JP2010540264A - 工具ホルダ用の焼嵌めスリーブ - Google Patents

Abstract

工具ホルダ（１００、２００、３００、４００、５００）は、工具ホルダ部分（１２ａ）と、切削工具（１４）を収容するための中央ボア（１２ｄ）とを含むシャンク（１２）、およびシャンク（１２）の工具ホルダ部分（１２ａ）の周囲に配置された第１の焼嵌めスリーブ（１０２、２０２、３０２、４０２、５０２）を含む。工具ホルダに熱を加えることにより、工具ホルダ部分及び第１の焼嵌めスリーブ（１０２、２０２、３０２、４０２、５０２）は外向きに膨張させられ、熱を除去することにより、工具ホルダ部分及び第１の焼嵌めスリーブは内向きに収縮して、焼嵌めによって切削工具（１４）を工具ホルダ内に堅固に維持する。工具ホルダ（４００、５００）はまた、トルク能力の増大を提供するために第１の焼嵌めスリーブ（４０２、５０２）の周囲に配置された第２の焼嵌めスリーブ（４０４、５０４）を含んでもよい。

Description

当該技術分野では、工業用途において熱収縮又は焼嵌め(shrink fit)工具アセンブリを用いることが知られている。先行技術の設計では、切削工具又は他の被加工物のシャンクの外径よりも僅かに小さい内径を有する単一のチャック(unitary chuck)が利用されてきた。使用中、工具チャックは、典型的に誘導加熱によって加熱され、チャック内部への工具シャンクの挿入を可能にする程度に十分な量だけチャックを膨張させる。次に、工具は冷却され、その間にチャックの熱収縮によって工具シャンクに対し均一な圧力が及ぼされ、チャックが工具シャンクの周りで収縮して、シャンクを適所に確実にロック又は保持することができる。これらの種類の熱収縮工具アセンブリは、標準的なミーリングチャック又はコレットチャックに精度及び剛性(rigidity)の改善を提供することが認識されている。

次に図６を参照すると、回転切削工具１４を着脱可能に維持するための従来の焼嵌め工具ホルダが全体的に１０で示されている。一般に、焼嵌め工具ホルダ１０は、工具ホルダ部分１２ａと、フランジ部材１２ｂと、スピンドル（図示せず）のテーパ状ボアにほぼ対応するテーパ状外面１２ｃと、切削工具１４を収容するための中央ボア又は開口１２ｄとを含むシャンク又は本体１２を備える。

中央開口１２ｄは、切削工具１４のシャンク部分１４ａよりも僅かに小さい直径に形成される。この量は、公称（呼び）寸法(nominal size)及び必要なトルク伝達能力に関係する。切削工具１４を工具ホルダ１０内に挿入するために、工具ホルダ１０の工具ホルダ部分１２ａは外部から、例えば約６５０°Ｆの温度に加熱される。工具ホルダ１０の熱膨張特性のため、工具ホルダ１０に熱を加えることにより、工具ホルダ１０、特に本体１２の工具ホルダ部分１２ａが膨張され、この結果、中央開口１２ｄ内への工具シャンク１４ａの挿入を可能にする程度に十分な距離だけ、中央開口１２ｄの直径の拡大又は増大が生じる。工具シャンク１４ａが中央開口１２ｄ内に十分な距離挿入されると、外部加熱が停止され、工具ホルダ１０は冷却されて周囲温度に戻ることができ、この場合、熱収縮により開口１２ｄが収縮され、工具ホルダ１０と切削工具１４のシャンク部分１４ａとの間に堅固な結合が形成される。したがって、切削工具１４は、高い許容差(high tolerance)の機械加工用途のために工具ホルダ１０内に同心に堅固に維持される。切削工具１４を取り除くために、工具ホルダ１０に熱が再び加えられ、工具ホルダ１０、特に工具ホルダ部分１２ａが外向きに膨張される。工具ホルダ１０が膨張するとき、工具本体１２の中央開口１２ｄ内から工具シャンク１４ａを引き出すことができる。

