JP2012187688A - チャック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工中の歪みやビビリを抑制することで薄肉のワークを加工できるチャック装置を提供する。
【解決手段】 ワークの両面を挟持する３つ以上の挟持手段と、挟持手段を固定するテーブルとを備え、挟持手段がワークの両面のうち一方の面に接触する第１接触手段と、ワークの他方の面であって前記第１接触手段に対向する位置に接触する第２接触手段とを有し、各挟持手段がワークを挟持した状態において、第１接触手段からワークに作用する圧力の作用方向がワークの回転軸に直交する平面に対してワークの加工基準位置側に傾斜しており、且つ隣接する挟持手段の間でワークに過大な応力又は歪が発生しないように各挟持手段を前記テーブルに固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に薄肉のワークをチャックするためのチャック装置に関する。

従来、チャック装置を用いてワークを例えば所望の薄さの円筒形状に旋盤加工する際には、ワークの外周部あるいは内周部を複数の爪で把持することで加工中の歪みや振動（いわゆるビビリ）の発生を可能な限り抑制している。
例えば特許文献１に記載のチャック装置は、図１０に示すように、旋盤の主軸に固定したチャック本体１の外周壁に多数のシリンダ７を高密度で配置し、各シリンダ７のピストン１０にそれぞれ掴持爪１３を固定する。そして、流体圧力とばねにより各ピストン１０を進退させている。
また、ワークの中心部をコレットチャック２６で把握し、更にワークの後部をワークストッパ５で支持するので、肉薄で歪み易いワークであっても精度よく旋盤加工を行える。なお、図１１にはワークの内周壁をシリンダ６５及びピストン６６で把握すると共に外周壁をワークストッパ６４で支持する構成が示されている。

また、チャック装置やバイスでワークを挟持して固定する際に、固定時の圧力の作用を受けてワークが加工基準位置から浮き上がることがあるため、加工作業開始直前に作業者がワークを木ハンマ等で叩いて基準プレートに密着させることがある。しかし、加工基準位置を目視で確認し辛い旋盤用チャック装置ではワークを基準プレートに密着させる作業は作業者の勘に頼ることになるため、木ハンマなどによる叩打作業は確実性に欠けるおそれがあった。
そこで、例えば特許文献２に記載の挟持装置は、図１２に示すように、支持部３の前面を上下方向に摺動可能に支持された挟持部２を備えており、支持部３の摺動面の上部を前方（ワーク７側）に傾斜させた構造になっている。これにより、ワーク７を挟持する際に挟持部２からワーク７に対して、ワーク７を基準プレート２７に押圧するように力が作用する。従って、ワーク７は基準プレート２７に確実に密着した状態で挟持されるので、加工精度を向上させることができる。
なお、図１３には、挟持装置を旋盤用チャックに適用した構成が示されている。

特開平７−２５６５０５号公報 特開２００３−１８１７３２号公報

しかし、上述した従来の技術を用いた場合でも、ワークを薄肉で大型且つ大径の円筒形状（例えば炭素鋼を用いた直径２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、肉厚２ｍｍ程度の円筒）に加工するべく旋盤加工を試みると、肉厚５．０ｍｍ程度までは切削できるが、それ以下になるとワークに歪みやビビリが生じてしまうという問題があった。
通常、薄肉で大型且つ大径の円筒を作製するには、圧延加工と溶着加工を組み合わせたり、旋盤加工と研磨加工を組み合わせる等しているため、加工に時間がかかり、生産効率が悪いという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑み、加工中の歪みやビビリを抑制することで薄肉のワークを加工できるチャック装置を提供することを目的とする。

本発明のチャック装置は、ワークの両面を挟持する３つ以上の挟持手段と、挟持手段を固定するテーブルとを備え、挟持手段がワークの両面のうち一方の面に接触する第１接触手段と、ワークの他方の面であって第１接触手段に対向する位置に接触する第２接触手段とを有し、各挟持手段がワークを挟持した状態において、第１接触手段からワークに作用する圧力の作用方向がワークの回転軸に直交する平面に対してワークの加工基準位置側に傾斜しており、且つ隣接する挟持手段の間でワークに過大な応力又は歪が発生しないように各挟持手段をテーブルに固定することを特徴とする。
また、各挟持手段がワークを挟持した状態において、第１接触手段とワークの接触面の形状及び第２接触手段とワークの接触面の形状のうち少なくとも一方の接触面の形状が線形状であることを特徴とする。
また、第１接触手段が固定部と、当該固定部に軸回りに旋回自在に軸支されるボルトと、当該ボルトの先端に支持されてワークに接触するパッドとを有し、ボルト及びパッドによりスイベル機構を構成していることを特徴とする。
また、各挟持手段がワークを挟持した状態において、第１接触手段からワークに作用する圧力の作用方向がワークの回転軸に直交する平面に対してワークの加工基準位置側に鋭角に傾斜していることを特徴とする。
また、ワークが薄肉円筒形状であることを特徴とする。

