JP2012096306A - 高剛性チャック及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の旋盤などに用いられ、ワークを保持するチャックにおいて、工作機械の高速回転化による遠心力の増大により、チャックボディの変形を受け、作動部の動きに微妙な変化を与え、ワークの保持自体が安定されず、把持力の低下や加工精度の劣化などの悪影響をおよぼす。
【解決手段】チャックボディの半径方向の側面外周へ炭素繊維強化プラスチックを設け、チャックの把握力及び遠心力によるチャックボディの外方への変形を抑制することでチャックボディを高剛性とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、工作機械の旋盤などに用いられ、ワークを保持するチャックにおいて、チャックボディに高い剛性を有する高剛性チャック及びその製造方法に関する。

一般に工作機械には、ワークを把持するチャックが用いられており、把持されたワークに切削加工や穴明加工が行なわれている。
ワークを把持するチャックは、本体を構成するチャックボディと、チャックボディに内包されて外部からの駆動力により作動される作動部と、この作動部の作用により可動しワークを把持する爪を備えている。
工作機械がワークを加工する際には、チャックによりワークを把持し、チャックを回転させて加工を行なうが、この時、加工時間の短縮や、加工精度向上のため、チャックの回転数を高回転にすることが求められている。

工作機械の高回転化に伴い、チャックの回転によりチャックへ加わる遠心力が増大化される。チャックの回転が高回転となると、チャックボディへ作用する遠心力も大きくなる。
チャックボディへ遠心力が加わると、チャックボディの半径方向外方へ向けて外力が作用し、チャックボディが微小変形を起こす。
一般にチャックボディは、鉄鋼材料で形成され、鋼材料の高い剛性によって遠心力による変形を抑えていた。
また、回転による遠心力の影響を軽減させるために、特許文献１に示されるような遠心力補償機構を有するチャックが提案されている。

特開平２０００−１２６９１２号公報

機械加工の効率化に伴い、工作機械の回転速度の高速化が求められているが、高速回転による遠心力の増大は、チャックボディの変形を促してしまう。
このため、前述のようなチャックの構造において、チャックボディに内包される作動部の駆動がチャックボディの変形により影響を受け、作動部の動きに微妙な変化を与えかねない。
作動部の動作の変化は、ワークを把持する爪の可動にも影響し、ワークの保持自体が安定されず、把持力の低下や加工精度の劣化などの悪影響が発生する。

例えば、チャックボディ内に作動部であるマスタージョウを摺動可能な摺動穴を設け、その摺動穴をマスタージョウを摺動することでジョウを動作させる構造を備えるチャックにおいて、回転による遠心力がチャックボディへ作用されてチャックボディの摺動穴の変形が起きる。
この時、変形された摺動穴を作動部であるマスタージョウが摺動することで摺動動作がスムーズに行なわれず、ワークの把握力が不十分になったり、動作不良となる原因となる。
前記特許文献１に示された遠心力補償機構を有するチャックであっても前記課題を十分に解消することはできない。

前述の課題を解決するため、本発明は、工作機械のワークの把持に用いられるチャックであって、チャックボディの半径方向の側面外周へ炭素繊維強化プラスチックを設け、チャックの把握力及び遠心力によるチャックボディの外方への変形を抑制することを特徴とする。
また、工作機械のワークの把持に用いられるチャックボディへ炭素繊維強化プラスチックを設ける高剛性チャックの製造方法であって、炭素繊維強化プラスチックをあらかじめ円筒形状に硬化形成する工程と、硬化形成された炭素繊維強化プラスチックをチャックボディの半径方向の側面外周へ嵌合させてチャックボディへ一体化させる工程を実施することを特徴とする。

本発明によれば、チャックボディの側面外周へ巻きつけて設けられた炭素繊維強化プラスチックによりチャックボディの変形が抑制され、高速回転による弊害が防止されるので、チャックの高速回転が可能となる。これにより、加工時間の短縮や、加工精度の向上が達成され、工作機械の作業性が良好となる。
また、炭素鋼よりも軽量な炭素繊維強化プラスチックを用いて遠心力を抑制するため、従来の炭素鋼製のチャックよりも軽量且つコンパクトなチャックボディとなすことが可能となる。これにより、チャックの回転によりチャックボディへ作用する慣性モーメントが小さくなるので、回転動力源であるモーターの負荷が低減でき、回転の急激な加減速についても容易に対応でき、加工作業のタクトタイムの短縮を実現できる。

