JP2009291879A - 工具クランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成によるガスばね方式の工具クランプ装置を提供し、また、より安全性に優れる工具クランプ装置を提供する。
【解決手段】工具ホルダ１０１に嵌合するスピンドル２１０と、スピンドル２１０内に収容され、工具ホルダ１０１をスピンドル２１０側に引き込み操作することによりクランプするクランプユニット２００と、容器２５１とその内部に充填された圧縮性媒体により容器２５１の外方へ圧力を受けて突出する中実ロッド２５２とを有してスピンドル２１０内に収容されて構成され、クランプユニット２００のクランプロッド２３１に引き込み力を作用させるガスばねユニット２５０と、を有し、中実ロッド２５２がスピンドル２１０側に当接すると共に、容器２５１側がクランプロッド２３３１に連結されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具クランプ装置に関する。

現状、工具自動交換対応スピンドルのクランプばねは、皿ばねやラセン皿ばねが使用されている。皿ばねやラセン皿ばねは、工具クランプ・アンクランプによる振幅運動から生じる疲労破壊寿命を延ばすために、皿ばね枚数を増やしたり、仕様ストロークより長い設定のラセン皿ばねを使用し、振幅による応力負荷の軽減を行っている。このため、クランプばねの設置スペースが長くなり、回転体部全長が長くなることで固有振動数（１次共振周波数）が低＜なり、仕様回転数内で共振の問題が発生し得る。また、皿ばねやラセン皿ばねは単体品を組合せ、ドローバーにクリアランスを持って挿入配置されているため、工具クランプ・アンクランプの振幅運動時やスピンドル回転時の遠心力作用時に質量中心がずれて、スピンドル回転時の動バランスの再現性精度が悪い（スピンドル回転時のアンバランス源になっている）。

これらの問題を解決するものとして、いわゆるガスばねを使用した工具クランプ装置が提案されている（特許文献１）。この特許文献１の工具クランプ装置によれば、クランプカを発生させるばね力として、金属ばねの弾性変形による復元カではなく、密封容器内に充填されたガス圧の容積を変化させた時に生じる反力を利用するので、クランプばね設置スペースを小さくでき、かつ疲労寿命が長く、また、スピンドル回転時の動バランス性能に優れるとされている。

しかし、特許文献１の工具クランプ装置では、ガスばねユニット内のピストンにより引き込み操作を行なっているので、クランプされた工具をアンクランプする場合にはピストンをガスばねユニットの後端部から押圧する必要があり、ピストンとガスばねユニットのハウジングとの気密構造が複雑となり、市販のアキュミュレータ等が使用しにくいという問題がある。また、ガスばねユニット内に充填されたガス圧が低下した場合に、工具が落下する等の問題もあり安全性に対する改善策も要望されている。
特表２００２―５４０９６１号公報

従って、本発明の目的は、簡単な構成によるガスばね方式の工具クランプ装置を提供し、また、より安全性に優れる工具クランプ装置を提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するために、工具ホルダに嵌合するスピンドルと、前記スピンドル内に収容され、前記工具ホルダを前記スピンドル側に引き込み操作することによりクランプするクランプユニットと、媒体容器と前記媒体容器の内部に充填された圧縮性媒体により前記媒体容器の外方へ圧力を受けて突出する中実ロッドとを有して前記スピンドル内に収容されて構成され、前記クランプユニットのクランプロッドに引き込み力を作用させるガスばねユニットと、を有し、前記ガスばねユニットの前記中実ロッドが前記スピンドル側に当接すると共に、前記媒体容器側が前記クランプロッドに連結されていることを特徴とする工具クランプ装置を提供する。

［２］前記中実ロッドは、前記クランプユニットに前記工具ホルダのクランプ力として付勢力を与える付勢部材を介して前記スピンドルに支持されていることを特徴とする前記［１］に記載の工具クランプ装置であってもよい。

［３］また、前記付勢部材は、コイルばねであることを特徴とする前記［２］に記載の工具クランプ装置であってもよい。

［４］また、前記圧縮性媒体は、窒素ガスであることを特徴とする前記［１］に記載の工具クランプ装置であってもよい。

［５］また、前記ガスばねユニットは、定常状態において前記中実ロッドが前記伸長する外方へ圧力を受け、前記圧力により前記媒体容器に連結された前記クランプロッドを前記媒体容器が前記スピンドル側に引き込み操作することにより前記工具ホルダをクランプすることを特徴とする前記［１］に記載の工具クランプ装置であってもよい。

