JP2005074603A - Tool mounting device to tool holder - Google Patents
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Description
本発明は、工作機械のスピンドルに工具を取り付けるためのツールホルダおよびその付属装置に関する。 The present invention relates to a tool holder for attaching a tool to a spindle of a machine tool and an accessory device thereof.
フライス盤や中ぐり盤などの工作機械においては、そのスピンドル(主軸)にツールホルダを介してエンドミルなどの回転工具が取り付けられ切削、研削などの加工が行われる。このツールホルダはそのシャンク部分にテーパが形成されており、これを機械のスピンドルに形成されたテーパ付嵌合穴に挿入して嵌合され、さらに、ねじ付ボルトにより前記スピンドルの基端側に引き寄せ固定される。 In a machine tool such as a milling machine or a boring machine, a rotary tool such as an end mill is attached to a spindle (main shaft) via a tool holder to perform processing such as cutting and grinding. This tool holder has a taper formed on its shank, which is inserted into a tapered fitting hole formed in the spindle of the machine, and further fitted to the base end side of the spindle by a screw bolt. Pulled and fixed.
問題は、ツールホルダと工具を結合する方法であって、それには次のようなものがある。第1は、工具の基端側に端部が細くなるテーパ状部を設け、一方のホルダにはその先端側から前記工具のテーパ状部が挿入するテーパ穴を形成して互いに挿通嵌合させるもの、第2として工具の基端側シャフトを円柱状とし、この円柱状部をコレットチャックによって把持するものなどである。また、図6に示すように、ツールホルダHに形成する工具収容穴の径を工具のシャンク径より小さくしておき、その工具収容穴部を高周波誘導Eにより加熱してこの内径を膨張拡大させ、ここに工具Tのシャンク部分を挿し込み、次いでこれを冷却することによって収縮させ工具Tを把持させるものである。この把持方法においてツールホルダは高温の熱サイクルにより疲労、劣化することが懸念されるのである。 The problem is how to connect the tool holder and the tool, which includes the following. First, a tapered portion whose end is narrowed is provided on the proximal end side of the tool, and one holder is formed with a tapered hole into which the tapered portion of the tool is inserted from the distal end side, and is inserted and fitted to each other. Second, the base end side shaft of the tool is formed in a columnar shape, and this columnar portion is gripped by a collet chuck. Further, as shown in FIG. 6, the diameter of the tool accommodation hole formed in the tool holder H is made smaller than the shank diameter of the tool, and the tool accommodation hole is heated by high frequency induction E to expand and expand the inner diameter. The shank portion of the tool T is inserted here, and then the tool T is contracted by cooling it to grip the tool T. In this gripping method, there is a concern that the tool holder is fatigued and deteriorated by a high-temperature thermal cycle.
また、図7に示す従来例は、ツールホルダの先端部に形成した工具保持部に形状記憶合金からなる縮みカラーMを適用する構成を採用している。これについて特許文献2は、「弛緩した状態において縮みカラーMの内側面の直径を締付けブッシュBに対して僅かな過大寸法」(0021)に形成しておき、工具シャフトが締付けブッシュの収容穴に収容された後、マルテンサイト状態の縮みカラーMを「注意深く圧縮装置の中において締付けブッシュBの外周面の上に軸方向に押し被せる」ものとしている。このように工具の取替えごとに特別な圧縮装置を用いて縮みカラーMの着脱をすることは作業能率上に問題があるのみならず、縮みカラーMの内径面に著しい損耗が生じることから耐用性に欠け、また、締め付けブッシュに長手方向のスリットを開設したことにより小径の工具を把持の対称とすることができないことに問題があった。 In addition, the conventional example shown in FIG. 7 employs a configuration in which a shrink collar M made of a shape memory alloy is applied to a tool holding portion formed at the tip of the tool holder. In this regard, Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228561 has formed a “diameter of the inner surface of the collar M in a relaxed state slightly oversized with respect to the tightening bush B” (0021), and the tool shaft is placed in the receiving hole of the tightening bush. After being accommodated, the contracted collar M in the martensite state is “carefully pushed axially over the outer peripheral surface of the clamping bush B in the compression device”. Thus, attaching and detaching the shrink collar M by using a special compression device every time the tool is replaced not only has a problem in work efficiency, but also causes significant wear on the inner diameter surface of the shrink collar M. In addition, there is a problem that a small-diameter tool cannot be made symmetrical with respect to gripping because a longitudinal slit is provided in the fastening bush.
