JP2005186254A - 工具ホルダ、及び、工具へのミスト供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミストの吐出不良や供給遅れを防止することが可能な工具ホルダを提供する。
【解決手段】工具ホルダ１０は、工具２０を拘束するコレット１６及びコレット固定手段１７と、液体と気体とを混合したミストを流通させるためのミスト用流路１４と、を備え、コレット１６及びコレット固定手段１７により工具２０を拘束した状態で工作機械３０の主軸３１の先端に装着され、主軸３１から供給されるミストを、ミスト用流路１４を介して、工具２０に供給可能であり、ミストとは独立して主軸３１から供給されるエアを、ミスト用流路１４の外周で流通させた後に、ミスト用流路１４に導くエア用流路１５をさらに備えており、ミスト用流路１４とエア用流路１５との間には、複数の連通孔１３ａが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具を拘束した状態で工作機械の主軸の先端に装着される工具ホルダ、及び、当該工具ホルダに保持された工具へのミストの供給方法に関する。

工作機械の分野では、自動工具交換装置（ＡＴＣ：Automatic Tool Changer）を備えたマシニングセンタ等の自動工作機械が一般的に広く利用されている。このような自動工作機械では、所定の切削プロセスに適合された複数の工具が工具ホルダにそれぞれ装着された状態でＡＴＣ内に格納されており、当該ＡＴＣによる自動交換動作が開始すると、所望の工具が選択され、それぞれ工具ホルダが装着された状態で、既に主軸の先端に装着されている工具と交換される。

このような工具ホルダとして、コレット等から成る拘束手段と、切削油剤等を流通させるためのホルダ内流路とを備え、拘束手段により工具を拘束した状態で工作機械の主軸の先端に装着され、当該工作機械の主軸に設けられ主軸内配管から供給される切削油剤を、前記ホルダ内流路を介して、工具に供給する構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

近時、切削油剤の使用を極力抑えるために切削油剤をミスト噴霧するＭＱＬ（Minimum Quantity Lubrication）化が望まれているが、上記の工具ホルダは、工作機械の主軸により高速で回転されるため、ＭＱＬ化に対応するために前記ホルダ内流路を介してミストを供給すると、その高速回転に伴う遠心力の作用により、ミスト粒子（平均１０μｍ程度の切削油剤の粒子）がホルダ内流路の内壁面に付着し易い構造となっている。また、上記の工具ホルダでは、その内部に確保可能なホルダ内流路の内径が必然的に小径に制限されているため、内壁面に付着したミスト粒子がホルダ内流路を占有する割合が相対的に大きくなる。そのため、ミスト供給に際して、この付着したミスト粒子が供給の障害となって、ミストの吐出不良を引き起こし、工具の摩耗増加や加工精度低下等の問題が発生する。

また、上記の工具ホルダに工具を装着してＡＴＣにより自動工具交換が行われると、その交換の度に主軸内配管とホルダ内流路とが分断され、ホルダ内流路のミストの流れが途絶え、ホルダ内流路の内壁面にミスト粒子が付着して滞留することとなる。この状態で、次の工具交換時に主軸配管を介してホルダ内経路にミストが再び供給されると、内壁面に付着して滞留しているミスト粒子が障害となって、ミストの供給遅れや吐出不良が生じ、工具の摩耗増加や加工精度低下等の不具合が発生する。
特開２００１−２８７１３５号公報

本発明は、ミストの吐出不良や供給遅れを防止することが可能な工具ホルダ、及び、当該工具ホルダに保持された工具へのミスト供給方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、工具を拘束する拘束手段と、液体と気体とを混合したミストを流通させるためのミスト用流路と、を少なくとも備え、前記拘束手段により前記工具を拘束した状態で工作機械の主軸の先端に装着され、前記主軸から供給される前記ミストを、前記ミスト用流路を介して、前記工具に供給可能な工具ホルダであって、前記ミストとは独立して前記主軸から供給される気体を、前記ミスト用流路の外周で流通させた後に、前記ミスト用流路に導く気体用流路をさらに備えており、前記ミスト用流路と前記気体用流路との間には、複数の連通孔が形成されている工具ホルダが提供される。

