JP4797051B2 - コレットチャック - Google Patents
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Description
本発明は、例えば自動旋盤等の工作機械に装着して使用されるチタン融合コレットチャック及びコバルト融合コレットチャックに関する。
従来から、各種工作機械において被加工物又は工具を把持するためにコレットチャックが用いられている。このようなコレットチャックでは、被加工物と当接する把持面及び／又は工作機械側の支持体と当接する例えば円錐台状のテーパ面等に、磨耗及び傷による精度低下を防止するための表面硬質層が形成されている場合がある（例えば、特許文献１，２）。
特許文献１には、コレットチャックの把持面に超硬材料のチップをろう付けする技術と、テーパ面に硬質カーボン被膜を形成する技術とが開示されている。また、特許文献２には、コレットチャックの把持面とテーパ面との少なくとも一方に、直接又は中間被膜層を介して硬質カーボン被膜を形成する技術が開示されている。
特許文献１に開示されているような超硬材料による技術には、以下のような問題点がある。例えば、超硬材料、一般的には炭化タングステン（ＷＣ）を使用した所謂超硬合金は、耐磨耗性の観点からは十分ではない。また、上述のように超硬合金をろう付けするため、ろう付けが不完全な場合に超硬合金が剥がれやすくなる等、品質面での問題点がある。ここで、ろう付けの良否は外観部の表面検査によるしかなく、ろう付けが完全かどうかを確実に検査することは困難である。また、製造中の超硬合金の欠損、ろう付けに伴う加工及び洗浄等による工数の増大、及びろう材料等の追加によるコストアップ等の問題点もある。
また、特許文献２に開示されているような硬質カーボン被膜による技術には、以下のような問題点がある。例えば、コレットチャックの基材に直接硬質カーボン被膜を形成すると、被膜が剥がれやすくなるという問題点がある。
上記の中間被膜層の材料としては、特許文献２に開示されたシリコン等の化合物もしくはチタン等の炭化物、超硬合金、サーメット又はセラミック等が提案されている。しかしながら、シリコン等の化合物又はチタン等の炭化物を従来の方法で母材にコーティングすると、母材と中間被膜層とが剥離しやすくなってしまうという問題点がある。また、超硬合金を用いる場合には、上記特許文献１と同様の問題点がある。さらに、サーメット又はセラミック等を中間被膜層として使用する場合にも、それらをろう付け又は接着しなければならないため、工数、時間及びコストの増大を招いてしまう。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、低コストで高品質の表面硬質層を備えるコレットチャックを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るコレットチャックは、
基材と、
前記基材から形成され、対象物を把持する把持部と、
前記基材から形成され、前記対象物を利用する装置の支持体に支持される被支持部と、を備え、
前記基材の表面にはチタン化合物の被膜が形成されており、
前記被膜は、放電により前記基材上に形成されたものであり、
前記把持部の内周面に形成された前記被膜は、表面に所定の面粗度の凹凸形状を有することにより、前記対象物の把持を所定の把持力にする、
ことを特徴とする。
基材と、
前記基材から形成され、対象物を把持する把持部と、
前記基材から形成され、前記対象物を利用する装置の支持体に支持される被支持部と、を備え、
前記基材の表面にはチタン化合物の被膜が形成されており、
前記被膜は、放電により前記基材上に形成されたものであり、
前記把持部の内周面に形成された前記被膜は、表面に所定の面粗度の凹凸形状を有することにより、前記対象物の把持を所定の把持力にする、
ことを特徴とする。
前記コレットチャックにおいて、前記被膜が、前記対象物に当接する前記把持部の内周面に形成されていてもよい。
また、前記被膜が、前記支持体に当接する前記被支持部の外周面に形成されていてもよい。
また、前記被膜が、前記対象物に当接する前記把持部の内周面と前記支持体に当接する前記被支持部の外周面とに形成されていてもよい。
また、本発明の第２の観点に係るコレットチャックは、
