(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドローバーの先端に配置した楔部材を工具のプルスタッドのフランジ面に係合させ、ドローバーを第１の付勢手段により付勢して工具を主軸に保持するようにした工作機械の工具保持装置において、
前記主軸に形成した案内穴に軸方向移動自在に嵌挿されると共に前記ドローバーと一体に連結される位置決め手段を設け、
前記楔部材の外周面に形成した第２のテーパ面と前記位置決め手段の内周面との間で、互に当接して楔作用をする接合部を設け、
前記工具を主軸に保持する状態では、前記ドローバーの前記第１の付勢手段の付勢に基づく前記位置決め手段の前記楔部材に対する相対移動により、前記接合部の楔作用に基づき前記楔部材の内周面に形成した第１のテーパ面を前記フランジ面に係合すると共に、前記位置決め手段が前記楔部材の拡がりを阻止して位置決めしてなり、
前記楔部材の第２のテーパ面の軸線に対する角を、前記第１のテーパ面の軸線に対する角より小さく設定し、
前記楔部材の先端に第３のテーパ面を設け、また前記主軸に一体に当接部を設け、かつ前記楔部材と前記ドローバーとの間に、前記楔部材の第３のテーパ面が前記当接部に当接するように付勢する第２の付勢手段を介在し、
前記ドローバーの工具解放方向の移動により、前記第２の付勢手段の付勢に基づき前記楔部材を前記主軸に対して軸方向に相対移動して、前記第３のテーパ面と前記当接部との当接により、該楔部材の第１のテーパ面を、前記フランジ面から解放するように移動してなる、
ことを特徴とする工作機械の工具保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具のテーパ面を主軸のテーパ面に当接させた状態でドローバーの先端に配置したコレット等の楔部材を工具のプルスタッドのフランジ面に係合させ、ドローバーを付勢して工具を主軸に保持するようにした工作機械の工具保持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は工具を保持した状態における工作機械の主軸頭の断面図である。１は工具あるいは工具を保持するホルダ（以下、両者を合わせて工具という。）で、外周にはテーパ面２が形成され、端部にはプルスタッド３が固定されている。なお、プルスタッド３のフランジ部３ａの両端はそれぞれテーパ面３ｂ，３ｃが形成されている。４は主軸で、先端部の内面にはテーパ面２と係合するテーパ面５が、また、内部には逃げ穴６と案内穴７が形成されている。８はコレットで、径方向に複数に分割され、ドローバー９により軸方向に位置決めされている。１０は環状のばねで、コレット８を付勢している。１１は皿ばねで、複数枚が軸方向に並べて配置され、ドローバー９を１０〜１２ｋＮの力で図における右方に付勢している。なお、ドローバー９の図示しない他端には、エアシリンダが配置されている。
【０００３】
以下、動作を説明する。工具１を交換するときには、図示しないエアシリンダを動作させ、皿ばね１１に抗してドローバー９を左方へ移動させる。コレット８の先端が案内穴７から逃げ穴６に移動すると、図７に示すように、ばね１０によりコレット８は径方向に開き、内径がフランジ部３ａの外径より大きくなる。この状態で工具１を主軸４から外す。なお、工具１を主軸４から外し易すくするため、コレット８の内径がフランジ部３ａの外径よりも大きくなった後、エアシリンダの移動端において、ドローバー９の先端９ａでプルスタッド３の端面を僅かに（たとえば数十μｍでもよい）押すようにしている。次に、別の工具１を主軸４内に挿入し、テーパ面２をテーパ面５に当接させてから、図示しないエアシリンダを上記とは逆の方向に動作させる。すると、皿ばね１１によりドローバー９は右方に移動し、コレット８は逃げ穴６から案内穴７に移動する際にばね１０に抗して閉じる。そして、、さらに右方に移動し、コレット８のフランジ部３ａの内面８ａがテーパ面３ｃに当接して、工具１を右方に付勢する。この結果、工具１のテーパ面２と主軸４のテーパ面５間の摩擦力により工具１と主軸４は一体になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、工具１が例えばエンドミルの場合、加工時、図示しない刃先には工具１を主軸４から引き抜く方向（図６における左向き）の力（以下、引き抜き力という。）が加わり、特に重切削の際、前記引き抜き力が皿ばね１１の力よりも大きくなって、テーパ面２とテーパ面５が瞬間的に離間することがあった。そして、前記離間が発生すると、主軸４の回転力が工具１に伝達されないため、刃先を損傷した。