本発明は複数の挟持手段を用いてワークの複数個所を両面から挟持すると共に隣接する挟持手段の間でワークに過大な応力又は歪を生じさせないようにして各挟持手段をテーブルに固定することにより、ワークに生じる応力及び歪を最小限に抑えた状態で切削等の各種加工を行うことができる。これにより、従来のチャック装置を用いた金属加工では困難であった薄肉部材の加工を可能とした。
本発明のチャック装置を例えば切削加工に用いる場合、炭素鋼のワークを直径２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、肉厚２ｍｍ程度の薄肉円筒に加工することができる。
特に、挟持手段をワークの両面から接触面が線形状となるように接触させることにより、加工作業中にワークを軸回りに回転させた場合でも、回転するテーブルから伝達される微振動の大半が挟持手段で吸収され、ワークに伝達される振動を大幅に抑制できる。結果として加工作業中の歪やビビリが抑制され、従来では加工ができなかった程度の薄さでのワークを加工することが可能となった。
なお、本明細書中において「接触面の形状が線形状」とは、接触面が四角形状である場合には接触面の長辺がワークの軸方向にのびる状態を指し、接触面が楕円形状である場合には接触面の長軸がワークの軸方向にのびる状態を指すものとする。

チャック装置を示す斜視図である 挟持状態を示す要部拡大図である 挟持手段の構造を示す縦断面図である 挟持手段を示す平面図である テーブルを示す平面図である テーブル及び回転駆動装置の構造を示す図５のＡ―Ａ線断面図である 挟持手段をテーブルに固定した状態を示す縦断面図である 第２接触手段がワーク内面に接触した状態を示す斜視図である チャック装置がワークを挟持した状態を示す縦断面図である 特許文献１のチャック装置を示す図である 特許文献１のチャック装置を示す図である 特許文献２の挟持装置を示す図である 特許文献２の挟持装置を示す図である

[第一の実施の形態]
本発明のチャック装置１０の第一の実施の形態について説明する。
図１〜図３に示すように、本実施の形態におけるチャック装置１０は挟持手段２０及びテーブル３０を備える。
挟持手段２０はワークＷの内外両面を挟持するための部材であり、第１接触手段４０、第２接触手段５０及び連結部６０から概略構成されている。第１接触手段４０及び第２接触手段５０は連結部６０に接合されており、これら第１接触手段４０、第２接触手段５０及び連結部６０によってワーク挟持用開口部２１が形成されている。
第１接触手段４０はワークＷの内外両面のうち一方の面（本実施の形態においては表面）に接触する部材であり、固定部４１、ボルト４２及びパッド４３から構成される。

固定部４１はほぼ直方体の金属部材であり、その前後方向に伸びるねじ穴４４を有している。ねじ穴４４内周面に形成された雌ねじ部にボルト４２の雄ねじ部が螺合することでボルト４２は固定部４１に軸回りに旋回自在に軸支され、固定部４１に対して相対的に軸方向に前後移動可能となっている。
パッド４３はその背面側においてボルト４２の先端に支持されており、支持された部分を中心に旋回自在な構造となっている。つまり、ボルト４２及びパッド４３がスイベル機構を構成しており、パッド４３の表面側においてワークＷの外面に接触することになる。なお、ワークＷが円筒形状の場合はパッド４３とワークＷの接触面は上下方向にのびる線形状になる。
また、固定部４１のねじ穴４４は後方から前方に向かって水平面Ｈに対して下方にθ＝５度程度傾斜するように形成されているため、ねじ穴４４に螺合するボルト４２もその先端側が水平面Ｈに対して５度程度傾斜することになる。これにより、詳しい説明は後述するが、挟持手段２０がワークＷを挟持した状態においてパッド４３の表面からワークＷに作用する圧力の作用方向がワークＷの回転軸Ｌに直交する平面（本実施の形態においては水平面Ｈ）に対してワークＷの加工基準位置側（本実施の形態においては下方）に傾斜することになる。