基材と、
前記基材から形成され、対象物を把持する把持部と、
前記基材から形成され、前記対象物を利用する装置の支持体に支持される被支持部と、を備え、
前記基材の表面にはコバルト合金の被膜が形成されており、
前記被膜は、放電により前記基材上に形成されたものであり、
前記把持部の内周面に形成された前記被膜は、表面に所定の面粗度の凹凸形状を有することにより、前記対象物の把持を所定の把持力にする、
ことを特徴とする。
基材と、
前記基材から形成され、対象物を把持する把持部と、
前記基材から形成され、前記対象物を利用する装置の支持体に支持される被支持部と、を備え、
前記基材の表面にはコバルト合金の被膜が形成されており、
前記被膜は、放電により前記基材上に形成されたものであり、
前記把持部の内周面に形成された前記被膜は、表面に所定の面粗度の凹凸形状を有することにより、前記対象物の把持を所定の把持力にする、
ことを特徴とする。
前記コレットチャックにおいて、前記被膜が、前記対象物に当接する前記把持部の内周面に形成されていてもよい。
また、前記被膜が、前記支持体に当接する前記被支持部の外周面に形成されていてもよい。
また、前記被膜が、前記対象物に当接する前記把持部の内周面と前記支持体に当接する前記被支持部の外周面とに形成されていてもよい。
本発明によれば、コレットチャックの基材の表面に、基材とチタン化合物（又はコバルト合金）とが融合し膜厚方向においてチタン濃度（又はコバルト濃度）の傾斜分布を有する被膜が形成されるため、ろう付け等の工程を省略できるとともに、剥がれにくい安定した被膜が得られる。従って、本発明によれば、低コストで高品質の表面硬質層を備えるコレットチャックを提供することができる。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）は本実施形態のコレットチャック１０を示す図であり、図１（ｂ）のＩ−Ｉ線で切断した断面図である。図１（ｂ）はコレットチャック１０の正面図である。
図１（ａ）は本実施形態のコレットチャック１０を示す図であり、図１（ｂ）のＩ−Ｉ線で切断した断面図である。図１（ｂ）はコレットチャック１０の正面図である。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、コレットチャック１０は、円筒状をなす胴部１２の一端から、軸方向から見て図示の例では３つの切片２１が突出した形状を備えている。切片２１は、すり割り部２０によって、軸方向から見て等分割するように配置されており、これによってコレットチャック１０は全体として概ね円筒状をなしている。なお、以下の構成の説明において、切片２１については特に断りの無い限り集合体として扱う。
切片２１は、その先端側に、ヘッド部１１を備えている。ヘッド部１１は、先端側に円筒部１３と、胴部１２側に向いた円錐台状のテーパ部１５と、を備えている。ヘッド部１１の内径側には、３つの切片２１のそれぞれに把持面１８が設けられている。この把持面１８は全体として、円形の把持孔１７の内径面を構成している。
胴部１２は、切片２１の根元の外径と略同じ外径を有する部分と、それよりわずかに大きい外径を有する嵌合部１６とを備えている。胴部１２の中空部１９の内径は、被加工物等が干渉しないように把持孔１７の内径よりも大きくなっている。
本実施形態のコレットチャック１０のうち上述した各部は、ばね鋼等の鋼材から一体として形成されており、コレットチャック１０の基材を構成している。
また、コレットチャック１０は、その一部の表面に、チタン浸透被膜２２を備えている。図１（ａ）の例では、把持面１８の表面にチタン浸透被膜２２ａが形成されており、テーパ部１５の外面にチタン浸透被膜２２ｂが形成されており、嵌合部１６の外面にチタン浸透被膜２２ｃが形成されている。
チタン浸透被膜２２は、基材に近い方において、炭化チタン（ＴｉＣ）がコレットチャック１０の基材と融合し、膜厚方向においてＴｉ濃度が傾斜変化する、傾斜組成を有している。即ち、基材に近くなるほどＴｉ濃度が低く、表面に近くなるほどＴｉ濃度が高くなっている。チタン浸透被膜２２の表面側の層はほぼＴｉＣのみの層であり、表層はＨｖ２０００以上のビッカース硬さを有している。なお、このチタン浸透被膜２２については、被膜の形成方法の説明において後述する。