本発明の実施例におけるチャックの全体斜視図。 実施例のチャックの縦断面図。 実施例のチャックボディと炭素繊維強化プラスチックの拡大部分断面図。 実施例のプリプレグの巻き付け工程の説明図。 本発明の作用説明図。

以下に本発明の実施の形態を図に示して説明する。
図１には、本発明の実施例におけるチャックの全体斜視図を示している。
図２には、実施例のチャックの縦断面図を示している。
図１及び図２に示すチャックは、チャックの本体を構成する略円筒形状のチャックボディ１と、チャックボディ１に内包されて外部からの駆動力により作動される作動部２と、この作動部の作用により可動しワークを把持する爪３を備えている。

前記作動部２は、外部の動力源と連結しチャック回転軸芯方向へ移動されるプランジャ４と、プランジャ４と係合してプランジャ４と同様に回転軸芯方向へ移動するブッシュ５と、このブッシュ５に形成された傾斜面７に案内されて半径方向へ移動されるマスタージョウ６で構成されている。
駆動部２には、外部からの動力源に接続する図示しないドローナットが設けられており、このドローナットの外径へプランジャ４が設けられている。このプランジャ４は、駆動力によりチャックの回転軸芯方向の前後方向に移動可能になされている。
プランジャ４の半径方向外方には、プランジャ４と係合し、プランジャ４と一体となって軸芯方向へ移動するブッシュ５が設けられている。このブッシュ５にはマスタージョウ６を摺動可能に係合させる傾斜面７がチャック前方へ向けて形成されている。このため、プランジャ４が軸芯方向へ移動する事により、傾斜面７で係合しているマスタージョウ６がブッシュ５の傾斜面７にガイドされて摺動し、チャック半径方向へ移動される。これによりマスタージョウ５に連結された爪３が半径方向へ移動され、ワークの把持、及び解除が行なわれる。

円筒形状のチャックボディ１には、半径方向の側面外周へ、炭素繊維強化プラスチック８が設けられている。
この炭素繊維強化プラスチック８は、ＣＦＲＰとも標記される複合材料であり、炭素繊維９をプラスチックの中に入れたもので強度に優れており、鉄鋼材料に比べて同じ強度・剛性であっても、より軽量化できるという特性をもつ材料である。

図３は、チャックボディ１へ炭素繊維強化プラスチック８を巻き付けた状態の拡大部分断面図を示している。
チャックボディ１の側面外周に設けられた炭素繊維強化プラスチック８は、炭素繊維９の束をチャックボディ１の周方向に巻いた状態で配設させ、硬化した樹脂１０が炭素繊維９を含む構造で形成されている。
炭素繊維強化プラスチック８の最外層には、後述する炭素繊維クロス１１が設けられている。

本発明の実施例として、炭素繊維強化プラスチック８のチャックボディ１への取り付け方法を説明する。
炭素繊維強化プラスチック８をチャックボディ１の側面外周へ設ける方法として、２通りの方法がある。
第１の方法は、炭素繊維強化プラスチック８をあらかじめ円筒形状に硬化形成し、この円筒形状の炭素繊維強化プラスチック８をチャックボディ１の半径方向の側面外周へ嵌合させてチャックボディへ機械的に一体化させて設けるものである。
別の第２の方法は、チャックボディ１の半径方向の側面外周へ未硬化の炭素繊維強化プラスチック８であるプリプレグ１２を多重に巻き付け、その後、これらを加熱することによりプリプレグ１２を熱硬化させて、硬化された炭素繊維強化プラスチック８をチャックボディへ一体化させて設けるものである。

前記第１の方法では、まず、フィラメントワインディング法やシートワインディング法を用いて円筒形状の炭素繊維強化プラスチック８を成形する。円筒形状に形成された炭素繊維強化プラスチック８は、すでに硬化処理されており、これをチャックボディ１の半径方向の側面外周へ嵌合することで、チャックボディ１と一体化される。
炭素繊維強化プラスチック８とチャックボディ１を嵌合する方法としては、円筒形状に成形した炭素繊維強化プラスチック８をチャックボディ１の外形寸法に合わせて切削加工して、はめ合い寸法を調整して嵌合する。

