JP4067892B2 - 工作物保持装置および保持方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械に工作物を取り付ける保持装置および保持方法であって、取り付けの際の工作物に生じる歪みを少なくして、加工精度の向上を図るための工夫を施した保持装置および保持方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、機械加工するワーク（工作物）の保持装置としてコレットチャックがある。
【０００３】
図９および図１０に従来の保持装置の一例を示す。図９は従来の保持装置の縦断面図（これは図１０のＡ−Ａ断面図になっている）であり、図１０は正面図である。この保持装置１０１は、工作機械のスピンドル１０２に固定して該スピンドル１０２とともに回転する基体１０３と、この基体１０３を上記スピンドル１０２に固定するための複数のボルト１０４と、工作機械のシリンダ（不図示）に連結され、該シリンダの作動に連動して前後方向に駆動する主軸１０５と、先端部の５箇所に切割部１０６を有しワーク１０７を把持するコレット１０８と、このコレット１０８の先端に形成されたテーパ部に対応する形状のテーパ部を先端部に有し該コレットを内周方向に締め付ける作動筒１０９と、上記主軸１０５の駆動力を上記作動筒１０９に伝達する伝達部材と、上記コレット１０８と伝達部材との相対移動を円滑にするためのＯリングなどから概略構成されている。便宜上、コレット１０８に形成したテーパ部を第１テーパ部といい、作動筒１０９の先端に形成されたテーパ部を第２テーパ部という。
【０００４】
工作機械のシリンダにより主軸１０５が図９の左方向に駆動されると、伝達部材を介して作動筒１０９も左方向に駆動される。そして、作動筒１０９の先端に形成された第２テーパ部とコレット１０８の先端に形成された第１テーパ部とが相対的に摺接移動し、コレット１０８の先端が内周方向に収縮する。その結果、ワーク１０７が確実に把持されることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の保持装置では、加工前のワークの形状によっては保持装置で把持した際にワークに変形が生じる場合がある。そして、所定形状に加工した後にワークを保持装置から取り外すと、上記変形に基づく内部歪みが開放されるために、狙いの加工精度に入らないという不具合があった。
【０００６】
このことを図面に基づいて説明する。図１１は保持装置でワーク１０７を把持する前後でのワーク１０７の形状変化を説明するための状態図である。（ａ）はコレット１０８内にワーク１０７を挿入した状態、（ｂ）はワーク１０７に対してコレット１０８を締め付けた状態、（ｃ）は加工後に保持装置から取り外したワーク１０７の形状である。
【０００７】
略円筒形状の素材を加工して、真円度について高い精度の筒状の製品を製造することを例とする。例えば、（ａ）に示すように素材の外周面が楕円形状であった場合、コレット１０８によりワーク１０７を全周から略均等に締め付けたとすると（ｂ）に示すようにワーク１０７が歪んで変形して固定される。その状態で素材の内面や外面を加工して高い真円度で仕上げたとしても、コレット１０８を拡張してワーク１０７を取り出すと、ワーク１０７に加わっていた歪みが開放されて（ｃ）に示すように真円度が悪くなる（楕円に変化してしまう）。
【０００８】
このことは例えば、要求される真円度が１ ／ １ ０ ０ ０ から１ ／ １ ０ ０ 程度の精密な製品では大きな課題であった。そこで本発明の目的は、機械加工に適した把持力を有すると共に、保持した際に工作物に生じる歪みを低減し、高精度の加工ができる保持装置および保持方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の工作物保持装置は、工作機械に工作物を取り付ける保持装置において、軸方向に移動可能な主軸と、一部に切割が形成された円筒形を有し、上記工作物を保持する周面の反対側周面にはテーパを有して軸方向には移動を規制されたコレットと、上記テーパ面に摺接するテーパを有し、このコレットの軸方向に進退動させられ上記コレットを拡張又は収縮させるリングであって、径方向に変形可能なたわみリングと、上記たわみリングの周面に隙間を有して保持し、上記主軸の軸方向の移動に伴って上記たわみリングを軸方向に移動させて、上記たわみリングを介して上記コレットが拡縮され、上記コレットが上記工作物を保持するように作動する作動筒と、を具備することを特徴とする
【００１０】
