JP2682104B2 - 工具クランプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、切削機等の主軸の先端に工具をクランプす
る工具クランプ装置に関する。

［従来の技術］ 従来の工具クランプ装置は、工具の後端部に設けられ
たプルスタッドを、ドローバーの先端に設けられたコレ
ットでつかみ、ドローバーが皿バネの弾性力によって工
具クランプ方向、つまり後退方向に引張られることによ
り、主軸のテーパ穴に工具のテーパ部が嵌め合わされ
て、工具をクランプするものである。

ところが、工具をアンクランプする際には、ドローバ
ーを前進方向に数ミリ移動させる必要があるため、皿バ
ネのセット数を多くして、たわみ代を大きく取る必要が
ある。従って、高速回転になると、遠心力によって皿バ
ネが径方向に拡がるため、皿バネ止めにかかる皿バネの
弾性力が弱くなり、ドローバーに与えていた引張力が弱
くなる。さらに主軸の回転速度が高くなると、皿バネが
径方向に拡がることにより生じる軸方向の累積クリアラ
ンスによって、皿バネの位置がずれて回転バランスがく
ずれ、回転振動が大きくなることから、加工精度に悪影
響を及ぼすことがあった。

そこで、特開昭62−255038号公報では、主軸の高速回
転時における皿バネの位置ずれを小さくして、回転振動
を少なくした工具クランプ装置が提案されている。

この工具クランプ装置は、皿バネの弾撓力をドローバ
ーに対して断続させる皿バネ弾撓力断続機構を設けると
ともに、皿バネを小ストロークで圧縮する第１の押動装
置、およびドローバーを工具アンクランプ位置まで前進
移動させる第２の押動装置を備えている。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、上記公報に開示された工具クランプ装置
は、ドローバーに対して強い引張力を付与する皿バネ以
外に、ドローバーに対して常に弱い引張力を付与するコ
イルスプリングを備え、且つ上述した皿バネ弾撓力断続
機構、第１の押動装置、および第２の押動装置がそれぞ
れ複数の部品で構成されている。

従って、装置の部品点数が多くなるとともに、構造が
複雑であることから、組み付け性が悪く、且つ装置が大
型化し、また、コストが高くなる課題を有していた。

本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、その
目的は、部品点数が少なく、且つ簡単な構造によって、
回転振動を低減するとともに、主軸高速回転時の工具ク
ランプ力を確保することのできる工具クランプ装置を提
供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、回転自在に保持
され、先端部にテーパ穴を形成するとともに、該テーパ
穴と連通する軸穴を軸方向に形成した筒状の主軸と、前
記軸穴内に挿入され、軸方向に進退移動することによっ
て、前記テーパ穴に挿入された工具をクランプ及びアン
クランプするドローバーと、前記ドローバーの後端部
で、前記ドローバに対して軸方向の位置を調節可能に取
り付けられたシフタと、前記軸穴内で前記ドローバーの
外周に嵌め合わされ、前記シフタによって取付荷重が加
えられることにより、前記ドローバーに対して前記工具
をクランプする後退方向に引張力を付与する複数の皿バ
ネと、前記シフタの外周に嵌め合わされ、前記シフタお
よび前記軸穴に対して軸方向に移動可能に設けられた可
動部材と、前記シフタに回動自在に取り付けられて先端
部が前記可動部材の後端面に当接可能に設けられ、前記
主軸の回転によって生じる遠心力を受けて回転した時に
前記可動部材を前記主軸の先端方向へ押し出して前記皿
バネを押圧する押圧力を発生するバランサとを備え、前
記可動部材の後端面に当接する前記バランサの先端部が
凸曲面で構成されていることを技術的手段とする。

［作用］ 上記構成よりなる本発明の工具クランプ装置は、シフ
タの軸方向の位置を調節して皿バネに取付荷重を加える
ことにより、ドローバーに引張力が付与されて工具が引
き込まれ、主軸のテーパ穴に嵌め合わされてクランプさ
れる。

