JP2012240162A

JP2012240162A - クイックチェンジャ装置

Info

Publication number: JP2012240162A
Application number: JP2011113109A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Ono; 伸一郎大野; Kazushi Amaike; 一志天池
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】簡単な構造でボールと球面穴との遊隙を防止し、加工しやすく、精度を確保できるシャンクを用いたクイックチェンジャ装置を提供
【解決手段】クイックチェンジャ３の工具取付穴５の軸直角方向に進退可能にされたボール９を進退させるホルダー１０と、ボールを軸心側に付勢するバネ１１と、を有し、シャンク部４の外周４ｂには周方向に等分に配設された球面穴１２を設ける。球面穴径をボール径マイナス２０μmより小さく、ボール径マイナス０．２ｍｍ以上とし、球面穴の最小深さをボール半径の０．５倍以下０．２倍以上とし、球面穴の断面鈍角の縁部１３にボールをバネに付勢させて接触嵌合させシャンク部を工具取付穴に固定する。球面穴の加工をボールエンドミルで行い、球面穴の縁部は、穴加工後面取りすることなくショットブラスト加工でバリ取りする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸先端に取付けられたクイックチェンジャの取付穴に、周方向に等分に設けられた係止凹部を有する工具のシャンクを挿入し、取付穴に出入り可能にされたボールを係止凹部へ付勢して、係止させ工具のシャンク部を取付穴に固定するクイックチェンジャ装置に関する。

従来、ドリル、ドライバ、面取りカッタ、環状カッタ等の棒状工具を素早く交換できるように、クイックチェンジャが知られている。特許文献１のものでは、電動ドリルやボール盤等の穿孔装置に装着されるクイックチェンジャ(アーバー)の取付穴へのシャンク挿入時には、シャンク側へ半突出状態となっており、スリーブを操作することによりシャンク側へ没入可能にされたボールを設ける。このボールをシャンク側の球面状の係合穴に嵌合させることにより、シャンク部をクイックチェンジャに固定している。さらに、係合穴に連接してボールが通過可能な通過凹部を設けて、通過凹部のないシャンクは挿入できないようにしている。特許文献１の図６ａには、係止穴（球面穴）周囲を軸端まで面取りしたもの、図６ｂには係止穴の半分から先端にかけて小径部分を設けたものが開示されている。

また、特許文献２のものでは、係止穴外縁部にボールが接触しないように、球面状穴又はすり鉢状穴(円錐状の凹部)の外縁部より深い面でボールが接触するようにしている。また、軸方向に位置決めをすることにより、ボールを接触部に片当たりさせて、周方向・軸方向の遊動をなくしている。さらに、図１０乃至１２及び説明において、プレスにて凹部を形成し、外縁部がラウンド状の面取りが形成された形状になっているものが開示されている。また、プレス凹部の曲率は球体（ボール）の曲率とほぼ等しく、深さは球面の半径の０．４〜１．０倍と記載されている。

特許第２５５８０５４号公報特許第３６０９０５４号公報

しかし、特許文献１のものでは、係止凹部及びボールの記載はあるが、具体的なボール径と係止凹部との関係、接触状況についての記載はない。また、係止凹部の形状について、それが球面、断面楕円、断面双曲線であるか等の開示も特にない。また、球面穴とした場合、特許文献１の図６のｂでは、係止穴の半分から先端にかけて小径部分が設けられているので、ボールは係止穴内面で接触していると理解される。何となれば、ボールが係止穴縁部で接触するようにした場合には、係止穴の高さが異なる縁部にボールが同時に接触しなければならないという不合理があるからである。よって、係止穴を球面穴とした場合、ボール径は球面穴径以下と想像される。かかる場合は、球面穴加工公差等を考慮するとボール径が球面穴径より小さいので、微少遊隙が発生する場合がある。かかる場合には、シャンクが微動して、工具がゆるんだり、球面穴が破壊されたりするという問題がある。

そこで、特許文献２では、係止穴凹部の外周縁より奥の(深い)円すい面又は曲面でボールを当接させ、遊隙を少なくしている。さらに、軸方向に偏らせて取付け、遊隙を防止している。このため構造が複雑になるという問題があった。また、特許文献２のものでは係止凹部は双曲線断面、楕円断面、円すい面であり、球面（真球面）ではない。従って、加工精度を上げることが困難で、また、加工もしにくいという問題があった。また、プレス凹部の曲率はボールの曲率とほぼ等しくとあるのみで、具体的な大きさにはふれていない。深さについても範囲の記載はあるがその理由は定かでない。また、前述したように係止穴凹部の縁部より内側で接触するので球面（真球面）ではない。