しかし、航空宇宙産業におけるような高強度材料の機械加工のために焼嵌め工具ホルダを使用することには、いくつかの制限がある。最大グリップは締まり嵌めレベル(interference fit levels)に比例するが、最大の設計上の焼嵌め代(maximum designed interference)は、工具ホルダから工具を取り除くために必要な温度によって制限される。したがって、最大グリップが制限される。

大きな螺旋角度を有するいくつかのエンドミルは、厳しい作業状態の間に工具ホルダから引き抜いてもよく、したがって、高価な構成要素が廃棄される。１つの解決方法は、高いトルクを提供するが、高速用途に適切でないウェルドン(Weldon)シャンクホルダを使用することである。

したがって、アセンブリのトルク伝達能力の増大を提供する熱収縮工具アセンブリの必要性がある。

従来の焼嵌め工具ホルダ又は熱収縮工具ホルダに関連するこれらの及び他の問題点を解決するために、工具ホルダは、工具ホルダ部分と、切削工具を収容するための中央ボアとを含むシャンク、及びシャンクの工具ホルダ部分の周囲に配置された第１の焼嵌めスリーブを備える。一実施形態において、第１の焼嵌めスリーブは、シャンクの工具ホルダ部分の外径よりも小さい内径を有する。代替実施形態では、第１の収縮の第１のスリーブはテーパ状内面を有し、シャンクの工具ホルダ部分はテーパ状外面を有する。

第１の焼嵌めスリーブを加熱すると、第１の焼嵌めスリーブは外向きに膨張し、この結果、シャンクの工具ホルダ部分の周囲に焼嵌めスリーブを配置できる。焼嵌めスリーブを冷却すると、第１の焼嵌めスリーブは、工具ホルダ部分の周りで内向きに収縮して、焼嵌めによって切削工具を工具ホルダ内に堅固に維持する。工具ホルダは、焼嵌め式工具ホルダ(shrink fit type tool holder)でもよい。

本発明の他の形態では、工具ホルダは、工具ホルダ部分と、切削工具を収容するための中央ボアとを含むシャンク、シャンクの工具ホルダ部分の周囲に配置された第１の焼嵌めスリーブ、及び第１の焼嵌めスリーブの周囲に配置された第２の焼嵌めスリーブを備える。第１の焼嵌めスリーブに熱を加え、次に工具ホルダ部分の周囲に配置してから冷却する。次いで、第２の焼嵌めスリーブに熱を加え、次に第１の焼嵌めスリーブの周囲に配置してから冷却する。第１の焼嵌めスリーブ及び第２の焼嵌めスリーブは、冷却すると、内向きに収縮して、焼嵌めによって切削工具を工具ホルダ内に堅固に維持する。

本発明の別の特徴、ならびにそこから導かれる利点は、図面を参照して行われる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の実施形態による焼嵌めスリーブを有する焼嵌め工具ホルダの断面図である。 本発明の他の実施形態による焼嵌めスリーブを有する焼嵌め工具ホルダの断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による焼嵌めスリーブを有する焼嵌め工具ホルダの断面図である。 本発明の実施形態による一対の焼嵌めスリーブを有する焼嵌め工具ホルダの断面図である。 本発明の他の実施形態による一対の焼嵌めスリーブを有する焼嵌め工具ホルダの断面図である。 従来の焼嵌め工具ホルダの部分切欠斜視図である。

上述のように、図６の従来の設計には、厳しい作業状態の下では十分なグリップ力を欠くという問題がある。本発明の一態様は、工具ホルダアセンブリのトルク伝達能力を高めることである。この態様は、鋼又は高い弾性係数の他の適切な材料から製造されるスリーブを提供することによって達成され、このスリーブは、図６の従来の工具ホルダに対し外部から焼嵌めでき、これによって、工具ホルダアセンブリのトルク伝達能力を高める。工具ホルダは、従来の工具ホルダ１０又は焼嵌め式工具ホルダ１００でもよいことが認識されるであろう。