本発明では、ミスト用流路が形成された工具ホルダにおいて、ミストとは独立して主軸から供給される気体を、ミスト用流路の外周を流通させた後に、ミスト用流路に導く気体用流路を設け、さらに、この気体用流路とミスト用流路との間に複数の連通孔を形成し、主軸からミスト用流路にミストを供給しながら、当該ミストとは別個に気体用流路に気体を供給する。

これにより、ミスト用流路の内壁面に付着していたミスト粒子が、主軸の回転に伴う遠心力により、連通孔を介して気体用流路に移動し、当該移動したミスト粒子が、気体用流路を流通する気体により再度霧状化されて工具に供給されるので、ミスト用流路の内壁面へのミスト粒子の付着が抑制され、ミストの吐出不良が防止される。

また、ＡＴＣによる工具交換直後において、主軸を回転させると共に当該主軸からミスト用流路にミストを供給し、さらに、当該ミストとは独立して気体用流路に気体を供給することにより、先の工具交換から今回の工具交換迄の間にミスト用流路の内壁面に付着して滞留していたミスト粒子が排除されるので、工具交換直後におけるミストの供給遅れや吐出不良が防止される。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態に係る工具ホルダが装着された工作機械の主軸の先端部の断面図、図２は本発明の実施形態に係る工具ホルダの断面図、図３は図２のIII部の拡大図、図４は本発明の実施形態における主軸回転数とミスト吐出量との関係を示すグラフである。

先ず、本実施形態に係る工具ホルダが装着される工作機械の主軸について説明すると、図１に示すように、工作機械３０の主軸３１は、当該主軸３１の周方向に沿って配置された複数の軸受３４によりハウジング３５内部に回転自在に支持されており、特に図示しないが、当該主軸３１の後端部で主軸用モータ（不図示）に接続されている。

この主軸３１の内部には、回転軸心ＯＬに沿って貫通した貫通孔３２が形成されている。この貫通孔３２は、その先端部分（図１にて左側）に、工具ホルダ１０のテーパシャンク部１１ｃと相補形状のテーパ孔３２ａが形成されており、このテーパ孔３２ａの後方部分（図１にて右側）には、ミスト供給用配管３６、及び、クランプ機構４０が配設されている。

ミスト供給用配管３６は、その内部にミストを流通させることが可能となっており、当該配管３６の後端は、ミスト供給装置５０に連結されている。ミスト供給装置５０では、切削油剤をエアにより引きちぎって噴霧化することによりミストが生成される。なお、ミストの生成は、可能な限り加工点の近くで行うことが好ましく、例えば主軸３１の内部でミスト生成を行うことが好ましい。

クランプ機構４０は、工具ホルダ１０のプルスタッド１８をクランプ／アンクランプする機構であり、図１に示すように、キャニスタ４１、鋼球４２、クランプロッド４３、受け部材４４、及び、皿バネ４７から構成されている。

キャニスタ４１は、工具ホルダ１０のプルスタッド１８を挿入可能な内径を持ち、且つ、先端に鍔部を持つ略円筒形状を有しており、当該鍔部の後方の壁面に円孔４１ａが形成されている。このキャニスタ４１は、主軸３１の貫通孔３２に挿入されて、テーパ孔３２ａの後方部分に形成された段差に鍔部が当接して固定されている。そして、円孔４１ａにより、鋼球４２が、キャニスタ４１の内側に脱落せずに主軸３１の径方向に移動可能に支持されている。

クランプロッド４３も、略円筒形状を有しており、回転軸心ＯＬ方向に移動可能に、主軸３１の貫通孔３２内であってキャニスタ４１の外周囲に配設されている。このクランプロッド４３の先端には、キャニスタ４１に支持された鋼球４２を主軸３１の径方向に押し込むためのテーパ状の突出部４３ａが形成されており、クランプロッド４３内には、リング形状の受け部材４４がキャニスタ４１の後端部に支持された状態で挿入されている。クランプロッド４３と受け部材４４との間のキャニスタ４１には、リング形状の仮止部材４５及びコイルスプリング４６が外挿されている。

