JP2900715B2 - 工具ホルダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ドリル、タップ等の
折損予知を行なう工具ホルダに関する。

【０００２】

【従来の技術】ドリル等による切削加工中に切粉の排出
が不良であると切削トルクが増えてドリルがねじ切れた
り、あるいはドリルが摩耗した状態で一定送りで加工す
ると過大なスラスト力を生じ、これによってドリルが座
屈することがあった。

【０００３】上記のような過大なトルク及びスラスト荷
重を検出する工具ホルダとして、本出願人が先に出願し
たものがあり（特願平２−４１６７８号）、これは、ホ
ルダ軸に工具保持筒を円周及び軸方向に夫々移動可能に
支持し、工具保持筒をスラスト荷重設定ばねで前方へ付
勢し、ホルダ軸の外周と工具保持筒の外周とに設けた複
数の検出子を互いに間に臨ませ、ホルダ軸と工具保持筒
をつなぐ伝達トルク設定用のねじりコイルばねのねじり
力で検出子を当接させ、その当接部に軸方向に対して大
きな角度で傾斜している傾斜面を設けそれらの傾斜面ど
うしの係合によって工具保持筒の軸方向移動を円周方向
回動に変換し、過負荷トルクのみならず過負荷スラスト
荷重も、工具保持筒とホルダ軸の所定量の回転ずれとし
て取出すものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、工具
保持筒とホルダ軸との間には、スラスト荷重設定ばねと
伝達トルク設定用のねじりコイルばねの２つのばねが介
在されており、各ばねを別々に調整、管理する手間がか
かり、また、部品点数も増える問題もあった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題を解決
するために、ホルダ体に工具保持体を円周方向と軸方向
に夫々移動可能に支持し、ホルダ体と工具保持体間に切
削負荷設定用のばねを介装してホルダ体に対して工具保
持体を軸方向前方と、回転方向とに付勢し、切削中に工
具保持体に生ずる切削負荷が前記ばねの設定負荷より大
きくなった時に生じる工具保持体のホルダ体に対する相
対移動を検出するようにして成る工具ホルダであって、
ホルダ体と工具保持体間に、工具保持体の、ホルダ体に
対する軸方向前方移動と工具ホルダ回転方向と同方向の
円周方向移動との間の双方向変換と、工具保持体の、ホ
ルダ体に対する軸方向後退移動と前記回転方向と逆方向
の円周方向移動との間の双方向変換とを行なう変換機構
を介在させたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明の工具ホルダでは、工具保持体をホルダ
体に対して前方へ付勢するばねをホルダ体との間に介在
させると、変換機構によって工具保持体がホルダ体に対
して回転方向と同方向へ付勢され、その結果このばね１
つでスラスト荷重、伝達トルクを設定できる。また、こ
のばねは工具保持体をホルダ体に対して回転方向へ付勢
するねじりコイルばねであってもよく、この円周方向付
勢力は変換機構によって工具保持体のホルダ体に対する
軸方向前方移動となり、やはり、このねじりコイルばね
１つでスラスト荷重、伝達トルクが設定される。

【０００７】

【実施例】図１，図２において、工作機械のスピンドル
１と一体連結するホルダ体２と、先端に工具４を保持す
るコレットチャック５を備えた工具保持体６から成る本
発明の第１実施例の工具ホルダ７について説明する。ホ
ルダ体２はテーパ部２ａ，テーパ部２ａと一体の把持部
２ｂ及び把持部２ｂ中心より下方に伸びる支持軸３から
なる。この支持軸３には、保持筒９の外周に連結筒１０
を一体螺合させ、この両部材によってつくられる中空内
に支持筒１１を嵌入して構成される工具保持体６が嵌め
込まれている。この嵌め込み状態において、支持軸１１
に穿設された支持孔１１ａと支持軸３外周とに、夫々対
向して、工具ホルダ７の回転軸に対して傾斜するガイド
溝（リード溝）１２が刻設され、このガイド溝１２間に
ボール１３を介在させ、ホルダ体２に対する工具保持体
６の軸方向後退移動（主軸１に近づく方向の移動）と工
具ホルダ７の回転方向と逆方向の円周方向移動との間で
双方向に移動方向を変換させ、また、ホルダ体２に対す
る工具保持体６の軸方向前方移動（主軸１から遠ざかる
方向の移動）と工具ホルダ７の回転方向と同方向の円周
方向移動との間で双方向に移動方向を変換させる変換機
構１４が構成されている。また、１５は支持筒１１内に
設けられ、ボール１３の循環を行なうためのリターンチ
ューブである。

