JP2014193508A

JP2014193508A - 工具ホルダおよび工作機

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Publication number: JP2014193508A
Application number: JP2013070980A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Fukuoka; 信彦福岡; Shinya Sekiyama; 伸哉関山; Takumi Ogasawara; 琢己小笠原; Takumi Ohashi; 匠大橋
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP5961577B2

Abstract

【課題】加工中の振動により工具ホルダにびびり振動等が発生して高能率あるいは高精度な加工ができない。
【解決手段】工具を保持するとともに、工作機の主軸に着脱自在に装着される工具ホルダに、この工具ホルダの回転軸の外部に備えられた嵌合ピンと、工作機の主軸の近傍に固定された工作機側嵌合部と、前記工作機の主軸に接続される第一回転軸と、前記第一回転軸の動力を伝達する伝達機構と、前記伝達機構により前記嵌合ピンを上下動する機構を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転防止装置を有する工具ホルダおよびそれを具備する工作機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平９−２４８７２９号公報（特許文献１）がある。この公報には、「ホルダ側嵌合部の回転を禁止し、嵌合ピンを工作機械側嵌合部に嵌合させたときに該嵌合ピンが移動すると、これに応答して該ホルダ側嵌合部の回転の禁止を解除する回転禁止手段とを備え、嵌合いピンは、複数のスリットを形成した円筒コレットと、この円筒コレットの内側に配されたスリーブとを備え、円筒コレットを工作機側嵌合部に嵌合させると、円筒コレットおよびスリーブの一方が工作機側嵌合部に突き押されて移動し、このスリーブによって円筒コレットが押し広げられる工具ホルダの位置決め装置」と記載されている。

特開平９−２４８７２９号公報

前述した特許文献１の構成では、嵌合ピンを工作機側嵌合部に嵌合させると、嵌合ピンに備えられた円筒コレットが押し広げられて工作機側嵌合部に固定される。しかし、加工中には振動が発生し、特に溝加工のような高負荷な加工では加工中の振動が大きくなる。したがって特許文献１の構成であっても、この加工中の振動により工作機側嵌合部と嵌合ピンに緩みを生じる場合がある。回転防止装置に緩みを生じると、びびり振動等が発生して加工精度が低下する。また、高能率条件では振動が大きくなるため加工能率の低い条件で加工する必要があり、生産性を高くできない問題がある。

本発明の目的は、高負荷な加工の振動等でも嵌合部の緩みが抑制できる工具ホルダの回転防止装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一例は、工具を保持するとともに、工作機の主軸に着脱自在に装着される工具ホルダに、この工具ホルダの回転軸の外部に備えられた嵌合ピンと、工作機の主軸の近傍に固定された工作機側嵌合部と、前記工作機の主軸に接続される第一回転軸と、前記第一回転軸の動力を伝達する伝達機構と、前記伝達機構により前記嵌合ピンを上下動する機構を備えることを特徴とする。

本発明によれば、高負荷な加工においても、工具ホルダが高剛性な回転防止装置を備えるため、びびり振動を抑制して面精度の高い加工や高能率の加工が可能となる。

本発明の他の手段や効果は、以下明細書全体において明らかになるであろう。

回転防止装置を備えた工具ホルダの側面図である。回転防止装置を備えた工具ホルダを工作械の主軸に取付ける直前の状態を示す側面図である。回転防止装置を備えた工具ホルダを工作機の主軸に取付けた直後の状態を示す側面図である。回転防止装置を備えた工具ホルダの嵌合ピンの押しつけを工作機側の嵌合部から解除した状態を示す側面図である。従来の回転防止装置を備えた工具ホルダと、本発明の回転防止装置構造を備えた工具ホルダを工作機主軸に装着した際の動剛性測定結果である。主軸の動力をスリップクラッチを備えた伝達機構により嵌合ピンを駆動する回転防止装置を備えた工具ホルダの側面図である。主軸の動力をスリップクラッチを備えた伝達機構により嵌合ピンを駆動する回転防止装置を備えた工具ホルダを工作機の主軸に取り付けた直後の状態を示す側面図である。回転防止装置を備えた工具ホルダを用いて加工した製品例である内歯車の概略図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、主軸の動力を伝達機構を介して嵌合ピンに伝達し、工作機側嵌合部に嵌合ピンを押し付ける工具ホルダの回転防止装置について、本回転防止装置を有する工具ホルダの例を説明する。工作機の主軸に対して、それと直交する方向に回転させる構造の工具ホルダの一例である。
図１は、本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダの側面図である。

