプッシュロッド２０を介してクランプ・アンクランプ機構３０の摺動部材３１を前向きに移動させれば、前述のように引掛け部材３２の前爪部３２ｂは拡開される。この状態で工具Ｔは工具ホルダ３５とともに主軸１０の前部に対し交換可能である。工具ホルダ３５をテーパ孔１８内に挿入した状態でプッシャを後退させれば、皿ばね２５の付勢力により摺動部材３１は後退され、これと共に後退する引掛け部材３２は、前端の突起部３２ｃがガイド孔１７内に入って閉じるので、前爪部３２ｂがプルスタッド３６の環状突起３６ａに係合して工具ホルダ３５を後向きに引き込み、これにより工具ホルダ３５は主軸１０前部のテーパ孔１８内に装着される。このときの引込力は第２ばね受け２７の位置を調節することにより適切な値となるように設定される。
【００１５】
このように工具ホルダ３５に固定した工具Ｔを先端部に装着した状態で主軸１０を回転させ、工具Ｔの先端に固定した刃具（図示省略）により工作物を加工する。この加工部には、中心孔２３、連通孔３７および中心孔Ｔａを介して水溶性のクーラントが供給されて、刃具の冷却が行われる。このクーラントの供給管路を形成する各部材の嵌合部やねじ込み部には多少の隙間があるので、クーラントがこれらの隙間を通って、内孔１５と皿ばね２５の間の皿ばね２５を収納する空間内に浸入することは避けられない。また、シール剤及びシール部材を使用してもクーラント中の界面活性剤等の添加剤により、クーラントの浸入を完全に防止することは困難である。
【００１６】
本発明に係る皿ばね装置の実施の形態では、各ばね素子２５ａに穿設された中心穴を貫通して皿ばね２５を案内支持するプッシュロッド２０のガイドロッド部分の表面に、図２に示すように固体潤滑剤皮膜Ａのコーティングが施されている。固体潤滑剤である四フッ化エチレン重合体（ＰＴＦＥ）、または充填剤入りＰＴＦＥをガイドロッド部分の表面に塗布して乾燥し、厚さ１０μ程度の皮膜Ａを形成して、プッシュロッド２０のガイドロッド部分の表面に固体潤滑剤皮膜Ａのコーティングを施している。充填剤いりＰＴＦＥとしては、グラファイト充填ＰＴＦＥ、ガラス繊維充填ＰＴＦＥ、ブロンズ充填ＰＴＦＥなどを使用するとよい。なお、プッシュロッド２０の表面全体に固体潤滑剤皮膜Ａのコーティングを施してもよい。
【００１７】
プッシュロッド２０が皿ばね２５の付勢力で後退されると、引掛け部材３２がプルスタッド３６に係合して工具ホルダ３５を後向きに引き込んで主軸１０前部のテーパ孔１８内に装着される。プッシュロッド２０の後端が皿ばね２５の付勢力に抗してプッシャにより押動されると、引掛け部材３２が前進してプルスタッド３６と非係合になり工具ホルダ３５は主軸１０の先端から離脱される。このように主軸１０への工具ホルダ３５の着脱は、プッシュロッド２０の前後動により皿ばね２５が伸縮して行われる。このとき、プッシュロッド２０の前後動のストロークはかなり大きい（例えば１５ｍｍ）ので、ばね素子２５ａ（特に第１ばね受け２６付近のもの）とプッシュロッド２０との間の相対摺動量もかなり大きくなるが、プッシュロッド２０が前後動するときガイドロッド部分は皿ばね２５と広い面積範囲で順次接触するので、ガイドロッド部分にコーティングされた固体潤滑剤皮膜Ａの使用範囲が分散されて剥離し難くなり、皿ばね２５が破損するまでの伸縮回数が極めて増大し、クランプ・アンクランプ装置３０の寿命が長くなる。また、皿ばね２５が伸縮するときの摺動抵抗がグリスを使用しなくても低下し、且つプッシュロッド２０のガイドロッドが防錆されて皿ばね装置の作動が円滑になり、工具ホルダ３５のクランプ力が増大するとともにプッシャによるアンクランプ力を小さくすることができる。
【００１８】
このように工具ホルダ３５を主軸先端にクランプ・アンクランプ装置３０により装着し、主軸１０を回転駆動して、工具ホルダ３５に固定した工具Ｔにより工作物を加工する。この加工箇所には、中心孔２３、連通孔３７および中心孔Ｔａを介して水溶性のクーラントが供給される。このクーラントの供給管路を形成する各部材の嵌合部やねじ込み部には多少の隙間があるので、皿ばね２５およびプッシュロッド２０を収納する内孔１５内にクーラントが浸入することは避けられない。ところが、水性の雰囲気下においても剥離し難く、かつ低い摩擦係数を示す四フッ化エチレン重合体（ＰＴＦＥ）、または充填剤入りＰＴＦＥの皮膜Ａがプッシュロッド２０の少なくともガイドロッド部分の表面にコーティングされているので、皮膜Ａは皿ばね２５のばね素子２５ａとの相対摺動において低い摩擦係数を示し、且つ剥離し難い効果を奏する。