本明細書に使用されているように、「焼嵌め」とは、スリーブを加熱して膨張させ、膨張したスリーブを他の部材に嵌め込み、かつスリーブを冷却して収縮させて、部材をしっかりと嵌め込むことによって行われる堅固な嵌合を意味する。部材は、工具のシャンク、工具ホルダ又は他のスリーブでもよい。

次に図１を参照すると、本発明の実施形態による工具ホルダ１００が示されており、この場合、同様の参照番号には図１と同一の名称が付与され、したがって、さらに詳細に説明しない。好ましい実施形態では、工具ホルダ１００は、焼嵌め式工具ホルダである。工具ホルダ１００は、工具ホルダ１００に対しトルク伝達能力の増大を提供する全体的に１０２で示したほぼ管状の焼嵌めスリーブを含むという点で、図６の従来の工具ホルダ１０とは異なる。

焼嵌めスリーブ１０２は、内面１０４及び外面１０６を含む。焼嵌めスリーブ１０２は、工具本体１２と同一の材料から製造でき、あるいは代わりに、所望の焼嵌め特性を有する異なる材料から製造できる。内面１０４は、工具本体１２の外面１２ｅとほぼ同一の角度でテーパされる。スリーブ１０２は、厚さ１０８がフランジ部材１２ｂに対し遠位端で最大であり、工具本体１２のフランジ部材１２ｂに対し近位端で最小であるように、厚さ１０８が変化する。この結果、スリーブ１００の外面１０６は、工具本体１２の長手方向軸線に対しほぼ平行である。

次に図２を参照すると、本発明の他の実施形態による焼嵌め工具ホルダ２００が示されている。この実施形態では、工具ホルダ２００は、内面２０４、外面２０６、底面２１０及び頂面２１２を含む焼嵌めスリーブ２０２を含む。工具本体１２の周囲に位置決めされるとき、スリーブ２００の外面２０６は、工具本体１２の外面１２ｇと略連続的な表面を提供し、頂面２１２は、工具本体１２の頂面１２ｈと略連続している。スリーブ２０２が予め定められた量の嵌め代(interference)によって適所に焼嵌めされるとき、スリーブ２０２の底面２１０は、工具本体１２のレッジ１２ｆに当接してもよく又は当接しなくてもよく、これによって、工具本体１２に対しスリーブ２０２を正確に位置決めするためのストッパとして作用する。この予め定められた値の嵌め代は、スリーブ２０２に加えられる熱量、スリーブの材料及び寸法に関係する。底面２１０とレッジ（棚部、張出し部）１２ｆとの間の当接は、締まり嵌めに対する制限として、また、スリーブ２０２を取り除くために加えられるべき熱量に関して用いてもよい。この実施形態では、スリーブ２００は、スリーブ１００のようにテーパされず、略均一な厚さ２０８を有する。

次に図３を参照すると、本発明のさらに他の実施形態による焼嵌め工具ホルダ３００が示されている。この実施形態では、工具ホルダ３００は、厚さ３０８が工具本体１２のフランジ部材１２ｂに対し遠位端で最小であるように、スリーブ３０２の厚さ３０８が変化することを除いて、スリーブ２０２と略同一の焼嵌めスリーブ３０２を含む。この変化は、図１のスリーブ１００の厚さの変化と反対である。スリーブ３０２が予め定められた量の嵌め代によって適所に焼嵌めされるとき、スリーブ３０２の底面３１０が工具本体１２のレッジ１２ｆに当接し、これによって、工具本体１２に対しスリーブ３０２を正確に位置決めするためのストッパとして作用することが望ましい。工具ホルダ部分１２ａ及びスリーブ３０２の内面３０４の形状は、略円筒状であるので、この予め定められた値の嵌め代は、テーパ状内面２０４を有する図２のスリーブ２０２と同一の方法で制御できない。