また、他の例としては、炭素繊維強化プラスチック８を成形する際に、成形時に用いる金型と炭素繊維強化プラスチック８の熱膨張差を考慮に入れて寸法設定を行って成形するものである。これにより、成形後に切削加工して寸法調整することなく嵌合することができる。
この場合、成形時に用いる金型と炭素繊維強化プラスチック８の熱膨張差をできるだけ小さくするために、炭素繊維強化プラスチック８の線膨張係数に近似する線膨張係数を有する材質であるインバー材（ＮＡＳ３６）を金型材料として用いることが有効である。インバー材（ＮＡＳ３６）はＦｅ−３６％Ｎｉ合金であり、低熱膨張材として知られている。

また、上記２例の硬化成形された円筒形状の炭素繊維強化プラスチック８をチャックボディ１へ嵌合する際には、両者の接合部分へ接着剤を塗布して嵌合することが望ましい。これにより、両者を確実に接合できることと共に、嵌合された接合面の全域に対して半径方向外方への応力を受けることで、炭素繊維強化プラスチック８が受ける作用力を分散し、応力集中による炭素繊維強化プラスチック８の破損や割れを防ぐことができる。

前述の炭素繊維強化プラスチック８を嵌合する際には、チャックボディ１を冷却し、チャックボディ１の外形寸法が低温により収縮した後に炭素繊維強化プラスチック８の嵌合を行う。これにより、はめ合い寸法がきつく嵌合しにくいものであっても、容易に嵌合を実施でき、炭素繊維強化プラスチック８とチャックボディ１との確実な嵌合が可能となる。

次に、チャックボディ１の半径方向の側面外周へ未硬化の炭素繊維強化プラスチック８であるプリプレグ１２を多重に巻き付け、その後、これらを加熱することによりプリプレグ１２を熱硬化させて、硬化された炭素繊維強化プラスチック８をチャックボディへ一体化させて設ける実施例について説明する。
この実施例に用いられる未硬化の炭素繊維強化プラスチック８であるプリプレグ１２は、炭素繊維９に未硬化状態の樹脂１０を含浸させた中間基材であり、これを成形し、加熱することで樹脂１０を硬化させて、炭素繊維強化プラスチック８を得るための部材である。

前記プリプレグ１２には種々の形状のものが存在する。代表的な例では、プリプレグ１２ａの形状がシート形状に形成されているシート状プリプレグ１２ａがある。これは複数本の炭素繊維９を一方向に並列に配設したシート形状に形成されたものである。例えば、プリプレグ１２ａの厚さが約０．２ｍｍ、幅４０ｍｍのシート状に形成され、一度に広範囲へ巻き付け作業を実施できる。
他のプリプレグ１２ｂの形状例として、糸状に形成された糸状プリプレグ１２ｂがあり、これは、複数本の炭素繊維９を一方向に配置して一本の糸状に形成されたものである。
また、さらに他のプリプレグ１２ｃの形状例として、複数本の炭素繊維９を組紐状に編み込んで樹脂１０に含浸させた紐状プリプレグ１２ｃなどがある。これは炭素繊維９が編みこまれているために、より大きな強度が多方向に得られる。

これらのプリプレグ１２のチャックボディ１への巻き付け作業を、図に示しながら説明する。
図４には、前述の３種のプリプレグ１２をチャックボディ１へ巻き付けている状態を説明する説明図である。
図４（ａ）には、シート状プリプレグ１２ａを用いて炭素繊維強化プラスチック７を成形する状態を示している。図４（ｂ）には、糸状プリプレグ１２ｂを用いて炭素繊維強化プラスチック７を成形する状態を示し、図４（ｃ）には、紐状プリプレグ１２ｃを用いて炭素繊維強化プラスチック７を成形する状態を示している。