次に、上述の如く構成されたコレットチャック１０の動作について説明する。本実施形態において、コレットチャック１０は、自動旋盤にヘッド部１１から胴部１２に向かって押圧されて装着される。このとき、テーパ部１５の外面と嵌合部１６の外面とが自動旋盤の支持部材に支持される。また、加工時に、コレットチャック１０の３つの切片２１が棒状の被加工物（ワーク）を把持面１８で把持する。
ここで、把持面１８、テーパ部１５の外面（テーパ面）及び嵌合部１６の外面にそれぞれ硬質のチタン浸透被膜２２ａ〜２２ｃが形成されていることで、被加工物又は支持部材と当接することによる経時的な磨耗及び傷の発生が抑制される。
次に、本実施形態のチタン浸透被膜２２の形成方法について、図２〜図５を参照して説明する。なお、図２（ａ）〜（ｃ）及び図５（ａ），（ｂ）では、図示の便宜上、精密バイス３５、基材３６、専用治具３７、及び専用治具３８のみ断面表示している。
本実施形態のチタン浸透被膜２２の形成方法では、図２（ａ）に示すように、油槽３１、定盤３３及び制御部４５を備えた加工機３０を使用する。定盤３３は油槽３１内に据え付けられており、油槽３１の開口側（上部側）に向いた平面である基準面３４を備えている。制御部４５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び記憶装置等を備えており、加工機３０の動作全般を制御する。
先ず、図２（ａ）に示すように、コレットチャック１０の基材３６を、被膜形成用の定盤３３にセットする。図示の例では、基材３６は、定盤３３の基準面３４の上にヘッド部１１側が上になるように載置されており、専用治具３７，３８及び精密バイス３５で固定できるようになっている。基材３６、専用治具３７，３８及び精密バイス３５をセットした状態で、油槽３１内には基材３６が油面３２ａの下になるように絶縁油３２が満たされている。また、把持孔１７に相当する基材３６の孔１７０の上には、フローティングホルダー３９に取り付けられた電極４０が用意されている。電極４０は、ＴｉＣの焼結体として形成され、直径が孔１７０の内径より小さい円柱状の形状を有している。電極４０のフローティングホルダー３９からの突出長さは孔１７０に応じて適宜定められている。
次に、図２（ｂ）に示すように、フローティングホルダー３９に取り付けられた電極４０を、孔１７０に挿入する。電極４０は、図２（ｂ）に矢印で示すように、制御部４５のサーボ制御によって互いに直交するｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能である。図示の例では、ｚ軸方向は電極４０の軸方向である。そして、電極４０と孔１７０の加工面とが平行となるように調整した後、精密バイス３５を用いて基材３６を固定する。
次に、加工機３０の加工基準位置を設定するとともに、加工条件を選択する。具体的には、例えば、（１）電極４０の外径と基材３６の内径寸法、基材３６の上面座標をプログラムに入力し、（２）仕上げ面粗さに対応する加工条件を選定し、（３）電極４０の軸中心位置と取付け高さを設定し、（４）基材３６の内径中心位置を設定する。なお、上記の設定は、制御部４５に対するユーザからの入力、又は予め記憶されたプログラムに従って制御部４５が取得した位置データ等に基づいて行われる。
ここで、加工条件とは、例えば、電極４０と基材３６とのクリアランス、電極４０の材質、基材３６の材質、極性、パルス幅、電極４０の上昇距離、電極４０の降下時間、電圧等、である。なお、極性は、通常は電極４０側を「＋」とし基材３６側を「−」とするが、加工内容や加工の目的によっては逆に切換えてもよい。また、電圧は、チタン浸透被膜２２ａの面粗度に関係する。電圧を高くすると面粗度は粗くなり、電圧を低くすると面粗度は細かくなる。従って、電圧を制御することで、所望の仕上げ面粗度を得ることができる。被加工物を把持する際の把握力を高めたい時は、把持面１８に形成するチタン浸透被膜２２ａの電圧を高くする。これにより、チタン浸透被膜２２ａの面粗度は粗くなり、表面形状が凹凸となり、被加工物との接触面積が小さくなるため、被加工物を把持する際の把握力を高めることができる。