次に図４を参照すると、本発明の他の実施形態による焼嵌め工具ホルダ４００が示されている。この実施形態では、工具ホルダ４００は、第１の焼嵌めスリーブ４０２と、第１の焼嵌めスリーブ４０２の周囲に配置された第２の焼嵌めスリーブ４０４とを含む。第２の焼嵌めスリーブ４０４は、上述の実施形態と比較して、焼嵌め工具ホルダ４００に対しトルク伝達能力の増大を提供する。図４に示したように、第１の焼嵌めスリーブ４０２は、焼嵌めスリーブ１０２と略同一であり、工具ホルダ４００に矢印４０６の方向に組み立てられる。すなわち、スリーブ４０２は、工具本体１２のフランジ部材１２ｂの遠位部でより大きな厚さを有する。これに対して、第２の焼嵌めスリーブ４０４は、工具本体のフランジ部材１２ｂの近位部でより大きな厚さを有する。したがって、第２の焼嵌めスリーブ４０４は、矢印４０８の方向に組み立てられる。

焼嵌めスリーブ４０２、４０４を取り付けるために、内側焼嵌めスリーブ４０２が最初に適所に焼嵌めされ、次に室温に冷却することができる。次に、第２の焼嵌め作業が最外側の焼嵌めスリーブ４０４に実行される。焼嵌めスリーブ４０２、４０４を取り除くために、最外側の焼嵌めスリーブ４０４に熱を加えて、工具ホルダ４００からのスリーブ４０４の取り除きを可能にする程度に十分な量だけ、スリーブ４０４が膨張することを可能にする。次に、内側の焼嵌めスリーブ４０２に熱を加えて、工具ホルダ４００からのスリーブ４０２の取り除きを可能にする程度に十分な量だけ、スリーブ４０２が膨張することを可能にする。最後に、本体１２に熱を加えて、ボア１２ｄの膨張を可能にし、これによって、工具ホルダ４００からの切削工具１４の取り除きを可能にする。

次に図５を参照すると、本発明のさらに他の実施形態による焼嵌め工具ホルダ５００が示されている。この実施形態では、工具ホルダ５００は、第１の焼嵌めスリーブ５０２と、第１の焼嵌めスリーブ５０２の周囲に配置された第２の焼嵌めスリーブ５０４とを含む。図５に示したように、第１の焼嵌めスリーブ５０２は、略均一な厚さを有する焼嵌めスリーブ２０２と略同一であり、工具ホルダ５００に矢印５０６の方向に組み立てられる。第２の焼嵌めスリーブ５０４は、工具本体のフランジ部材１２ｂの遠位部でより大きな厚さを有し、矢印５０６と同一の方向である矢印５０８の方向に組み立てられる。焼嵌めスリーブ５０２、５０４の取り付け及び取り除きは、上述の焼嵌めスリーブ４０２、４０４の取り付け及び取り除きと略同様である。

図示した上述の実施形態の多くの変形例は、本発明の趣旨と範囲内にある。例えば、工具ホルダ４００、５００の工具本体１２は、レッジ１２ｆと同様のレッジを含んでもよく、この結果、第２の焼嵌めスリーブ４０４、５０４の外面は、図２と図３に示したように工具本体１２の外面１２ｇと連続してもよい。さらに、当分野で周知の種類の止めねじを使用して、スリーブを工具ホルダにしっかりと固定してもよい。

本発明の工具ホルダを組み立てるために、１つ又は複数の焼嵌めスリーブは、別個のステップで焼嵌めされる。最初に、工具が、工具ホルダアセンブリに熱を加え、工具をスリーブに挿入し、次にアセンブリの冷却を可能にすることによって、工具ホルダに組み立てられる。次に、スリーブに熱を加えてから、スリーブを工具ホルダ部分の周囲に配置し、次に冷却して、スリーブを工具ホルダの上に押しつぶす(collapse)ことを可能にする。追加の焼嵌めスリーブは、本質的に同一の順序のステップを使用して加えてもよい。