第２接触手段５０はワークＷの他方の面（本実施の形態においては内面）であって第１接触手段４０に対向する位置に接触する部材である。
具体的には第２接触手段５０はほぼ直方体の金属部材であり、その下部において連結部６０の後端に接合している。また、連結部６０の前端は第１接触手段４０に接合しているため、第１接触手段４０、第２接触手段５０及び連結部６０によって挟持手段２０が側面視ほぼコ字状になっている。これにより、第１接触手段４０と第２接触手段５０とがワークＷの外内各面であって対向する位置に接触する構造になっている。なお、第１接触手段４０、第２接触手段５０及び連結部６０を一体成形してもよい。
連結部６０の下面には、挟持手段２０をテーブル３０に固定するためのねじ穴６１が形成されている。
図４に示すように、第２接触手段５０の表面５１、すなわちワーク挟持用開口部２１を形成する面は平面視した場合に中央部側に盛り上がった円弧状となっている。ワークＷが円筒形状の場合、円弧状の表面５１の半径はワークＷの半径よりも小さいことが好ましく、これにより、円弧状の表面５１をワークＷの内面に接触させた際に、当該接触面を上下にのびる線形状にすることができるからである。

テーブル３０はその上面に複数の挟持手段２０を載置し、固定するための円形の部材である。テーブル３０の上面は水平になっており、ワークＷの回転軸Ｌに対して直交するようになっている。
図５及び図６に示すように、テーブル３０には上下方向に貫通すると共に径方向に所定の長さでのびる位置決め用開口３１が放射状に複数形成されている。そして、図７に示すように、位置決め用開口３１と連結部６０のねじ穴６１とを一致させた状態でテーブル３０の下方からワッシャーを介在させて挟持手段固定用ボルト３２を挿入することで、各挟持手段２０をテーブル３０の中心から半径方向に移動させ、位置を調節した状態でテーブル３０に固定する構造になっている。
また、テーブル３０の下部には回転駆動装置３３が取り付けられており、回転駆動装置３３を駆動させることでテーブル３０を回転軸Ｌ回りに回転させることが可能になっている。

つぎに、チャック装置１０の使用方法について説明する。
まず、各挟持手段２０をテーブル３０上に配置する。この状態では連結部６０のねじ穴６１とテーブル３０の位置決め用開口３１に挟持手段固定用ボルト３２を挿入するだけにとどめておき、挟持手段２０はテーブル３０に固定しない。
次に挟持手段２０のワーク挟持用開口部２１内にワークＷを挿入する。
次に各挟持手段２０をテーブル３０の径方向外側に移動させて、図８に示すように、第２接触手段５０の表面５１をワークＷの内面に接触させる。
次に各挟持手段２０のボルト４２を旋回させてパッド４３を前方に移動させ、ワークＷの表面に軽く接触させる。なお、この状態では挟持手段２０はワークＷを完全に挟持しているわけではない。
次に回転駆動装置３３を駆動させ、テーブル３０を回転させることでワークＷを回転軸Ｌ回りに回転させると共に挟持手段２０の位置を適宜調整することでワークＷの芯出し作業を行う。

ワークＷの芯出し作業が終了した後、挟持手段２０のボルト４２を更に前方に移動させてパッド４３を強くワークＷの表面に接触させてワークＷを完全に挟持する。
この状態では、パッド４３を介してワークＷの表面に作用する圧力の作用方向がワークＷの回転軸Ｌに直交する平面（水平面Ｈ）に対してワークＷの加工基準位置側に５度程度傾斜している。このようにすることで、ワークＷを挟持する際の圧力を受けてワークＷが加工基準位置から上方に浮き上がることを防止でき、ワークＷの加工精度を向上させることができる。
また、挟持手段２０がワークＷを完全に挟持した状態ではワークＷとパッド４３との接触面は上下方向にのびる線形状になっており、ワークＷと第２接触手段５０との接触面も上下方向にのびる線形状になっている。

そして、図９に示すように、テーブル３０の下面の挟持手段固定用ボルト３２を回して挟持手段２０を固定することでチャック作業が終了する。
次に、作業者はチャック装置１０を回転駆動装置３３から取り外し、切削等の各種加工装置の主軸台にセットし、ワークＷの加工を行う。
挟持手段２０が挟持手段固定用ボルト３２から受ける力の成分の大半は下向きの力であり、この下向きの力によって挟持手段２０はテーブル３０上面に押し付けられるようにして固定されるので、隣接する挟持手段２０の間でワークＷに過大な応力又は歪が発生することを防止できる。

