JP2011016196A - カップリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸方向に並ぶ２つの部材の歯の噛み合い部に切粉等の異物が侵入するのを防いで、両部材の円周方向位置および軸方向位置を正確に位置決めすることができるカップリング装置を提供する。
【解決手段】 軸方向に並んで対向し相対的に軸方向に移動させて互いに連結および分離させる第１部材２１および第２部材２２を備える。これら両部材２１，２２の対向面に、互いに噛み合って両部材２１，２２の円周方向の位置決めをする歯３１，３２の列を同心の円周上にそれぞれ設ける。また、両部材２１，２２の対向面に、両部材２１，２２が歯３１，３２の列の噛み合いにより連結された状態において互いに軸方向に向き合う当接面３３ａ，３４ａで当接して両部材２１，２２の軸方向の位置決めをする当接部３３，３４をそれぞれ設ける。当接部３３，３４は、歯３１，３２の列の外周側に全周にわたって設ける。
【選択図】 図６

Description

この発明は、軸方向に並ぶ２つの部材を互いの円周方向位置および軸方向位置を位置決め可能に連結するカップリング装置、例えば旋盤の主軸とチャックとを連結するカップリング装置に関する。

チャックの交換を容易にするために、主軸とチャックとをカップリングを介して着脱自在に連結した旋盤がある（例えば特許文献１）。例えば工作機械のタレットの取付に用いられるカップリングとして、カービックカップリングやハースカップリングと称される形式のものが知られている。これらは、軸方向に並ぶ２つの部材の対向面に円周方向に並ぶ複数の歯をそれぞれ設け、両部材の歯を互いに噛み合わせることにより、両部材を連結および円周方向の位置決めをする形式であり、復元精度、自動調心性に優れ、かつ高力伝達機能を有する特長がある。

実開昭６３−５７０１０号公報

そこで、旋盤における主軸とチャックの連結にハースカップリング形式を採用することにした。図９の例で示すように、ハースカップリングでは、２つの部材１０１，１０２の歯１０１ａ，１０２ａは共に断面台形状であり、両部材１０１，１０２の歯１０１ａ，１０２ａはテーパ状の側面で互いに接触する。２つの部材１０１，１０２の円周方向位置および軸方向位置の位置決め精度を保つためには、両部材１０１，１０２の歯１０１ａ，１０２ａの噛み合い部に切粉等の異物が咬み込まれないようにすることが求められる。

この発明の目的は、軸方向に並ぶ２つの部材の歯の噛み合い部に切粉等の異物が侵入するのを防いで、両部材の円周方向位置および軸方向位置を正確に位置決めすることができるカップリング装置を提供することである。
この発明の他の目的は、高精度の回転伝達を可能にし、かつ回転伝達部の剛性向上を図ることである。
この発明のさらに他の目的は、旋盤のチャックの交換作業の効率化を得ながら、上記両部材間の軸方向の剛性、並びに軸方向の位置決め精度の向上を可能にすることである。

この発明のカップリング装置は、軸方向に並んで対向し相対的に軸方向に移動させて互いに連結および分離させる第１部材および第２部材を備え、これら両部材の対向面に、互いに噛み合って両部材の円周方向の位置決めをする歯の列を同心の円周上にそれぞれ設け、かつ両部材が前記歯の列の噛み合いにより連結された状態において互いに軸方向に向き合う当接面で当接して両部材の軸方向の位置決めをする当接部をそれぞれ設け、前記当接部は、前記歯の列の外周側にあって全周にわたって設けた。
この構成によれば、第１部材および第２部材の対向面にそれぞれ設けた歯を互いに噛み合わせることで、両部材の円周方向の位置決めがなされる。また、第１部材および第２部材の対向面にそれぞれ設けた当接部を互いに軸方向に向き合わせて当接させることで、両部材の軸方向の位置決めがなされる。これにより、軸方向に並ぶ第１部材および第２部材を、互いの円周方向位置および軸方向位置を位置決めして連結することができる。当接部の当接面は軸方向に向き合う面であるため、大きな軸方向荷重を受けることができる。また、軸方向偏荷重の分布が円周方向に偏っている場合でも、当接部の当接面が互いに当接した状態に維持されることにより、両部材が互いに適正な位置関係に保たれる。
前記当接部は、前記歯の列の外周側にあって全周にわたって設けたため、この当接部が２つの部材の歯の外周を覆って歯の噛み合い部に切粉等の異物が侵入するのを防ぐ。そのため、両部材の円周方向位置および軸方向位置を正確に位置決めすることができる。