エンドミルやドリルなどの回転ツールを用いた高速切削において該ツールのチャック部に芯振れがあればツールの損耗が激しく、且つ、加工精度を低下させる。また、エンドミルの把持機構部が半径方向に大径となる場合には被加工物に対する深彫り加工に限界を生じることになる。このようなことから、本発明は、形状記憶合金および炭素鋼のそれぞれの特性を組み合わせることによって操作性の良好な、またツール把持部を小径としたツールホルダと簡単な工具着脱装置の開発を課題とするものである。とくに小径の工具取り付けに有効なツールホルダ装置を提供するものである。 In high-speed cutting using a rotary tool such as an end mill or a drill, if there is a runout in the chuck portion of the tool, the tool is severely worn and the processing accuracy is lowered. Further, when the gripping mechanism portion of the end mill has a large diameter in the radial direction, there is a limit to deep engraving on the workpiece. For this reason, the present invention has an object to develop a tool holder and a simple tool attaching / detaching device having good operability by combining the characteristics of the shape memory alloy and carbon steel and having a small tool gripping portion. It is what. In particular, the present invention provides a tool holder device that is effective for mounting a small-diameter tool.
工作機械の主軸に嵌合する円錐状などのホルダシャンク部分を基端側としてそのホルダシャンクに接してフランジ部と、さらにそれより先端側に工具取付部を形成し、前記ホルダシャンク部分にはその基端側端面より軸方向に伸びるねじ付孔を、また、前記工具取付部には使用する工具のシャンク部を挿通するための工具取付孔を該工具取付部の末端面より軸方向にそれぞれ穿設し、さらに、前記工具取付部に形状記憶合金からなる締付けリングを外嵌合した構成のツールホルダであって、その工具取付孔の直径が前記締付けリングのマルテンサイト状態では挿通すべき工具のシャンク径より大径で、オーステナイト状態では小径であり、且つ、前記マルテンサイト状態で締付けリングが該工具取付部より容易に脱落しない静合嵌合になるツールホルダとすることを手段として、工具取付部の小ボリューム化と工具着脱の簡易化、把持の確実化を実現した。 A conical holder shank that fits into the main spindle of the machine tool is used as the base end to contact the holder shank to form a flange, and further, a tool attachment on the tip side. A threaded hole extending in the axial direction from the end surface on the base end side, and a tool mounting hole for inserting a shank portion of the tool to be used in the tool mounting portion are formed in the axial direction from the end surface of the tool mounting portion. And a tool holder having a configuration in which a tightening ring made of a shape memory alloy is externally fitted to the tool mounting portion, and the tool mounting hole has a diameter of the tool to be inserted in the martensite state of the tightening ring. The diameter is larger than the shank diameter, smaller in the austenite state, and in the martensite state, the fastening ring is a static fit that does not easily fall off from the tool mounting portion. As a means to be Ruhoruda small volume of the tool mounting portion and the simplification of the tool detachment was realized reliabilized gripping.