工具ホルダの第一回転軸１は上部非回転部材２と下部非回転部材３とケーシング４にベアリング５と６および７を介して回転可能に支持されている。嵌合ピン８が工作機側嵌合部４３に嵌合されているため、第一回転軸1が回転した際に、上部非回転部材２と下部非回転部材３およびケーシング４の回転が防止される。

工作機４０の主軸４１に装着された第一回転軸１の動力は、かさ歯車等の第一回転軸動力伝達機構９から、かさ歯車等の第二回転軸動力伝達機構１１を介して第一回転軸１に対して直交して配置された第二回転軸１０に伝わる。第二回転軸１０はベアリング１２，１３で支持されるため、これにより、第二回転軸１１にチャック１４を介して取り付けられた工具１５が回転され加工が可能となる。なお１７，１９もベアリングである。

また、第一回転軸１の動力は、外歯歯車等の第一回転軸第二動力伝達機構１６から第一動力伝達機構１８と第二動力伝達機構２０と第三下部動力伝達機構２１に伝わる。第一動力伝達機構１８と第二動力伝達機構２０および第三下部動力伝達機構２１も外歯歯車等から構成される。

第三下部動力伝達機構２１はスリップクラッチ２１ａを備えており、スリップクラッチ２１ａを介して第三上部動力伝達機構２２に動力が伝わる。スリップクラッチ２１ａは、一方向の動力を設定されたトルクまで伝達し、トルク限界値を超えると動力が伝達しなくなり、逆方向の動力については伝達するものである。

第三上部伝達機構２２の内径と、これに対応する嵌合ピン８の外周には、ねじ８ａおよび２２ａが形成されている。また、嵌合ピン８にはリニアボールベアリング２３，２４および２５に対応する位置に溝８ｂが形成されている。これにより、第三上部動力伝達機構２２が回転すると内径のねじ２２ａに合わせて嵌合ピン８が上下方向に移動する。
工具１５が加工可能となる工作機の主軸４１の回転方向（以後、正回転と称する）に合わせて嵌合ピン８が上方に移動する構成とすることで、第一回転軸１の動力により嵌合ピン８を上部に移動させて工作機側嵌合部４３に押しつけることができる。押しつけ力が大きくなり第三下部伝達機構２１のスリップクラッチ２１ａのトルク限界値を超えると、第三下部伝達機構２１から第三上部伝達機構２２に動力が伝わらなくなる。したがって、嵌合ピン８の工作機側嵌合部４３の押しつけ力をスリップクラッチ２１ａのトルク限界値で制御することが可能となり、トルク限界値の調整により嵌合部は強固に接合できる。これにより溝加工のような高負荷な加工においても、嵌合ピン８と工作機械側嵌合部４３および嵌合ピン８を強固に押し付ける機構からなる回転防止装置により、びびり振動等が抑制され高精度な加工や高能率の加工が可能となる。

例えば、縦型旋盤であるターニングセンタの主軸に、それと直交する方向に回転させる構造の工具ホルダを取付けて、工具にエンドミルを用いて工具ホルダを上下方向に動かして溝加工した場合では、エンドミル加工は断続加工のため加工中に振動を生じやすく、ばね荷重により嵌合ピンを抑える回転防止装置や、コレットを用いて固定した構造の回転防止装置においても嵌合部に緩みを生じて工具ホルダの剛性が低下する場合がある。これに対して、本発明の第一回転軸の動力により嵌合ピンを工作機側嵌合部に押しつける構造の回転防止装置では、強固に嵌合ピンが押しつけられるため、工具ホルダの剛性が高くでき、加工中の振動による回転防止装置嵌合部の緩みを抑制できる。したがって、本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダをターニングセンタに装着して、高負荷な溝加工等を高効率に行うことができる。