【０００８】前記のように工具ホルダ７内部に設けられ
た変換機構１４はボールねじ構造であり、ボール１３と
支持軸３及び支持筒１１とは転がり接触しており、摩擦
力が小さく、そのリード角は９度程度である。

【０００９】前記工具保持体６の連結筒１０には、切削
負荷設定用のねじりコイルばね１６の一端が接続され、
ばね１６他端は、ホルダ体２の把持部２ｂに連結され、
加工時ホルダ体２の回転を工具保持体６に伝達してい
る。また、連結筒１０には、図３に示すように多数の係
止孔１７と係脱する左右２本のピン１８が植設された検
出リング１９が把持部２ｂとの間に介在したばね２０に
よって下方に付勢され、連結筒１０に検出リング１９が
一体に取り付けられている。従ってねじりコイルばね１
６のねじり強さは、検出リング１９をばね力に抗して後
方（図２上方）へ動かして、係止孔１７と位置決めピン
１８の係合を外し、その状態で連結筒１０を円周方向へ
回動した後、検出リング１９の係止孔１７と位置決めピ
ン１８を係合させることにより調整される。また、ねじ
りコイルばね１６のねじり強さは工具４にかかるスラス
ト荷重とトルクの両方に対応するように最大許容スラス
ト荷重と最大許容トルクのうちで小さい方の値以下に対
応して設定されこのねじりコイルばね１６によって、工
具保持体６はホルダ体２に対して回転方向（図５の矢印
方向）に付勢され、また、前記変換機構１４を介して軸
方向前方に付勢され、このねじりコイルばね１６でトル
ク、スラストの両方を負荷している。

【００１０】検出リング１９の外周には図４に示すよう
に、円周方向に等角度間隔（図５に示す角度θ（１２０
度）おき）の３つの変位検出子２１が形成されている。
図５に示すように変位検出子２１は工具ホルダの回転方
向両縁が後述の近接スイッチ３５による検出開始又は検
出終了を示す検出表示部２２，２３となっている。

【００１１】隣り合う変位検出子２１間へ向かって、把
持部２ｂから３つの基準検出子（突起部）２４が突設さ
れている。各基準検出子２４は図５に示すように中央が
突出した階段状を成し、中央突出部２５の回転方向両縁
が後述の近接スイッチ３５による検出開始又は検出終了
を示す一対の検出表示部２６，２７となっており、回転
方向１２０度の間に、検出表示部２６，２３間及び検出
表示部２２，２７間で一対の回転ずれの検出域２８，２
９が形成され、このような検出域２８，２９が円周方向
一周の間に三対設けてある。これらの検出域２８，２９
を検出した時近接スイッチ３５はＯＦＦとなる。前記ね
じりコイルばね１６のねじり力及び変換機構１４によっ
て変位検出子２１の一側面と突起部２４の低段部３０の
一側面３０ａとが当接している時、低段部３０の他側面
３０ｂと対向する検出表示部２３との間には僅かな円周
方向の遊び（図５のａ、絶対値２ａに対応するパルスカ
ウント値が後述の設定値ｔより大となるようにしてあ
る）があるようにしてあり、前記一対の検出域２８，２
９と中央突出部２５及び変位検出子２１の円周方向長さ
Ｌは全て同じ（３０度）に設定してある。

【００１２】前記検出域２８，２９を検出する近接スイ
ッチ３５は、図１に示すように主軸ヘッド３６の前面に
固着したブラケット３７に１個取付けてある。この近接
スイッチ３５からの信号は図６に示す過負荷トルク（又
はスラスト荷重）の判別手段４０へ送られるようにして
ある。