かかる問題点に鑑みて、本発明の課題は、簡単な構造でボールと球面穴との遊隙を防止したクイックチェンジャ装置を提供することである。また、加工しやすく、精度を確保できるシャンクを用いたクイックチェンジャ装置を提供することである。

本発明においては、回転軸に装着可能にされたクイックチェンジャと、前記クイックチェンジャの工具取付穴にシャンク部が挿入される棒状工具と、を有するクイックチェンジャ装置において、前記クイックチェンジャは前記工具取付穴の軸直角方向に進退可能にされたボールと、前記ボールを進退させるホルダーと、前記ボールを軸心側に付勢するバネと、を有し、前記シャンク部の外周には周方向に等分に配設された球面穴が設けられており前記球面穴径が前記ボール径マイナス２０μmより小さく、かつ前記ボール径マイナス０．２ｍｍ以上であり、前記球面穴の最小深さが前記ボール半径の０．５倍以下０．２倍以上とされ、前記球面穴の断面鈍角の縁部に前記ボールが前記バネに付勢され接触嵌合することにより、前記シャンク部が前記工具取付穴に固定するようにされたクイックチェンジャ装置を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、本発明においては、ボールを係止するための係止凹部の形状を球面とし、その球面穴の外周縁部にボールを接触嵌合（係止）させるようにしたのである。ボール径に対し、球面穴の径をボール径よりマイナス、即ち小さくしたので、ボールは球面穴内には没入できず、球面穴の縁部に着座する。ボール径をマイナス２０μｍとしているので、公差を考慮してもボール径より球面穴径が大きくなることはないので、確実に穴の縁部にボールが着座する。一方、球面穴が開けられたシャンクは円筒状なので、球面穴径を小さくすると、ボールの引っかかりが小さくなる。また、着座の安定性が減少する。そこで、できる限り球面穴径はボール径に近い方がよいが、径で最大０．２ｍｍ以下である。なお、この値はボールエンドミル等で加工する場合に標準サイズのものが使用できるというメリットがある。

さらに、球面穴深さが深すぎるとボールとの接触部の断面形状が直角に近くなり、縁部の強度が下がり、摩耗や、変形を起こしやすくなる。一方、球面穴深さが浅すぎると引っかかりがなくなり、容易にボールが球面穴より離脱してしまう。そこで、球面穴の最小深さをボール半径の０．５倍以下０．２倍以上とする。これにより、球面穴縁部の断面形状を鈍角にして強度を確保すると共に、ボールを確実に係止する。また、球面穴とボール径との差が小さいので棒状工具側の減肉も少なく強度も確保できる。

また、請求項２に記載の発明においては、棒状部材の前記球面穴の加工はボールエンドミルを用いて行い、前記球面穴の縁部は、穴加工後面取りすることなくショットブラスト加工でバリ取りをするようにした。ボールエンドミルを用いるので球面穴を容易に加工できる。さらに、縁部は面取りがないのでボールが線接触する。

本発明においては、ボールを係止するための係止凹部の形状を球面とし、その球面穴の外周縁部にボールを接触嵌合（係止）させ、球面穴径をボール径マイナス２０μmより小さく、かつボール径マイナス０．２ｍｍ以上とし、確実に穴の縁部にボールを着座させ、かつボールの引っかかりを大きくし、着座の安定性を増した。さらに、球面穴の最小深さをボール半径の０．５倍以下０．２倍以上とし、球面穴縁部の断面形状を鈍角にして強度を確保し、ボールを確実に係止し、棒状工具側の減肉も少なく強度も確保でき、球面穴の外周部にボールを着座させるという簡単な構造でボールと球面穴との遊隙を防止したクイックチェンジャ装置を提供するものとなった。また、摩耗や変形に強いので工具のゆるみや、振動の発生が少なくなり工具寿命も延び、工具交換の頻度も少なくなった。

また、請求項２に記載の発明においては、球面穴の加工はボールエンドミルを用い球面穴を容易に加工できるので、加工しやすく、容易に精度を確保できるものとなった。また、球面穴径をボール径マイナス２０μmより小さく、かつボール径マイナス０．２ｍｍ以上としたので、標準サイズのボールエンドミルが使用でき、製造コストアップが少ない。また、寸法誤差を吸収でき、管理も容易である。縁部は面取りがなくボールが線接触するので、ボールが確実に係止される。