また、前記離間が振動的に発生すると、テーパ面２とテーパ面５の接触面が摩耗しあるいは錆びが発生する、いわゆるフレッテイング（フレッテイング・コロージョン；擦過摩耗）が発生した。この場合、ばね１１の付勢力を大きくすればフレッテイングを防止できるが、エアシリンダの能力を大きくする必要があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記した課題を解決し、ドローバーの先端に配置した楔部材を工具のプルスタッドのフランジ面に係合させ、ドローバーを付勢して工具を主軸に保持するようにした工作機械の工具保持装置において、ドローバーを付勢する力が同一のままでも、刃先の損傷および主軸と工具のテーパ部のフレッテイングの発生を防止することができる工作機械の工具保持装置を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ドローバー（９）の先端に配置した楔部材（３３）を工具（１）のプルスタッド（３）のフランジ面（３ｃ）に係合させ、ドローバーを第１の付勢手段（１１）により付勢して工具を主軸（４）に保持するようにした工作機械の工具保持装置において、
前記主軸（４）に形成した案内穴（７）に軸方向移動自在に嵌挿されると共に前記ドローバー（９）と一体に連結される位置決め手段（３２）を設け、
前記楔部材（３３）の外周面と前記位置決め手段（３２）の内周面との間で、互に当接して楔作用をする接合部（３２ｂ，３３ｆ）を設け、
前記工具（１）を主軸（４）に保持する状態では、前記ドローバー（９）の付勢に基づく前記位置決め手段（３２）の前記楔部材（３３）に対する相対移動により、前記接合部（３２ｂ，３３ｆ）の楔作用に基づき前記楔部材（３３）を前記フランジ面（３ｃ）に係合すると共に、前記位置決め手段（３２）が前記楔部材の拡がりを阻止して位置決めする。
【０００７】
また、本発明は、前記楔部材（３３）が、前記フランジ面（３ｃ）に係合する第１のテーパ面（３３ｃ）と、前記接合部を構成する第２のテーパ面（３３ｆ）とを有し、
前記楔部材の第２のテーパ面（３３ｆ）の軸線に対する角（ａ）を、前記第１のテーパ面（３３ｃ）の軸線に対する角（ｂ）より小さく設定する。
【０００８】
更に、本発明は、前記楔部材（３３）の先端に第３のテーパ面（３３ａ）を設け、また前記主軸（４）に一体に当接部（３１ｂ）を設け、かつ前記楔部材（３３）と前記ドローバー（９）との間に、前記楔部材の第３のテーパ面（３３ａ）が前記当接部（３１ｂ）に当接するように付勢する第２の付勢手段（３５）を介在し、前記ドローバーの工具解放方向の移動により、前記第２の付勢手段（３５）の付勢に基づき前記楔部材（３３）を前記主軸（４）に対して軸方向に相対移動して、前記第３のテーパ面（３３ａ）と前記当接部（３１ｂ）との当接により、該楔部材を、前記フランジ面（３ｃ）から解放するように移動してなる。
【００１０】
［作用］
以上構成に基づき、工具（１）を装着・保持するには、工具（１）のプルスタッド（３）を主軸（４）内に差込み、この状態で、ドローバー（９）を例えば皿ばね（１１）の付勢により移動する。すると、該ドローバー（９）と一体の位置決め手段（シリンダケース）（３２）が移動して、楔部材（コレット）（３３）と位置決め手段の接合部（３３ｆ，３３ｂ）の楔作用により、楔部材（３３）がプルスタッド（３）のフランジ面（３ｃ）に係合する。
【００１１】
この際、上記接合部を構成する楔部材の第２のテーパ面（３３ｆ）のなす角（ａ）が、前記フランジ面と係合する第１のテーパ面（３３ｃ）のなす角（ｂ）より小さく設定してあり、前記ドローバー（９）の付勢力が、前記第２のテーパ面（３３ｆ）の楔作用により倍力されて、第１のテーパ面（３３ｃ）がフランジ面（３ｃ）に係合する。また、工具（１）を主軸（４）から引き抜く方向に力が作用すると、前記第２のテーパ面（３３ｆ）により倍力されて位置決め手段（３２）が主軸（４）の案内穴（７）に押付けられる。
【００１２】
これにより、楔部材（３３）が位置決め手段（３２）により外方に拡がることを阻止されて位置決めされており、工具（１）を引き抜く方向の力は、工具（１）、プルスタッド（３）、フランジ面（３ｃ）、第１のテーパ面（３３ｃ）、楔部材（３３）、第３のテーパ面（３３ａ）、当接部（３１ｂ）、コレットオープナ（３１）、主軸（４）、テーパ面（５）そして工具のテーパ面（２）からなる閉ループ（Ｒ）を構成し、工具（１）が機械的ロックにより確実に保持される。
【００１３】
一方、ドローバー（９）を例えばエアシリンダにより皿ばね（１１）に抗して移動すると、例えばコレットホルダ（３４）、ばね（３５）を介して楔部材（コレット）（３３）が移動し、その第３のテーパ面（３３ａ）が、例えばボス（３１）等の主軸に一体の当接部（３３ａ）に当接し、楔部材（３３）を外径方向に拡げてフランジ面（３ｃ）との係合を解放する。この状態で、工具（１）を主軸（４）から取外すことが可能となる。