【００１３】判別手段４０において、４１は周波数−電
圧変換器４２と電圧−周波数変換器４３により近接スイ
ッチ３５からの信号パルスを平均し、所定倍数逓倍して
スピンドル１の１回転で所定数の基準パルスを発生する
ようにしたスピンドル角度パルス発生器、４４は近接ス
イッチ３５の信号の立下りで立上り、立上りで立下がる
（近接スイッチ３５がＯＦＦの間開く）ゲート回路、４
５はゲート回路４４が開いている間に入力されてくるス
ピンドル角度パルスＰｓを加算又は減算するカウンタ、
４６は近接スイッチ３５のＯＮ、ＯＦＦ信号の１周期で
カウンタ４５に対する加算又は減算指令を切換えると共
に、立上りで判定指令信号を比較回路４７へ出力する加
算、減算切換回路、４７は判定指令があった時にカウン
タ４５内のカウント値が設定回路４８で予め設定される
設定値ｔを越えたかを判定する比較回路、４９は比較回
路４７で判定後に前記カウンタ４５をリセットするリセ
ット回路、５０は比較回路４７での比較結果が設定値ｔ
を越えたときに過負荷トルク（又はスラスト）検出信号
を出力信号として出力する出力回路である。前記設定値
ｔは切削前の無負荷時に近接スイッチ３５が前記一対の
検出域２８，２９を検出した時のカウンタ４５のパルス
カウント値の差に許容値を加えたものが設定される。製
作誤差がないとすると、この実施例では一対の検出域２
８，２９でのパルスカウント値の差はゼロとなる。

【００１４】さて、前記のような構成によれば、正常切
削時ホルダ体２の回転は、ねじりコイルばね１６を介し
て工具保持体６へ伝えられ加工が行なわれる。近接スイ
ッチ３５からはＯＮ、ＯＦＦ信号が繰り返し出力され
る。検出域２８ではＯＦＦとなり、この間にゲート回路
４４が開き加算、減算切換回路４６の加算指令のもとに
カウンタ４５内にスピンドル角度パルスＰｓが加算さ
れ、近接スイッチ３５が中央突出部２５を検出してＯＮ
となるとゲート回路４４が閉じ減算に切換わり、再び近
接スイッチ３５が検出域２９を検出してＯＦＦとなると
カウンタ４５内に先程加算したパルスカウント値からス
ピンドル角度パルスＰｓを減じ、近接スイッチ３５が変
位検出子２１を検出してＯＮとなると、判定指令信号が
出力されてカウンタ４５内のカウント値が設定値ｔと比
較される。正常加工の場合、ねじりコイルばね１６およ
び変換機構１４により変位検出子２１の一側面と基準検
出子２４の低段部３０の一側面３０ａとが当接した状態
なので検出域２８，２９の長さは同一であるからカウン
タ４５内のカウント値はゼロとなり、過負荷トルクの出
力信号は出されない。

【００１５】次に、工具摩耗により、過負荷スラスト荷
重のみが工具４に生じた場合について説明する。ねじり
コイルばね１６のねじり強さを超える過負荷スラスト荷
重が工具４に生じるまではねじりコイルばね１６はねじ
られず、変位検出子２１と基準検出子２４とは図５に示
す関係にある。工具４に過負荷スラスト荷重が生じる
と、工具保持体６がホルダ体２に対して後退し、この軸
方向移動が変換機構１４によって回転方向と逆方向の円
周方向回動に変換される。従って工具保持体６の外周に
設けられた変位検出子２１が基準検出子２４に対して回
転遅れを生じ、相対的に基準検出子２４が図５に示す遊
びａだけ回動して低段部３０の側面３０ｂが検出表示部
２３に当接する。この相対回動により検出域２８の円周
方向長さはＬ−ａに、また検出域２９の円周方向長さは
Ｌ＋ａとなる。従って検出域２８で加算し、検出域２９
で減算した結果は−２ａとなり、その絶対値２ａは設定
値ｔより大となるので出力回路５０から過負荷スラスト
の出力信号が出力される。この過負荷スラストの出力信
号によって、スピンドル駆動モータに停止指令を出力し
たり、あるいはステップバック動作を指令したり、更に
はこの出力信号を寿命カウンタで計数し、寿命カウンタ
内の計数値が所定回数を超えたときに、加工途中でもそ
の工具と同一の新しい工具に工具交換を行なう。