［６］また、前記ガスばねユニットは、前記媒体容器が前記工具側へ押圧され、前記媒体容器に連結された前記クランプロッドを前記媒体容器が前記スピンドル側に押し込み操作することにより前記工具ホルダをアンクランプすることを特徴とする前記［１］に記載の工具クランプ装置であってもよい。

本発明によれば、簡単な構成によるガスばね方式の工具クランプ装置を提供し、また、より安全性に優れる工具クランプ装置を提供することができる。

（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る工具クランプ装置の縦断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）は、図１のＢ−Ｂ断面図、図３（ｂ）は、図１のＣ−Ｃ断面図、図３（ｃ）は、図１のＤ−Ｄ断面図、図３（ｄ）は、図２のＥ−Ｅ断面図である。

（工具１００）
本発明の実施の形態に係る工具クランプ装置にクランプされる工具１００は、工具ホルダ１０１、および、工具本体部１０２から大略構成されている。

工具ホルダ１０１は、中空の段付フランジ形状とされ、研削ホイール、切削ホイール等の工具本体部１０２が一体的に取付け固定されている。工具ホルダ１０１のスピンドル側においては、工具ホルダ１０１とスピンドル２１０とが位置決め嵌合するための工具端面１０４および工具テーパ部１０５が形成されている。

工具端面１０４は、工具１００の回転軸に垂直な面であり、工具１００のクランプ状態における倒れ精度を規定する基準面である。

一方、工具テーパ部１０５は、工具１００の回転軸から所定の角度だけ傾斜したテーパ面（例えば、１/１０テーパ）であり、工具１００のクランプ状態における心出し精度を規定する基準面である。工具テーパ部１０５は、所定の肉厚のテーパシャンク部１０６の外周面であり、テーパシャンク部１０６の内周面にはスピンドルユニット２００からクランプ力を受けるクランプ力作用部１０７が形成されている。クランプ力作用部１０７は、後述するクランピング羽が外方向に開いたときに工具ホルダ１０１（工具１００）をスピンドル２１０側に引き込む方向にクランプ力を発生させるように斜面が形成されている。上記のようなクランプ方式として、例えば、ＨＳＫ方式等の規格化されたクランプ方式があり、規格に準じた工具を使用することができる。

（スピンドルユニット２００）
スピンドルユニット２００は、スピンドル２１０、クランプユニット２３０、ガスばねユニット２５０から大略構成され、本発明の実施の形態に係る工具クランプ装置の工具クランプ以外の機能も有するものであり、このスピンドルユニット２００は、図示しないモータ、エアスピンドル等の回転駆動装置により回転駆動される。

スピンドル２１０は、内空部を有する段付円筒形状であり、工具１００を装着してクランプする先端側には、工具ホルダ１０１の工具テーパ部１０５と嵌合するスピンドルテーパ部２１１が形成され、また、スピンドル２１０の先端部にその軸に垂直で工具ホルダ１０１の工具端面１０４に当接するスピンドル端面２１２が形成されている。また、内空部には、工具ホルダ１０１をクランプするためのクランプユニット２３０、および、このクランプユニット２３０に作用してクランプ・アンクランプ動作を行なうためのガスばねユニット２５０が所定の連結構造により収容されている。

（クランプユニット２３０）
クランプユニット２３０は、スピンドル２１０の軸方向に移動可能なクランプロッド２３１、クランプロッド２３１に接続されて一体的に移動するコーン２３２、コーン２３２の外周面に配置された複数のクランピング羽２４０から大略構成されている。

コーン２３２の外周面には複数のクランピング羽２４０が接触して配置されている。クランピング羽２４０の先端部２４１はコーン２３２の外周面に形成された段部２３３と当接し、コーン２３２の移動により段部２３３がぞれぞれのクランピング羽２４０を外方へ押し拡げることができる。また、クランピング羽２４０の先端部２４１はその外周部がクランプ力作用部１０７に対応した位置となるよう配置され、クランプ状態でクランプ力作用部１０７にクランプ力を作用させる構成とされている。

一方、クランピング羽２４０の後端部２４２は、スピンドル２１０の内空部に設けられた溝部２１３に収容されており、コーン２３２の移動によっても軸方向の位置が概略維持され、また、クランプ状態においてはコーン２３２の後端部２３４に押されて後端部２４２が溝部２１３側に移動することでクランピング羽２４０の外方への移動が可能とされている。

スピンドル２１０の内空部の奥部にはバネ保持材２４５およびバネ２４６が配置され、このバネ２４６によりクランピング羽２４０は工具１００側へ付勢されている。これにより、クランプ状態において、クランプロッド２３１およびコーン２３２の移動によってクランピング羽２４０が安定に外方へ押し拡げられる。

