JP2001246507A - 工作機械主軸の工具固定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガススプリングのガス圧により油圧シリンダ
内の油を加圧して高圧油圧を発生させる増圧機能のある
流体圧シリンダを設け、この流体圧シリンダにより強力
な付勢力を発生させ得る工作機械主軸の工具固定装置を
提供する。 【解決手段】 工具固定装置１の流体圧シリンダ５は、
油Ｌを密閉状に封入した油封入型の油圧シリンダ２０
と、圧縮ガスＧを密閉状に封入したガス封入型のガスス
プリング２１を備え、ガススプリング２１により、油圧
シリンダ２０の油室３１内の油Ｌを、ガススプリング２
１のガス作動室４１のガス圧よりも高圧に加圧し、油圧
シリンダ２０の出力用ピストン部材３２を介して強力な
付勢力を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は工作機械主軸の工
具固定装置に関し、特に、ガススプリングにより油圧シ
リンダ内の油圧を高圧に加圧するようにした流体圧シリ
ンダを設けたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】 従来、一般的なガススプリングは、シ
リンダ部材と、このシリンダ部材の内部に形成され圧縮
窒素ガスを充填したガス作動室と、このガス作動室のガ
ス圧を受圧する受圧部材等を備え、受圧部材と一体の出
力ロッドがシリンダ部材の外部まで延び、前記圧縮窒素
ガスのガス圧により突出側へ付勢されている。この種の
ガススプリングは主にプレス機械の緩衝機構等に使用さ
れるが、本願出願人は、工作機械の主軸に工具を固定す
る為のドローバーを工具固定側へ付勢する付勢機構とし
てガススプリングを適用した工具固定装置を開発中であ
る（特開２０００−５９０７参照）。

【０００３】ところで、ガススプリングのガス作動室に
圧縮窒素ガスを充填する場合、通常、既存のガスボンベ
を用いて行う。ガスボンベ内のガス圧は１０ＭＰａ〜１
５ＭＰａあり、ガスボンベではガスの消費とともにガス
圧が低下する関係上、ガス作動室に充填できる圧縮ガス
のガス圧は、通常、ガスボンベ内のガス圧よりも低いガ
ス圧（例えば、７ＭＰａ）に設定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】 従来のガススプリン
グでは、ガス作動室に高圧の圧縮窒素ガスを充填するこ
とが難しいため、強力な付勢力を発生させて大荷重を支
持可能にする為にはガススプリングを大型化する必要が
ある。それ故、工作機械主軸の工具固定装置では、主軸
に工具を強固に固定する為に、強力な付勢力を発生させ
る必要がありガススプリングが大型化する。そのため、
そのガススプリングを主軸の狭い空間に設置しにくくな
り製作コストも高価になる。一方、ガス作動室内に充填
する圧縮窒素ガスのガス圧を過度に高くすると、その圧
縮窒素ガスが外部へリークし易くなる等の問題が発生す
る。

【０００５】本発明の目的は、工作機械主軸の工具固定
装置において、ガススプリングのガス圧により油圧シリ
ンダ内の油を加圧して高圧油圧を発生させる増圧機能の
ある流体圧シリンダを設け、この流体圧シリンダにより
強力な付勢力を発生させること、構造を小型化し製作コ
ストの低減を図ること、等である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】 請求項１の工作機械主
軸の工具固定装置は、工作機械の主軸に工具を固定する
為のドローバーを工具固定側へ付勢する流体圧シリンダ
を備えた工具固定装置において、前記流体圧シリンダ
は、シリンダ本体とこのシリンダ本体内に形成され油を
封入した油室とこの油室の油圧を受圧する出力用ピスト
ン部材とを有する油圧シリンダと、圧縮ガスを充填した
ガス作動室とこのガス作動室のガス圧を受圧する受圧部
材とを有するガススプリングであって前記油室内の油を
前記ガス圧よりも高圧に加圧可能なガススプリングとを
備えたことを特徴とするものである。