その後、主軸の回転速度が高くなるにつれ、各皿バネ
が径方向に拡がるため、軸方向における皿バネの累積長
さが短くなり、シフタとの間に累積クリアランスを生じ
る。

このとき、シフタに回動自在に取り付けられたバラン
サが主軸の回転によって生じる遠心力を受けて回転し、
バランサの先端部が可動部材の後端面に当接して可動部
材を主軸の先端方向へ押し出すことにより、押し出され
た可動部材が皿バネを押圧する。

この結果、主軸の回転速度が高くなるにつれて、シフ
タと皿バネとの間に軸方向の累積クリアランスが生じた
場合でも、可動部材を介して皿バネの弾性力がシフタに
作用する。つまり、バランサによる可動部材への押圧力
の反力が、シフタに対して主軸後退方向に働くため、ド
ローバーに工具をクランプする方向（主軸の後端方向）
へ引張力を付与することができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、可動部材およびバランサの作用によ
り、主軸の高速回転時においても、シフタを主軸後退方
向へ押圧する力を得ることができるため、ドローバーに
引張力を付与して工具クランプ力を確保することができ
る。

また、皿バネが可動部材に押圧されることで、皿バネ
の回転バランスのくずれを防止し、回転振動を低減する
ことができる。

この結果、本発明の工具クランプ装置は、従来の工具
クランプ装置と比較して、小型で部品点数が少なく、且
つ構造が簡単であり、装置のコストを低減することがで
きる。

［実施例］ 次に、本発明の工具クランプ装置を図面に示す一実施
例に基づき説明する。

第１図は工具クランプ装置の断面図、第２図は第１図
の要部作動説明図、第３図は第１図のＡ視図である。

本実施例の工具クランプ装置１は、動力源であるモー
タ（図示しない）の回転出力が、主軸２の後端部（第１
図右側）外周に固定された動力伝達部品（例えば、プー
リ、ギヤなど）３を介して主軸２に伝達される。

主軸２は、ベアリング４を介してハウジング５に回転
自在に保持され、先端部（第１図左側）に、クランプす
る工具６のテーパ部6aが嵌め合わされるテーパ穴７が形
成されるとともに、軸方向に、前記テーパ穴７と連通す
る軸穴８が形成されて筒状に設けられている。

軸穴８は、テーパ穴７側の一部分が若干小径に形成さ
れており、従って、軸穴８の内周面には、全周に亘って
段差8aが形成されている。

軸穴８の先端側には、後述する皿バネ９の弁受け部と
もなるホルダ10が嵌め込まれている。このホルダ10は、
先端側のみ開放された円筒状を呈し、その開放端部が軸
穴８の内周面に形成された段差8aに当接する位置まで、
軸穴８内に嵌め込まれている。

軸穴８内には、後述するコレット11を介して工具６を
クランプするためのドローバー12が挿入されている。ド
ローバー12の先端は、ホルダ10の後端側壁面の中央部を
貫通してホルダ10の内部に至り、ホルダ10内で、工具６
の後端部に設けられたプルスタッド6bを掴むためのコレ
ット11に結合されている。

コレット11は、径方向に弾性変形可能な複数の弾性壁
11aが形成され、その弾性壁11aの先端部に、プルスタッ
ド6bと係合するための係合部11bが設けられている。こ
のコレット11は、ホルダ10内では、プルスタッド6bを掴
んだ状態でコレット11の係合部11bがホルダ10の内周面
に当接しており、係合部11bが外方へ拡がることができ
ないため、係合部11bからプルスタッド6bが外れること
はない。

係合部11bからプルスタッド6bを外す際には、係合部1
1bが外方へ拡がることのできる位置まで、ドローバー12
とともにコレット11を主軸２の先端側へ前進移動させ
る。本実施例では、軸穴８内にホルダ10を嵌め込んだ際
に、テーパ穴７側で小径に形成された軸穴８の直径が、
ホルダ10の内径より若干大きくなるように、軸穴８の直
径あるいはホルダ10の肉厚を設定している。従って、コ
レット11の係合部11bを、ホルダ10の開放端よりテーパ
穴７側へ前進移動させることにより、係合部11bが外方
へ拡がり、プルスタッド6bを外すことができる。