ここで「ワークＷに過大な応力又は歪が発生する」場合について説明する。
例えば、挟持手段２０によるワークＷの挟持に不具合が生じた結果、挟持手段２０からワークＷに作用する外力のうちワークＷの径方向以外の方向に過大な外力成分が発生し、この影響を受けてワークＷの面内に過大な応力が生じ、結果としてワークＷに過大な歪が発生するケースが想定される。
挟持手段２０をテーブル３０に固定する際にワークＷに過大な応力又は歪が生じている場合、たとえワークＷの芯出し作業を行ったとしても、加工中にこの応力又は歪に起因したビビリ等の不具合が発生してしまい、加工が行えないか、あるいは加工精度が著しく低下するという問題がある。
換言すると、本実施の形態のチャック装置１０においてはテーブル３０の下面の挟持手段固定用ボルト３２を利用して下向きの力によって挟持手段２０をテーブル３０上面に押し付けるようにして固定するので、隣接する挟持手段２０の間でワークＷに過大な応力及び歪が発生することを防止できる構造になっている。
なお、挟持手段２０がワークＷを正確に挟持し、また、挟持手段２０をテーブル３０に正確に固定した場合であっても、当然のことながら挟持手段２０からワークＷに対してワークＷを歪ませるような外力がわずかに作用するが、この外力に起因して生じる応力又は歪は「過大な応力又は歪」には含まれないものとする。

以上のように、本実施の形態のチャック装置１０は複数の挟持手段２０によって円筒形状のワークＷの下部の周縁部の複数個所を挟持した状態でワークＷをテーブル３０に固定することで、ワークＷに生じる応力及び歪を最小限に抑えた状態で切削等の各種加工を行うことができるので、従来では困難であった、炭素鋼による直径２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、肉厚２ｍｍ程度の薄肉円筒の作製が可能となる。
特に、挟持手段２０がワークＷの外内両面に線形状で接触することにより、ワークＷを挟持する際にワークＷに作用する応力及びこれに起因した歪を最小限に抑制することができる。

なお、本実施の形態においては第１接触手段４０のボルト４２がワークＷの回転軸Ｌに直交する平面（水平面Ｈ）に対して下方に５度程度傾斜しているものとしたが、鋭角にワークＷの加工基準位置側に傾斜していればよい。
また、第１接触手段４０がボルト４２及びパッド４３からなるスイベル機構を有するものとしたが、これに限らず、ボルト４２の先端にシリコン樹脂等の弾性を有する部材を固着させ、この弾性部材でワークＷの表面に接触するものとしてもよい。
また、第１接触手段４０がワークＷの外面に接触し、第２接触手段５０がワークＷの内面に接触するものとしたが、第２接触手段５０がワークＷの外面に接触し、第１接触手段４０がワークＷの内面に接触する構造であってもよい。

また、挟持手段２０が挟持手段固定用ボルト３２によってテーブル３０上に固定されるものとしたが、他にも例えば挟持手段２０とテーブル３０の両者あるいは一方を磁性を有する部材で構成することで、磁力を利用して挟持手段２０をテーブル３０上に固定する構造であってもよい。
また、挟持手段２０の第１接触手段４０及び第２接触手段５０が連結部６０に接合する構成としたが、これに限らず、連結部６０を設けずに、第１接触手段４０及び第２接触手段５０を周知の締結具を用いてそれぞれ別体にテーブル３０に固定する構造であってもよい。
また、第１接触手段４０及び第２接触手段５０によるワークＷへの接触面が共に線形状であるとしたが、少なくともいずれか一方の接触面が線形状であればよく、例えばワークＷが断面四角形の筒形状であって、ボルト４２及びパッド４３からなるスイベル機構を利用してワークＷを挟持する場合には、ワークＷの内面に第２接触手段５０が接触することによる接触面は線形状になるが、ワークＷの外面にパッド４３が接触することによる接触面はほぼ円形状になる。

また、第１接触手段４０としてボルト４２及びパッド４３からなるスイベル機構を用いずに、固定部４１の表面をワークＷの表面に接触させる構造でもよい。この場合、いわゆるモンキレンチのようにウォームギアを用いて固定部４１を前後方向に移動可能な構造にすればよい。
また、本発明のチャック装置１０はマシニングセンタ、旋盤、フライス盤、ボール盤等の各種の工作機械において、切削、研削、研磨等を目的とする種々のワークＷを挟持して工作機械の加工ヘッドに取り付けるための装置として適用できる。
また、テーブル３０上に複数の挟持手段２０を直線状に並べるものとすれば板状部材の挟持及び加工も可能になる。
また、本発明のチャック装置１０は薄肉円筒形状のワークＷの加工が適しているが、厚肉でもよく、また断面が多角形状でもよい。