【０００７】流体圧シリンダにおいて、ガススプリング
のガス作動室に圧縮ガスが充填され、このガス圧を受圧
部材が受圧する。油圧シリンダのシリンダ本体内に油室
が形成され、ガススプリングにより油室に封入された油
が受圧部材を介してガス作動室のガス圧よりも高圧に加
圧され、この加圧された油室を出力用ピストン部材が受
圧する。ガススプリングにより油圧シリンダの油室内の
油をガス作動室のガス圧よりも高圧に加圧することで、
ドローバーを工具固定側へ付勢する強力な付勢力を発生
させることができるため、主軸に工具を強固に固定する
ことができる。

【０００８】ガスボンベ等の既存の圧縮ガス供給源から
圧縮ガスをガス作動室に充填し、ガススプリングの付勢
力によって油室の油圧を数倍増圧し、前記強力な付勢力
を発生させることができるため、ガススプリングとして
機能する流体圧シリンダの構造を小型化でき、主軸の狭
い空間に確実に設置できるようになる。更に、ガススプ
リングのガス作動室に充填する圧縮ガスを過度に高圧に
しなくてもよいため、圧縮ガスのリークを防止する上で
も有利であり、製作コストの低減を図るうえで有利にな
る。尚、圧縮ガスとして圧縮窒素ガスを使用することが
望ましい。

【０００９】請求項２の工作機械主軸の工具固定装置
は、請求項１の発明において、前記ガススプリングのシ
リンダ部材は前記シリンダ本体と一体的に形成され、ガ
ススプリングと油圧シリンダは直列状に配置されたこと
を特徴とするものである。流体圧シリンダをシンプルな
構造とすることができ、これにより、製作コストの低減
を図ることができる。

【００１０】請求項３の工作機械主軸の工具固定装置
は、請求項２の発明において、前記出力用ピストン部材
は中空状に形成されてドローバーに摺動自在に外嵌さ
れ、前記受圧部材はスリーブ状に形成されて出力用ピス
トン部材に摺動自在に外嵌されることを特徴とするもの
である。流体圧シリンダにより、ドローバーを工具固定
側へ確実に付勢することができる。

【００１１】請求項４の工作機械主軸の工具固定装置
は、請求項２又は３の発明において、前記シリンダ本体
の内部に、油室とガス作動室の間を仕切る仕切り部を設
け、この仕切り部の内側に、受圧部材の出力部が摺動自
在に挿入される環状の貫通孔が形成されたことを特徴と
するものである。シリンダ部材と一体的に形成したシリ
ンダ本体の内部に仕切り部を設けることにより、油室と
ガス作動室を簡単に形成することができる。仕切り部の
内側に受圧部材の出力部が摺動自在に挿入される環状の
貫通孔が形成されているので、出力部の先端部を油室内
の油に接触させてその油を確実に加圧することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本実施形態は、工作機械の主軸の先端部に
工具を固定解除可能に固定する工具固定装置に、本発明
を適用したものである。図１に示すように、工作機械の
主軸２は複数のベアリング２ａを介して回転自在に支持
され、その先端部分に先端側程大径化するテーパ状の工
具保持部１０が形成されている。

【００１３】工具固定装置１は、工具Ｔの基端の被係合
部Ｔａを係合解除可能に係合するコレット３、コレット
３に連係したドローバー４と、ドローバー４を工具固定
側（主軸２の基端側）へ付勢する本願特有の流体圧スプ
リングとしての増圧機能付きの流体圧シリンダ５と、流
体圧シリンダ５の付勢力に抗してドローバー４を固定解
除側（主軸２の先端側）へ駆動可能な解除機構６等で構
成されている。

【００１４】主軸２には、工具保持部１０と、コレット
３が収容される収容孔１１と、ドローバー４が挿通する
挿通孔１２と、シリンダ取付穴１３とが、先端部から基
端側へ直列状に形成されている。主軸２の先端部にはス
リーブ１４がその基端部分を外嵌螺合して固定されてい
る。スリーブ１４の先端部分と主軸２の間に複数の孔１
５が形成され、各孔１５に主軸２の先端側へ先端部を突
出させた押圧部材１６の基端部が摺動自在に内嵌され、
押圧部材１６は孔１４に装着された複数の板バネ１７で
先端側へ付勢されている。