工具を取り除くために、最外側の１つ又は複数の焼嵌めスリーブが最初に取り除かれる（工具ホルダアセンブリの最外側のスリーブに熱を加え、最外側のスリーブが最初に膨張してその取り除きを可能にし、同一の順序のステップを適用して追加のスリーブを取り除いてもよい）。引き続いて、工具ホルダに再び熱を加え、次に工具を取り外す。この手順により、壁厚全体にわたるより優れた応力分布となり、従来の焼嵌め工具ホルダと比較して、工具ホルダが工具のシャンクに対しより大きな圧力を印加することが可能になる。

テーパボアを有するスリーブを使用する場合、達成できる締まり嵌めの量は、１つ又は複数のスリーブに加えられる温度に左右されることが指摘される。スリーブの膨張が大きいほど、工具ホルダ（又は以前に収縮されたスリーブ）の外側テーパで、その低下は大きい。このことは、自動ロックしている浅いテーパ角度にのみ働く。この結果、角度が内側構成要素の交接面に整合する限り、テーパの正確なサイズについて気にする必要はない。しかし、スリーブに適用される最高温度は、スリーブを適切に取り除くことができるように制限する必要がある。

内側構成要素に至る熱のため、スリーブ（又は工具）を取り除くために必要な温度は、通常、スリーブを焼嵌めするときに使用される温度よりも高い。円筒状スリーブでは、嵌め代(interference)は、設計及び製造公差によって規定され、したがって、嵌め代は温度と共に変化せず、より厳格な公差が必要かもしれない。

本発明の焼嵌めスリーブは、多種多様な異なる工具ホルダ設計に適用できる。例えば、焼嵌めスリーブは、厳しい作業状態のためエンドミルに広く使用されているウェルドン型シャンク設計に適用できる。しかし、ウェルドン型シャンク設計では、ウェルドン設計の平坦部の内部隅部は、エンドミルシャンクに亀裂又は不具合を起こす可能性のある応力集中部(stress riser)として作用する可能性がある。さらに、ウェルドン平坦部及びシャンク外径の側面の鋭い点はまた、中央ボア又は開口１２ｄの引っ掻き及び擦傷(marring)を引き起こす可能性がある。

ウェルドン型シャンク設計の使用に関連するこれらの及び他の問題を軽減するために、浅い逃げ溝を焼嵌めスリーブ１０２（ならびに焼嵌めスリーブの他の実施形態）の内面１０４に設けることができる。浅い逃げ溝により、焼嵌めスリーブによって形成された他の点では望ましい余分の保持力がウェルドン平坦部に作用することが防止され、これによって、ウェルドン平坦部の応力が解放される。

本明細書に引用した文献、特許及び特許出願は、参考として本出願に組み込まれている。

本発明のある特定の実施形態に関連して、本発明について特に説明してきたが、本発明が、例示によるものでありかつ限定的でないことを理解すべきであり、また添付の特許請求の範囲は、従来技術が許容するのと同様に広く解釈されるべきである。

Claims (24)