本発明の実施の形態を示すクイックチェンジャ装置の部分断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。本発明及び比較例を示すトルクレンチテスト結果の破壊トルク値及び破壊状況を示す写真である。本発明及び比較例を示すドリル穴明け加工後の状況を示す写真である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１、２に示すように、本発明の実施の形態であるクイックチェンジャ装置１は、棒状工具２としてドリル（２）を使用したものである。図示しない手持ち式電動ドリル本体やエアードリル本体の回転軸にクイックチェンジャ３が装着されている。なお、クイックチェンジャは従来の一般的なものと同様であるので主要部のみを示し、説明の一部を省略する。クイックチェンジャ３の本体３ａにはドリルのシャンク部４が挿入される工具取付穴５が軸方向に設けられている。工具取付穴の底部にはスプリング６で付勢された支承部材７が設けられ、シャンク部先端４ａが当接するようにされている。工具取付穴５の内周方向に沿ってボール穴８が等分に３カ所明けられ、ボール９が工具取付穴５内に向かって（軸直角方向に）出入り（進退）可能にされている。ボール穴の内面側にはボール径より若干小さい内径を持つ鍔（爪でもよい）８ａが設けられ、ボールが脱落しないようにされている。

クイックチェンジャ３の外周にはホルダー１０が軸方向に移動可能に設けられている。さらに、ホルダー１０の後端にはバネ１１が設けられホルダーを先端方向（工具取付穴開口側方向）に付勢している。ホルダーの内周面は、先端側より大径部１０ａ、傾斜部１０ｂ、小径部１０ｃが設けられている。大径部の先端は閉塞されている。大径部１０ａではボール９が工具取付穴５の内周面より外側に後退できる寸法とされ、小径部１０ｃでは、ボール９が所定量工具取付穴５の内周面より突出するようにされる。傾斜部１０ｂは大径部と小径部とをテーパ状に接続している。ホルダー１０の移動により、ボール９がボール穴８内をスムースに移動できるようにされている。また、バネ１１によりホルダー１０を先端側に付勢することにより、ボール９を軸心側に押しつけるようにされる。

ドリル２のシャンク部４の外周には外周より小径のシャンク小径部４ｂが設けられ、シャンク小径部の周方向に等分に球面穴１２が６カ所設けられている。シャンク部４の外径はφ７．６７１ｍｍである。シャンク小径部４ｂの外径はφ７．２９０ｍｍ、片側で約０．２ｍｍの段差が設けられている。ボール９の径はφ３．１７５ｍｍ（１／８インチ球）であり、球面穴１２の径はφ３ｍｍである。球面穴径はボール径より０．１７５ｍｍ（片側で約０．０９）小さい。また、公差を含めると球面穴の最小深さは０．６ｍｍ〜０．４５ｍｍであり、ボール半径の３８％〜２８％である。

シャンク部４の球面穴１２の加工はφ３ｍｍのボールエンドミルにて加工する。加工時の振れや公差を考慮すると実球面穴径はφ３〜φ３．０４ｍｍ程度となる。ボールエンドミルは標準では直径で０．２ｍｍの跳びで市販されており、φ３ｍｍの標準のボールエンドミルを使用できる。球面穴の縁部１３は、穴加工後面取りすることなくショットブラスト加工でバリ取りがされており、ショットブラストによる縁部のだれ（まるみ又は変形等）はせいぜい２〜１５μｍ程度である。なお、使用により縁部のだれは増加する。

かかる構成のクイックチェンジャ装置１においては、ホルダー１０をバネ１１に抗して反工具側に移動させボール９をフリー状態にする。次にドリルシャンク４を取付穴５に挿入し、シャンク部先端４ａの外周部で、フリー状態のボールを押し上げる。ホルダーを自由状態にして、ボール９をバネ１１で付勢した状態で、シャンク部４を微少回転させながら押し込む。押し込みにより球面穴１２の縁部１３にボールが係止し、シャンク部がボールにより固定される。このとき、シャンク先端４ａはスプリング６に付勢された支承部材７に突き当たり軸方向に固定される。これにより、クイックチェンジャ３にドリル２が取り付けられる。

ドリル２を外す時は、ホルダー１０をバネ１１に抗して反ドリル側方向に押し上げ、ボール９をフリー状態にして、シャンク部４を引き抜くことで行う。なお、これらのドリルの取付け、取り外しは従来のものと同様である。また、本実施の形態では、軸方向にホルダーを移動させているが、前述した従来例のように回転方向でボールを送り出してもよいことはいうまでもない。

次に、本実施の形態について、保持力の強さについて測定した。クイックチェンジャ装置を固定して、ドリル側をトルクレンチで回転させ、ドリルが回転するとき（取付部が破壊するとき）のトルク値を測定した。比較例として、φ３．２ｍｍのボールエンドミルを用いてボール径よりわずか２５μｍ大きな球面穴を開けた場合について実験した。なお、球面穴のシャンク部材質はＳＫＣ３（工具綱）、表面硬さ４０〜４５ＨＲＣである。