【００１５】コレット３は、先端部側が３又は４分割さ
れた弾性を有する分割体で構成され、ドローバー４が挿
通する軸孔３ａと、軸孔３ａの先端側に設けられ軸孔３
ａより大径の大径孔３ｂを有し、この大径孔３ｂにドロ
ーバー４の先端部に固着された係止部４ａが内嵌されて
いる。ここで、工具Ｔは、前記係合部Ｔａ及びテーパ軸
部Ｔｂと、テーパ軸部Ｔｂの先端側に設けられた大径の
円板部Ｔｃを有する。

【００１６】ドローバー４が工具固定側へ移動すると、
軸孔３ａと大径孔３ｂの境界の段部３ｃに係止部４ａが
係止されコレット４も基端側へ移動する。すると、コレ
ット４の先端部側の分割体が閉じながら収容孔１１の奥
側に入り込み、その途中で工具Ｔの係合部Ｔａに係合
し、その後、係合部Ｔａが基端側へ引っ張られて、工具
Ｔはそのテーパ軸部Ｔｂが工具保持部１０に当接した状
態で固定される。

【００１７】工具Ｔがテーパ軸部Ｔｂに固定されると、
板バネ１７で付勢された押圧部材１６により、工具Ｔの
円板部Ｔｃが先端側へ付勢された状態となる。ドローバ
ー４が固定解除側へ移動すると、係止部４ａによる段部
３ｃへの係止が解除され、押圧部材１６により工具Ｔが
先端側に押動されて固定解除され、更に、コレット３の
先端部側の弾性を有する分割体も開きながら先端側へ移
動するため、工具Ｔの係合部Ｔａとコレット３との係合
が解除され工具Ｔが解除される。

【００１８】つまり、流体圧シリンダ５により、ドロー
バー４を工具固定側（主軸２の基端側）へ付勢すること
により、ドローバー４を固定解除位置から工具固定位置
へ駆動するとともに、ドローバー４を工具固定位置に保
持して、工具Ｔをテーパ軸部１０に固定することができ
る。

【００１９】流体圧シリンダ５について説明する。図
２、図３に示すように、流体圧シリンダ５は、油Ｌを密
閉状に封入した油封入型の油圧シリンダ２０と、圧縮ガ
スＧ（例えば、圧縮窒素ガス）を密閉状に封入したガス
封入型のガススプリング２１とを備えている。これら油
圧シリンダ２０とガススプリング２１は、共通のシリン
ダ本体部材２２を備えて直列状に配置され、このシリン
ダ本体部材２２が主軸２のシリンダ取付穴１３に内嵌状
に固定されている。

【００２０】油圧シリンダ２０は、シリンダ本体部材２
２の略基端側半部を構成するシリンダ本体３０と、シリ
ンダ本体３０の内部に形成され油Ｌを封入した油室３１
と、油室３１の油圧を受圧する出力用ピストン部材３２
と、シリンダエンド壁を構成する仕切り部３３を備えて
いる。シリンダ本体３０のヘッドカバー部３０ａに挿通
孔３０ｂが形成され、この挿通孔３０ｂに、出力用ピス
トン部材３２の中空ロッド部３２ａが摺動自在に挿通し
ている。

【００２１】出力用ピストン部材３２は、シリンダ本体
部材２２よりも長い前記中空ロッド部３２ａと、中空ロ
ッド部３２ａの基端近くに設けられた受圧部３２ｂを有
し、中空ロッド部３２ａがドローバー４に摺動自在に外
嵌されるとともにシリンダ本体部材２２を貫通するよう
に設けられ、受圧部３２ｂがシリンダ本体３０に摺動自
在に内嵌されている。仕切り部３３は、シリンダ本体３
０の内側へ張出し、ガススプリング２１の受圧部材４２
の出力部４２ｂの外面に摺動自在に外嵌されている。受
圧部３２ｂがヘッドカバー部３０ａに当接した状態（図
２参照）で、出力用ピストン部材３２が基端側へ最大限
突出した突出位置になる。