1. 工具ホルダであって、
   工具ホルダ部分と、切削工具を収容するための中央ボアとを含むシャンクと、
   前記シャンクの工具ホルダ部分の周囲に配置された少なくとも１つの第１の焼嵌めスリーブと、
   を備える工具ホルダ。
2. 前記第１の焼嵌めスリーブを加熱すると、前記第１の焼嵌めスリーブが外向きに膨張し、この結果、前記シャンクの工具ホルダ部分の周囲に前記焼嵌めスリーブを配置でき、前記焼嵌めスリーブを冷却すると、前記第１の焼嵌めスリーブが、前記工具ホルダ部分の周りで内向きに収縮して、焼嵌めによって前記切削工具を前記工具ホルダ内に堅固に維持する、請求項１に記載の工具ホルダ。
3. 前記第１の焼嵌めスリーブが、前記シャンクの工具ホルダ部分の外径よりも小さい内径を有する、請求項２に記載の工具ホルダ。
4. 前記第１の焼嵌めスリーブがテーパ状内面を有し、前記シャンクの工具ホルダ部分がテーパ状外面を有する、請求項２に記載の工具ホルダ。
5. 前記工具ホルダ部分が、焼嵌め工具ホルダ部分である、請求項１に記載の工具ホルダ。
6. 前記工具本体がレッジを含み、前記第１の焼嵌めスリーブが、前記工具本体の周囲に配置されるときに前記工具本体のレッジに当接するように適合される、請求項１に記載の工具ホルダ。
7. 前記第１の焼嵌めスリーブの外面が前記工具本体の外面と略連続している、請求項１に記載の工具ホルダ。
8. 前記第１の焼嵌めスリーブが略均一な厚さを有する、請求項１に記載の工具ホルダ。
9. 前記第１の焼嵌めスリーブの厚みが変化する、請求項１に記載の工具ホルダ。
10. 前記第１の焼嵌めスリーブの厚さが前記工具本体のフランジの遠位部で最大である、請求項９に記載の工具ホルダ。
11. 前記第１の焼嵌めスリーブの厚さが前記工具本体のフランジの遠位部で最小である、請求項９に記載の工具ホルダ。
12. 前記第１の焼嵌めスリーブの周囲に配置された第２の焼嵌めスリーブをさらに備える、請求項１に記載の工具ホルダ。
13. 前記第２の焼嵌めスリーブが略均一な厚さを有する、請求項１２に記載の焼嵌め工具ホルダ。
14. 前記第２の焼嵌めスリーブの厚みが変化する、請求項１２に記載の焼嵌め工具ホルダ。
15. 工具ホルダであって、
    工具ホルダ部分と、切削工具を収容するための中央ボアとを含むシャンクと、
    前記シャンクの工具ホルダ部分の周囲に配置された第１の焼嵌めスリーブと、
    前記第１の焼嵌めスリーブの周囲に配置された第２の焼嵌めスリーブと、
    を備える工具ホルダ。
16. 前記工具本体がレッジを含み、前記第１の焼嵌めスリーブが、前記工具本体の周囲に配置されるときに前記工具本体のレッジに当接するように適合される、請求項１５に記載の工具ホルダ。
17. 前記第１の焼嵌めスリーブが略均一な厚さを有する、請求項１５に記載の工具ホルダ。
18. 前記第１の焼嵌めスリーブの厚みが変化する、請求項１５に記載の工具ホルダ。
19. 前記第１の焼嵌めスリーブの厚さが前記工具本体のフランジの遠位部で最大である、請求項１８に記載の焼嵌め工具ホルダ。
20. 前記第１の焼嵌めスリーブの厚さが前記工具本体のフランジの遠位部で最小である、請求項１８に記載の焼嵌め工具ホルダ。
21. 前記第２の焼嵌めスリーブが略均一な厚さを有する、請求項１５に記載の焼嵌め工具ホルダ。
22. 前記第２の焼嵌めスリーブの厚みが変化する、請求項１５に記載の焼嵌め工具ホルダ。
23. 工具ホルダを組み立てる方法であって、
    切削工具を工具ホルダアセンブリの工具ホルダ部分のシャンクに挿入するステップと、
    前記工具ホルダアセンブリに熱を加えるステップと、
    前記工具ホルダアセンブリの冷却を可能にするステップと、
    第１の焼嵌めスリーブに熱を加えるステップと、
    前記工具ホルダ部分の周囲に前記第１の焼嵌めスリーブを配置するステップと、
    前記第１の焼嵌めスリーブの冷却を可能にするステップと、
    を含む方法。
24. 第２の焼嵌めスリーブに熱を加えるステップと、
    前記第１の焼嵌めスリーブの周囲に前記第２の焼嵌めスリーブを配置するステップと、
    前記第２の焼嵌めスリーブの冷却を可能にするステップと、
    をさらに含む、請求項２３の方法。

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