その結果を図３に示す。図３に示す本発明のφ３球面穴の破壊トルクは２３０ｉｎ・ｌｂ（インチポンド）であった。また、比較例１のφ３．２球面穴の破壊トルクは２１５ｉｎ・ｌｂ（インチポンド）であり、本発明より１０％程度劣る。破壊状況については両者とも同様であった。ボール径に対し、本発明は直径でマイナス０．１７５ｍｍ異なるのに対し、比較例１ではわずかプラス０．０２５ｍｍ異なるだけであり、寸法的には比較例１の方が安定すると思われたのに対し、実験では本発明の方が良好な結果を得た。

次に、実際のドリル加工を行った。手持電動ドリルの先端にクイックチェンジャ装置を設け、φ１２．５２７３ｍｍの段付きドリル（シャンク部は前述したと同じである）を用いてＣＦＲＰ材の穴明け加工を手持ちで行った。その結果を図４に示す。本発明では１００穴加工後であっても図４に示すように球面穴の変形があるもののボールの離脱までには至っておらず、さらに使用が可能であった。しかし、比較例１の球面穴では、５０穴加工後に図４に示すようなすべりが見られ、保持力が低下し、使用が困難であった。さらに、比較例２として、φ２．７９４ｍｍのドリル穴を軸直角方向に開けた場合について同様な作業を行った。なお、ドリル穴の工具のシャンク部材質はＳＣＭ４３（浸炭材）、表面硬さ３８〜４０ＨＲＣである。その結果は、図４に示すように、１〜１０穴程度で破損し、使用に耐えなかった。トルクレンチによる破壊トルク値としては５０〜６０ｉｎ・ｌｂと見られる。

このように、本発明によれば、ボールを係止する係止穴形状を球面穴とし、さらに、穴縁部でボールを支持するようにしたので、ボールを安定して係止し、さらに、単にドリル穴で凹部を形成するよりは、穴縁部強度が高く、シャンク側の減肉も少なく強度も強いものとなった。また、振動が多い手持ち工具に有用なものとなった。また、単にボールを穴縁で係止するのみでは係止強度を確保することが困難であり、本発明のように、ボール径に近い球面穴とし、かつ球面穴縁でボールを係止させることにより、安定で強度の高いクイックチェンジャ装置とすることができることを確認できた。

なお、本発明の実施の形態においては、ドリルは段付きのシャンク一体型のソリッドタイプとしたが、ストレートドリルや、刃部とシャンク部とを別体で製作しねじや溶接等で一体としたものでもよい。また、ドリルに限らず、種々のシャンク部を有する棒状工具等に適用できる。また、本発明を適用するシャンク外径はφ５〜φ１０ｍｍ、好ましくはφ６〜φ８が適当である。また、シャンク小径部は球面穴縁部のかえりや変形の影響を避けるために設けている。かかる点は従来と同様である。また、ボール３個に対し、球面穴を６個としているがこれは、球面穴の６個中３個を用い、用いた球面穴が変形等した場合残りの３個を用いることによって使用回数を増すためのものである。また、ボール及び球面穴は本発明の個数に関わらず適宜選択できる等はいうまでもない。

、
１クイックチェンジャ装置
２棒状工具(ドリル)
３クイックチェンジャ
４シャンク部
５工具取付穴
９ボール
１０ホルダー
１１バネ
１２球面穴
１３縁部

Claims

回転軸に装着可能にされたクイックチェンジャと、前記クイックチェンジャの工具取付穴にシャンク部が挿入される棒状工具と、を有するクイックチェンジャ装置において、前記クイックチェンジャは前記工具取付穴の軸直角方向に進退可能にされたボールと、前記ボールを進退させるホルダーと、前記ボールを軸心側に付勢するバネと、を有し、前記シャンク部の外周には周方向に等分に配設された球面穴が設けられており前記球面穴径が前記ボール径マイナス２０μmより小さく、かつ前記ボール径マイナス０．２ｍｍ以上であり、前記球面穴の最小深さが前記ボール半径の０．５倍以下０．２倍以上とされ、前記球面穴の断面鈍角の縁部に前記ボールが前記バネに付勢され接触嵌合することにより、前記シャンク部が前記工具取付穴に固定するようにされていることを特徴とするクイックチェンジャ装置。
前記球面穴の加工はボールエンドミルを用いて行われ、前記球面穴の縁部は、穴加工後面取りすることなくショットブラスト加工でバリ取りがされていることを特徴とする請求項１記載のクイックチェンジャ装置。