この発明において、前記第１部材および第２部材が、それぞれ回転自在に支持された部材であってよい。
第１部材および第２部材がそれぞれ回転自在に支持された部材、すなわち回転体である場合、両部材の円周方向位置を正確に位置決めすることにより、回転時における両部材の位相のずれを無くして、回転精度を向上させることができ、かつ回転伝達部の剛性向上を図ることができる。

この発明において、前記第１部材および第２部材は、旋盤の主軸とチャックとにそれぞれ取付けられ、これら主軸をチャックとを分離可能に連結する連結部を構成していても良い。
このように、旋盤の主軸とチャックとの連結部にこの発明のカップリング装置を適用すれば、主軸とチャックとの分離および連結が簡単になり、チャックの交換作業の効率化を図れる。

この発明のカップリング装置は、軸方向に並んで対向し相対的に軸方向に移動させて互いに連結および分離させる第１部材および第２部材を備え、これら両部材の対向面に、互いに噛み合って両部材の円周方向の位置決めをする歯の列を同心の円周上にそれぞれ設け、かつ両部材が前記歯の列の噛み合いにより連結された状態において互いに軸方向に向き合う当接面で当接して両部材の軸方向の位置決めをする当接部をそれぞれ設け、前記当接部は、前記歯の列の外周側にあって全周にわたって設けたため、軸方向に並ぶ２つの部材の歯の噛み合い部に切粉等の異物が侵入するのを防いで、両部材の円周方向位置および軸方向位置を正確に位置決めすることができる。

前記第１部材および第２部材が、それぞれ回転自在に支持された部材である場合は、回転時における両部材の位相のずれを無くして、回転精度を向上させることができ、かつ回転伝達部の剛性向上を図ることができる。

前記第１部材および第２部材は、旋盤の主軸とチャックとにそれぞれ取付けられ、これら主軸をチャックとを分離可能に連結する連結部を構成する場合は、旋盤のチャックの交換作業の効率化を得ながら、上記両部材間の軸方向の剛性、並びに軸方向の位置決め精度の向上が可能になる。

（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかるカップリング装置を備えた旋盤におけるカップリング装置の周辺部の一状態を示す破断側面図、（Ｂ）はそのＩＢ−ＩＢ面の矢視図、（Ｃ）はそのＩＣ−ＩＣ面の矢視図である。 同カップリング装置の第１部材および第２部材の歯の形状を示す展開図である。 同カップリング装置のカップリング操作機構およびチャック爪開閉機構の駆動部を示す概略構成図である。 同カップリング装置の周辺部の異なる状態を示す破断側面図である。 同カップリング装置の周辺部のさらに異なる状態を示す破断側面図である。 （Ａ）は同カップリング装置の周辺部のさらに異なる状態を示す破断側面図、（Ｂ）はそのVIＢ部拡大図である。 （Ａ）はカップリング装置の第２部材に設けた肉取り部の異なる形状を示す平面図、（Ｂ）はその展開断面図である。 （Ａ）はカップリング装置の第２部材に設けた肉取り部のさらに異なる形状を示す平面図、（Ｂ）はその展開断面図である。 ハースカップリングの歯の噛み合い部を示す図である。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。このカップリング装置１は、旋盤の主軸２とチャック３との連結部に用いられたものである。図１において、旋盤は、ベッド（図示せず）に設置された主軸台４を有し、この主軸台４に複数の転がり軸受５，６によって主軸２が回転自在に支持されている。そして、主軸２の前端の大径となった軸頭部２ａに、カップリング装置１を介して、チャック３が着脱自在に連結される。図１は、主軸２とチャック３が分離された状態を表している。

主軸２は中空軸であって、その中空孔２ｂに、カップリング装置１の連結および分離操作を行うカップリング操作機構７と、チャック３のチャック爪１１の開閉操作を行うチャック爪開閉機構８とが設けられている。これらカップリング操作機構７およびチャック爪開閉機構８については後で説明する。