以下に、図４（ａ）に示すシート状プリプレグ１２ａを用いて炭素繊維強化プラスチック７を成形する例に基づいて巻き付け工程の作業を説明する。
シート状プリプレグ１２ａの一端側をチャックボディ１の側面外周１３の一部へ固定し、引張力を加えながら側面外周１３へ巻きつけていく。
シート状プリプレグ１２ａは、一方向に炭素繊維が配置されるので、本実施例においては、長手方向へ炭素繊維９が設けられるようになしている。したがってチャックボディ１の円筒形状の周方向へ炭素繊維９が配置されるようになされる。また、プリプレグ１２の炭素繊維含有率は５０〜８５％が望ましい。

プリプレグ１２を多重に巻き付ける際には、引張力を加えながら複数回巻き付けていく。この時の引張力は５〜１０ｋｇｆの作用力とした。これによりプリプレグ１２とチャックボディが隙間無く接触できるようになり、且つプリプレグ１２を蛇行することなく巻き付けることで、炭素繊維の方向を一定にすることで補強効果を高めることになる。
本実施例では、プリプレグ１２の巻き数は５〜１０周を巻いて、炭素繊維強化プラスチック８の多重部位としているが、この巻き数はこれに限定されず、必要強度の度合い、成形後の炭素繊維強化プラスチック８の厚みなどにより適宜変更される。

シート状プリプレグ１２ａを巻き付けた後に、その外周へ炭素繊維９を異方向へ織り込んだ炭素繊維クロス１１を１層巻き付ける。これは、シート状プリプレグ１２ａは周方向のみに炭素繊維９が配置されており、炭素繊維９に沿って割れが発生し易い。この割れを解消するため、チャックの回転軸方向に補強を施すため周方向と異なる方向に炭素繊維９を持つ炭素繊維クロス１１をもう１層設けるものである。
この際に望ましくは、シート状プリプレグ１２ａの炭素繊維９の方向に対して４５〜９０°の角度で異なる方向の炭素繊維クロス１１を設けることでより強靭な強度を発現できるものである。

炭素繊維クロス１１を巻き付けた後には、その外周へ加熱成形時において樹脂成分を吸収するピールプライを巻き付けることが望ましい。このピールプライがプリプレグ１２の樹脂成分を吸収することで、成形後の炭素繊維強化プラスチック８における炭素繊維含有率を高めることができ、より材料強度を向上することができる。
また、このピールフライは、成形後に除去することになるが、その際に炭素繊維クロス１１の外周へ除去痕が残り、表面へ微小な凹凸が形成される。この凹凸は、チャック完成後の表面処理における塗装またはメッキ処理を行う際に、塗装成分やメッキ成分が入り込むことでアンカー効果を発現し、表面処理の密着度の向上を図ることができる。さらには、前記表面処理の直前までピールフライの除去を行わないため、表面の保護を担うことにもなり、表面処理時の洗浄、サイディングを行う必要がなくなる。
さらにその外周には、熱収縮テープを巻き付けておき、後工程の加熱成形工程において、前記したプリプレグ１２の積層に対してチャックの半径方向内方へ圧縮力を作用するようにする
。

前述の構成の材料をチャックボディ１の半径方向の側面外周へ施した後、加熱成形工程を行なう。加熱成形工程では、加熱処理を行ない、プリプレグ１２の未硬化状態である熱硬化性樹脂成分を熱硬化させ、プリプレグ１２から炭素繊維強化プラスチック８を形成し、チャックボディ１と積層状の炭素繊維強化プラスチック８を一体化させるものである。
また、前記熱収縮テープを加熱することで熱収縮テープの収縮作用が生じ、プリプレグ１２の積層に対してチャックの半径方向内方へ圧縮力が作用する。これによりプリプレグ１２がチャックボディ１へ圧縮されて硬化形成され、チャックボディ１と炭素繊維強化プラスチック８との一体化をより促進させるものである。
本実施例においては、この加熱成形工程は、乾燥炉にて２〜５時間かけて常温から１４０°Ｃまで温度上昇させ、１時間高温を維持させて加熱する。その後１時間炉内にて冷却し、常温にて空冷を実施した。しかしながら、この加熱時間、冷却時間はこの実施例に限定するものではなく、チャックボディ１の外形寸法、炭素繊維強化プラスチック８の厚み、プリプレグ１２の樹脂成分の違いなどの条件により適宜最適な数値に調整されるものである。