また、このようにツールホルダに嵌合させた形状記憶合金からなる締付けリングを加熱し、または冷却する操作を容易にするため、1ブロック中に二つの不凍液用槽を設け、その一方の槽の周辺にはペルチェ素子を配置してこれを冷却し、同時に該ペルチェ素子から排出される熱をもって他方の槽の不凍液を加熱し、残余の熱は冷却水孔に流す冷水をもって該ブロック外に排出する構成になる冷却、加熱装置を開発した。 In addition, in order to facilitate the operation of heating or cooling the tightening ring made of a shape memory alloy fitted to the tool holder in this way, two antifreeze baths are provided in one block, A Peltier element is arranged in the periphery to cool it, and at the same time, the antifreeze liquid in the other tank is heated with heat discharged from the Peltier element, and the remaining heat is discharged outside the block with cold water flowing through the cooling water hole. Developed a cooling and heating device that makes up the structure.
本発明のツールホルダは、炭素鋼からなる円筒状ツールホルダにTi―Ni合金系の形状記憶合金からなる締付けリングを外嵌合したこと、すなわち、このような異材料からなる二重円筒とすることによって、締付けリングが高温時のオーステナイト状態と低温時のマルテンサイト状態における両者の縦弾性係数の相違を利用し、高温時に収縮、低温時に拡張するという二方向性記憶素子となり、工具の着脱性能の優れたものになった。 The tool holder of the present invention has a cylindrical tool holder made of carbon steel fitted with a tightening ring made of a shape memory alloy of a Ti—Ni alloy system, that is, a double cylinder made of such a different material. By using the difference in longitudinal elastic modulus between the austenite state at a high temperature and the martensite state at a low temperature, the tightening ring becomes a bidirectional memory element that contracts at a high temperature and expands at a low temperature. Became an excellent one.
また、前記締付けリングに使用する形状記憶合金はマルテンサイト変態開始温度Msが0〜5℃で、終了温度Mfが−20℃程度、オーステナイト終了温度が常温より若干低いことから、ペルチェ素子により冷却された液中に該リングを浸漬することで容易に冷却し、また、40℃程度の温湯に浸漬することによって迅速に常温に戻すことが可能になり、工具の着脱が簡単になった。 Further, the shape memory alloy used for the tightening ring has a martensite transformation start temperature Ms of 0 to 5 ° C., an end temperature Mf of about −20 ° C., and an austenite finish temperature slightly lower than normal temperature. The ring can be easily cooled by immersing it in the liquid, and it can be quickly returned to room temperature by immersing it in hot water of about 40 ° C., which makes it easy to attach and detach the tool.
さらには、機械構造用鋼などからなる工具取付部への締付けリングの嵌合を適切にすることによって、締付けリングの拡径に伴い工具取付孔が拡径して工具が取り去られた後にもこの締付けリングは工具取付部に静合嵌合されているので、工具着脱の操作性を向上させることになった。 Furthermore, by properly fitting the tightening ring to the tool mounting portion made of steel for machine structural use, etc., even after the tool mounting hole is expanded and the tool is removed along with the diameter expansion of the tightening ring. Since this clamping ring is statically fitted to the tool mounting portion, the operability of the tool attachment / detachment is improved.
本発明の詳細について図面を参照し説明する。先ず、図の概要を説明すると図1は本発明に係るツールホルダを工作機械のスピンドルに装着した状態を示す一部断面の側面図、図2は図1の要部を拡大した断面図、図3と図4は工具取付部すなわち組合せ円筒の温度による内径変化を示したグラフ、図5はペルチェ素子を使用した冷却・加熱液槽装置の概要を示した斜視図、図6、図7はツールホルダの従来例を示したものである。 Details of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the outline of the figure will be explained. FIG. 1 is a partially sectional side view showing a state in which the tool holder according to the present invention is mounted on a spindle of a machine tool, and FIG. 2 is an enlarged sectional view of the main part of FIG. 3 and 4 are graphs showing changes in inner diameter due to the temperature of the tool mounting portion, that is, the combination cylinder, FIG. 5 is a perspective view showing an outline of a cooling / heating liquid tank apparatus using a Peltier element, and FIGS. 6 and 7 are tools. The conventional example of a holder is shown.