上記示したようなクランプ方式は、例えば標準ＨＳＫクランプ方式やＫＭクランプ方式等を使用して構成することもできる。

（ガスばねユニット２５０）
ガスばねユニット２５０は、密封容器内に充填されたガス圧の容積を変化させた時に生じる反力をクランプばねとして利用するものである。ガスばねユニット２５０は、容器２５１と容器２５１から突出してスライド可能な中実ロッド２５２から大略構成される。容器２５１の内部には圧縮性媒体、例えば、窒素ガスが充填され、この窒素ガスの圧縮性により中実ロッド２５２が容器２５１から突出する方向に付勢力を受けている。ガスばねユニット２５０は、中実ロッド２５２として容器２５１の内部にピストン部を有し、容器２５１とピストン部とを気密に構成して圧縮性媒体を充填させることで構成できるが、市販のアキュミュレータ（蓄圧器）を使用することもできる。

容器２５１は略円筒状であり、中実ロッド２５２側の外周部にはネジ部２５３が形成されている。また、中実ロッド２５２と反対側の端部にはクランプを解除する場合に負荷を与えるための当金スリーブ２５４がネジ固定され、この当金スリーブ２５４を介して当金２５５が連結されている。

ガスばねユニット２５０は、中実ロッド２５２の先端面２５２ａが当接アダプタ２７０に当接し、また、容器２５１外周部のネジ部２５３がクランプロッド２３１に螺合されてスピンドル２１０の内空部に装着される。

ここで、クランプロッド２３１は、図１、図２に示すように、工具クランプ側でコーン２３２に接続されていると共に、図３（ｃ）に示すように、ガスばねユニット２５０側においてネジ部２５３により容器２５１と締結されている。また、図３（ａ）に示すように、クランプロッド２３１は中間部において、スピンドル２１０の内空部に嵌入して固定された固定スリーブ２６０の内径部２６０ａにスライド可能に支持されている。

図２、図３（ｄ）に示すように、クランプロッド２３１にはガイドピン２７２が両側に立設されており、コイルばね２７３を介して固定スリーブ２６０側からコーン２３２をクランプ方向に引き込むように付勢されている。

また、図１、図３（ｂ）に示すように、固定スリーブ２６０には、当接アダプタ２７０がネジ２７１により固定されている。この部分ではクランプロッド２３１は半割りパイプ形状とされ、中空部を当接アダプタ２７０が上下に貫通して上記説明したように固定スリーブ２６０に固定されている。当接アダプタ２７０の固定スリーブ２６０と反対側の端部２７０ａは、ガスばねユニット２５０の中実ロッド２５２と当接している。

上記説明した構成では、ガスばねユニット２５０の中実ロッド２５２が当接アダプタ２７０を介してスピンドル２１０に当接されると共に、ガスばねユニット２５０の容器２５１がクランプロッド２３１にネジ部２５３を介して螺合されるので、ガスばねユニット２５０の付勢力により、容器２５１がクランプロッド２３１を引き込む方向、すなわち、コーン２３２をクランプ方向に引き込むように付勢される。

さらに、クランプロッド２３１は、ガイドピン２７２にガイドされたコイルばね２７３の付勢力により、同様にコーン２３２をクランプ方向に引き込むように付勢されている。

（クランプ動作）
図１、図２は、クランプ状態を示す図である。すなわち、容器２５１は、内部に充填されたガス圧により中実ロッド２５２が当接アダプタ２７０を介してスピンドル２１０側に与える反力として、クランプロッド２３１を引き込む方向に作用している。クランプロッド２３１に接続されたコーン２３２は、クランピング羽２４０を外方へ押し拡げて工具ホルダ１０１（工具１００）をスピンドル２１０側に引き込むことによりクランプ動作を行なう。

（補助クランプ動作）
通常のクランプ動作は、上記説明したように、ガスばねユニット２５０の付勢力により行なわれるが、ガス圧の低下等の故障時には補助クランプ動作が自動的に行なわれる。すなわち、クランプロッド２３１は、ガイドピン２７２にガイドされたコイルばね２７３の付勢力により、クランプロッド２３１をクランプ方向に引き込むように付勢されているので、ガス圧の低下等の場合でもクランプ動作が補助的に行なわれる。尚、コイルばね２７３の付勢力は、クランプユニット２３０により工具１００を把持でき、工具落下等を防止できるものであることが好ましい。

