JP3934222B2 - 工作機械のツールロック装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械のツールロック装置に関する。更に詳しくは、ボールを用いて工作機械の主軸または刃物台に工具をクランプするための工作機械のツールロック装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
マシニングセンタ、フライス盤、中ぐり盤等には、工具を保持、又は回転させるための主軸を備えているが、この主軸端にテーパ孔が形成され工具が固定される。また、旋盤の刃物台においても、刃物台のテーパ孔に旋削用工具が固定される。工具の固定方法は、テーパ孔にテーパ部を備えた工具のツールシャンクが挿入され、更にツールシャンクの後部からドローバで引っ張られてテーパ孔にツールシャンクのテーパ部が密着して工具が主軸端に固定される。
【0003】
このクランプ機構としては、マシニングセンタに使用されているものでツールシャンクの後端にプルスタッドをねじ込んで、このプルスタッドをドローバの先端に配置されたコレットで掴み、ドローバを引張機構で引っ張りツールシャンクを主軸端のテーパ孔にクランプするタイプが知られている。また、特開昭46−246号公報、及び特公平3−75284号公報等では、ボールでドローバとツールシャンクとを係合、離脱させてクランプ、アンクランプするものも知られている。
【0004】
特開昭46−246号公報に記載されたものは、増力したクランプ力を受けるスリーブがリングで主軸に止められているため、クランプ力に対して強度的に弱く、大きな力を受けることができない。また、特公平3−75284号公報に記載されたものは、係止ロッドがくぼみの部分で細くなる構造のため係止ロッドの剛性を機構的に大きくすることができないので、結果としてクランプ力を大きく取れない。更に、この構造は、係止ロッドの中心にクーラントを流す大径のクーラント孔を配置することが難しい。
【0005】
以上のような理由から、ツールシャンクの軸心に形成された穴にボールを挿入して引っ張るツールロック装置は、ツールシャンクに形成された穴径によって、その穴に挿入されるドローバの径が制限されるためクランプ力が弱い、アンクランプ力が大きい、軸中心に大量のクーラントを流すことができない等の欠点がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記目的を達成する。
【0007】
本発明の目的は、クランプ力を増加させた工作機械のツールロック装置を提供することにある。
【0008】
本発明の他の目的は、アンクランプ力を小さくできる工作機械のツールロック装置を提供することにある。
【0009】
本発明の更に他の目的は、軸心に大径のクーラント孔を配置することが可能な工作機械のツールロック装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
【0011】
本発明の工作機械のツールロック装置は、
テーパ状のツールシャンクを受け入れるためのテーパ孔をもつホルダ本体と、前記ホルダ本体の前記テーパ孔の後方に形成され、前記テーパ孔の小径端部より内径の小さな小径穴部と、前記ホルダ本体の前記小径穴部の後方に形成され、前記小径穴部より内径が大きく、かつ、端部に、後方に広がる角度に傾斜している第1傾斜面が形成された大径穴部と、前記ツールシャンクの軸心に形成された穴に挿入され、この穴内の前方位置で半径方向に形成された第1係止部材保持孔、及び前記穴から外れた後方位置で半径方向に形成された第2係止部材保持孔を備え、かつ前記ホルダ本体に摺動可能に支承され、前記ホルダ本体の中心線に沿って移動自在な管状部材と、前記第1係止部材保持孔に挿入され、前記ツールシャンクの環状クランプ凹部に係合される第1係止部材と、前記第2係止部材保持孔に挿入され、前記ホルダ本体の大径穴部に形成された前記第1傾斜面に接触する第2係止部材と、前記管状部材の中心に、前記管状部材及び前記ホルダ本体に摺動自在に配置され、前記第1係止部