なお、ここでは、工作機の主軸に直交する方向に回転させる構造の工具ホルダの例にあげたが、本回転防止装置は、主軸に対して工具の回転軸を直交以外傾ける工具ホルダや、主軸と同じ方向に工具を装着して回転数を増加させる増速型の工具ホルダ等にも用いることができる。

また、第一回転軸１から嵌合ピン８への動力の伝達には、外歯歯車等から複数の伝達機構を用いたが、同様の効果が得られれば、伝達機構の構成要素数に限定はない。また、伝達機構として、歯車の例を示したが、同様の効果が得られればチェーンやベルト等による伝達機構を採用しても問題はない。

また、嵌め合いピン８は、リニアボールベアリング２４、２５に対応する位置に溝２８ａが形成して回転を防止したが、嵌合ピン８の内部にスプライン溝等を形成し嵌合部蓋２６にスプライン軸を固定して、嵌合ピン８の内部に回転防止機構を設けても構わない。

次に、本発明の回転防止装置を備える工具ホルダの工作機の主軸への取付けと取り外す工程について説明する。

図２は、本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダを工作機の主軸に取付ける直前の状態を示す側面図である。

第一回転軸１の第一回転軸窪み部１ａ付近をＡＴＣアームで保持し、工作機械の主軸４１に挿入している途中の状態である。この状態では、回転軸ロック機構２７が、ばね２９により支持棒２８と嵌合ピン８の外形に沿って持ち上げられ、回転軸ロック機構２７の一部が第一回転軸第二切り欠き部１ｃに挿入されている（図中Ａ）。これにより、第一回転軸１は、第一回転軸第一切り欠き部１ｂが工作機主軸突起部４２に対応した位置でロックされている。

図３は、本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダを工作機の主軸に取付けた直後の状態を示す側面図である。

第一回転軸１が工作機の主軸４１に挿入され、第一回転軸１の上部のプルボルトが工作機に引っ張られ、第一回転軸１と工作機械４０の主軸４１のテーパ部が接触した状態で固定される。その際、第一回転軸第一切り欠き部１ｂに工作機主軸突起部４２の一部が挿入される。また、嵌合ピン８の先端のテーパ部が、工作機側嵌合部４３のテーパ部に挿入される。また工作機械側嵌合部４３により回転軸ロック機構２７が押されて支持棒２８および嵌合ピン８に沿って下方向に移動し、第一回転軸第二切り欠き部１ｃから回転軸ロック機構２７が外れた状態となる（図中Ｂ）。これにより、第一回転軸１はロックが外れて回転可能となる。

次に嵌合ピン８を工作機側嵌合部４３に押し付けた状態とする。この状態は図１と同じであるため、図１を用いて簡単に説明する。

第一回転軸１を正回転すると、第一回転軸第二動力伝達機構１６から第一動力伝達機構１７と第二動力伝達機構２０を介して第三下部動力伝達機構２１に動力が伝わる。そして、第三下部動力伝達機構２１からスリップクラッチ２１ａを介して第三上部動力伝達機構２２に動力が伝わり、第三上部動力伝達機構２２の回転により嵌合ピン８が上方に移動して工作機側嵌合部４３へ押しつけられる。その後、嵌合ピン８の押しつけ力が強くなり、スリップクラッチ２１ａのトルク限界値を超えると第三下部動力伝達機構２１から第三上部動力伝達機構２２へ動力が伝達されなくなる。これにより、嵌合ピン８の工作機側嵌合部４３への押しつけ力は、スリップクラッチ２１ａのトルク限界値で制御され、加工中は常に主軸は正回転するため、嵌合ピン８は工作機械側嵌合部４３に対して一定のトルクで安定して押しつけられた状態となる。

図４は、本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダの嵌合ピンの押しつけを工作機側嵌合部から解除した状態を示す側面図である。