本発明に係るツールホルダ1は、工作機械のスピンドル20に嵌合取着するための円錐状などのホルダシャンク部分2を基端とし、そのホルダシャンク部分2に接してフランジ部3,3を突設し、さらにそれより先端側を工具取付部5とし、前記ホルダシャンク部分2にはその基端側端面より軸方向先端側に伸びるねじ付孔6が、また、工具取付部5の先端面からは使用するツール10のシャンク部11を挿通するための工具挿入孔4が末端側端面より軸方向基端側向かって穿設されている。この工具挿入孔4の内径は取付られる工具のシャンク径より0.2ないし0.7mm大きく、かつ、その肉厚をほぼ2.0ないし6.0mm程度として機械構造用鋼などの炭素鋼、或いはアルミニウム合金などの非鉄金属により作製したものである。
A
このようなツールホルダ1の工具取付部5の外径に、次のような形状記憶合金からなる締付けリング7が外嵌合される。すなわち、0℃以下に冷却するとマルテンサイト状態(膨張状態)になり、これを徐々に加熱すると5℃を超える頃からオーステナイト相への変態が始まり、ほぼ常温(25℃前後)では完全に形状が回復する性質のものである。このような形状記憶合金としては一般に知られたもの、たとえば、ニッケル・チタン合金(たとえば、Ti50at%とNi50at%、またはその合金にCo、またはCr、またはFe、VまたはMoを0.1〜5。0at%程度を添加した合金)系が良好に使用し得るが、これに限るものではない。
A tightening
前記機械構造用鋼(S30C)になるツールホルダ1の工具取付部5外径に、形状記憶合金を使用した締付けリング7がマルテンサイト状態にて圧入状に外嵌合される。この圧入によって前記工具挿入孔4の内径(取り付けられる工具のシャンク径よりほぼ0.2ないし0.7mm大)は把持する工具のシャンク径よりほぼ0.2ないし0.5mm大きい程度にまで縮径され、その後、この締付けリング7が常温にまで加熱さてオーステナイト化すると該工具取付孔4はさらに圧縮されて工具のシャンク径より小径となるように製作される。
A tightening
上記の嵌合ないし工具の把持力を得るために必要な締付けリング7の内外径とツールホルダの工具取付部外径および工具挿入孔の内径(工具取付部を円筒と称することがある。)の最適値を求める方法について説明する。
The inner and outer diameters of the tightening
例として採用したTi―Ni系形状記憶合金製締付けリングの寸法、およびS30Cとアルミニウム合金になる各5種類の工具取付部寸法を表1に記載した。なお、それぞれの長さは図2に示すようにL=30mm,l=50mmである。この締付けリングをマルテンサイト状態になるまで冷却し、それぞれの工具取付部に外嵌合(圧入)する。その後の冷却(マルテンサイト状態)および加熱(オーステナイト状態)による工具挿入孔(内径)の変化を図3、図4に示した。図中の点線はその中間値を示したものである。 Table 1 shows the dimensions of the Ti—Ni-based shape memory alloy clamping ring adopted as an example, and the five types of tool mounting part dimensions that become S30C and an aluminum alloy. Each length is L = 30 mm and l = 50 mm as shown in FIG. The tightening ring is cooled to a martensite state, and is externally fitted (press-fit) to each tool mounting portion. Changes in the tool insertion hole (inner diameter) due to subsequent cooling (martensite state) and heating (austenite state) are shown in FIGS. The dotted line in the figure shows the intermediate value.