材を受け入れる第1凹部、及び前記第2係止部材を受け入れる第2凹部、並びに前記第2係止部材と係合し後方にすぼまる角度に傾斜している第2傾斜面、かつ、前記ツールシャンクの前記穴の行き止まり部と当接可能な前端部が形成されたドローバと、前記ホルダ本体と前記ドローバとの間に介在され、前記ホルダ本体に対して、前記ドローバを、常時、後方に付勢するための付勢手段とからなり、ツールクランプ時には、前記付勢手段の付勢力を、前記第1傾斜面及び前記第2傾斜面によるくさび効果により拡大して、前記ホルダ本体に前記ツールシャンクを強固に固定するようにしたことを特徴とする。
【0012】
前記第1係止部材及び第2係止部材は、ボールであると良い。前記第1係止部材のボールよりも第2係止部材のボールの直径が大きいとより効果的である。
【0013】
前記付勢手段は、前記ホルダ本体の大径穴部の後方に位置する蓋部材を介して接触させると良い。前記ドローバの軸心には前記ドローバの中心線に沿った貫通孔が形成され、前記ドローバの後方から供給されたクーラントを前記ツールシャンクに導くように構成すると良い。
【0014】
前記第1係止部材のボールが少なくとも3個であり、前記第2係止部材のボールが少なくとも2個であると良い。前記付勢手段がコイルバネで構成するとより効果的である。
【0015】
前記ホルダ本体の大径穴部に形成された第1傾斜面の傾斜が20度ないし30度に構成すると良い。また、前記ドローバに形成された第2傾斜面の傾斜角度が5度ないし15度の範囲で構成すると良い。
【0016】
【発明の実施の形態】
[発明の実施の形態1]
次に、本発明の実施の形態1を説明する。図1は、本発明の工作機械のツールロック装置の断面図であり、図2は図1の前部の部分拡大図である。工作機械の刃物台1にはホルダ本体2が固定されている。このホルダ本体2は、旋削用の固定工具を保持するためのものである。ホルダ本体2の前部のフランジ3には、ホルダ本体2の中心軸線方向にテーパ孔4が形成されている。ホルダ本体2は刃物台1と一体的に形成しても良い。
【0017】
ホルダ本体2の後部には蓋部材5がボルト6で固定されている。ホルダ本体2と蓋部材5で構成される内部空間7にドローバ8の前部10が挿入されている。ドローバ8前部10の中央側には、鍔9が一体に形成されている。鍔9は、蓋部材5の内部に形成された摺動孔11にホルダ本体2の軸線方向に摺動自在に挿入されている。
【0018】
前部10の外周には、円筒状の玉保持器15がホルダ本体2の軸線方向に摺動自在に配置されている。玉保持器15の後部は、直径が大きい大径部16が形成されている。この部分を大径部16とした理由は、後記する第2ボール20が工具クランプ時に移動するときのリフト量がばらついたときに対応できるようにしたものである。この結果、大径部16の肉厚の中心近くで第2ボール20が接触するため、大径部16の角部への応力集中を防ぐこともできる。
【0019】
また、大径部16とすることにより、後記する第2ボール20とテーパ面21との接触点を、第2ボール20の中心に近付けることができるため、ツールクランプ状態で後記するツールシャンク35が前方へ引張られた時のセルフロック効果が高くなる。
【0020】
玉保持器15の前部には、半径方向でかつ90度の等角度間隔で4個の第1玉保持孔17が形成されている。また、玉保持器15の後部には、半径方向で120度の角度を置いて3個の第2玉保持孔18が形成されている。
【0021】
第1玉保持孔17には第1ボール19が挿入され、第2玉保持孔18には第2ボール20が挿入されている。第2玉保持孔18及び第2ボール20の直径は、第1玉保持孔17及び第1ボール19の直径より大きい。ドローバ8の前部10は、小径部14と大径部22の2段からなる部分に構成されている。
【0022】
小径部14には、他の外径部分より小径の第1凹部12が形成されている。第1凹部12は、第1ボール19がはまり込むためのものである。大径部22には、他の外径部分より小径の第2凹部13が形成されている。大径部22の前部は後方にすぼまる、テーパに形成されている。本例のテーパは、傾斜角度αで7度、テーパで76度である。傾斜角度αは、5度ないし15度の範囲(セルフロック角)が望ましい。