軸穴８内のドローバー12の外周には、ドローバー12に
引張力を付与するための複数の皿バネ９が嵌装され、ド
ローバー12の後端部に取り付けられる皿バネ止めのシフ
タ13によって皿バネ９に取付荷重が加えられている。

シフタ13は、主軸２の後端側の開放端部に蓋をするよ
うな形でドローバー12の外周に嵌め合わされ、シフタ13
の後端部でドローバー12に螺着されたナット14によっ
て、軸方向の位置が調節される。

このシフタ13は、第２図にも示すように、軸穴８内に
挿入される円筒部13aの後端側に、後述するバランサ15
を取り付けるためのバランサ取付部13が設けられてい
る。

バランサ取付部13bは、第３図に示すように、円周等
分に３か所形成され、各バランサ取付部13bの周方向中
央部には、外周よりシフタ13の中心部に向かって、一定
幅の溝16が形成されている。

シフタ13の円筒部13a外周には、円筒状の可動部材17
が嵌め合され、円筒部13aおよび軸穴８に対して摺動自
在に設けられている。

シフタ13に設けられたバランサ取付部13bの溝16内に
は、略くの字形を呈するバランサ15が組み付けられ、溝
16の幅方向に取り付けられたピン18を支点として、溝16
内で回動自在に設けられている。

このバランサ15は、可動部材17の後端面17aに当接す
る一方の端部（本発明の先端部）が、第２図に示す様
に、凸曲面（Ｒ形状）で構成されており、 ピン18から一方の端部（第２図左端Ｂ点）までの距
離:l1、 ピン18から他方の端部（第２図右端Ｃ点）までの距
離:l2、 Ｂ点の質量:m1、Ｃ点の質量:m2 とした場合、 m1・l1＜m2・l2の関係が成り立つように設けられてい
る。

また、溝16内に取り付けるピン18の位置が、ピン18か
らＢ点までの距離より、可動部材17の後端面17aからピ
ン18までの軸方向距離の方が短くなるように設定されて
いる。

従って、このバランサ15は、主軸２が回転することに
より、ピン18を中心としてＢ点およびＣ点に働く回転モ
ーメントの大きさを比較した場合、第２図において、Ｂ
点に働く時計方向の回転モーメントより、Ｃ点に働く反
時計方向の回転モーメントのほうが大きくなる。その結
果、バランサ15は、主軸２が高速で回転した場合、第２
図において、ピン18を中心として反時計方向への回転力
が働き、可動部材17の後端面17aに当接するＢ点を作用
点として、可動部材17を主軸２の先端側へ押し出すこと
になる。

一方、バランサ15によって主軸２の先端方向へ押し出
された可動部材17が皿バネ９を押圧することにより、そ
の反力が、バランサ15を介してシフタ13に伝わり、シフ
タ13を主軸２の後退方向へ押圧する。

次に、本実施例の作動について説明する。

モータの回転出力が、動力伝達部品３を介して主軸２
に伝達されることにより、工具６をクランプした主軸２
が回転する。

このとき、主軸２の回転速度が高くなるにつれて、各
皿バネ９は、第４図に示すように、遠心力Ｆによって微
少に開径し、皿バネ９の高さ（軸方向の長さ）がΔｌだ
け低くなるため、主軸２の軸方向における皿バネ９全体
の長さが、当初の長さよりΔＬだけ短くなる（第２図参
照）。

従って、皿バネ９とシフタ13との関係だけをみれば、
皿バネ９が開径して皿バネ９の高さが短くなることによ
り、皿バネ９の弾性力によるシフタ13を押す力が弱くな
るため、ドローバー12へ付与される引張力が減少する。
さらに、第２図に示すように、皿バネ９とシフタ13との
間にクリアランスΔＬが生じた場合には、皿バネ９の弾
性力がシフタ13に作用しなくなり、ドローバー12へ付与
される引張力が消滅する。

一方、シフタ13および軸穴８に対して摺動自在に設け
られた可動部材17は、バランサ15の作用によって主軸２
の先端側へ押し出されることにより、第２図の実線の位
置で示すように、皿バネ９とシフタ13とのクリアランス
ΔＬを移動して、皿バネ９を押圧する。