【００２２】ガススプリング２１は、シリンダ部材４０
と、圧縮ガスＧを充填し前記油室３１の径よりも僅かに
大きな外径のガス作動室４１と、ガス作動室４１のガス
圧を受圧する受圧部材４２と、ヘッドカバーを構成する
とともに油圧シリンダ２０と共通の仕切り部３３を備
え、油圧シリンダ２０の油室３１内の油Ｌを前記ガス圧
よりも高圧に加圧可能に構成されている。シリンダ部材
４０が油圧シリンダ２０のシリンダ本体３０と一体的に
形成されて、前記シリンダ本体部材２２を構成し、仕切
り部３３により油室３１とガス作動室４１の間が仕切ら
れている。

【００２３】受圧部材４２はスリーブ状に形成され、出
力用ピストン部材３２のうち受圧部３２ｂよりも先端側
の中空ロッド部３２ａに摺動自在に外嵌されている。こ
の受圧部材４２は、シリンダ部材４０に摺動自在に内嵌
された受圧部４２ａと、この受圧部４２ａから基端側へ
延びる出力部４２ｂを有し、この出力部４２ｂが仕切り
部３３の内側の環状の貫通孔３３ａを貫通して油室３１
に達している。

【００２４】シリンダ部材４０のシリンダエンド壁部４
０ａに挿通孔４０ｂが形成され、この挿通孔４０ｂに出
力用ピストン部材３２の中空ロッド部３２ａが摺動自在
に内嵌されている。シリンダエンド壁部４０ａ付近に、
ガス作動室４１と外部とを連通するガス通路孔４０ｃが
形成され、このガス通路孔４０ｃに、チェック弁４５が
ガス密に内嵌され組み込まれている。

【００２５】このチェック弁４５により、ガス作動室４
１内の圧縮ガスＧが外部へ漏れ出ないようにするととも
に、外部のガスボンベ等のガス供給源（図示略）からガ
ス作動室４１への圧縮ガスＧの供給を可能にする。尚、
図示していないが、シリンダ部材４０には、仕切り部３
３と受圧部４２ａ間の隙間に連通する呼吸孔が形成され
ている。尚４９ａ〜４９ｇはシール部材である。

【００２６】ここで、油圧シリンダ２０の油室３１にお
いて、シリンダ本体３０、出力用ピストン部材３２、仕
切り部３３、受圧部材４２の出力部４２ｂとで囲まれた
部分に油Ｌが液密に封入され、ガススプリング２１のガ
ス作動室４１において、シリンダ部材４０、受圧部材４
２の受圧部４２ａ、出力用ピストン部材３２の中空ロッ
ド部３２ａとで囲まれた部分に圧縮ガスＧがガス密に封
入されている。

【００２７】受圧部材４２の出力部４２ｂが進退する際
に、油Ｌ（油室３１）の体積が変化しないように、出力
用ピストン部材３２が連動して進退する。そして、受圧
部材４２の受圧部４２ａが仕切り部３３に略当接した状
態（図２参照）で、受圧部材４２が突出位置となり、出
力部４２ｂの基端部分が油室３１側に突出して、出力用
ピストン部材３２も前記突出位置になる。

【００２８】一方、受圧部材４２の受圧部４２ａがシリ
ンダエンド壁部４０ａに略当接した状態（図３参照）
で、受圧部材４２が復帰位置となり、出力部４２ｂの先
端がＯリング４９ｂのすぐ基端側に位置するまで仕切り
部３３の貫通孔３３ａに入り込む。このとき、出力用ピ
ストン部材３２も復帰位置となり、出力用ピストン部材
３２の基端が外部へ僅かに突出した状態になる。