【0023】
ホルダ本体2にはテーパ孔4の後方に、テーパ孔4の小径端部より内径の小さな小径穴部4Aが形成され、この小径穴部4Aに玉保持器15の小径部15Aが摺動可能に支承されている。この小径穴部4Aの後方のホルダ本体2には、小径穴部4Aより内径の大きな大径穴部4Bが形成され、この大径穴部4Bには、リング状部材21Aが挿入され、工具クランプ時に第2ボール20が接触する後方に広がるテーパ面21が、このリング状部材21Aの後面に形成されている。このリング状部材21Aは焼き入れ処理が施され、テーパ面21が研磨されて、クランプ力が効率良く伝達されるようにしている。また、リング状部材21Aを別体で設ける必要はなくテーパ面21はホルダ本体2の大径穴部4Bに直接形成しても良い。
【0024】
本例では、傾斜角度βで30度、テーパで120度である。傾斜角度βは、20度ないし30度の範囲が望ましい。ドローバ8の中心線に沿って貫通孔25が形成されている。貫通孔25は、後部からクーラントを供給するための孔である。ドローバ8の最後部の外周には、雄ネジ26が形成されている。この雄ネジ26には、スプリング受27の雌ネジ28がねじ込んである。
【0025】
スプリング受27の前端面29には、圧縮コイルスプリング30の後端面が接し、圧縮コイルスプリング30の前端面が蓋部材5の後端面31に接している。したがって、圧縮コイルスプリング30のスプリング力は、蓋部材5を前方に押し、スプリング受27を後方に引っ張るように働くので、相対的にホルダ本体2が移動しないとするとドローバ8を後方に引っ張ることになる。
【0026】
ツールシャンク35のシャンク部36は、ホルダ本体2のテーパ孔4に密着するようにクランプされて把持固定される。シャンク部36の後部には、行き止まり穴である把持穴37が形成されている。把持穴37の内周面には、環状のクランプ凹部38が形成されている。クランプ凹部38の前後のR部の径は、第1ボール19の径より若干大きく設定されている。
【0027】
第2ボール20はツールシャンク35の把持穴37から外れた後方に配置されているため、第1ボール19より直径を大きくでき、従ってテーパ面21と第2ボール20の接触面に作用する面圧を軽減できるため、クランプ力を増加させても耐久性に問題は無い。また、第1ボール19を4個設けたことにより、特にミーリング加工のようにラジアル方向に作用する切削力の向きが一定でない場合に、ツールシャンク35がホルダ本体2から離れようとする不具合を防止できる。
【0028】
第1ボール19は3個でも良く、第2ボール20は2個でも良い。また傾斜角度αが20度ないし30度で、傾斜角度βが5度ないし15度の範囲でも良い。
【0029】
(実施の形態1の動作)
次に、前記実施の形態1の動作を説明する。図1に示すように、圧縮コイルスプリング30のスプリング力は、蓋部材5を前方に押し、スプリング受27を後方に引っ張るように働くので、相対的にホルダ本体2が移動しないとするとドローバ8を後方に引っ張ることになる。
【0030】
ドローバ8の後方への引っ張りにより、ドローバ8の第1凹部12にはまり込んでいる第1ボール19は小径部14の外周面上に乗り上げる。第1ボール19は、ツールシャンク35のクランプ凹部38に挿入され、クランプ凹部38の後方のR部と係合する。同時に、第2凹部13にはまり込んでいる第2ボール20は、テーパである大径部22の外周面に接する。第2ボール20は、ホルダ本体2に形成されたテーパ面21に接する。
【0031】
圧縮コイルスプリング30のスプリング力はくさび(楔)効果により、約(1/tanα)倍に拡大され、第2ボール20に伝えられる。したがって、圧縮コイルスプリング30のスプリング力の拡大率を大きくしようとすれば、ドローバ8の大径部22の角度αを小さくすれば良い。拡大された力は、第2ボール20に伝えられ、第2ボール20はホルダ本体2のテーパ面21に接触する。
【0032】