チャック３は、チャック本体１０に、互いに連動して半径方向に移動して開閉動作を行う複数のチャック爪１１を設けたものである。複数のチャック爪１１は、円周方向に等間隔で並んでいる。チャック本体１０の中央部に軸方向に移動可能な開閉操作部材１２が設けられ、この開閉操作部材１２の軸方向の移動動作が動作変換機構１３によりチャック爪１１の互いに連動する半径方向の移動動作に変換される。具体的には、開閉操作部材１２が前進すると各チャック爪１１が開き動作し、後退すると各チャック爪１１が閉じ動作する。開閉操作部材１２の背面から、係合突起１４が後方に突出している。係合突起１４は、後端部に外周側へ膨らむ膨らみ部１４ａを有し、かつ後端面の中央部に凹部１４ｂを有する。この係合突起１４に前記チャック爪開閉機構８が作用することで、開閉操作部材１２が進退動作する。

また、チャック本体１０には、開閉操作部材１２の動作に関係無く各チャック爪１１を閉じる側に付勢するチャック爪付勢手段１５が設けられている。チャック爪付勢手段１５は、例えば圧縮コイルばねからなる。このチャック爪付勢手段１５は、チャック３が主軸２から分離されてチャック爪開閉機構８の作用が開閉操作部材１２に及ばないときでも、チャック爪１１がワークＷを把持した状態に維持可能とするものである。

カップリング装置１は、主軸２の軸頭部２ａの前端面にボルト１６で固定された環状の第１部材２１と、チャック本体１０の背面にボルト１７で固定された環状の第２部材２２とでなる。第１部材２１の内周縁部には、前方すなわち第１、第２両部材２１，２２が連結した状態における第２部材２２の側に突出する円筒状の突出縁２３が設けられ、この突出縁２３の円周方向複数箇所に半径方向に貫通する貫通孔２４が開けられている。貫通孔２４には、半径方向に移動自在にボール２５が収容されている。ボール２５の一部は貫通孔２４から外周側へ突出可能ではあるが、ボール２５が完全に貫通孔２４から逸脱することがないように、貫通孔２４は外端側が先狭まり形状とされている。

一方、第２部材２２は、内周面に環状の突出部分からなる最小内径部２６を有し、この最小内径部２６の内径である最小内径が前記突出縁２３の外径と同じか、または若干大きい寸法とされ、突出縁２３の外周に嵌合可能である。第２部材２２の最小内径部２６は、後端部すなわち第１、第２両部材２１，２２が連結した状態における第１部材２１の側の端部に位置する。最小内径部２６から後端面にかけての内周面は、断面円弧状の面取り部２７になっている。最小内径部２６よりも前側の内周面は、最小内径部２６の前方側の段面を構成し前方へ行くほど大径となるテーパ状部２８と、このテーパ状部２８に続く一定内径の大径部２９とでなる。

第１部材２１および第２部材２２の対向面には、それぞれ複数の歯３１，３２が同心の円周上に設けられている。図１（Ｂ），（Ｃ）にそれぞれ示すように、第１部材２１の歯３１は軸方向と直交する面から見て扇形であり、第２部材２２の歯３２は軸方向と直交する面から見て略長方形である。また、図２に示すように、第１、第２両部材２１，２２の歯３１，３２は、円周方向の断面形状が略台形状をしており、台形の斜辺となる側面３１ａ，３２ａが互いに接して噛み合う。歯３１，３２が互いに噛み合うことで、第１、第２両部材２１，２２の円周方向の位置決めがなされる。

この例では、加工上の都合から、第１、第２両部材２１，２２共に、歯３１，３２の列を構成する環状の歯列構成部２１ａ，２２ａが環状の本体部２１ｂ，２２ｂと別体で形成されており、これら歯列構成部２１ａ，２２ａおよび本体部２１ｂ，２２ｂはボルト１６，１７で締結されている。歯列構成部２１ａ，２２ａは、本体部２１ｂ，２２ｂに設けられた環状溝に嵌合し、上記ボルト１６，１７で締結される。ボルト１６，１７は、歯列構成部２１ａ，２２ａにおける歯３１，３２と歯３１，３２の間の歯底部分に設けてある。ボルト１６は、第１部材２１を主軸２の軸頭部２ａに固定する役目も有する。第１、第２両部材２１，２２は、それぞれ全体を一体に形成したものであってもよい。