図3は、S30Cからなるツールホルダの工具取付部が形状記憶合金(締付けリング)の相変化によって変化する内径をプロットしたものである。この図において、たとえば、工具取付部の外径を15.29mm、内径(工具挿入孔)を12.20mmに形成し、これに締付けリングを外嵌合したツールホルダにおいて、形状記憶合金がオーステナイト状態にあるときその内径は12.03mmであり、マルテンサイト状態では12.07mmになっている。この条件において形状記憶合金は相変化の前後何れにおいても工具取付部から容易に離脱することはないが、工具取付部の内径がシャンク径12mmより0.03mm大で把持に不適であることが判る。このことから、中間値(図中の点線)が組合せ円筒の内部円筒内径(縦軸)の12.00mmに交わる点、すなわち前記形状記憶合金を外嵌合する前の工具取付部の内径として12.04mm(横軸)を選定することが最適であることがわかる。しかし、工具挿入孔などの加工精度や工具着脱の容易性を考慮すれば形状記憶合金製締付けリングの寸法を表1のものとした場合、工具取付部の外径を15.29mm、内径を12.02〜12.08mmとすることが望ましいことがわかる。 FIG. 3 is a plot of the inner diameter at which the tool mounting portion of the tool holder made of S30C changes due to the phase change of the shape memory alloy (clamping ring). In this figure, for example, in the tool holder in which the outer diameter of the tool mounting portion is 15.29 mm, the inner diameter (tool insertion hole) is 12.20 mm, and the tightening ring is externally fitted thereto, the shape memory alloy is in an austenitic state. The inner diameter is 12.03 mm, and in the martensite state is 12.07 mm. Under this condition, the shape memory alloy does not easily detach from the tool mounting part before and after the phase change, but it is found that the inner diameter of the tool mounting part is 0.03 mm larger than the shank diameter of 12 mm and is unsuitable for gripping. . From this, the point where the intermediate value (dotted line in the figure) intersects 12.00 mm of the inner cylindrical inner diameter (vertical axis) of the combined cylinder, that is, the inner diameter of the tool mounting portion before the shape memory alloy is externally fitted is 12 It can be seen that it is optimal to select 0.04 mm (horizontal axis). However, considering the processing accuracy of the tool insertion hole and the ease of tool attachment / detachment, when the dimensions of the shape memory alloy fastening ring are as shown in Table 1, the outer diameter of the tool mounting portion is 15.29 mm and the inner diameter is 12 It turns out that it is desirable to set it as 0.02-12.08 mm.
図4は、工具取付部にアルミニウム合金を使用したときの形状記憶合金の相変化に伴う組合せ円筒の内部円筒内径の変化を示した(実線)もので、図中の点線はその中間値を示している。この図4から、形状記憶合金製締付けリングへ挿入前の内部円筒内径を12.12mm〜12.18mmにすることが望ましいと読み取られる。 FIG. 4 shows the change in the inner cylinder inner diameter of the combination cylinder with the phase change of the shape memory alloy when an aluminum alloy is used for the tool mounting part (solid line). The dotted line in the figure shows the intermediate value. ing. It can be read from FIG. 4 that it is desirable that the inner cylindrical inner diameter before insertion into the shape memory alloy clamping ring is 12.12 mm to 12.18 mm.