可動部材17が皿バネ９を押圧する力と、皿バネ９の弾
性力とが釣り合った位置で、ピン18を支点としたバラン
サ15の回転が止まり（第２図実線で示す位置）、可動部
材17の移動が停止する。

このバランサ15の作用により、可動部材17を介して皿
バネ９の弾性力がシフタ13に働き、ドローバー12に引張
力が与えられるため、主軸２が高速で回転した場合のド
ローバー12に付与される引張力の減少分を相殺して、確
実なクランプ動作を得ることができる。

また、皿バネ９とシフタ13との間に、クリアランスΔ
Ｌが生じるほど、主軸２が高速で回転した場合でも、皿
バネ９の弾性力が可動部材17を介してシフタ13に作用す
ることで、皿バネ９、ドローバー12、あるいはシフタ13
などの回転バランスのくずれを防止することができ、従
って、回転振動を低く抑えることができる。

このように、シフタ13の外周に可動部材17を嵌め合わ
せるとともに、主軸２の回転に伴って可動部材17を先端
側へ押し出すバランサ15を取り付けるのみで、上述のよ
うに、確実な工具クランプ動作を得ることができるとと
もに、回転振動を抑えて加工精度への悪影響を防止する
ことができる。

従って、本発明の工具クランプ装置１は、従来の工具
クランプ装置と比較して、小型で部品点数が少なく、且
つ構造が簡単であり、装置１のコストを低減させること
ができるものである。

（変形例） 上記実施例では、バランサ15を３か所設けたが、３か
所に限定する必要はなく、例えば、対向する位置に２か
所、あるいは４か所など円周等分に複数箇所配置されて
いればよい。

主軸２に回転出力を伝達する際に、主軸２に固定され
た動力伝達部品３を介して行ったが、ビルトインモータ
により主軸２を回転させる方法、あるいは主動力源と主
軸２とを直結して、直接主軸２を回転させる方法などで
あってもよい。

工具６のプルスタッド6bを掴むために、ドローバー12
の先端部にコレット11を設けたが、ドローバー12の進退
移動に伴って、複数個の鋼球を半径方向に拡縮させるこ
とにより、プルスタッド6bを掴むようにしてもよい。

バランサの形状は、実施例中で示したように、m1・l1
＜m2・l2の関係が成り立てば、略くの字形である必要は
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例を示すもので、
第１図は工具クランプ装置の断面図、第２図は第１図の
要部作動説明図、第３図は第１図のＡ視図、第４図は高
速回転時における皿バネの変形を示す説明図である。 図中 １……工具クランプ装置、２……主軸 ６……工具、７……テーパ穴 ８……軸穴、９……皿バネ 11……コレット、12……ドローバー 13……シフタ、15……バランサ 17……可動部材

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）回転自在に保持され、先端部にテー
   パ穴を形成するとともに、該テーパ穴と連通する軸穴を
   軸方向に形成した筒状の主軸と、 （ｂ）前記軸穴内に挿入され、軸方向に進退移動するこ
   とによって、前記テーパ穴に挿入された工具をクランプ
   及びアンクランプするドローバーと、 （ｃ）前記ドローバーの後端部で、前記ドローバーに対
   して軸方向の位置を調節可能に取り付けられたシフタ
   と、 （ｄ）前記軸穴内で前記ドローバーの外周に嵌め合わさ
   れ、前記シフタによって取付荷重が加えられることによ
   り、前記ドローバーに対して前記工具をクランプする後
   退方向に引張力を付与する複数の皿バネと、 （ｅ）前記シフタの外周に嵌め合わされ、前記シフタお
   よび前記軸穴に対して軸方向に摺動可能に設けられた可
   動部材と、 （ｆ）前記シフタに回動自在に取り付けられて先端部が
   前記可動部材の後端面に当接可能に設けられ、前記主軸
   の回転によって生じる遠心力を受けて回転した時に前記
   可動部材を前記主軸の先端方向へ押し出して前記皿バネ
   を押圧する押圧力を発生するバランサとを備え、 前記可動部材の後端面に当接する前記バランサの先端部
   が凸曲面で構成されていることを特徴とする工具クラン
   プ装置。