また、第１部材２１および第２部材２２の対向面における歯３１，３２の列の外周側の本体部２１ｂ，２２ｂには、互いに軸方向に向き合う当接面３３ａ，３４ａを有する当接部３３，３４がそれぞれ設けられている。当接部３３，３４は、全周にわたって設けられている。第１、第２両部材２１，２２が前記歯３１，３２の列の噛み合いにより連結された状態において、それぞれの当接部３３，３４が当接面３３ａ，３４ａで当接することにより、第１、第２両部材２１，２２の軸方向の位置決めがなされる。

第１部材２１の歯３１には、歯３１の剛性を低下させる肉取り部３５が設けられている。この実施形態の肉取り部３５は、歯３１の先端面３１ｂの中央部に形成された半径方向に沿うＶ字状の溝である。溝の深さは、歯３１の根元の深さよりも少し深い程度とされている。肉取り部３５を設けて歯３１の剛性を低下させることにより、第１、第２両部材２１，２２の歯３１，３２が互いに噛み合って歯の側面３１ａに荷重がかかったときに、歯３１が周方向に弾性変形しやすくなる。歯３１，３２は略台形の断面形状であるため、変形分だけ歯３１，３２の噛み合いが深くなって第１、第２両部材２１，２２の軸方向距離が接近し、第１、第２両部材２１，２２の当接部３３，３４を確実に接触させることができる。それにより、第１、第２両部材２１，２２間で大きな軸方向荷重を受けることができ、また軸方向の位置決めが確実なものとなる。この実施形態では、第１部材２１の歯３１にだけ肉取り部３５が設けられているが、第２部材２２の歯３２にも肉取り部３５を設けてもよい。

肉取り部３５は、図７に示すようなスリット状の溝としてもよい。その場合も、半径方向の溝とすれば、歯３１の剛性を効果的に低下させられる。溝の数は複数であってもよい。また、図８に示すように、肉取り部３５を、歯３１の内部に設けた半径方向の貫通孔としても、歯３１の剛性を低下させることができる。

図１において、カップリング操作機構７は、摺動ガイド４０を介して主軸２の内周面に対し軸方向に進退自在でカップリング操作駆動源４１（図３）により進退駆動させられる筒状のカップリング用進退部材４２を有する。このカップリング用進退部材４２の前端外周のねじ部４２ａに、ボール係脱部材４３が螺着されている。ボール係脱部材４３も筒状で、その外周面における第１部材２１の前記貫通孔２４に対応する周方向位置に、前記ボール２５が嵌り込む半球状の凹部４４が形成されている。また、ボール係脱部材４３の内周面は、軸方向中央部の小径部４５と、小径部４５よりも先端側の大径部４６とを有する。小径部４５の内径は、カップリング用進退部材４２の内径とほぼ同じである。

図１に示す、主軸２に対してチャック３が分離された状態では、ボール係脱部材４３の凹部４４が第１部材２１の貫通孔２４と軸方向同位置にある。そのため、貫通孔２４内のボール２５の内周側の一部が凹部４４に嵌まり込むことが可能である。ボール２５が凹部４４に嵌まり込めば、第１部材２１の突出縁２３の内側に第２部材２２が嵌合する際にボール２５が障害にならないため、図４に示すように、第１、第２両部材２１，２２の歯３１，３２が互いに噛み合い、かつ当接部３３，３４が互いに当接するまで、第１、第２両部材２１，２２を嵌合させることができる。第２部材２２の最小内径部２６から後端面にかけての内周面は面取り部２７になっているため、第１、第２両部材２１，２２の嵌合は円滑に行われる。

図４の状態から、カップリング用進退部材４２を後方へ後退させると、ボール係脱部材４３の凹部４４からボール２５が押し出されて、ボール２５の一部が第１部材２１の貫通孔２４から外周側へ突出する。図５および図６に示すように、このボール２５の突出部分は、第２部材２２の内周面のテーパ状部２８に係合する。それにより、第１、第２両部材２１，２２の相対的な軸方向移動が拘束されて、カップリング装置１が一体化される。