実施例1として、直径12mmのエンドミルをチャッキングするためのツールホルダ1をほぼ前記表1の条件に近い数値で作製した。すなわち、Ti−Ni合金(成分 Ni:55.8at%,残部Ti)の形状記憶合金を用いた締付けリング7は外径:20.20mm、内径:15.00mm、長さ:30mmとし、ツールホルダ1の工具取付部5の外径を15.3mm、内径(挿入孔)を12.08mm、長さを50mmとした。先ず、前記締付けリング7を0℃以下に冷却してマルテンサイト状態とし、これを前記工具取付部5の外径に圧入した。これによって、工具挿入孔4の直径は12.08mmから12.02mmにまで縮径された。この締付けリング7がオーステナイト状態に戻った場合は勿論、再びマルテンサイト化しても工具取付部5から容易に離脱することがなくなった。
As Example 1, a
上記のツールホルダを0℃以下に冷却すると締付けリング7はマルテンサイトに変態し拡径する。同時に炭素鋼からなる工具取付部5も弾性復元して拡径する。ここにシャンク径12.00mmのエンドミルを挿通した後、形状記憶合金を加熱してオーステナイト相に変態を進めると強固な把持が得られた。このツールホルダ1をフライス盤に取り付けて機械構造用鋼の切削を行ったが把持部のすべりなどは全く生じなかった。
When the tool holder is cooled to 0 ° C. or lower, the tightening
また、このツールホルダ1に工具を着脱する際には、締付けリング7を冷却し、また、加温しなければならない。このためにペルチェ素子を組み込んだ冷却―加熱装置を開発して操作の簡易化と迅速化を図った。すなわち、図5に示すように一つのブロック30中に二つの不凍液用槽31,32を設け、その一方の槽には槽外壁にペルチェ素子33,33を密着配置してこれに通電することにより冷却し、同時に該ペルチェ素子33から排出される熱をもって他方の不凍液槽を加熱し、残余の熱は冷却水孔34に流す冷水をもって装置外に排出し、双方の不凍液35、35の温度を調節するものである。図には表示していないが、加温側の不凍液層には加熱用ヒーターを、また更には、温度コントロール用のコントロール装置を付設することも可能である。この装置により温度調節した不凍液槽に前記S30Cと形状記憶合金の組合せになるツールホルダの工具取付部を浸漬して冷却、あるいは加熱を行ったが、締付けリング7は数十秒で相変化をきたし、工具の着脱が容易に行えた。なお、前記冷却用の不凍液用槽31にはその周縁に断熱用の空隙36を形成している。
Further, when the tool is attached to or detached from the
前記実施例1のTi−Ni形状記憶合金はオーステナイト終了温度Afが20〜25℃であり、寒冷期にはより低いAf温度が望まれることがある。そこで、Ti―Ni合金にそれぞれCo、またはCr、またはFe、またはV、またはMoを0.1〜5.0at%添加した合金を350℃〜540℃の範囲内で形状記憶熱処理して形状記憶合金を作製し、前記の締付けリング7に使用したところ、オーステナイト終了温度Af、マルテンサイト終了温度Mf共に2〜20℃低下した。したがってこの配合の形状記憶合金を使用した締付けリング7は寒冷地での使用に十分耐えるものとなった。
The Ti—Ni shape memory alloy of Example 1 has an austenite finish temperature A f of 20 to 25 ° C., and a lower A f temperature may be desired in the cold season. Therefore, shape memory is subjected to shape memory heat treatment in the range of 350 ° C. to 540 ° C. for alloys in which 0.1 to 5.0 at% of Co, Cr, Fe, V, or Mo is added to Ti—Ni alloys, respectively. When an alloy was produced and used for the
ツールホルダにおける工具取付部の内・外径とそれに外嵌合させる形状記憶合金製締付けリングの内・外径、使用する工具のシャンク径との関係を前記のように決定することによって、該工具取付部に長手スリットを形成することなく工具を強固に把持でき、さらに、工具取付部から締付けホルダが容易に脱落しないものとなり、操作性が向上した。また、小径の工具を偏芯なく正確に把持できることになり、深物金型の切削、研削に利用されることになる。 By determining the relationship between the inner and outer diameters of the tool mounting portion in the tool holder, the inner and outer diameters of the shape memory alloy fastening ring fitted to the tool holder, and the shank diameter of the tool to be used, as described above. The tool can be firmly held without forming a longitudinal slit in the mounting portion, and the tightening holder does not easily fall off from the tool mounting portion, thereby improving operability. In addition, a small-diameter tool can be accurately gripped without eccentricity, and is used for cutting and grinding deep metal molds.
1 ツールホルダ
2 ホルダシャンク部分
3 フランジ部
4 工具挿入孔
5 工具取付部
6 締付けリング
10 工具
11 シャンク
20 スピンドル
30 ブロック
31、32 不凍液用槽
33 ペルチェ素子
34 冷却水孔
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