JP2008105111A - 工作機械の工具クランプ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な機構でクランプした工具の抜け落ちを防止できる工具クランプ機構を提供する。
【解決手段】主軸シャフト１及びドローバーが固着されたドローバーガイド５には径方向の案内孔２９，３０が設けられている。ばねでドローバーが上方に引き上げられ、その先端で工具がクランプされた状態では案内孔２９，３０は対向している。ドローバーガイド５の案内孔３０にはピン３１が取り付けられている。ピン３１は弾性体３２で主軸中心方向に付勢されている。主軸が回転しない状態では、（ｂ）に示すようにピン３１はドローバーガイド５内に引き込まれている。主軸の回転による遠心力で（ａ）に示すように、ピン３１はドローバーガイド５の案内孔３０まで突出する。これによりドローバーは下降できず、切削中に、引き抜く方向の力が工具に作用しても、工具は抜け落ちることはない。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械の主軸構造に関し、主軸に工具を取り付ける工具クランプ機構に関する。

工作機械は、主軸先端に工具又は工具ホルダを交換可能に装着し各種加工を行う。この工具又は工具ホルダを主軸に取り付ける主軸構造は、主軸に対してドローバーを前記主軸の軸線に沿って移動させてボールチャック部又はコレットで工具又は工具ホルダのプルスタッドを掴み、工具を主軸内に引き込むことで主軸テーパ面とツールシャンクテーパ面を密着させ、工具のクランプを行っている。又、ドローバーを逆方向に移動させて、ボールチャック部又はコレットによるプルスタッドの把持を解き工具又は工具ホルダを解放する構成となっている。

近年、工作機械の生産性向上に伴い、強力で高品位な切削能力を得るために、より高い切削能力を持つ主軸が求められている。そのため、切削負荷による引抜力が、工具をクランプするバネの引き込み力を上回る場合が考えられ、主軸の工具保持力を高めることが要求されている。この主軸による工具保持を確実にするため、主軸構造の各種改良が提案されている。

例えば、前記ドローバーと前記ボールチャック部との間に、前記ドローバーの前記軸線方向に沿う力を増幅して前記ボールチャック部に伝達する引き込み力を増幅する機構を設けて、工具保持力を増大させる方法が知られている（特許文献１参照）。
又、ドローバーにより、工具又は工具ホルダのプルスタッドを主軸内に引き込み工具又は工具ホルダを主軸に保持したとき、ドローバーの移動を阻止し、工具保持を確保した発明も知られている（特許文献２、３、４参照）。

さらに、シリンダー内のピストンにクランプロッドを連結して、シリンダーを作動させてピストン及びクランプロッドを後退させることによって工具ホルダのクランプする主軸装置において、圧力流体によるクランプ力が低下あるいはゼロになったときでも工具ホルダが主軸より外れることを防止するために、シリンダーとピストンに半径方向の溝を形成し、該溝内を移動する係止体を設け、主軸回転の遠心力によって係止体をピストンの溝からシリンダーの溝に移動させて、ピストンのシリンダー内での移動を防止するようにした発明も知られている（特許文献５参照）。

特開２０００−２９６４０４号公報 特開２００１−１５０２１１号公報 特開平８−１４１５号公報 特開平１０−１３８０１９号公報 特許第３３０３９７８号公報

ばねの引っ張り力によって、工具をクランプして保持することは、切削負荷による引き抜き力により、工具を引き抜かれる恐れがある。特許文献１に記載された引き込み力増幅機構を用いてもこの問題は残る。又、工具をクランプした後、ドローバーの移動をロックする特許文献２〜４に記載された発明は、その構造が複雑である。遠心力によって工具ホルダをクランプするクランプロッドの移動を阻止するようにした特許文献５に記載の発明は、シリンダとピストンに溝を設け、シリンダに対してピストンが相対移動しないようにしたものであり、シリンダとピストンを必要とするものであり、構成が複雑である。