チャック爪開閉機構８は、チャック爪閉じ操作駆動源５０（図３）により軸方向に進退駆動させられるチャック爪用進退部材５１と、このチャック爪用進退部材５１の前端外周のねじ部５１ａに螺着され、外周面が前記カップリング用進退部材４２の内周面に摺動自在に接する摺動部材５２と、この摺動部材５２の先端寄りの小径部５２ａとカップリング用進退部材４２との間に設けたチャックドローバ先端部材５３とを備える。チャック爪用進退部材５１と摺動部材５２とチャックドローバ先端部材５３とで、チャックドローバを構成する。チャックドローバ先端部材５３は、円周方向に並べて配置された複数のドローバ分割体５４からなり、各ドローバ分割体５４の基部５４ａを結束部材５５によって結束してある。ドローバ分割体５４の基部５４ａは摺動部材５２の小径部５２ａの前後両側の段面に挟まれており、チャックドローバ先端部材５３は軸方向の移動が拘束されている。ドローバ分割体５４は、基部５４ａから前方に延び、その先端部に内外両方に膨らんだ膨らみ部５４ｂが設けられている。ドローバ分割体５４は、全体的に弾性を有する。

また、前記チャック爪用進退部材５１の内部にはシリンダ室５６が形成され、このシリンダ室５６内にピストン５７が軸方向に摺動自在に設けられている。シリンダ室５６とピストン５７とで、チャック爪開動作用駆動源を構成する。ピストン５７にはロッド５８が取付けられ、このロッド５８は摺動部材５２を貫通して前方に突出している。ピストン５７は、ピストン付勢ばね５９により前方に付勢されている。シリンダ室５６内にオイル等の流体を供給する流体供給路６０は、チャック爪用進退部材５１の内部を軸方向に貫通させて設けられている。

図１に示す、主軸２に対してチャック３が分離された状態では、チャックドローバ先端部材５３のドローバ分割体５４の膨らみ部５４ｂが前記ボール係脱部材４３の大径部４６と同じ軸方向位置にあり、各ドローバ分割体５４は真っ直ぐに前方へ延びている。そのため、図４および図５に示すようにカップリング装置１の第１部材２１と第２部材２２とを連結する過程で、チャック３の係合突起１４がチャックドローバ先端部材５３に当たらない。第１、第２両部材２１，２２の連結に伴い、係合突起１４の凹部１４ｂにロッド５８の先端が係合する。
図１の状態では、ピストン５７が、ピストン付勢ばね５９により前方に付勢されて、シリンダ室５６内の移動範囲の前端に位置している。このときのロッド５８の先端は、カップリング装置１の第１部材２１の歯３１における第２部材２２の歯３２との噛み合い中心の軸方向位置よりも、Δｚだけ前方に位置する。

図５の状態から、チャック爪用進退部材５１を後退させると、チャックドローバ先端部材５３の各ドローバ分割体５４の膨らみ部５４ｂがボール係脱部材４３の小径部４５によって内側に押されて、ドローバ分割体５４の先端側が内側に撓む。それにより、図６に示すように、ドローバ分割体５４の膨らみ部５４ｂが係合突起１４の膨らみ部１４ａに係合する。さらに、チャック爪用進退部材５１を後退させると、チャックドローバ先端部材５３が係合突起１４を後方へ引っ張ることで、開閉操作部材１２が後退し、各チャック爪１１が閉じ動作をする。それにより、チャック爪付勢手段１５による把持力に加えて、チャック爪閉じ操作駆動源５０（図３）の流体圧による強い把持力で、各チャック爪１１がワークＷを把持する。なお、チャック爪用進退部材５１を後退させると、その後退分だけピストン５７がピストン付勢ばね５９の弾性反発力で前進するため、係合突起１４の凹部１４ｂにロッド５８の先端が係合した状態に保たれる。