【００１６】また、過負荷トルクのみが生じた場合に
は、工具保持体６がホルダ体２に対して回転遅れ（回転
方向と逆方向の円周方向回動）を生じ、この回転遅れは
工具保持体６のホルダ体２に対する軸方向後退移動とな
り、結果として軸方向のスラスト荷重のみが生じた場合
と同様となる。過負荷トルクと過負荷スラストの両方が
同時に生じても同様の作用となる。

【００１７】次に、図７において第２実施例について説
明する。この工具ホルダ５５は、ホルダ筒５６、支持筒
１１及び支承筒５８を備えたホルダ体２と、支持軸３の
下部外周に検出筒５９を一体螺合してなる工具保持体６
とで構成されている。ホルダ筒５６は、上部に形成され
たテーパ部５６ａ，テーパ部５６ａと一体の把持部５６
ｂ及び把持部５６ｂより下方にのびる筒部５６ｃからな
り、この筒部５６ｃの嵌入孔６０内に支持筒１１を嵌入
し、下方よりこの嵌入孔６０に支承筒５８外周を一体螺
合させてホルダ体２が構成されている。この支持筒１１
の支持孔１１ａに、工具保持体６の支持軸３上部を嵌め
込み、この嵌め込み状態で、支持孔１１ａと、支持軸３
上部外周とに、前記第１実施例と同様に夫々ガイド溝１
２を刻設し、このガイド溝１２間に、ボール１３を介在
させ、変換機構１４が構成されている。又支承軸５８内
周と支持軸３の略中間部外周との間に玉軸受５２を介在
させてある。

【００１８】前記ホルダ体２のテーパ部５６ａ内部に嵌
入孔６０へ開口した中心孔６２が穿設され、この中心孔
６２下部には、中心孔６２に挿入される円柱ブロック６
３の鍔部６３ａを係止する段部６２ａが設けられ、この
円柱ブロック６３下端面と前記支持軸３上端面とに夫々
穿設された支持穴６３ｂ，３ａ間に鋼球６６を介在さ
せ、更に円柱ブロック６３をばね６７によって下方に付
勢し支持機構６８が構成されている。この支持機構６８
の円柱ブロック６３と鋼球６６及び支持軸３上端面と鋼
球６６間の押付力によってホルダ体２の回転を工具保持
体６に伝達している。また工具に生じる切削負荷を受け
るばね６７の圧縮強さは、プルスタッド６９を取り外し
このばね６７を異なる圧縮強さを有するばねと交換する
ことによって調整できる。

【００１９】前記ホルダ体２を構成するホルダ筒５６の
外周に一体螺合される基準検出子２４及び工具保持体６
を構成する検出筒５９外周に形成される変位検出子２１
の形状、構成等は第１実施例と同様である。また、過負
荷トルク（又はスラスト荷重）の判別手段４０等も第１
実施例と同様である。