加工中の歪みやビビリを抑制することで薄肉のワークを加工できるチャック装置であり、産業上の利用可能性を有する。

Ｈ 水平面
Ｌ 回転軸
Ｗ ワーク
１０ チャック装置
２０ 挟持手段
２１ ワーク挟持用開口部
３０ テーブル
３１ 位置決め用開口
３２ 挟持手段固定用ボルト
３３ 回転駆動装置
４０ 第１接触手段
４１ 固定部
４２ ボルト
４３ パッド
４４ ねじ穴
５０ 第２接触手段
５１ 表面
６０ 連結部
６１ ねじ穴１

本発明のチャック装置は、中空状のワークの内外両面を挟持する３つ以上の挟持手段と、挟持手段を固定するテーブルとを備え、挟持手段がワークの内外両面のうち一方の面に接触する第１接触手段と、ワークの他方の面であって第１接触手段に対向する位置に接触する第２接触手段とを有し、各挟持手段がワークを挟持した状態において、第１接触手段からワークに作用する圧力の作用方向がワークの回転軸に直交する平面に対してワークの加工基準位置側に傾斜しており、且つ隣接する挟持手段の間でワークに過大な応力又は歪が発生しないように各挟持手段をテーブルに固定することを特徴とする。
また、各挟持手段がワークを挟持した状態において、第１接触手段とワークの接触面の形状及び第２接触手段とワークの接触面の形状のうち少なくとも一方の接触面の形状が線形状であることを特徴とする。
また、第１接触手段が固定部と、当該固定部に軸回りに旋回自在に軸支されるボルトと、当該ボルトの先端に支持されてワークに接触するパッドとを有し、ボルト及びパッドによりスイベル機構を構成していることを特徴とする。
また、各挟持手段がワークを挟持した状態において、第１接触手段からワークに作用する圧力の作用方向がワークの回転軸に直交する平面に対してワークの加工基準位置側に鋭角に傾斜していることを特徴とする。
また、ワークが薄肉円筒形状であることを特徴とする。

本発明は複数の挟持手段を用いて中空状のワークの複数個所を内外両面から挟持すると共に隣接する挟持手段の間でワークに過大な応力又は歪を生じさせないようにして各挟持手段をテーブルに固定することにより、ワークに生じる応力及び歪を最小限に抑えた状態で切削等の各種加工を行うことができる。これにより、従来のチャック装置を用いた金属加工では困難であった薄肉部材の加工を可能とした。
本発明のチャック装置を例えば切削加工に用いる場合、炭素鋼のワークを直径２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、肉厚２ｍｍ程度の薄肉円筒に加工することができる。
特に、挟持手段をワークの両面から接触面が線形状となるように接触させることにより、加工作業中にワークを軸回りに回転させた場合でも、回転するテーブルから伝達される微振動の大半が挟持手段で吸収され、ワークに伝達される振動を大幅に抑制できる。結果として加工作業中の歪やビビリが抑制され、従来では加工ができなかった程度の薄さでのワークを加工することが可能となった。
なお、本明細書中において「接触面の形状が線形状」とは、接触面が四角形状である場合には接触面の長辺がワークの軸方向にのびる状態を指し、接触面が楕円形状である場合には接触面の長軸がワークの軸方向にのびる状態を指すものとする。

Claims (5)

1. ワークの両面を挟持する３つ以上の挟持手段と、
   前記挟持手段を固定するテーブルとを備え、
   前記挟持手段がワークの両面のうち一方の面に接触する第１接触手段と、ワークの他方の面であって前記第１接触手段に対向する位置に接触する第２接触手段とを有し、
   前記各挟持手段がワークを挟持した状態において、前記第１接触手段からワークに作用する圧力の作用方向がワークの回転軸に直交する平面に対してワークの加工基準位置側に傾斜しており、且つ隣接する挟持手段の間でワークに過大な応力又は歪が発生しないように各挟持手段を前記テーブルに固定することを特徴とするチャック装置。
2. 前記各挟持手段がワークを挟持した状態において、前記第１接触手段とワークの接触面の形状及び前記第２接触手段とワークの接触面の形状のうち少なくとも一方の接触面の形状が線形状であることを特徴とする請求項１に記載のチャック装置。
3. 前記第１接触手段が固定部と、当該固定部に軸回りに旋回自在に軸支されるボルトと、当該ボルトの先端に支持されてワークに接触するパッドとを有し、前記ボルト及びパッドによりスイベル機構を構成していることを特徴とする請求項１又は２に記載のチャック装置。
4. 前記各挟持手段がワークを挟持した状態において、前記第１接触手段からワークに作用する圧力の作用方向がワークの回転軸に直交する平面に対してワークの加工基準位置側に鋭角に傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のチャック装置。
5. 前記ワークが薄肉円筒形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のチャック装置。
   
   
   

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