第2ボール20に伝えられた力は、同様のくさび(楔)効果により、約(1/tanβ)倍に拡大され、玉保持器15の大径部16に伝達される。玉保持器15は、軸線方向で後退する方向に力を伝達し、第1ボール19を介してツールシャンク35を引っ張ることになる。結局、圧縮コイルスプリング30のスプリング力は拡大されて、ツールシャンク35のシャンク部36は膨脹し、ホルダ本体2のテーパ孔4に密着すると共に、ツールシャンク35の後端面35Aとホルダ本体3の前端面3Aが密着して強固に把持固定される。
【0033】
ツールのアンクランプは、空気圧ピストン(図示せず)によりドローバ8の最後端面を押すことにより、図2に示す状態から図3に示す状態となり、ドローバ8の前端面8Aが把持穴37の行き止まり部39に当接して、ツールシャンク35を少し前に押し出し、ツールシャンク35を工具ホルダ本体2のテーパ孔4から取り出すことができる。傾斜角度αはセルフロック角に設定されているので、ツールシャンク35にはセルフロックが掛かり、切削力によってツールシャンク35がテーパ孔4から抜け出すことが無い。
【0034】
[発明の実施の形態2]
前記したように発明の実施の形態1でクランプ力を増すには、角度αと角度βを小さくするのが良いが、角度βを小さくするとツールのアンクランプ時に玉保持器15を介して第2ボール20をテーパ面21に押し当てても、第2ボール20を半径方向内側へ押し戻すことができない。
【0035】
図4は、発明の実施の形態2を示すツールロック装置の断面図である。ドローバ8に一体にフランジ9aが設けられている。
【0036】
フランジ9a前部の外径9bには、円筒状のエジェクタ35が配置されている。エジェクタ35は、その中心に孔36を備え、エジェクタ35は外径9bに焼きばめあるいはビス止め等によって一体的に設けられている。エジェクタ35の先端には、テーパ面37が形成されている。テーパ面37は、第2ボール20に接触する位置に形成されている。ツールのアンクランプ時に、空気圧ピストンによりドローバ8の最後端面を押すと、フランジ9aはエジェクタ35を後方から押して移動される。
【0037】
エジェクタ35のテーパ面37は、第2ボール20を半径方向内側に押して、アンクランプ動作を円滑にする。本例では、傾斜角度αで10度、テーパで70度であり、傾斜角度βで20度、テーパで140度である。この実施の形態2は、ホルダ本体2が回転する主軸タイプの例である。
【0038】
[その他の発明の実施の形態]
前記実施の形態1では、ホルダ本体2が回転しないタイプであったが、前記説明から理解されるように、回転工具を装着してホルダ本体2が回転する主軸タイプであっても良い。
【0039】
また、前記実施の形態2では、ホルダ本体2が回転する主軸タイプであったが旋削工具を装着するために、ホルダ本体2が固定タイプであっても良い。また、本発明は、工具以外の物、例えば被加工物を取付けるためのシャンクのロック装置に適用することも可能である。
【0040】
【発明の実施例】
前記発明の実施の形態1の実施例は、以下のようなものである。大径部22のテーパは、傾斜角度αで7度、テーパで76度である。第1ボール19の直径が約11mm、第2ボール20の直径が約14mmである。ホルダ本体2のテーパ面21は、傾斜角度βで30度、テーパで120度である。
【0041】
圧縮コイルバネ30のばね圧縮荷重が約420kgfで、ツールクランプ力が約1,900kgfであった。ツールアンクランプ力は、すなわちばねの最大圧縮荷重は、約750kgfである。
【0042】
【発明の効果】
本発明によると、次の効果が奏される。軸心にロック用穴が形成されたホローシャンク型のツールシャンクをボールを使用してロックするタイプの工作機械のツールロック装置であっても、クランプ力が強い、ツールシャンクにセルフロック作用が掛かる、アンクランプ力が空気圧でも作動できる程度に小さくできる、軸中心に大量のクーラントを流すことができる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の工作機械のツールロック装置の断面図である。