次に、上記の加工条件を設定後、被膜の形成を行う。ここで、図２（ｂ）における被膜形成工程について、図３及び図４も参照して説明する。図３及び図４は、電極４０近傍を模式的に示す部分断面図である。なお、以下の被膜形成工程は、特に断りの無い限り制御部４５の指令によって行われる。
被膜形成工程が開始されると、先ず、電極４０を孔１７０内の必要な位置に降下させる。このとき、電極４０は、軸方向から見て孔１７０の中心位置である。
次に、図３に示すように、電極４０を孔１７０の中心位置から孔１７０の内面の所定の位置に近づける。図３の例では、実線の矢印で示す所定のクリアランスの放電位置４３ａとなるように、図の左側へ電極４０を移動させる。
次に、電極４０と基材３６との間に、絶縁油３２の中で電圧を印加しパルス状に放電させる。この放電エネルギーによって、基材３６の表面付近が溶融して所謂溶融プールを形成する。この溶融プールに、溶融した電極４０の材料（ＴｉＣ）が移動してさらに溶着する。
ここで、パルス状の放電は１秒間につき約１万回程度発生し、放電のたびに電極材料を孔１７０の内面に盛り上げていく。なお、放電は電極４０と基材３６との極間で起こるため、電極材料が盛り上がる領域は電極４０の形状に応じた部位である。
図３及び図４に示すように、例えば放電位置４３ａで行われる電極材料の溶着は、孔１７０の内面の一部と電極４０との間で行われる。このとき、基材３６の成分と電極４０の成分とが融合し、基材３６の側（下層５１）ではＴｉ濃度が傾斜した層が形成され、電極４０の側（上層５２）ではほぼＴｉＣのみの層が形成される。図４では図示を簡略化しているが、実際には下層５１及び上層５２とも多数回のステップで形成されているため、チタン浸透被膜２２ａの膜厚全体としてはほぼ連続した組成の傾斜で成膜が行われる。チタン浸透被膜２２ａの膜厚は、下層５１が例えば５μｍであり、上層５２が例えば１０μｍである。
放電位置４３ａにおける溶着が終了すると、一旦電極４０を孔１７０の中心に戻した後、電極４０を次の溶着のための位置に移動させる。図３の例では、電極４０を放電位置４３ａより図に向かって時計回りの放電位置４３ｂに移動させて次の溶着を行う。このように、放電位置が軸方向から見て円周方向に４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，・・・，と移動するように電極４０を順次移動させ、すり割り部２０を除く孔１７０の内面の全周にわたって電極材料を溶着させる。なお、放電位置４３ａ，４３ｂ，４３ｃの放電動作は、孔１７０の内面の１周回でもよく複数周回にわたって行うこととしてもよい。
被膜形成が終了した後、図２（ｃ）に示すように、電極４０を上昇させる。上述の被膜形成工程によって、孔１７０の内面にはチタン浸透被膜２２ａが形成されるとともに、図１（ａ），（ｂ）に示したような把持孔１７が形成される。
以上、把持孔１７におけるチタン浸透被膜２２ａについて説明した。図１に示したテーパ部１５におけるチタン浸透被膜２２ｂ及び嵌合部１６におけるチタン浸透被膜２２ｃについても同様に形成することができる。以下、図５（ａ），（ｂ）を参照して説明する。
図５（ａ）に示すように、油槽３１内に据え付けられた定盤３３の基準面３４上に基材３６が載置されている。本図の例では、図２（ａ）とは異なり、ヘッド部１１が下になるように基材３６が載置される。なお、図５（ａ）においては、定盤３３はマグネットチャックになっており、基材３６をマグネットで吸着することにより固定できるようになっている。
図２（ａ）と同様に基材３６が絶縁油３２に完全に浸っている状態で、フローティングホルダー４１に取り付けられた電極４２を下ろす。図５（ａ）に示すように、電極４２の形状は、テーパ部１５の外面及び嵌合部１６の外面に合わせた形状となっている。図５（ａ）の状態で図２（ｂ）の場合と同様のパルス状の放電を起こすことにより、図５（ｂ）に示すようなチタン浸透被膜２２ｂ，２２ｃを形成することができる。なお、図５（ａ），（ｂ）の例ではチタン浸透被膜２２ｂ，２２ｃを同時に形成することとしているが、電極の形状を適宜定めることにより、チタン浸透被膜２２ｂとチタン浸透被膜２２ｃとを別々に形成することとしてもよい。
以上説明した本実施形態のコレットチャック１０においては、被加工物を把持する把持面１８、並びに機械側の支持体と当接するテーパ部１５及び嵌合部１６の外面にチタン浸透被膜２２を形成することで、超硬合金又は硬質カーボン被膜には無い格別の効果を得ることができる。