第一回転軸１を逆回転すると、第一回転軸第二動力伝達機構１６から第一動力伝達機構１７と第二動力伝達機構２０と第三下部動力伝達機構２１およびスリップクラッチ２１ａを介して第三上部動力伝達機構２２に動力が伝わり、嵌合ピン８が下方に移動する。嵌合ピン８の押しつけ解除の際は、嵌合ピン８が下がり過ぎないように、工作機４０の主軸４1の逆回転の回数をＮＣプログラムで制御する。

その後、工作機４０の主軸４１をオリエンテーションにより工作機４０の決められた方向に回転させてから、ＡＴＣのアームにより第一回転軸凹部１ａ付近を保持して取り外しを行う。

図５は、従来のばね荷重により嵌合ピンを押しつける回転防止装置を備えた工具ホルダと、本発明の回転防止装置構造を備えた工具ホルダを工作機主軸に装着した際の動剛性測定結果である。

動剛性は、工具にφ１６ｍｍエンドミルを用いて、工具に加速度ピックアップを取付け、インパルスハンマで加振して測定した。なお、本発明の回転防止装置では、一例として直径φ２８ｍｍの嵌合ピンにＭ２７ｍｍのねじを形成し、トルク限界値が２５Ｎ・ｍのスリップクラッチを用いた。工作機械の主軸に取り付けて、嵌合ピンを主軸の動力により工作機側嵌合部に押しつけた後、工具の回転を停止して動剛性を測定した。また、従来のばね荷重により嵌合ピンを押しつける回転防止装置を備えた工具ホルダの嵌合ピンも同じ直径（φ２８ｍｍ）とした。

図５では、従来のばね荷重により嵌合ピンを押しつける回転防止装置を備えた工具ホルダに比べて、主軸動力の伝達により嵌合ピンを押しつける本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダの方が動剛性が約２倍程度大きいことが分かる。なお、図５では、従来の回転防止装置を備えた工具ホルダの動剛性を１.０として、規格化して表示している。

この状態において、回転数を一定として送りを増加させてびびり振動が発生する限界の送り速度を確認したところ、従来の回転防止装置を備えた工具ホルダに比べて、主軸動力伝達により嵌合ピンを押しつける本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダでは、約６倍の送り速度までびびり振動が抑制できることを確認した。

また、従来の回転防止装置を備えた工具ホルダにおいて、びびり振動を発生しない加工条件で、本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダを用いて加工した面の表面粗さを比較すると、表面粗さは算術平均粗さＲａにおいて、約１０％程度小さくなることを確認した。

したがって、主軸動力を伝達して嵌合ピンを押しつける本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダを用いることで、従来の回転防止装置を備えた工具ホルダに比べて剛性が高いため高品質な加工面が得られる。また送り速度を高く設定することができるため高効率な加工も実現できる。

本実施例では、主軸の動力をスリップクラッチを備えた伝達機構により嵌合ピンを回転させ、嵌合ピン先端部のねじを工作機側嵌合部のねじに結合する回転防止装置について、本回転防止装置を備えた工具ホルダの例を説明する。

図６は、本発明の主軸の動力をスリップクラッチを備えた伝達機構により嵌合ピンを駆動する回転防止装置を備えた工具ホルダの側面図である。

主軸の回転を嵌合ピンに伝達する機構と、嵌合ピンの先端部および工作機側嵌合部にねじを設けたこと以外の基本構成は実施例１と同じであり、同一の機能を有する箇所については、説明を省略する。

第一回転軸１の動力は、外歯歯車等の第一回転軸第二動力伝達機構６から、第一動力伝達機構７と第二動力伝達機構２０と第三動力伝達機構２１に伝達される。なお、第一回転軸第二動力伝達機構１６と第一動力伝達機構１７と第二動力伝達機構２０および第三動力伝達機構２１は外歯歯車等から構成される。

第三動力伝達機構２１は内部にスリップクラッチ２１ａを備えており、スリップクラッチ２１ａを介して嵌合ピン８に動力が伝わり連れ回りする。スリップクラッチ２１ａは、一方向の動力を設定されたトルクまで伝達し、トルク限界値を超えると動力の伝達されなくなり、逆方向の動力については伝達するものである。