キャニスタ４１及び受け部材４４の内孔内には、ミスト供給用配管３６が配設してあり、当該配管３６は受け部材４４に固定されている。さらに当該配管３６における受け部材４４の後側には、皿バネ４７が多層状に外挿されており、クランプロッド４３を後方（図１にて矢印Ａ方向）に押圧するようになっている。

従って、このクランプ装置４０により工具ホルダ１０をクランプする場合には、図１に示すように、クランプロッド４３が皿バネ４７の弾性力により矢印Ａ方向に移動して、クランプロッド４３の突出部４３ａが鋼球４２を内方に押し込んでプルスタッド１８を固定する。

これに対し、このクランプ装置４０により工具ホルダ１０をアンクランプする場合には、特に図示しないが、クランプロッド４３をドローバー（不図示）により矢印Ｂ方向に移動させて、クランプロッド４３の突出部４３ａがずれて鋼球４２への押圧を緩めることにより、プルスタッド１８を取り外すことが可能となる。この際、コイルスプリング４６の弾性力により仮止部材４５が緩んだ鋼球４２を仮止めしており、工具交換時の工具ホルダ１０からの工具２０の脱落を防止している。

さらに、本実施形態に係る工作機械３０の主軸３１には、ミスト供給用配管３６とは別個に、エアを流通可能なエア供給用配管３３が配設されている。このエア供給用配管３３の先端は、テーパ孔３２ａの内周面に到達しており、その後端は、エア供給装置６０に連結されている。エア供給装置６０は、圧縮エア等の圧縮された気体を供給する。なお、本実施形態では、エア供給用配管３３とミスト供給用配管３６とを非同軸状に配設したが、本発明では特にこれに限定されず、このエア供給用配管３３とミスト供給用配管３６とを同軸上に配設しても良い。

次に、本実施形態に係る工具ホルダ１０について説明する。

本実施形態に係る工具ホルダ１０は、図２に示すように、ホルダ本体１１と、コレット１６、コレット固定機構１７、プルスタッド１８、及び、工具ストッパ１９から構成されており、コレット１６及びコレット固定機構１７により工具２０を先端に装着した状態で、主軸３１のテーパ孔３２ａに挿入され、プルスタッド１８がクランプ機構４０によりクランプされて工作機械３０の主軸３１に装着される工具保持具である。なお、この工具ホルダ１０に拘束される工具２０は、その内部に軸方向に沿って貫通した貫通孔２１が形成されており、当該貫通孔２１内を流通させて先端からミストを噴出させるタイプの刃具である。

この工具ホルダ１０のホルダ本体１１は、図２に示すように、先端に直丸軸部１１ａ、略中央部にフランジ部１１ｂ、及び、後端にテーパシャンク部１１ｃが形成されており、その内部には、貫通孔１２が回転軸心ＯＬに沿って貫通して形成されている。

この貫通孔１２は、その先端部分（同図にて左端部分）及び後端部分（同図にて右端部分）に、テーパ形状のテーパ部１２ａ、１２ｃがそれぞれ形成されていると共に、略中央部分及び後端部分に雌ネジ部１２ｂ、１２ｄが形成されている。

ホルダ本体１１の貫通孔１２の略中央部分の雌ネジ部１２ｂには、工具ストッパ１９が螺着されており、この工具ストッパ１９の内孔に、コレット１６の内孔を貫通した工具２０の後端部が挿入されている。この工具２０が挿入されたコレット１６は、貫通孔１２の先端側のテーパ部１２ａに内挿されており、ホルダ本体１１の直丸軸部１１ａの先端外周部分に形成された雄ネジ部１１１ａに螺着されたナット体１７ａ、リング棒部材１７ｂ、及び、結合部材１７ｃから成るコレット固定機構１７によりホルダ本体１１に対して固定されている。また、貫通孔１２の後端部分に形成された雌ネジ部１２ｄには、プルスタッド１８が螺着されている。