（アンクランプ動作）
図１、図２に示されたクランプ状態において、当金２５５に油圧装置等によりアンクランプ力を作用させ、当金スリーブ２５４を介して容器２５１を工具１００側へ押圧動作させる。容器２５１が工具１００側へ押し込まれると、容器２５１にネジ締結されたクランプロッド２３１がガス圧に抗して工具１００側へ押し込まれるので、コーン２３２も工具１００側へ移動する。従って、コーン２３０の段部２３３により外方へ押し拡げられていたクランピング羽２４０は内方へ閉じる。これにより、クランピング羽２４０による工具ホルダ１０１のクランプ力作用部１０７へのクランプ力が解除され、アンクランプ動作が行なわれる。

（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、次のような効果を有する。
（１）背景技術の項で説明したように、従来のいわゆるガスばねを使用した工具クランプ装置の構成では、中実ロッド２５２（ピストン）にクランプロッド２３１を連結する必要があるので、アンクランプ動作では中実ロッド２５２を操作する必要があり、構成が複雑であり組立性も良好ではない。これに対して、本発明の実施の形態では、ガスばねユニット２５０の中実ロッド２５２を当接アダプタ２７０に当接した状態で、容器２５１をクランプロッド２３１に螺合させればよいので、組立性がよい。
（２）アンクランプ動作において、容器２５１にアンクランプ力を作用させればよい構成であるので、工具クランプ装置として構成が簡略化でき、かつ、クランプ・アンクランプ動作に優れた工具クランプ装置が可能となる。
（３）従来技術では考慮されていない補助クランプ機構が装備されているので、ガスばねユニット２５０のガス圧の低下等の故障時にも安全性が確保される。この補助クランプ機構は、ガイドピン２７２にガイドされたコイルばね２７３の付勢力により常に機能しているので、急激なガス圧低下時にも対応でき、いわゆるガスばね方式の工具クランプ装置を工作機械に採用する有利な条件となる。

以上、本発明の工具クランプ装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。

図１は、本発明の実施の形態に係る工具クランプ装置の縦断面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３（ａ）は、図１のＢ−Ｂ断面図、図３（ｂ）は、図１のＣ−Ｃ断面図、図３（ｃ）は、図１のＤ−Ｄ断面図、図３（ｄ）は、図２のＥ−Ｅ断面図である。

符号の説明

１００…工具、１０１…工具ホルダ、１０２…工具本体部、１０４…工具端面、１０５…工具テーパ部、１０６…テーパシャンク部、１０７…クランプ力作用部、２００…スピンドルユニット、２１０…スピンドル、２１１…スピンドルテーパ部、２１２…スピンドル端面、２１３…溝部、２３０…クランプユニット、２３１…クランプロッド、２３２…コーン、２３３…段部、２３４…後端部、２４０…クランピング羽、２４１…先端部、２４２…後端部、２４５…バネ保持材、２４６…バネ、２５０…ガスばねユニット、２５１…容器、２５２…中実ロッド、２５３…ネジ部、２５２ａ…先端面、２５４…当金スリーブ、２５５…当金、２６０…固定スリーブ、２６０ａ…内径部、２７０…当接アダプタ、２７１…ネジ、２７２…ガイドピン、２７３…コイルばね

Claims (6)

1. 工具ホルダに嵌合するスピンドルと、
   前記スピンドル内に収容され、前記工具ホルダを前記スピンドル側に引き込み操作することによりクランプするクランプユニットと、
   媒体容器と前記媒体容器の内部に充填された圧縮性媒体により前記媒体容器の外方へ圧力を受けて突出する中実ロッドとを有して前記スピンドル内に収容されて構成され、前記クランプユニットのクランプロッドに引き込み力を作用させるガスばねユニットと、を有し、
   前記ガスばねユニットの前記中実ロッドが前記スピンドル側に当接すると共に、前記媒体容器側が前記クランプロッドに連結されていることを特徴とする工具クランプ装置。
2. 前記中実ロッドは、前記クランプユニットに前記工具ホルダのクランプ力として付勢力を与える付勢部材を介して前記スピンドルに支持されていることを特徴とする請求項１に記載の工具クランプ装置。
3. 前記付勢部材は、コイルばねであることを特徴とする請求項２に記載の工具クランプ装置。
4. 前記圧縮性媒体は、窒素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の工具クランプ装置。
5. 前記ガスばねユニットは、定常状態において前記中実ロッドが前記伸長する外方へ圧力を受け、前記圧力により前記媒体容器に連結された前記クランプロッドを前記媒体容器が前記スピンドル側に引き込み操作することにより前記工具ホルダをクランプすることを特徴とする請求項１に記載の工具クランプ装置。
6. 前記ガスばねユニットは、前記媒体容器が前記工具側へ押圧され、前記媒体容器に連結された前記クランプロッドを前記媒体容器が前記スピンドル側に押し込み操作することにより前記工具ホルダをアンクランプすることを特徴とする請求項１に記載の工具クランプ装置。

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