【００１９】
皿ばね２５を案内支持するプッシュロッド２０のガイドロッド部分の外周面に四フッ化エチレン重合体（ＰＴＦＥ）、または充填剤入りＰＴＦＥの皮膜Ａを施した本発明の実施の形態に係る皿ばね装置を用いたクランプ・アンクランプ機構３０と、従来技術による皿ばね装置を用いたクランプ・アンクランプ機構３０とについて、工具クランプ・アンクランプの耐久テストを行ったところ、従来の皿ばね装置を用いたクランプ・アンクランプ機構３０ではクランプ・アンクランプのサイクルを１４０万回繰り返すと皿ばね２５が破損したのに対し、本実施の形態に係る皿ばね装置を用いたクランプ・アンクランプ機構３０ではクランプ・アンクランプのサイクルを６００万回以上繰り返しても皿ばねが破損することがなかった。なお、プッシュロッドの径およびストロークは何れも１５ｍｍ、プッシュロッドとばね素子の中心穴の間の隙間は直径で０．５ｍｍで、クランプ・アンクランプのサイクルは２秒に１回とした。また、工具クランプ・アンクランプの耐久テストは、水およびグリスが存在しない乾燥した雰囲気下に皿ばね２５およびプッシュロッド２０を置いて行われた。
【００２０】
また、図３に示すように、プッシュロッド２０のガイドロッド部分の表面に加え、各ばね素子２５ａの表面に固体潤滑剤皮膜Ａのコーティングを施してもよい。この場合、ガイドロッド表面およびばね素子表面を夫々異なる種類の固体潤滑剤皮膜Ａによってコーティングするのがよい。
【００２１】
図５は皿ばね装置の皿ばね２５の変形例を示す図である。図１に示す実施の形態では、皿状の多数のばね素子２５ａを１枚ずつ逆向きにして同軸的に重ね合わせて皿ばね２５を形成したが、図５に示す変形例では、３枚のばね素子２５ａを同じ向きに重ねた組を、１組ずつ逆向きにして同軸的に重ね合わせて皿ばね２５を形成している。この場合は、同じ向きに重ねる枚数が増えれば皿ばね２５のばね定数が大きくなるので、同じ向きに重ねる枚数を調整することにより皿ばね２５のばね定数を調整することができる。
【００２２】
また図６は皿ばね装置の皿ばね２５の別の変形例を示す図である。この変形例では、互いに同１ピッチのコイルばね状で、素線の断面形状が中心軸線に対し互いに逆向きに傾斜した細長い長方形状とした２つのばね素子２５ｂ，２５ｃを用意し、これを互いにねじ込むことにより１組の皿ばね２５を形成している。各ばね素子２５ｂ，２５ｃは複数個用意し、同じものを重ねた上で互いにねじ込んで１組の皿ばね２５を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による皿ばね装置を適用した工作機械の主軸の縦断面図である。
【図２】図１のガイドロッドの表面に施した皮膜を示す部分拡大断面図である。
【図３】図１のばね素子の表面に施した皮膜を示す部分拡大断面図である。
【図４】本発明による皿ばね装置を適用した工作機械の主軸と、従来技術による皿ばね装置を適用した工作機械の主軸における工具交換耐久数とを比較した図である。
【図５】本発明による皿ばね装置の皿ばねの変形例を示す図である。
【図６】本発明による皿ばね装置の皿ばねの異なる変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０…主軸、２０…プッシュロッド（ガイドロッド）、２５…皿ばね、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…ばね素子、３０…クランプ・アンクランプ機構、Ａ…固体潤滑剤皮膜、Ｔ…工具。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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