上記たわみリングは、工作物の素材の形状や加工部位等を考慮して、上記コレットの外側に配置してもよいし、コレットの内側に配置してもよい。また、上記たわみリングがコレットの軸方向に進退動して該コレットを拡縮させる機構は、種々の方法があるが、例えばコレットに第１テーパ面を形成し、たわみリングには上記第１テーマ面に摺接する形状の第２テーパ面を形成し、上記たわみリングの上記軸方向での進退動に連動して、上記上記両テーパ面の係合によりコレットを拡縮してもよい。上記たわみリングの材料としては、引張強さが強くて靭性があるプレハードン鋼などがよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る保持装置について、図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る保持装置の要部断面図である。略円筒形状の素材をワーク（工作物）７とし、このワーク７の内周面を把持する例である。この保持装置は、一部に切割が形成された円筒形のコレット８と、このコレット８の軸（Ａ）方向に進退動して上記コレット８を拡縮させるリングであって、上記ワーク７の面形状に倣って変形するたわみリング１９とから概略構成される。
【００１５】
上記たわみリング１９は、コレット８の内側に配置され、上記軸（Ａ）に垂直な方向（Ｃ方向）において作動筒１５との間に所定の隙間ａをもって上記作動筒１５に取り付けられている。上記作動筒１５は、コレット８の軸（Ａ）方向に進退動する。
【００１６】
上記コレット８の端部内面には第１のテーパ面が形成され、上記第１のテーパ面に摺接する第２のテーパ面がたわみリング１９の外面に形成されている。
上記作動筒１５が軸（Ａ）に平行な方向（Ｂ方向）に進退動すると、その動作に連動してたわみリング１９も同方向に進退動する。そうすると、上記第１のテーパ面と第２のテーパ面の摺接作用により上記コレット８が軸（Ａ）に垂直な方向（Ｃ方向）で拡縮し、ワーク７を把持／開放することができる。
【００１７】
たわみリング１９は作動筒１５との間に形成した隙間ａの範囲でワーク７の面形状に倣って変形することができる。このたわみリング１９の変形に合わせてコレット８もワーク７の面形状に倣って変形するので、把持した際のワーク７に生じる歪みを低減することができる。
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る保持装置の要部断面図である。略円柱形状の素材をワーク（工作物）７とし、このワーク７の外周面を把持する例である。この保持装置は、一部に切割が形成された円筒形のコレット８と、このコレット８の軸（Ａ）方向に進退動して上記コレット８を拡縮させるリングであって、上記ワーク７の面形状に倣って変形するたわみリング１９とから概略構成される。
【００１８】
上記たわみリング１９は、コレット８の外側に配置され、上記軸（Ａ）に垂直な方向（Ｃ方向）において作動筒１５との間に所定の隙間ａをもって上記作動筒１５に取り付けられている。上記作動筒１５は、コレット８の軸（Ａ）方向に進退動する。
【００１９】
上記コレット８の端部外面には第１のテーパ面が形成され、上記第１のテーパ面に摺接する第２のテーパ面がたわみリング１９の内面に形成されている。
上記作動筒１５が軸（Ａ）に平行な方向（Ｂ方向）に進退動すると、その動作に連動してたわみリング１９も同方向に進退動する。そうすると、上記第１のテーパ面と第２のテーパ面の摺接作用により上記コレット８が軸（Ａ）に垂直な方向（Ｃ方向）では拡縮し、ワーク７を把持／開放することができる。
【００２０】
作用効果は、上記第１の実施の形態と同じである。なお本保持装置が把持する素材は円柱形状に限定されず、円筒形状であってもよい。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る保持装置について、図３〜図６に基づいて説明する。図３は該保持装置を説明するための縦断面図であり、図４はその要部断面図である。
【００２１】
この保持装置１は、工作機械のスピンドル２に固定され該スピンドル２とともに回転駆動する基体３と、この基体３を上記スピンドル２に固定するための複数のボルト４と、工作機械のシリンダ（不図示）に連結され、該シリンダの作動に連動して前後方向（図中、左右方向）に所定の距離範囲で進退駆動する主軸５と、先端部の５箇所に切割部（図中、ハッチングしていない部分）６を有しワーク７を把持する際に該ワーク７に当接するコレット８を有する。
【００２２】
図４に示すように、該コレット８の先端部９は中間部１０よりも肉厚形状であり、外周面側に所定角度に傾斜した円錐面（第１テーパ部）１１が形成されている。該コレット８の基部には、ワーク７を把持する際に該ワーク７の挿入量を制限するストッパ部１２と、上記基体３に当接してコレット８の後方向（図中、左方向）への変位を規制する突当部１３が設けられている。また、上記切割部６は、先端部９から中間部１０（図中、肉薄の部分）にかけて形成され、基部には達していない。先端部９から中間部１０に至る部分の内周面はワーク７の外周面に沿うように円筒形の曲面になっている。その内周面の基部側には逃部１４が形成されている。