【図2】図2は、図1の前部の部分拡大図である。
【図3】図3は、アンクランプ時の本発明の工作機械のツールロック装置の断面図である。
【図4】図4は、発明の実施の形態2を示す工作機械のツールロック装置の断面図である。
【符号の説明】
1…主軸
2…ホルダ本体
3…フランジ
4…テーパ孔
5…蓋部材
8…ドローバ
15…玉保持器
16…大径部
17…第1玉保持孔
18…第2玉保持孔
19…第1ボール
20…第2ボール
21…テーパ面
30…圧縮コイルスプリング
37…テーパ面
Claims (9)
- テーパ状のツールシャンクを受け入れるためのテーパ孔をもつホルダ本体と、
前記ホルダ本体の前記テーパ孔の後方に形成され、前記テーパ孔の小径端部より内径の小さな小径穴部と、
前記ホルダ本体の前記小径穴部の後方に形成され、前記小径穴部より内径が大きく、かつ、端部に、後方に広がる角度に傾斜している第1傾斜面が形成された大径穴部と、
前記ツールシャンクの軸心に形成された穴に挿入され、この穴内の前方位置で半径方向に形成された第1係止部材保持孔、及び前記穴から外れた後方位置で半径方向に形成された第2係止部材保持孔を備え、かつ前記ホルダ本体に摺動可能に支承され、前記ホルダ本体の中心線に沿って移動自在な管状部材と、
前記第1係止部材保持孔に挿入され、前記ツールシャンクの環状クランプ凹部に係合される第1係止部材と、
前記第2係止部材保持孔に挿入され、前記ホルダ本体の大径穴部に形成された前記第1傾斜面に接触する第2係止部材と、
前記管状部材の中心に、前記管状部材及び前記ホルダ本体に摺動自在に配置され、前記第1係止部材を受け入れる第1凹部、及び前記第2係止部材を受け入れる第2凹部、並びに前記第2係止部材と係合し後方にすぼまる角度に傾斜している第2傾斜面、かつ、前記ツールシャンクの前記穴の行き止まり部と当接可能な前端部が形成されたドローバと、
前記ホルダ本体と前記ドローバとの間に介在され、前記ホルダ本体に対して、前記ドローバを、常時、後方に付勢するための付勢手段とからなり、
ツールクランプ時には、前記付勢手段の付勢力を、前記第1傾斜面及び前記第2傾斜面によるくさび効果により拡大して、前記ホルダ本体に前記ツールシャンクを強固に固定するようにした
ことを特徴とする工作機械のツールロック装置。 - 請求項1に記載の工作機械のツールロック装置において、
前記第1係止部材及び第2係止部材がボールである
ことを特徴とする工作機械のツールロック装置。 - 請求項2に記載の工作機械のツールロック装置において、
前記第1係止部材のボールよりも第2係止部材のボールの直径が大きい
ことを特徴とする工作機械のツールロック装置。 - 請求項1又は2に記載の工作機械のツールロック装置において、
前記付勢手段は、前記ホルダ本体の大径穴部の後方に位置する蓋部材を介して接触していることを特徴とする。 - 請求項1又は2に記載の工作機械のツールロック装置において、
前記ドローバの軸心には前記ドローバの中心線に沿った貫通孔が形成され、前記ドローバの後方から供給されたクーラントを前記ツールシャンクに導くようにしたことを特徴とする工作機械のツールロック装置。 - 請求項2に記載の工作機械のツールロック装置において、
前記第1係止部材のボールが少なくとも3個であり、前記第2係止部材のボールが少なくとも2個であることを特徴とする工作機械のツールロック装置。 - 請求項1又は2に記載の工作機械のツールロック装置において、
前記付勢手段がコイルバネである
ことを特徴とする工作機械のツールロック装置。 - 請求項1又は2に記載の工作機械のツールロック装置において、前記ホルダ本体の大径穴部に形成された第1傾斜面の傾斜が20度ないし30度であることを特徴とする。
- 請求項1又は2に記載の工作機械のツールロック装置において、
前記ドローバに形成された第2傾斜面の傾斜角度が5度ないし15度の範囲であることを特徴とする。
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