嵌合ピン８の上部と工作機側嵌合部４３には、相互に噛み合うねじ８ｃおよび４３ｃが形成されている。回転軸１の動力により嵌合ピン８のねじ８ｃが工作機側嵌合部４３ｃにかみ合い、嵌合ピン８が上方に移動して、その後、工作機側嵌合部４３の上面４３ｂに嵌合ピン８の上部が到達する。その後、スリップクラッチ２１ａのトルク限界値より大きくなると、第三動力伝達機構２１から嵌合ピン８に動力が伝わらなくなり、嵌合ピン８と工作機側嵌合部４３は接合された状態で維持される。

これにより、嵌合ピン８と工作機側嵌合部４３および嵌合ピン８に主軸の動力を伝達する機構からなる回転防止装置では、嵌合ピン５８は工作機嵌合部４３に対して、ねじにより結合できるため、嵌合部に高い剛性が得られる。

図７は、本発明の主軸の動力をスリップクラッチを備えた伝達機構により嵌合ピンを駆動する回転防止装置を備えた工具ホルダを工作機の主軸に取り付けた直後の状態を示す側面図である。

この状態では、工作機側嵌合部４３に回転軸ロック機構２７が下方向に押されて、回転軸１の第一回転軸第二切り欠き部１ｃから外れて回転が可能となり、また、嵌合ピン８がばね７７に押されて工作機側嵌合部４３に挿入されている。なお、嵌合ピン８の上部と工作機側嵌合部４３の下部にはテーパ形状が形成されているため、嵌合ピン８が工作機械側嵌合部４３に挿入し易い構造となっている。

この後、工作機４０の主軸４１を正回転すると第一回転軸１の回転が嵌合ピン８に伝達されて回転し、嵌合ピン８のねじ８ａが、工作機側嵌合部４３のねじ４３ａに噛み込んで、嵌合ピン８は上方に移動する。その後、嵌合ピン８の上部が工作機側嵌合部４３の上面４３ｂに到達して、第三動力伝達機構２１のスリップクラッチ２１ａのトルク限界値を超えると、第三動力伝達機構２１から嵌合ピン８に動力が伝わらなくなり、嵌合ピン８と工作機側嵌合部４３は強固に接続された状態となる。加工中においても主軸の回転方向は、正回転であるため、嵌合ピン８と工作機側嵌合部４３は強固に接続された状態が維持される。

工作機４０の主軸４１から工具ホルダを取り外す際は、あらかじめＮＣプログラムで逆回転の回転回数を制御して、嵌合ピン８を工作機側嵌合部４３のねじ４３ａから外してから行う。

なお、ＡＴＣの工具交換プログラムに、逆回転の回転回数を制御するプログラムを追加しておくことで、嵌合ピン８のねじ８ａが工作機側嵌合部４３のねじ４３ａに噛み合った状態で、取り外しを行う動作を防ぐことができる。

次に、本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダを用いて加工した製品について説明する。

本発明の回転防止装置を備えた工具ホルダを用いて加工した製品は、例えば変速機等に用いられる部品等があり、これらの部品のキー溝やスプライン溝および内歯車や外歯車の歯形加工に適用可能である。図８に加工した歯形形状を形成した変速機部品の内歯車の概略図を示す。

内歯車１０１の内壁面１０２に歯形形状の溝１０３を形成した例である。本発明の工具ホルダの剛性が高いことにより、高負荷な切削条件でもびびり振動を抑制して加工が可能である。したがって、ターニングセンタを用いて変速機部品の外径および内径を加工した後、本発明の工具ホルダを用いて、歯形形状の溝等を加工することで、段取り換えが不要となり、効率よく変速機部品等の生産が可能となる。

本発明は実施例にて詳述の工具ホルダの回転防止機構に限定されるものではなく、その技術的思想を用いた各種機構に適用可能であることはいうまでもない。またそれらを用いた工作機も本発明の範疇にあることはいうまでもない。