そして、工具ストッパ１９及びプルスタッド１８には何れも軸方向に沿って貫通した内孔が形成されており、工具ホルダ１０の内部には、プルスタッド１８の内孔、ホルダ本体１１の貫通孔１２、及び、工具ストッパ１９の内孔を経て、工具２０の貫通孔２１に至るミスト用流路１４が形成されており、このミスト用流路１４が、工作機械３０の主軸３１のミスト供給用配管３６に連通することにより、工具２０にミストを供給することが可能となっている。

さらに、本実施形態に係る工具ホルダ１０は、貫通孔１２の後端側のテーパ部１２ｃに、スリーブ１３が内挿されており、このスリーブ１３の後端部がプルスタッド１８の先端部に固定されている。そして、このスリーブ１３の内周には、プルスタッド１８がクランプ装置４０にクランプされた際に主軸３１のミスト供給用配管３６と連通してミストが供給されるミスト用流路１４が形成されている。これに対し、このスリーブ１３の外周側には、プルスタッド１８がクランプされた際に、主軸３１のエア供給用配管３３に連通してエアが供給されるエア用流路１５が形成されている。

このスリーブ１３は、図３に示すように、ミスト用流路１４が先端に向かって先細となるようなテーパ形状を有しており、その壁面に内周側と外周側とを連通する複数の連通孔１３ａが形成されている。また、このスリーブ１３の内壁面には、主軸３１の回転方向に対して逆方向の螺旋状の段差部１３ｂが形成されている。さらに、このスリーブ１３の内壁面には、ミストの付着を抑制するために、例えば、フッ素系のコーティング等の撥油性のコーティング処理が施されている。

このように、ミスト用流路１４に、複数の連通孔１３ａが形成されたスリーブ１３を設けて、ミスト用流路１４の外周にエアを流通させるエア用流路１５を設けると共に、連通孔１３ａによりエア用流路１５とミスト用流路１４とを連通させることにより、ミスト用流路１４の内壁面に付着しているミスト粒子を、主軸３１の回転に伴う遠心力により、連通孔１３ａを介してエア用流路１５に移動させて、当該移動したミスト粒子をエア用流路１５を流通するエアにより再度霧状化することが可能となり、ミスト用流路１４の内壁面へのミスト粒子の付着を抑制することが可能となる。

また、ミスト用流路１４の内周面に螺旋状の段差部１３ｂを形成すると共に、ミスト用流路１４の内径を先端に向かって先細とすることにより、主軸３１の回転を利用して、ミスト用流路１４におけるミストの流れをスムーズにすることが出来る。

特に、工作機械用の工具ホルダでは、高速で回転されるため、工作機械の主軸の回転数が高くなるに伴って、遠心力の作用が大きくなるので、ミストの吐出量が減少する傾向にあるが、本実施形態に係る工具ホルダでは、図４に示すように、エア用流路を設けない従来構造のものと比較して、この高回転化に伴う吐出量の減少を抑制することが出来る。

なお、各連通孔１３ａは、スリーブ１３の内壁面に付着したミスト粒子のみをエア用流路１５に効率的に移動させるために、その内径ｄが２ｍｍ以下であることが好ましい。

以下に作用について説明する。

工作機械３０のＡＴＣ（不図示）が工具交換動作を開始すると、先ず、当該ＡＴＣ内に格納されている複数の工具から所望の工具２０が選択される。この選択された工具２０は工具ホルダ１０に予め装着されており、ＡＴＣのグリッパ（不図示）により、当該工具ホルダ１０のフランジ部１１ｂの把持溝にて把持される。次に、ＡＴＣは、グリッパに把持した工具ホルダ１０を主軸３１の直下に移動させ、工具ホルダ１０をプルスタッド１８側から主軸３１のテーパ孔３２ａに挿入する。なお、この挿入の際、ドローバー（不図示）によりクランプロッド４３は矢印Ｂ方向（図１参照）に移動されている。