そこで、本発明の目的は、簡単な機構で、クランプした工具の抜け落ちを防止できる新たな構造を提供するものである。

本発明は、主軸シャフト内のドローバーをばねの反発力によって主軸の軸方向に沿って後方に摺動させて、主軸先端の工具又は工具ホルダのプルスタッドを把持する把持機構により工具又は工具ホルダをクランプし、前記ばねの反発力に抗して前記ドローバーを主軸シャフトの軸方向に沿って前方に摺動させることによって、工具又は工具ホルダをアンクランプする工作機械のクランプ機構であって、前記ドローバーもしくは該ドローバーと一体的な部材及び前記主軸シャフトにそれぞれに設けられ、半径方向に貫通する案内孔と、前記ドローバーもしくは該ドローバーと一体的な部材に設けられた案内孔に収容され、弾性部材によって主軸中心方向に付勢されるピンとを備え、該ピンが、主軸回転時に遠心力により前記主軸シャフトの案内孔内まで突き出されることで、前記ドローバーの前記工具又は工具ホルダをアンクランプする方向への摺動を規制することを特徴とするものである。

工具又は工具ホルダが主軸から抜け落ちる場合は、切削中の切削負荷が作用し工具又は工具ホルダが主軸から引き抜かれるときであり、切削中に生じるものであるが、本発明は、この切削中の主軸回転による遠心力を利用して、ドローバーの軸方向の移動を阻止するようにしたから、工具又は工具ホルダを確実に保持し、工具又は工具ホルダが主軸から抜け落ちることを確実に防止できる。

以下本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施形態におけるボールチャック式の工具クランプ機構の構造を説明する説明図である。又、図２は同実施形態におけるドローバー後端部の動作の状態説明図であり、図２（ａ）は主軸を回転させたときの状態（ロック動作状態）、図２（ｂ）は主軸停止時の状態（ロック解除状態）を示している。
主軸シャフト１の軸心に沿って設けられた貫通孔には、ドローバー３が配設されている。該ドローバー３の先端には円周方向にボール４が配置され、工具又は工具ホルダのツールシャンク１０に取り付けられたプルスタッド１１を把持するボールチャック部が形成されている。ドローバー３の後端はドローバーガイド５が取り付けられ、該ドローバーガイド５には、主軸シャフト１を径方向に貫通し、軸方向に摺動するロッド６が取り付けられ、該ロッド６には、主軸シャフト１の外周上を軸方向に摺動するガイドリング７が固定されている。このドローバー３、ドローバーガイド５、ロッド６、ガイドリング７は、互いに固定され一体的に構成されており、該ロッド６が図示しない主軸シャフト軸方向に設けられた長円穴に案内され、ドローバー３、ドローバーガイド５、ガイドリング７と共に軸方向に摺動する構造になっている。

ドローバー３と同一軸心で該ドローバー３を囲むように主軸シャフト１の内周面の段差部１ａとドローバーガイド５の間に弾性部材のスプリング２が配置され、スプリング２の反発力によりドローバー３はプルスタッド１１を主軸シャフト１の貫通孔内に引き込む構造となっている。

主軸シャフト１の後端部には半径方向に案内孔２９が設けられている。この案内孔２９に対向して、ドローバー３又はドローバー３と一体的な部材には半径方向に案内孔３０が設けられている。この実施形態ではドローバーガイド５に案内孔３０が設けられている。さらに、ドローバーガイド５の案内孔３０内には、弾性体３２によって、ドローバーの中心方向に付勢されたピン３１が収容されている。図２（ａ）、（ｂ）はドローバー３が工具又は工具ホルダをクランプしている状態を示している。