【００２３】
また、保持装置１は、上記コレット８を内周方向に締め付けるための作動筒１５と、主軸５の進退駆動を上記作動筒１５に伝えるための伝達部材１６と、コレット８と伝達部材１６との相対移動を円滑にするためのＯリング１７を有する。作動筒１５は、先端部１８と中間部２４と基部２５から成っている。
【００２４】
図４に示すように、上記作動筒１５の先端部１８には、後に詳述するたわみリング１９と、該たわみリング１９を支持するカラー２０と、該カラー２０に上記たわみリング１９を当てつけ固定するための押さえリング２１が設けられている。上記カラー２０の内周面には雌ネジ２２が形成されている。一方、押さえリング２１の外周には雄ネジが形成されている。上記両ネジが噛合することにより、押さえリング２１はカラー２０に固定されている。そして、たわみリング１９はカラー２０の内面に形成された段部と上記押さえリング２１とに挟まれて、前後方向（図中、左右方向）には脱落しないようになっている。また、上記作動筒１５の中間部２４にも雄ネジが形成されており、この雄ネジと上記カラー１９の雌ネジ２２が噛合すると共に固定ネジ２６を押し込むことにより、先端部１８が中間部２４に固定されている。
【００２５】
たわみリング１９の内周面側には、コレット８の先端部９に形成した上記第１テーパ部１１と係合する、所定角度に傾斜した円錐面（第２テーパ部）２３が形成されている。一方、たわみリング１９の外周面側とカラー２０の内周面との間隔は、ワーク７を把持していない状態では所定の隙間（ａ）が形成される寸法関係になっている。この隙間（ａ）は、ワーク７を保持した際にワーク７の外周形状のうねりを吸収するためのものであり、例えば０．１〜０．２ｍｍ程度である。
【００２６】
たわみリング１９の材料としては、引張強さが強くて靭性があるＮＡＫ５５（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金、大同特殊鋼（株）の商品名）等のプレハードン鋼がよい。ＮＡＫ５５は引張強さが約１１００（Ｎ／ｍｍ²）と大きいので、ワーク７を把持した際の変形に対する耐性が高い。また、靭性があるので割れや欠けの懸念が小さくなる。なお、たわみリング１９の材料はプレハードン鋼に限定されるものではなく、引張強さや靭性がある材料であればよい。また、安価に入手できるものであれば更によい。
【００２７】
図５は、上記たわみリング１９の斜視図である。内周面側には所定角度に傾斜した円錐面（第２テーパ部）２３が形成されている。
次に、保持装置１によりワーク７を把持する際の動作について説明する。
【００２８】
工作機械のシリンダ（不図示）を駆動して主軸５を工作機械側に引き込むと、伝達部材１６を介して作動筒１５も同方向に移動する。その際に、たわみリング１９の内周面の第２テーパ部とコレット８の第１テーパ部１１とが相対的に摺接し、コレット８の切割部６の隙間が狭まって先端部９が内周方向に移動する。その結果コレット８の先端部９の内周面がワーク７を押圧し、ワーク７が確実に把持される。
【００２９】
この際、コレット８に対する作動筒１５からの押圧力は上記たわみリング１９により部分的に弱められることにより、ワーク７の外周面の形状にならってコレット８がワーク７を把持するようになる。その結果、ワーク７の変形が低減されて内部歪みの発生が抑制される。
【００３０】
より具体的に説明すると、たわみリング１９の外側に隙間（ａ）を形成しているので、ワーク７の外表面の出張部（例えば、楕円の長径方向の頂点付近）では、たわみリング１９が外側に変形して上記隙間（ａ）が小さくなり、その近傍の切割部６は他の部分よりも広い隙間が形成される。逆に、ワーク７の外表面の引込部（例えば、楕円の短径方向の頂点付近）では、たわみリング１９の外側への変形が小さく上記隙間（ａ）が大きいままとなり、その近傍の切割部６は他の部分よりも狭い隙間が形成される。
【００３１】
このことを図６に基づいて説明する。図６は保持装置１でワーク７を把持する前後でのワークの形状変化を説明するための状態図である。（ａ）はコレット８内にワーク７を挿入した状態、（ｂ）はワーク７に対してコレット８を締め付けた状態、（ｃ）は加工後に保持装置１から取り外したワーク７の形状である。
【００３２】