この挿入の後、ドローバーを戻して皿バネ４７の弾性力でクランプロッド４３を矢印Ａ方向に移動させる。これにより、クランプロッド４３の突出部４３ａが鋼球４２を内方に押し込んで、図１のように工具ホルダ１０のプルスタッド１８がクランプ装置４０にクランプされ、工具ホルダ１０のテーパシャンク部１１ｃが工作機械３０の主軸３１のテーパ孔３２ａに圧接される。

この状態において、工作機械３０の主軸３１内に配設されたミスト供給用配管３６は、工具ホルダ１０のプルスタッド１８の内孔に連通し、ミスト供給装置５０から、ミスト供給用配管３６及びミスト用流路１４を介して、工具２０の貫通孔２１に至るミストを供給するための一連の流路が形成される。

また、工作機械３０の主軸３１内に配設されたエア供給用配管３３は、工具ホルダ１０のテーパシャンク部１１ｃでエア用流路１５に連通し、エア供給装置６０から、エア供給用配管３３及びエア用流路１５を介して、スリーブ１３の先でミスト用流路１４に合流するエアを供給するための一連の流路が形成される。

ＡＴＣによる工具交換が終了したら、主軸用モータ（不図示）を駆動させて主軸３１を回転させると共に、ミスト供給装置５０からミスト供給用配管３６を介して工具ホルダ１０のミスト用流路１４にミストを供給し、さらに、当該ミストとは独立して、エア供給装置６０からエア供給用配管３３を介して工具ホルダ１０のエア用流路１５にエアを供給する。

そして、主軸３１の回転に伴う遠心力により、先の工具交換から今回の工具交換迄の間に工具ホルダ１０のミスト用流路１４に付着して滞留していたミスト粒子が、連通孔１３ａを介して、エア用流路１５に移動し、当該エア用流路１５に移動したミスト粒子が、エア用流路１５に供給されたエアにより再度引きちぎられて霧状化され、スリーブ１３の先でミスト用流路１４に合流され、工具２０に供給される。

特に本実施形態では、ミスト供給装置５０から工具ホルダ１０のミスト用流路１４への供給圧力Ｐ_１と、エア供給装置６０から工具ホルダ１０のエア用流路１５への供給圧力Ｐ_２との関係が、Ｐ_１＞１／２×Ｐ_２となるように、ミスト及びエアが供給されている。

このように、エアの供給圧力（Ｐ_２）を、ミストの供給圧力（Ｐ_１）の倍未満とすることにより、連通孔１３ａを介してエア用流路１５に移動したミスト粒子を適切に霧状化することが出来る。

工具交換以降の切削プロセスにおいても、ミスト用流路１４に付着したミスト粒子が、主軸３１の回転に伴う遠心力により連通孔１３ａを介してエア用流路１５に移動し、絶えずエア用流路１５に供給されているエアにより再度霧状化されるので、ミスト粒子の付着が抑制され、ミストの吐出不良が防止される。

以上のように、本実施形態に係る工具ホルダでは、ミストとは独立して主軸から供給されるエアを、ミスト用流路の外周を流通させた後に、ミスト用流路に導くエア用流路を設け、さらに、このエア用流路とミスト用流路との間に複数の連通孔を形成し、主軸からミスト用流路にミストを供給しながら、当該ミストとは別個にエア用流路にエアを供給する。

これにより、ミスト用流路の内壁面に付着していたミスト粒子が、主軸の回転に伴う遠心力により、連通孔を介してエア用流路に移動し、当該移動したミスト粒子が、エア用流路を流通するエアにより再度霧状化されて工具に供給されるので、ミスト用流路の内壁面へのミスト粒子の付着が抑制され、ミストの吐出不良が防止される。

また、ＡＴＣによる工具交換後において、主軸を回転させると共に当該主軸からミスト用流路にミストを供給し、さらに、当該ミストとは独立してエア用流路にエアを供給することにより、先の工具交換から今回の工具交換迄の間にミスト用流路の内壁面に付着して滞留していたミスト粒子が排除されるので、工具交換直後におけるミストの供給遅れや吐出不良が防止される。