図６の状態からチャック爪用進退部材５１を前進させることで、チャック爪閉じ操作駆動源５０による各チャック爪１１の閉じ動作が解除されて、図５の状態に戻る。その状態でピストン５７を前方へ移動させると、ロッド５８が係合突起１４を前方に押すことで、開閉操作部材１２が前進し、チャック爪付勢手段１５の付勢力に抗して各チャック爪１１が開き動作をする。

図３は、カップリング操作機構７およびチャック爪開閉機構８の駆動部の１例を示す概略構成図である。カップリング操作駆動源４１は、例えば油圧シリンダ等の流体圧シリンダであり、固定して設けられたシリンダ本体４１ａのシリンダ室内に、前記カップリング用進退部材４２の後端に固定されたピストン４１ｂが軸方向に摺動自在かつ軸回りに回転自在に嵌合している。シリンダ室へは流体供給路４１ｃより流体が供給される。チャック爪閉じ操作駆動源５０も、例えば油圧シリンダ等の流体圧シリンダであり、固定して設けられたシリンダ本体５０ａのシリンダ室内に、前記チャック爪用進退部材５１に固定されたピストン５０ｂが軸方向に摺動自在かつ軸回りに回転自在に嵌合している。シリンダ室へは流体供給路５０ｃより流体が供給される。

ワークＷの加工は、各チャック爪１１でワークＷを把持した状態で行う。このとき、図６（Ｂ）の部分拡大図に示すように、カップリング装置１の第１部材２１と第２部材２２のそれぞれ外周に位置する当接部３３，３４が、全周にわたって設けた当接面３３ａ，３４ａで互いに接するため、当接部３３，３４の内周側に位置する第１、第２両部材２１，２２の歯３１，３２が外部から完全に遮蔽された状態となる。このため、加工時に生じる切粉等の異物が歯３１，３２の噛み合い部に侵入することを防ぐことができ、第１、第２両部材２１，２２の円周方向位置および軸方向位置が正確に位置決めされた状態を維持できる。また、第１部材２１および第２部材２２は回転自在に支持された部材すなわち回転体であり、この回転体である第１部材２１および第２部材２２の円周方向位置を正確に位置決めすることにより、回転時における第１、第２両部材２１，２２の位相のずれを無くして、回転精度を向上させることができる。

このカップリング装置１を備えた旋盤は、主軸２からのチャック３の分離および連結が容易であるため、ワークＷに応じてチャック３を交換するのに限らず、以下に示す運用が可能となる。すなわち、ワークＷを把持したままチャック３を交換することにより、１つのチャック３を主軸２に装着してワークＷの加工作業を行う間に、他のチャック３に対してワークＷの着脱およびチャック３の洗浄作業等を行うことができる。それにより、加工能率の向上が図れる。主軸２からチャック３が外れた状態にあるときは、各チャック爪１１を閉じる側に付勢するチャック爪付勢手段１５の力でワークＷが保持される。

上記各実施形態は、この発明のカップリング装置１を旋盤の主軸２とチャック３を連結する連結部に用いた例を示したが、この発明のカップリング装置１は、他の工作機械またはそれ以外の機械にも適用できる。また、カップリング装置１の第１部材２１および第２部材２２は、回転体でなくてもよい。

１…カップリング装置
２…主軸
３…チャック
２１…第１部材
２２…第２部材
３１，３２…歯
３３，３４…当接部
３３ａ，３４ａ…当接面
３５…肉取り部

Claims (3)

1. 軸方向に並んで対向し相対的に軸方向に移動させて互いに連結および分離させる第１部材および第２部材を備え、これら両部材の対向面に、互いに噛み合って両部材の円周方向の位置決めをする歯の列を同心の円周上にそれぞれ設け、かつ両部材が前記歯の列の噛み合いにより連結された状態において互いに軸方向に向き合う当接面で当接して両部材の軸方向の位置決めをする当接部をそれぞれ設け、前記当接部は、前記歯の列の外周側にあって全周にわたって設けたカップリング装置。
2. 前記第１部材および第２部材が、それぞれ回転自在に支持された部材である請求項１記載のカップリング装置。
3. 前記第１部材および第２部材は、旋盤の主軸とチャックとにそれぞれ取付けられ、これら主軸をチャックとを分離可能に連結する連結部を構成する請求項１または請求項２記載のカップリング装置。

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