【００２０】次に、工具摩耗により、過負荷スラスト荷
重のみ（過負荷トルクのみ又は過負荷スラストと過負荷
トルクが同時に生じた場合も同様である）が工具に生じ
た場合について説明する。穴明け加工時ばね６７の圧縮
強さを超える過負荷スラスト荷重が工具に生じるまでは
支持機構６８によって、ホルダ体２の回転は工具保持体
６に伝えられ加工が行なわれる。また、支持機構６８及
び変換機構１４によって、図５に示すように変位検出子
２１の一側面と基準検出子２４の低段部３０の一側面３
０ａとが当接した状態となり、過負荷スラスト荷重の出
力信号は出されない。工具に過負荷スラスト荷重が生じ
ると、支持機構６８において、ばね６７が後方に移動す
ると共に鋼球６６と円柱ブロック６３との圧接点ですべ
りが発生する。従って、工具保持体６はホルダ体２に対
して後退し、この軸方向移動が変換機構１４によって円
周方向回動に変換され、変位検出子２１が基準検出子２
４に対して回転方向と逆方向へ所定角度（本実施例の場
合遊びａ）回動する。この回動によって検出域２８，２
９間でカウントされるパルス数に差が生じるので、これ
により過負荷スラスト荷重の検出信号が出力信号として
出力される。

【００２１】更に図８〜１１に基づいて、第３実施例を
説明する。工具ホルダ２００において、ホルダ体２はそ
の把持部２ｂから前方に筒部２０１が突設してある。筒
部２０１の中心に穿設した支持孔２０２に、工具保持体
６の支持軸２０３が玉軸受２０４を介して軸方向と円周
方向に移動可能に支持してある。支持孔２０２に連続す
るホルダ体２内の中心孔２０５には、圧接ブロック２０
６が軸方向移動可能に嵌装され、ホルダ体２の後端に螺
合したプルスタッド２０７との間に切削負荷設定用の圧
縮ばね２０８が介在され、圧接ブロック２０６が鋼球２
０９を介して前記支持軸２０３を前方へ付勢し、鋼球２
０９の押付力でホルダ体２の回転を工具保持体６に伝達
するようにしてある。前記圧縮ばね２０８のばね力は、
工具４にかかるスラスト荷重とトルクの両方に対応する
ように最大許容スラスト荷重と最大許容トルクのうちで
小さい方の値以下に対応して設定され、１つの圧縮ばね
２０８でトルク、スラストの両方を負荷するようになっ
ている。

【００２２】支持軸２０３の後端には、図９に示すよう
に左右にカム溝２１１が削設してある。カム溝２１１の
形状は図１１に示すように、軸方向後方に向かって下が
り勾配となるように形成してある。また、前記ホルダ体
２の筒部２０１にはカム溝２１１と対向した位置にガイ
ドピン２１０が夫々植設され、ガイドピン２１０の内端
部がカム溝２１１内に摺接可能に嵌入されている。従っ
てこれらのガイドピン２１０とカム溝２１１によってホ
ルダ体２に対する工具保持体６の軸方向後退移動（主軸
１に近づく方向の移動）と工具ホルダ２００の回転方向
と逆方向の円周方向移動との間で双方向に移動方向を変
換させ、また、ホルダ体２に対する工具保持体６の軸方
向前方移動と工具ホルダ２００の回転方向と同方向の円
周方向移動との間で双方向に移動方向を変換させる変換
機構２１４が構成され、前記圧縮ばね２０８のばね力で
工具保持体６はホルダ体２に対し、軸方向前方と、回転
方向と同方向とに付勢されている。

【００２３】次に支持軸２０３と共に工具保持体６を構
成する検出筒２１５の後端外周には円周方向に１２０度
間隔で変位検出子２１６が突設してある。また、変位検
出子２１６の間に臨むようにホルダ体２の把持部２ｂか
ら基準検出子２１７が円周方向に１２０度間隔で前方に
突設してある。基準検出子２１７は低段部２１７ａと突
出部２１７ｂから成り、低段部２１７ａ、突出部２１７
ｂ及び変位検出子２１６の円周方向長さは夫々３０度に
設定してある。そして、過負荷スラスト荷重や過負荷ト
ルクが無い状態では、圧縮ばね２０８のばね力で前記変
換機構２１４を介して検出筒２１５が図１５のＺ方向
（回転方向と同じ）へ付勢されているので低段部２１７
ａと変位検出子２１６が当接した状態を保つ。またこの
時のガイドピン２１０の位置はカム溝２１１に対して図
１１に示す実線位置である。