図３、図４は、この実施形態の工具クランプ機構を備える主軸を適用する工作機械における工具交換装置の概要図である。この工具交換装置はすでに公知であるので（特開２００６−１２３１１６号公報、特開２００５−２８４６０号公報参照）、概略を示している。図３は、カバー及びカム部材を取り除き内部を見やすくした側面図であり、図４は、カバー及びカム部材を取り付けた側面図である。
複数の工具（工具ホルダ）を保持するタレット１３はサポート１２上にタレット支点１４により回転可能に軸支され、図示しないスプリングにより図３の反時計方向に付勢されている。主軸１５は主軸頭１６に結合され、ガイドにより垂直方向に移動することができる。主軸頭１６は、タレット１３をスイングさせるための第一のカム１８及び第二のカム１９を備えている。

工具交換指令を受けると、主軸頭１６は図３の位置より上昇する。主軸頭１６の上昇に伴い、主軸頭１６の側面に設けられた第一のカム１８及び第二のカム１９のカム面に沿って、スイングローラ１３ａが移動し、タレット１３は主軸１５から工具又は工具ホルダを引き抜くためのスイング動作を行い、ツールシャンク１０に設けられた溝にグリップ２１を差し込む。更に主軸１５（主軸頭１６）が上昇することで、主軸頭１６上部のアーム支点１７により回転可能に支承されるアーム８が第三のカム２０に押出され、図３において反時計周りに回転し、アーム先端に結合されたローラ９が主軸１５上部のガイドリング７を押し下げる。これによりドローバー３のボールチャック部は工具又は工具ホルダの把持を解除し、同時に主軸１５の上昇に伴い、グリップ２１に保持された工具又は工具ホルダは主軸シャフト１から引き抜かれる。主軸１５はタレット１３の外周部に設けられたタレットギア２２と主軸１５下端に設けられた主軸ギア２３の噛み合う位置まで上昇し、主軸１５の回転によりタレット１３を回転させて工具割り出し動作を行う。即ち、専用の動力源を用いず、主軸頭１６の上下動と主軸の回転によって工具のクランプ／アンクランプ動作を含む一連の工具交換動作が実現される。

次に、図２を参照して、本実施形態における工具のクランプとそのロック及び該ロック解除と工具のアンクランプ動作について説明する。
図１及び図２は、工具又は工具ホルダのプルスタッド１１をボールチャック部で把持した状態を示している。主軸シャフト１に設けられた段差部１ａとドローバーガイド５間に配置されたスプリング２の反発力によって、ドローバーガイド５及びドローバー３は、後方（図１，２で上方）に引っ張られ、ボールチャック部のボール４によって、プルスタッド１１をクランプしている。このとき、図２に示すように、ドローバーガイド５に設けられた案内孔３０と主軸シャフト１に設けられた案内孔２９が対向する状態にあり、主軸の回転が停止している状態では、図２（ｂ）に示すように、ピン３１は弾性体３２の復元力によりドローバーガイド５内に引き込まれる。しかし、主軸が回転するとこの回転に伴って発生する遠心力によって、ピン３１は、弾性体３２の反発力に抗して主軸シャフト１の外径方向に突出し、図２（ａ）に示すように、ピン３１は主軸シャフト１の案内孔２９内の位置まで突出する。その結果、ドローバーガイド５のシャフト１内での摺動を規制し、切削に伴って工具に主軸から引き抜く方向の力が作用したとしても、ドローバー３及びドローバーガイド５がピン３１でその移動が阻止され、移動することがないので、工具又は工具ホルダが主軸から抜け落ちることはない。

主軸が停止すると、遠心力がなくなり、図２（ｂ）に示すように、弾性体３２の復元力によりピン３１はドローバーガイド５の案内孔３０内へと引き込まれ、ドローバーガイド５ならびにドローバー３の工具を解放する方向への摺動の規制は解除される。

工具又は工具ホルダが主軸から抜け落ちるのは、切削中にかかる切削負荷によって工具が主軸から引き抜かれる方向の力を受けたときである。そのため、主軸が回転しているときだけドローバー３の移動（ドローバー３の先端のボールチャック部がプルスタッド１１を解放する方向の移動）を阻止しておけば、工具に主軸から抜け落ちる方向の負荷がかかっても、ドローバー３は移動せず、工具又は工具ホルダは主軸に把持され、抜け落ちることはない。