例えば、上述したように、基材３６の溶融プールに溶融した電極４０の材料が移動していくことで、基材３６に電極４０の成分が浸透し、傾斜層を形成する。これにより、チタン浸透被膜２２として形成したときの被膜の基材３６に対する密着度が高くなり、剥がれにくく安定した被膜を形成することができる。
また、本実施形態のＴｉＣのような耐磨耗性のよい材料をチタン浸透被膜２２として形成できるため、把持面１８等の耐磨耗性をより高めることができ、コレットチャック１０を長寿命化させることができる。チタン浸透被膜２２の膜厚は、上述のように、例えば硬質カーボン被膜の場合の２〜３μｍ程度と比べて厚くすることができるため、より長寿命化を図ることができる。
また、パルス放電によって形成されたチタン浸透被膜２２は、表面の面粗度を精度良く均一に仕上げることができる。また、面粗度は上述のように加工条件を変更することで制御できるため、例えば面粗度が粗くなるようにチタン浸透被膜２２ａを形成することで、上述のように把持面１８の把握力を強化することも可能である。従来、把握力強化のために、機械加工で把持面に溝を形成することが行われていたが、本実施形態の方法によれば機械加工で溝を形成する場合に比べて被加工物に傷がつきにくくなるという利点もある。これにより、製作工数の低減、生産性の向上及び品質の向上を図ることが可能となる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態ではチタン浸透被膜２２の材料としてチタン化合物のひとつであるＴｉＣを使用した。これに対して、本実施形態では被膜材料として耐磨耗性に優れたコバルト合金を使用する。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態ではチタン浸透被膜２２の材料としてチタン化合物のひとつであるＴｉＣを使用した。これに対して、本実施形態では被膜材料として耐磨耗性に優れたコバルト合金を使用する。
本実施形態においては、図１（ａ），（ｂ）に示すコレットチャック１０の構成、及び図２〜図５に示す被膜の形成方法については基本的に第１の実施形態と同様である。即ち、本実施形態ではチタン浸透被膜２２（２２ａ〜２２ｃ）に代えてコバルト浸透被膜が形成される。なお、本実施形態におけるコバルト浸透被膜とは、コバルト合金と基材３６の材料成分とが融合し組成が傾斜した融合層を備える被膜をいう。
本実施形態のようにコバルト浸透被膜をコレットチャック１０の表面に形成することは、以下のような利点を有している。例えば、コバルト合金の硬度はＴｉＣのようなチタン化合物より低いものの、チタン化合物よりも滑りやすいため、磨耗しにくい。また、コバルト合金の場合はチタン化合物よりも被膜の厚さを大きくすることができる。これらにより、コバルト合金を使用してコレットチャック１０の長寿命化を図ることができる。また、コバルト合金は、チタン化合物とは異なり、既に成膜されたコバルト合金の被膜の上から重ねて成膜することが可能である。これにより、製作工数の低減及び生産性の向上を図ることも可能である。
なお、この発明は上述した実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、コレットチャック１０の基材３６の材料は、鋼材に限らず、例えばニッケル基合金等の種々の材料を使用することができる。
また、被膜の材料は、上述したようなＴｉＣの他、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）等の材料を使用することとしてもよい。コバルト合金についても種々の組成の合金を使用することができる。
また、コレットチャック１０の円筒部１３は無くてもよい。把持面１８及び把持孔１７は円形だけでなく、四角形や六角形などの多角形や異形状でもよい。チタン（又はコバルト）浸透被膜２２を形成する部分は、実施形態では把持面１８、テーパ部１５、嵌合部１６に形成されているが、把持面１８のみでもよく、テーパ部１５と嵌合部１６でもよい。コレットチャック１０の形状及びチタン（又はコバルト）浸透被膜２２を形成する部分は図示の例に限られるものではなく、適宜定めることができる。