【００２４】この工具ホルダ２００では、過負荷スラス
ト荷重及び、又は過負荷トルクが工具４にかかるまで
は、圧縮ばね２０８のばね力により変位検出子２１６と
基準検出子２１７とは図１０の関係を保ちつつ回転し、
加工する。この状態では例えば近接スイッチ３５が変位
検出子２１６の検出表示部２１６ｃでＯＮとなって、次
の基準検出子２１７の検出表示部２１７ｃで再びＯＮと
なる間の距離は６０度で一定であり、過負荷信号は出力
されない。しかし、過負荷スラスト荷重が工具４にかか
ると、鋼球２０９が圧接ブロック２０６を介して圧縮ば
ね２０８を圧縮し、工具保持体６が後退し、変換機構２
１４によりガイドピン２１０に沿ってガイド溝２１１が
案内されて変位検出子２１６が後退しつつ前記Ｚ方向と
逆方向に回転する。この時、鋼球２０９と圧接ブロック
２０６間はすべりを生じる。このようにして変位検出子
２１６が回転すると、検出表示部２１６ｃ，２１７ｃの
間隔が変化するので、この間隔の変化をとらえて、定常
時の値（前記６０度）と比較し、予め設定してある許容
値を外れた場合に過負荷信号を出力する。また、過負荷
トルク発生時には、工具保持体６がホルダ体２に対して
相対回転するので、変位検出子２１６は変換機構２１４
を介して回転しつつ後退することになる。尚、過負荷の
検出は特公昭５１−１５６３０号で周知のように工具保
持体のホルダ体に対する後退移動を検知するようにして
あってもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明では工具保持体と
ホルダ体の間に、ホルダ体に対する工具保持体の軸方向
前方移動とホルダ体の回転方向との間の双方向変換と、
移動方向を逆の関係にした双方向変換を行なわせる変換
機構を介在させたので、切削負荷設定用のばねを、工具
保持体をホルダ体に対して前方へ付勢するばねか、又は
回転方向方向と同方向へ付勢するばねの何れか一方を採
用すれば、このばねによってトルク及びスラストの両方
の値を設定でき、切削負荷設定用ばねの数を１つにでき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の工具ホルダの正面図である。

【図２】第１実施例の工具ホルダの拡大断面図である。

【図３】図２のIII−III断面図である。

【図４】図２のIV−IV断面図である。

【図５】第１実施例の工具ホルダの変位検出子と基準検
出子の円周方向全周の展開図である。

【図６】制御装置のブロック図である。

【図７】第２実施例の断面図である。

【図８】第３実施例の断面図である。

【図９】図８のIX−IX断面図である。

【図１０】第３実施例の工具ホルダの変位検出子と基準
検出子の円周方向全周の展開図である。

【図１１】第３実施例の変換機構の説明図である。

【符号の説明】

２ ホルダ体、 ３ 支持軸、 ６ 工具保持体、７，
５５，２００ 工具ホルダ、 １１ａ 支持孔、１２
ガイド溝、 １３ ボール、 １４，２１４ 変換機
構、２１，２４，２１６，２１７ 検出子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−23953（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−96451（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−4706（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭54−6102（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23Q 17/09 B23Q 31/38 B23Q 3/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホルダ体に工具保持体を円周方向と軸方
   向に夫々移動可能に支持し、ホルダ体と工具保持体間に
   切削負荷設定用のばねを介装してホルダ体に対して工具
   保持体を軸方向前方と、回転方向とに付勢し、切削中に
   工具保持体に生ずる切削負荷が前記ばねの設定負荷より
   大きくなった時に生じる工具保持体のホルダ体に対する
   相対移動を検出するようにして成る工具ホルダであっ
   て、ホルダ体と工具保持体間に、工具保持体の、ホルダ
   体に対する軸方向前方移動と工具ホルダ回転方向と同方
   向の円周方向移動との間の双方向変換と、工具保持体
   の、ホルダ体に対する軸方向後退移動と前記回転方向と
   逆方向の円周方向移動との間の双方向変換とを行なう変
   換機構を介在させたことを特徴とする工具ホルダ。