【００２９】通常時には、受圧部材４２がガス作動室４
１のガス圧により突出位置に付勢されるため、出力用ピ
ストン部材３２も突出位置になり、この状態のときに、
ガス作動室４１のガス圧が所定圧（例えば、７ＭＰａ）
となるように設定されている。そして、ガス作動室４１
のガス圧が前記所定圧となるように、チェック弁４５を
介して、前記圧縮ガス供給源からガス作動室４１に圧縮
ガスＧを供給する。

【００３０】さて、受圧部材４２において、圧縮ガスＧ
を受圧する受圧面積（受圧部４２ａの断面積）は、油Ｌ
を加圧する加圧面積（出力部４２ｂの断面積）よりも数
倍（例えば、約５倍）大きいため、その分、油室３１内
の油Ｌが、前記ガス圧（例えば、７ＭＰａ）よりも高圧
（例えば、３５ＭＰａ）に加圧される。

【００３１】この工具固定装置１によれば、流体圧シリ
ンダ５において、ガススプリング２１により油圧シリン
ダ２０の油室３１内の油Ｌを、ガススプリング２１のガ
ス作動室４１内のガス圧よりも高圧に加圧することがで
きるため、ガススプリング２１だけでは発生できない強
力な付勢力を油圧シリンダ２０と協働して発生させるこ
とができる。この強力な付勢力を、出力用ピストン部材
３２からその先端部に係合するドローバー４の先端の係
合軸部４ｂに伝達し、ドローバー４を工具固定側へ強力
に付勢することができるため、工具Ｔを強力に固定する
ことができる。

【００３２】ガスボンベ等の既存の圧縮ガス供給源から
圧縮ガスＧをガス作動室４１に充填し、ガススプリング
２１の付勢力によって油室３１の油圧を数倍増圧し、前
記強力な付勢力を発生させることができるため、ガスス
プリングとして機能する流体圧シリンダ５の構造を小型
化でき、主軸２の狭い空間に確実に設置できるようにな
る。更に、ガススプリング２１のガス作動室４１に充填
する圧縮ガスＧを過度に高圧にしなくてもよいため、圧
縮ガスＧのリークを防止する上でも有利であるため、製
作コストの低減を図るうえで有利になる。

【００３３】尚、解除機構６は、図１に示すように、主
軸２の基端側に固定的に設けられ、油圧供給源を含む駆
動制御部により駆動制御される油圧シリンダ５０を有
し、ピストンロッド５０ａの先端部でドローバー４の係
合軸部４ｂを押動し、出力用ピストン部材３２（受圧部
材４２）を基端側の復帰位置に退入させるとともに、ド
ローバー４を固定解除側へ駆動するように構成してあ
る。

【００３４】尚、ガス作動室４１に、例えばステンレス
製の環状のベローズを装着し、このベローズに圧縮ガス
を封入し、受圧部材４２はこのガス圧をベローズを介し
て受圧するようにしてもよい。このように、ガス作動室
４１にベローズを装着し、このベローズに圧縮ガスを封
入したので、長期の使用中にも圧縮ガスのリークが殆ど
生じず、長期に亙って安定した付勢力を発揮させること
ができる。ベローズをガス作動室４１の内部に装着して
から、ベローズに圧縮ガスを充填することもでき、この
場合、ベローズの組付けも容易になる。

【００３５】尚、シリンダ部材４０とシリンダ本体３０
とを別体に形成してもよい。そして、これらシリンダ部
材４０とシリンダ本体３０を螺合等で連結して一体的に
形成してもよい。また、ガススプリング２１と油圧シリ
ンダ２０を必ずしも直列状に配置しなくてもよい。その
他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記実施形態に
種々の変更を付加した形態で実施することも可能であ
る。