また、上記実施形態においては、被加工物を対象物とし、これを利用する装置として自動旋盤を例として説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明のチタン（コバルト）融合コレットチャックは、例えば研磨装置等種々の装置に使用することができ、コレットチャックに把持される対象物も被加工物（ワーク）のみならず、例えば工具等、種々の対象物を用いることができる。
１０ コレットチャック
１１ ヘッド部
１２ 胴部
１３ 円筒部
１５ テーパ部
１６ 嵌合部
１７ 把持孔
１８ 把持面
１９ 中空部
２０ すり割り部
２１ 切片
２２ チタン浸透被膜
３０ 加工機
３１ 油槽
３２ 絶縁油
３３ 定盤
３４ 基準面
３５ 精密バイス
３６ 基材
３７，３８ 専用治具
３９，４１ フローティングホルダー
４０，４２ 電極
４５ 制御部
５１ 下層
５２ 上層
１７０ 孔
１１ ヘッド部
１２ 胴部
１３ 円筒部
１５ テーパ部
１６ 嵌合部
１７ 把持孔
１８ 把持面
１９ 中空部
２０ すり割り部
２１ 切片
２２ チタン浸透被膜
３０ 加工機
３１ 油槽
３２ 絶縁油
３３ 定盤
３４ 基準面
３５ 精密バイス
３６ 基材
３７，３８ 専用治具
３９，４１ フローティングホルダー
４０，４２ 電極
４５ 制御部
５１ 下層
５２ 上層
１７０ 孔
Claims (8)
- 基材と、
前記基材から形成され、対象物を把持する把持部と、
前記基材から形成され、前記対象物を利用する装置の支持体に支持される被支持部と、を備え、
前記基材の表面にはチタン化合物の被膜が形成されており、
前記被膜は、放電により前記基材上に形成されたものであり、
前記把持部の内周面に形成された前記被膜は、表面に所定の面粗度の凹凸形状を有することにより、前記対象物の把持を所定の把持力にする、
ことを特徴とするコレットチャック。 - 前記被膜が、前記対象物に当接する前記把持部の内周面に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のコレットチャック。 - 前記被膜が、前記支持体に当接する前記被支持部の外周面に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のコレットチャック。 - 前記被膜が、前記対象物に当接する前記把持部の内周面と前記支持体に当接する前記被支持部の外周面とに形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のコレットチャック。 - 基材と、
前記基材から形成され、対象物を把持する把持部と、
前記基材から形成され、前記対象物を利用する装置の支持体に支持される被支持部と、を備え、
前記基材の表面にはコバルト合金の被膜が形成されており、
前記被膜は、放電により前記基材上に形成されたものであり、
前記把持部の内周面に形成された前記被膜は、表面に所定の面粗度の凹凸形状を有することにより、前記対象物の把持を所定の把持力にする、
ことを特徴とするコレットチャック。 - 前記被膜が、前記対象物に当接する前記把持部の内周面に形成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載のコレットチャック。 - 前記被膜が、前記支持体に当接する前記被支持部の外周面に形成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載のコレットチャック。 - 前記被膜が、前記対象物に当接する前記把持部の内周面と前記支持体に当接する前記被支持部の外周面とに形成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載のコレットチャック。
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| JPH11124671A (ja) * | 1997-10-16 | 1999-05-11 | Citizen Watch Co Ltd | ガイドブッシュ内周面への被膜形成方法 |
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