本発明は、チャックボディ１の側面外周へ炭素繊維強化プラスチック８を巻き付けて設けることで、炭素繊維強化プラスチック８の有する材料特性が、鋼よりも高剛性、軽量であることより、遠心力及び把持力によるチャックボディ１の外方への変形を抑制して高剛性チャックを得るものである。
図５にチャックに働く作用力を模式的に示した図を示す。
チャックがワークを把持する際には外部の駆動力により、プランジャ４が図５に示すＰ１の作用力でＰ１矢印方向（回転軸芯方向）へ移動される。プランジャ４の移動に伴いブッシュ５も同様に移動し、プランジャ４と同一方向へ移動する。この移動によりブッシュ５の傾斜面７にガイドされてマスタージョウ６が摺動するが、この時ワークを把持する力の反力がマスタージョウ６を介してブッシュ５に伝わり、ブッシュ５がチャック内部からチャックボディ１を半径方向の外方へ押す作用力Ｐ２が作用する。この作用力Ｐ２に対抗するために、チャックボディ１には高い剛性が必要となる。
本発明によるチャックは、このブッシュ５からの作用力Ｐ２を受けるチャックボディ１の半径方向の側面外周へ鉄鋼材料よりも高剛性の炭素繊維強化プラスチック８を設けることでチャックボディ１の外方への変形を抑制する。

また、チャックの回転によりチャックボディ１へ作用する遠心力Ｐ３は、チャックボディ１の半径方向外方へ作用するが、チャックボディ１の側面外周へ設けられた炭素繊維強化プラスチック８で受けとめることで、チャックボディ１の変形を抑え、チャックボディ１の歪を解消し、ワークを把持する爪の動作をスムーズにできる。

また、炭素繊維強化プラスチック８は鉄鋼材料よりも軽量に構成することができるので、回転により発生する遠心力Ｐ３も従来の鉄鋼製のチャックボディ１より小さくなり、遠心力Ｐ３の大きさも抑制することができる。

前述の実施例において、チャック構造の作動部２をプランジャ４とブッシュ５及びマスタージョウ６による構造により例示しているが、本発明は前述の実施例のチャック形態に限定するものではなく、例えば、レバー式のチャック構造など他の構造のチャックにおいても同様の効果を奏するものである。

１ チャックボディ
３ 爪
４ プランジャ
５ ブッシュ
６ マスタージョウ
８ 炭素繊維強化プラスチック
９ 炭素繊維
１０ 樹脂
１２ プリプレグ

Claims (8)

1. 工作機械のワークの把持に用いられるチャックであって、チャックボディの半径方向の側面外周へ炭素繊維強化プラスチックを設け、チャックの把握力及び遠心力によるチャックボディの外方への変形を抑制することを特徴とする高剛性チャック。
2. 前記炭素繊維強化プラスチックが、あらかじめ円筒形状に硬化形成され、前記チャックボディの半径方向の側面外周へ嵌合されてチャックボディへ一体化されることを特徴とする請求項１に記載の高剛性チャック。
3. 前記炭素繊維強化プラスチックが、前記チャックボディの半径方向の側面外周へ未硬化のプリプレグを多重に巻き付けた後に加熱により熱硬化されてチャックボディへ一体化されることを特徴とする請求項１に記載の高剛性チャック。
4. 前記プリプレグが、シート形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の高剛性チャック。
5. 前記プリプレグが、糸状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の高剛性チャック。
6. 前記プリプレグが、紐形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の高剛性チャック。
7. 工作機械のワークの把持に用いられるチャックボディへ炭素繊維強化プラスチックを設ける高剛性チャックの製造方法であって、炭素繊維強化プラスチックをあらかじめ円筒形状に硬化形成する工程と、硬化形成された炭素繊維強化プラスチックをチャックボディの半径方向の側面外周へ嵌合させてチャックボディへ一体化させる工程を実施することを特徴とする高剛性チャックの製造方法。
8. 工作機械のワークの把持に用いられるチャックボディへ炭素繊維強化プラスチックを設ける高剛性チャックの製造方法であって、チャックボディの半径方向の側面外周へ未硬化のプリプレグを多重に巻き付ける工程と、巻き付けられたプリプレグを熱硬化させるための加熱成形工程を実施することを特徴とする高剛性チャックの製造方法。

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