【００３６】

【発明の効果】 請求項１の工作機械主軸の工具固定装
置によれば、流体圧シリンダにおいて、圧縮ガスを充填
したガス作動室とこのガス作動室のガス圧を受圧する受
圧部材とを備えたガススプリングにより、油圧シリンダ
の油室内の油を前記ガス圧よりも高圧に加圧できるた
め、ドローバーを工具固定側へ付勢する強力な付勢力を
発生させ、主軸に工具を強固に固定できる。ガスボンベ
等の既存の圧縮ガス供給源から圧縮ガスをガス作動室に
充填し、ガススプリングの付勢力によって油室の油圧を
数倍増圧し、前記強力な付勢力を発生させることができ
るため、ガススプリングとして機能する流体圧シリンダ
の構造を小型化でき、主軸の狭い空間に確実に設置でき
るようになる。更に、ガススプリングのガス作動室に充
填する圧縮ガスを過度に高圧にしなくてもよいため、圧
縮ガスのリークを防止する上でも有利であり、製作コス
トの低減を図るうえで有利になる。

【００３７】請求項２の工作機械主軸の工具固定装置に
よれば、ガススプリングのシリンダ部材を前記シリンダ
本体と一体的に形成し、ガススプリングと油圧シリンダ
を直列状に配置したので、流体圧シリンダをシンプルな
構造とすることができ、製作コストの低減を図ることが
できる。

【００３８】請求項３の工作機械主軸の工具固定装置に
よれば、出力用ピストン部材は中空状に形成されてドロ
ーバーに摺動自在に外嵌され、受圧部材はスリーブ状に
形成されて出力用ピストン部材に摺動自在に外嵌される
ので、流体圧シリンダにより、ドローバーを工具固定側
へ確実に付勢することができる。

【００３９】請求項４の工作機械主軸の工具固定装置に
よれば、シリンダ本体の内部に、油室とガス作動室の間
を仕切る仕切り部を設けたので、油室とガス作動室を簡
単に形成することができ、この仕切り部の内側に受圧部
材の出力部が摺動自在に挿入される環状の貫通孔が形成
されているので、出力部の先端部を油室内の油に接触さ
せてその油を確実に加圧することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る工具固定装置の縦断面
図である。

【図２】図１の流体圧シリンダ（工具固定状態）の縦断
面図である。

【図３】図１の流体圧シリンダ（工具固定解除状態）の
縦断面図である。

【符号の説明】

Ｇ 圧縮ガス Ｌ 油 Ｔ 工具 １ 工具固定装置 ２ 主軸 ４ ドローバー ５ 流体圧シリンダ ２０ 油圧シリンダ ２１ ガススプリング ３０ シリンダ本体 ３１ 油室 ３２ 出力用ピストン部材 ３３ 仕切り部 ３３ａ 貫通孔 ４０ シリンダ部材 ４１ ガス作動室 ４２ 受圧部材 ４２ｂ 出力部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作機械の主軸に工具を固定する為のド
   ローバーを工具固定側へ付勢する流体圧シリンダを備え
   た工具固定装置において、 前記流体圧シリンダは、 シリンダ本体と、このシリンダ本体内に形成され油を封
   入した油室と、この油室の油圧を受圧する出力用ピスト
   ン部材とを有する油圧シリンダと、 圧縮ガスを充填したガス作動室とこのガス作動室のガス
   圧を受圧する受圧部材とを有するガススプリングであっ
   て、前記油室内の油を前記ガス圧よりも高圧に加圧可能
   なガススプリングと、 を備えたことを特徴とする工作機械主軸の工具固定装
   置。
2. 【請求項２】 前記ガススプリングのシリンダ部材は前
   記シリンダ本体と一体的に形成され、ガススプリングと
   油圧シリンダは直列状に配置されたことを特徴とする請
   求項１に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
3. 【請求項３】 前記出力用ピストン部材は中空状に形成
   されてドローバーに摺動自在に外嵌され、前記受圧部材
   はスリーブ状に形成されて出力用ピストン部材に摺動自
   在に外嵌されることを特徴とする請求項２に記載の工作
   機械主軸の工具固定装置。
4. 【請求項４】 前記シリンダ本体の内部に、油室とガス
   作動室の間を仕切る仕切り部を設け、この仕切り部の内
   側に、受圧部材の出力部が摺動自在に挿入される環状の
   貫通孔が形成されたことを特徴とする請求項２又は３に
   記載の工作機械主軸の工具固定装置。