略円筒形状の素材を加工して、真円度について高い精度の筒状の製品を製造することを例とする。例えば、（ａ）に示すように素材（ワーク７）の外周面が楕円で合った場合でも、（ｂ）に示すように、たわみリング１９の作用によりコレット８は素材の外周形状にそって略楕円に締め付けられる。その状態で素材の内面や外面を加工して高い真円度で仕上げた後、コレット８を開いて加工後の製品を取り出すと（ｃ）に示すように加工時の形状がそのまま維持される。
【００３３】
このように、本願発明の第１の実施の形態に係る保持装置によれば、加工前のワークの外周形状が楕円等のいびつな形状であっても、その形状に沿ってコレットがワークを把持するので、保持装置に取り付けたワークに内部歪みが生じにくく、ワークを加工後に取り出した後の変形が無くなる。それにより、高い形状精度の製品を得ることができる。
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態に係る保持装置について、図７と図８に基づいて説明する。図７は該保持装置を説明するための縦断面図であり、図８はその要部断面図である。
【００３４】
本実施の形態に係る保持装置１ａは、上記第３の実施の形態に係る保持装置１と比較してコレット８の先端部９ａの形状が相違するのみであり、その他の構成については同一である。
【００３５】
上記先端部９ａには、作動筒１５の先端部１８よりも延出した延出部３０が設けられ、この延出部３０の内周面には複数の輪帯状の凸部３１が形成されている。
【００３６】
作動筒１５による押圧力がコレット８に加わると、たわみリング１９との当接部を中心として延出部３０が外方にわずかに反り、また、作動筒１５で覆われた部分は工作物７側にわずかに反り、コレット全体が撓む。
【００３７】
この第４の実施の形態に係る保持装置によれば、延出部３０の内周面に設けた凸部３１がワーク７ にわずかに食い込むことにより、ワークの把持力を向上させることができる。また、ワークを把持した際にコレット８ が撓むので、ワークに対する押圧力が柔軟なものとなり、ワークに加わる歪みを更に低減することができる。
尚、本発明の保持装置は、円筒形状の工作物に特に効果を発揮し、また、カメラのレンズ枠等の高い真円度を要求される部品の加工に好適である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、工作物の面形状に倣って変形するたわみリングによりコレットを拡縮させるので、機械加工に適した把持力を保証すると共に、保持した際に工作物に生じる歪みを低減し、高精度の加工ができる保持装置または保持方法となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る保持装置の要部断面図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態に係る保持装置の要部断面図である。
【図３】 本発明の第３の実施形態に係る保持装置の縦断面図である。
【図４】 本発明の第３の実施形態に係る保持装置の要部縦断面図である。
【図５】 たわみリングの斜視図である。
【図６】 本発明の第３の実施形態に係る保持装置によるワークの保持について説明するための状態図である。
【図７】 本発明の第４の実施形態に係る保持装置の縦断面図である。
【図８】 本発明の第４の実施形態に係る保持装置の要部縦断面図である。
【図９】 従来の保持装置の縦断面図である。
【図１０】 従来の保持装置の正面図である。
【図１１】 従来の保持装置によるワークの保持について説明するための状態図である。
【符号の説明】
１・・・保持装置
２・・・スピンドル
３、１０３・・・基体
５、１０５・・・主軸
７、１０７・・・ワーク（工作物）
８、１０８・・・コレット
１１・・・第１テーパ部
１５、１０９・・・作動筒
１９・・・たわみリング
２３・・・第２テーパ部

Claims (2)

1. 工作機械に工作物を取り付ける保持装置において、
   軸方向に移動可能な主軸と、
   一部に切割が形成された円筒形を有し、上記工作物を保持する周面の反対側周面にはテーパを有して軸方向には移動を規制されたコレットと、
   上記テーパ面に摺接するテーパを有し、このコレットの軸方向に進退動させられ上記コレットを拡張又は収縮させるリングであって、径方向に変形可能なたわみリングと、
   上記たわみリングの周面に隙間を有して保持し、上記主軸の軸方向の移動に伴って上記たわみリングを軸方向に移動させて、上記たわみリングを介して上記コレットが拡縮され、上記コレットが上記工作物を保持するように作動する作動筒と、
   を具備することを特徴とする工作物保持装置。
2. 上記たわみリングは、プレハードン鋼であることを特徴とする請求項１ に記載の工作物保持装置。

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