１‥第一回転軸、８‥嵌め合いピン、１４‥チャック、１５‥工具、１６‥第一回転軸第二動力伝達機構、１８‥第一動力伝達機構、２０第二動力伝達機構、２１‥第三下部動力伝達機構、２１ａ‥スリップクラッチ、２２‥第三上部動力伝達機構、４３‥工作機側嵌合部

Claims

工具を保持するとともに、工作機の主軸に着脱自在に装着される工具ホルダに、この工具ホルダの回転軸の外部に備えられた嵌合ピンと、工作機の主軸の近傍に固定された工作機側嵌合部と、前記工作機の主軸に接続される第一回転軸と、前記第一回転軸の動力を伝達する伝達機構と、前記伝達機構により前記嵌合ピンを上下動する機構を備えることを特徴とする工具ホルダ。
請求項１の工具ホルダにおいて、前記伝達機構にスリップクラッチを備えることを特徴とする工具ホルダ。
請求項１の工具ホルダにおいて、前記工具が加工可能な方向に前記工作機の主軸を回転させた際に、前記第一回転軸の動力を伝達する伝達機構を介して前記嵌合ピンが上方に移動して、前記工作機側嵌合部に押し付けられることを特徴とする工具ホルダ。
請求項１の工具ホルダにおいて、前記工作機側嵌合部への前記嵌合ピンの押しつけ力が、前記伝達機構のスリップクラッチのトルク限界値で制御されることを特徴とする工具ホルダ。
請求項１の工具ホルダにおいて、前記工作機側嵌合部への前記嵌合ピンの押しつけ力が大きくなり、前記伝達機構のスリップクラッチのトルク限界値を超えると、前記第一回転軸の動力が前記嵌合ピンを上下動する機構に伝達されなくなることを特徴とする工具ホルダ。
請求項１の工具ホルダにおいて、前記工具が加工可能な方向と逆向きに回転させて、前記工作機械側嵌合部への前記嵌合ピンの押しつけを解除することを特徴とする工具ホルダ。
工具を保持するとともに、工作機の主軸に着脱自在に装着される工具ホルダに、この工具ホルダの回転軸の外部に備えられた嵌合ピンと、工作機の主軸の近傍に固定された工作機側嵌合部と、前記工作機の主軸に接続される第一回転軸と、前記第一回転軸の動力を伝達する伝達機構と、前記伝達機構により前記嵌合ピンを回転させる構造を備えることを特徴とする工具ホルダ。
請求項７の工具ホルダにおいて、前記伝達機構にスリップクラッチを備える構造と、前記嵌合ピンの先端近傍にねじを備えた構造と、前記工作機側嵌合部の前記嵌合ピンと接する位置に前記嵌合ピンの先端近傍のねじとかみ合うねじを備た構造を備えることを特徴とする工具ホルダ。
請求項７の工具ホルダにおいて、前記工具が加工可能な方向に前記工作機の主軸を回転させた際に、前記第一回転軸の動力を伝達する伝達機構を介して前記嵌合ピンが回転し、前記嵌合ピンの先端近傍のねじが、前記工作機械側嵌合部のねじにかみ合い、前記嵌合ピンが上方に移動して、前記嵌合ピンの先端が前記工作機側嵌合部に押しつけられることを特徴とする工具ホルダ。
請求項７の工具ホルダにおいて、前記工作機側嵌合部への前記嵌合ピンの押しつけが、前記伝達機構のスリップクラッチのトルク限界値に制御されることを特徴とする工具ホルダ。
請求項７の工具ホルダにおいて、前記工作機側嵌合部への前記嵌合ピンの押しつけ力が大きくなり、前記伝達機構のスリップクラッチのトルク限界値を超えると、前記第一回転軸の動力が前記嵌合ピンに伝達されず、前記嵌合ピンの回転が停止されることを特徴とする工具ホルダ。
請求項７の工具ホルダにおいて、前記工具が加工可能な方向と逆向きに回転させて、前記工作機側嵌合部への前記嵌合ピンの押しつけの解除と、前記嵌合ピン先端近傍のねじを前記工作機側嵌合部のねじから外すことを特徴とする工具ホルダ。
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の工具ホルダを有することを特徴とする工作機。