工具交換を行うとき、主軸の回転を停止し、主軸頭１６を上昇させ、アーム８に結合されたローラ９が前進してガイドリング７を図１，図２において下方に押し下げる。ピン３１はドローバーガイド５内に引き込まれているので、ロッド６、ドローバーガイド５を介してドローバー３は主軸シャフト１に対して工具又は工具ホルダを解放する位置まで押し下げる。これによって、主軸シャフト１内に設けられた貫通孔の拡径部によりドローバー３の先端に円周方向に配置されたボール４によるチャック部が開き、ボールチャック部は工具又は工具ホルダの解放動作を行う。このとき、前述したように、タレット１３はスイングしグリップ２１をツールシャンク１０に設けられた溝に差し込んでいる。さらに、主軸頭１６が上昇し、グリップ２１に保持された工具又は工具ホルダは主軸シャフト１から引き抜かれる。そして、タレット１３に設けられたタレットギア２２と主軸１５に設けられた主軸ギア２３の噛み合い、主軸１５の回転によりタレット１３を回転させて工具割り出し動作が行われ、工具が選択されると、主軸頭１６が下降し、工具又は工具ホルダのプルスタッド１１が主軸先端から挿入され、ローラ９が相対的に後退することにより、スプリング２の反発力によってドローバー３（ガイドリング７、ロッド６、ドローバーガイド５）が図１，２において上方向に移動し工具又は工具ホルダのプルスタッド１１を引き込み、かつボールチャック部が主軸シャフト１内の縮径部によってプルスタッド１１を保持する。

なお、上述した実施形態では、工具又は工具ホルダのプルスタッド１１の把持及びクランプをボールにより行うボールチャック部で行うものとしたが、コレットを用いて工具又は工具ホルダのプルスタッドを掴み、工具を主軸内に引き込むようにしてもよいものである。

本発明の一実施形態におけるボールチャック式の工具クランプ機構の構造を説明する説明図である。 同実施形態におけるドローバー後端部の動作の状態説明図である。 同実施形態の工具クランプ機構を備える主軸を適用する工作機械における工具交換装置の概要図であり、カバー及びカムを取り外した側面図である。 同実施形態の工具クランプ機構を備える主軸を適用する工作機械における工具交換装置の概要図であり、カバー及びカムを取り付けた側面図である。

符号の説明

１ 主軸シャフト
２ スプリング
３ ドローバー
４ ボール
５ ドローバーガイド
６ ロッド
７ ガイドリング
８ アーム
９ ローラ
１０ ツールシャンク
１１ プルスタッド
１２ サポート
１３ タレット
１４ タレット支点
１５ 主軸
１６ 主軸頭
２９、３０ 案内孔
３１ ピン
３２ 弾性体

Claims (1)

1. 主軸シャフト内のドローバーをばねの反発力によって主軸の軸方向に沿って後方に摺動させて、主軸先端の工具又は工具ホルダのプルスタッドを把持する把持機構により工具又は工具ホルダをクランプし、前記ばねの反発力に抗して前記ドローバーを主軸シャフトの軸方向に沿って前方に摺動させることによって、工具又は工具ホルダをアンクランプする工作機械のクランプ機構において、
   前記ドローバーもしくは該ドローバーと一体的な部材、及び前記主軸シャフトにそれぞれに設けられ、半径方向に貫通する案内孔と、
   前記ドローバーもしくは該ドローバーと一体的な部材に設けられた案内孔に収容され、弾性部材によって主軸中心方向に付勢されるピンとを備え、
   該ピンが、主軸回転時に遠心力により前記主軸シャフトの案内孔内まで突き出されることで、前記ドローバーの前記工具又は工具ホルダをアンクランプする方向への摺動を規制することを特徴とする工作機械の工具クランプ機構。

Images