また、本実施形態に係る工具ホルダでは、ミスト用流路の内周面に螺旋状の段差部を形成すると共に、ミスト用流路の内径を先端に向かって先細とすることにより、主軸の回転を利用して、ミスト用流路におけるミストの流れをスムーズにすることが可能となる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、上述の実施形態では工具ホルダとして７／２４テーパタイプのものを説明したが、本発明では特にこれに限定されず、例えば、いわゆる２面拘束タイプのものであっても良い。また、本発明では、工作機械の主軸におけるクランプ機構の方式は、上述のものに限定されず、押し込みタイプや引き込みタイプであっても良い。

図１は、本発明の実施形態に係る工具ホルダが装着された工作機械の主軸の先端部の断面図である。 図２は、本発明の実施形態に係る工具ホルダの断面図である。 図３は、図２のIII部の拡大図である。 図４は、本発明の実施形態における主軸回転数とミスト吐出量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…工具ホルダ
１１…ホルダ本体
１１ａ…直丸軸部
１１１ａ…雄ネジ部
１１ｂ…フランジ部
１１ｃ…テーパシャンク部
１２…貫通孔
１２ａ、１２ｃ…テーパ部
１２ｂ、１２ｄ…雌ネジ部
１３…スリーブ
１３ａ…連通孔
１３ｂ…螺旋状の段差部
１４…ミスト用流路
１５…エア用流路
１６…コレット
１７…コレット固定機構
１７ａ…ナット体
１７ｂ…リング棒部材
１７ｃ…結合部材
１８…プルスタッド
１９…工具ストッパ
２０…工具
２１…貫通孔
３０…工作機械
３１…主軸
３２…貫通孔
３２ａ…テーパ孔
３３…エア供給用配管
３４…軸受
３５…ハウジング
３６…ミスト供給用配管
４０…クランプ機構
４１…キャニスタ
４１ａ…円孔
４２…鋼球
４３…クランプロッド
４３ａ…突出部
４４…受け部材
４５…仮止部材
４６…コイルスプリング
４７…皿バネ
５０…ミスト供給装置
６０…エア供給装置
ｄ…連通孔の内径
ＯＬ…回転軸心
Ｐ_１…ミスト供給圧力
Ｐ_２…エア供給圧力

Claims (5)

1. 工具を拘束する拘束手段と、
   液体と気体とを混合したミストを流通させるためのミスト用流路と、を少なくとも備え、
   前記拘束手段により前記工具を拘束した状態で工作機械の主軸の先端に装着され、前記主軸から供給される前記ミストを、前記ミスト用流路を介して、前記工具に供給可能な工具ホルダであって、
   前記ミストとは独立して前記主軸から供給される気体を、前記ミスト用流路の外周で流通させた後に、前記ミスト用流路に導く気体用流路をさらに備えており、
   前記ミスト用流路と前記気体用流路との間には、複数の連通孔が形成されている工具ホルダ。
2. 前記ミスト用流路の内周面に、螺旋状の段差部が形成されている請求項１記載の工具ホルダ。
3. 前記ミスト用流路は、その内径が先端に向かって先細となっている請求項１又は２記載の工具ホルダ。
4. 前記ミスト用流路の内周面は、撥油性を持つコーティングを有する請求項１〜３の何れかに記載の工具ホルダ。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の工具ホルダに保持された前記工具に前記ミストを供給するための工具へのミスト供給方法であって、
   前記ミストの供給圧力（Ｐ_１）と前記気体の供給圧力（Ｐ_２）との関係が、Ｐ_１＞１／２×Ｐ_２となるように、前記気体用流路を介して前記気体を供給圧力（Ｐ_２）で供給しながら、前記ミスト用流路を介して前記工具に前記ミストを供給圧力（Ｐ_１）で供給する工具へのミスト供給方法。

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