【００１４】
なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、本発明の構成を何等限定するものではない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態を示す工具を保持した状態における工作機械の主軸頭の要部断面図、また、図２は工具を保持していない状態を示す工作機械の主軸頭の要部断面図、図３は主要部の拡大図、図４はコレットホルダの正面図である。なお、図６，７と同じものあるいは同一の機能のものは同一の符号を付してある。３１はコレットオープナで、外周は主軸４の案内穴７に嵌合し、一端にボス３１ａが形成されている。３１ｂはボス３１ａの端部に形成されたテーパ面、３１ｃは穴で、その直径はフランジ部３ａの外径よりも大きい。３２は環状のシリンダケースで、外周は主軸４の案内穴７に嵌合し、一方の端部にはボス３１ａに外嵌する穴３２ａが形成されている。３２ｂはテーパ面で、穴３２ａと穴３２ａよりも大径の穴３２ｃとを接続している。そして、シリンダケース３２は後端側で雌ねじ３２ｄがドローバー９の雄ねじ９ｂに螺合し、ドローバー９と一体である。３３はコレットで、詳細については後述する。３４はコレットホルダで、外周はシリンダケースの穴３２ｃに嵌合し、一方の側面にはコレット３３を径方向に位置決めする半径方向に延びる３個の案内溝３４ａが設けてあり、内側に穴３４ｂが形成されている。また、案内溝３４ａの底面３４ｃは外径に向かって深くなる方向（テーパ面３ｃ方向）のテーパ面に形成してある。なお、図４に示すように、案内溝３４ａの隣合う側面は互いに平行である。３５は、コレットホルダ３４とドローバー９のフランジ部９ｃとの間に縮設された皿ばねである。なお、図示していないドローバー９の後端側には、図６の場合と同様に、エアシリンダが配置されている。
【００１６】
次に、図３に基づきコレット３３の形状を詳細に説明する。なお、同図において、実線は工具１を保持している時の各部材の位置を、また、２点鎖線は工具１交換時におけるコレット３３とシリンダケース３２の位置を示している。始めに内側の形状を説明する。コレット３３の先端はＶ字状に形成されており、テーパ面３３ａはコレットオープナのテーパ面３１ｂと同一角度である。３３ｂは軸と平行な面、３３ｃはテーパ面３ｃと同一角度のテーパ面、３３ｄはテーパ面３３ｃと後端部３３ｅとを接続する面で、軸と平行である。次にコレット３３の外側の形状を説明する。３３ｆはテーパ面で、該テーパ面３３ｆが軸線とのなす角ａは、前記テーパ面３３ｃが軸線とのなす角ｂより小さく、例えば余接の値が１／２以下である。３３ｇは軸と平行な面である。また、後端部３３ｅは底面３４ｃと同一角度のテーパ面である。そして、１個のコレット３３は上記の各面が形成された環状部品を径方向に３分割し、さらに分割面を直径と平行に形成したもので、本実施の形態では３個のコレット３３を円周方向に配置してある。なお、コレットが楔部材であり、シリンダケース３２が楔部材の位置決め手段を構成している。
【００１７】
以下、工具１を交換するときの動作を説明する。図示しないエアシリンダを動作させ、ドローバー９の後端を付勢すると、ドローバー９と一体のシリンダケース３２が左方へ移動する。コレット３３は皿ばね３５により図の左方へ付勢されているから、穴３２ａの移動に伴ない、テーパ面３３ａとテーパ面３１ｂおよび後端部３３ｅが案内溝３４ａの底面３４ｃにそれぞれ当接した状態で軸心から離れる方向に移動し、エアシリンダの移動端において、面３３ｂはフランジ部３ａの外径の外側に位置し、従来の場合と同様に、移動端の直前でドローバー９の先端９ａがプルスタッド３の端面をたとえば数十μｍ押すようにしている。なお、エアシリンダの移動端において、コレットオープナ３１の軸と直角の面３１ｄとシリンダケース３２の端面３２ｅとの間および穴３２ｃと面３３ｇとの間にはそれぞれ隙間が形成されるように設定されている。
【００１８】
次に、別の工具１を主軸４内に挿入し、そのテーパ面２を主軸４のテーパ面５に当接させてから、図示しないエアシリンダを上記とは逆の方向に動作させる。すると、ばね１１によりドローバー９と一体にシリンダケース３２が右方へ移動する。コレット３３は先端がシリンダケースのテーパ面３２ｂに当接しているから、テーパ面３２ｂの移動に伴ない、皿ばね３５に抗してテーパ面３３ａとテーパ面３１ｂおよび後端部３３ｅが案内溝３４ａの底面３４ｃにそれぞれ当接した状態で軸心に近づく方向に移動する。そして、コレット３３は、テーパ面３３ａの外端がテーパ面３１ｂの外端と等しくなった後は、穴３２ａの端部がテーパ面３３ｆに当接することにより、皿ばね３５に抗してテーパ面３１ｂに沿ってさらに移動し、テーパ面３３ｃがプルスタッドのテーパ面３ｃに当接することにより、工具１を右方に付勢する。この結果、テーパ面２、テーパ面５間の摩擦力により工具１と主軸４は一体になる。なお、テーパ面３３ｃがテーパ面３ｃに当接したとき、面３３ｄとフランジ部３ａの外径、および面３３ｄと案内溝３４ａの内径方向の側面との間にはそれぞれ隙間が形成されるように構成されている。
【００１９】
次に、機能について説明する。図示しない刃先に皿ばね１１の力よりも大きい引き抜き力が加わると、コレット３３は軸心から遠ざかる方向に移動しようとする。しかし、テーパ面３３ｆには皿ばね１１の力が加わっているため、例えばテーパ面３３ｆのなす角ａの余接の値がテーパ面３３ｃのなす角ｂの余接の１／２の場合、引き抜き力が皿ばね１１の力の２倍になるまでテーパ部２とテーパ部５は離間しない。さらに、コレット３３がシリンダケース３２により外方に拡がることを阻止されて位置決めされており、工具１からの上記引き抜き力は、図１のループＲに示すように、プルスタッド３、テーパ面３ｃ、テーパ面３３ｃ、コレット３３、テーパ面３３ａ、テーパ面３１ｂ、コレットオープナ３１、主軸４、そしてテーパ面５，２、工具１の閉ループとなり、工具１は機械的ロックにより確実に保持される。
【００２０】
図５は、本発明による工具保持装置と従来の工具保持装置のそれぞれに工具１を保持させ、保持した工具１を引き出す方向に付勢したときの引出力と、工具１の変位量を比較したものである。同図から明らかなように、従来の工具保持装置の場合は引出力が１３ｋＮ付近を越えると、工具１を支持する力がさらばねの引張力とさらばねの剛性に依存する結果、変位量が急増する。これに対し、本発明による工具保持装置の場合は変位量が一様で従来の工具保持装置に比べて小さい。フレッティングは、変位量が大きいときに発生しやすいから、本発明による工具保持装置に依ればフレッティングがほとんど発生しない。
【００２１】
なお、コレット３３を軸方向と平行にして径方向に移動させる代わりに、コレットホルダ３４に回転可能に支持させ、コレットホルダ３４に支持させた状態で先端のＶ形の部分を径方向に開くように移動させることにより面３１ｂとテーパ面３ｃの両者に係合させるように構成しても良い。また、コレットオープナ３１を特に設けず、ボス３１ａを主軸４の内面に直接形成しても良い。また、コレット３３は３分割に限らず、分割数を変更しても良い。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ドローバーを付勢する皿ばねの力よりも大きい引き抜き力が刃先に加わっても、工具のテーパ面と主軸のテーパ面は離間しないから、ドローバーを付勢する力が同一のままでも、刃先の損傷および主軸と工具のテーパ部のフレッテイングの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す工具を保持した状態における工作機械の主軸頭の要部断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す工具を保持していない状態における工作機械の主軸頭の要部断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態を示す主要部の拡大図である。
【図４】本発明の一実施の形態を示すコレットホルダの正面図である。
【図５】従来の装置と本発明による装置との引張り力に対する工具保持具の変化を示す図。
【図６】従来の工具を保持した状態における工作機械の主軸頭の断面図である。
【図７】従来の工具を保持していない状態における工作機械の主軸頭の断面図である。
【符号の説明】
１  工具
２，５  テーパ面
３  プルスタッド
３ｃ    フランジ面
４  主軸
９  ドローバー
３１    ボス（コレットオープナ）
３１ｃ  当接部
３２  （位置決め手段）シリンダケース
３３    楔部材（コレット）
３３ａ  第３のテーパ面
３２ｂ，３３ｆ    接合部（当接部、第２のテーパ面）
３３ｃ  第１のテーパ面
３４    コレットホルダ
３５    皿ばね
【図１】
0003814021.tif 000002
【図２】
0003814021.tif 000003
【図３】
0003814021.tif 000004
【図４】
0003814021.tif 000005
【図５】
0003814021.tif 000006
【図６】
0003814021.tif 000007
【図７】
0003814021.tif 000008