JP5217646B2 - 工具クランプ装置および工具クランプ方法 - Google Patents

Description

本発明は、工具クランプ装置および工具クランプ方法に関する。

現状、自動交換対応工具のクランプ方式として、繰返し取付け精度の良い工具クランプ方式として、例えば、ＪｌＳ規格のＨＳＫ方式やメーカ固有規格のＫＭ方式等の中空テーパ工具二面拘束クランプ方式がある。

特許文献１の工具クランプ装置によれば、ユニット本体の内部に工具ホルダのテーパシャンク部に形成されたプルスタッド部をクランプするクランプ機構を収容し、このクランプ機構のクランプ部材を開閉操作するためのスライダに連結したドローバーをユニット本体の後端部から外部に突出させ、このドローバーの外周において、バネ受部材とバネ受部材の間に位置するように皿バネを装着し、ドローバーを常に後方のクランプ方向に付勢する。このクランプ状態において、スピンドルは工具ホルダのテーパシャンクおよび端面で拘束され、いわゆる二面拘束クランプとなる。

しかし、上記の工具クランプ装置に示された、ＨＳＫ方式等の中空テーパ工具二面拘束クランプ方式のクランプメカニズムは、工具テーパ部に締め代をもたせた形状になっているため、引込力（クランプ力）を作用させることで工具自身の中空テーパ部と相手スピンドルテーパ部を締め代分変形させ、テーパ面を密着させながら心出し方向の位置決めを行っている。そしてその状態から締め代分の変形により端面が密着するまで引き込まれ、倒れ方向の位置決めを行いクランプ動作を完了する。すなわち、主に軸方向の引込力のみで心出し方向と倒れ方向の位置決めを同時に行っている。これにより、幾何形状的にテーパ面位置決め寄与度の大きな心出し精度は良いが、端面位置決め寄与度の大きな倒れ精度は心出し精度よりも劣っており、工具の繰返し取付け精度のばらつき要因になっている。
特開２００５―１３１３３１１号公報

従って、本発明の目的は、工具の倒れ精度および心出し精度に優れ、工具の繰返し取付け精度に優れる工具クランプ装置および工具クランプ方法を提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するために、工具テーパ部および工具端面の二面拘束部を備えた工具ホルダに嵌合して、前記工具ホルダをスピンドル側に引き込み操作することによりクランプする工具クランプ装置であって、前記工具テーパ部に対応するスピンドルテーパ部および前記工具端面に対応するスピンドル端面を備えたスピンドルと、前記スピンドルの内部に収容されたクランプユニットと、を有し、前記工具端面と前記スピンドル端面が当接した状態において、前記工具テーパ部と前記スピンドルテーパ部とがすきま嵌めの関係寸法で形成され、前記クランプユニットによる引き込み操作開始時において、前記工具テーパ部と前記スピンドルテーパ部とはすきま嵌めの状態であり、引き込み操作終了時において、前記工具テーパ部の拡径により前記工具テーパ部と前記スピンドルテーパ部とが密着することを特徴とする工具クランプ装置を提供する。

［２］また、前記工具テーパ部は、中空形状のテーパシャンク部の外周面であることを特徴とする前記［１］に記載の工具クランプ装置であってもよい。

［３］また、前記テーパシャンク部は、前記クランプユニットによる引き込み操作により内側から拡径方向へのクランプ力を受けるクランプ力作用部を有することを特徴とする前記［２］に記載の工具クランプ装置であってもよい。

［４］また、前記クランプ力作用部は、前記拡径方向へ向かうスピンドル径方向と前記工具端面と前記スピンドル端面とが密着する方向のスピンドル軸方向の両方向の成分を持つ傾斜面で形成されていることを特徴とする前記［３］に記載の工具クランプ装置であってもよい。

［５］本発明は、上記目的を達成するために、工具テーパ部および工具端面の二面拘束部を備えた工具ホルダと前記工具テーパ部に対応するスピンドルテーパ部および前記工具端面に対応するスピンドル端面を備えたスピンドルとを対向させて、前記工具端面と前記スピンドル端面を接触させる引き込み開始ステップと、前記引き込み開始ステップに続いて、前記工具テーパ部を拡径させて前記スピンドルテーパ部に密着させる引き込み操作ステップとを有し、前記引き込み開始ステップの終了時において、前記工具テーパ部と前記スピンドルテーパ部とは、すきま嵌めの状態であることを特徴とする工具クランプ方法を提供する。

本発明によれば、工具の倒れ精度および心出し精度に優れ、工具の繰返し取付け精度に優れる工具クランプ装置および工具クランプ方法を提供することができる。

（本発明の第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工具の構造である。図２は、アンクランプ状態におけるスピンドルユニット２００の構成を示す縦断面図である。図３は、工具１００、スピンドルユニット２００、および、工具保持器３００がアンクランプ状態で配置されている状態を示す縦断面図である。図４は、工具１００、スピンドルユニット２００、および、工具保持器３００がクランプ状態で配置されている状態を示す縦断面図である。

（工具１００）
工具１００は、工具ホルダ１０１、プルスタッドボルト１０２、および、工具本体部１０３から大略構成されている。

工具ホルダ１０１は、中空の段付フランジ形状とされ、研削ホイール、切削ホイール等の工具本体部１０３が一体的に取付け固定されている。工具ホルダ１０１の中心部分にはプルスタッドボルト１０２が螺合により取付けられ、後述する工具保持器３００側にプルスタッドボルト１０２の係止部１２１が突出するよう立設されている。このプルスタッドボルト１０２が立設された側と反対側においては、工具ホルダ１０１とスピンドル２１０とが位置決め嵌合するための工具端面１０４および工具テーパ部１０５が形成されている。また、中空部には後述するスピンドルユニット２００により工具保持器３００側に押圧されるための内空端面１２２が形成されている。

工具端面１０４は、工具１００の回転軸に垂直な面であり、工具１００のクランプ状態における倒れ精度を規定する基準面である。

一方、工具テーパ部１０５は、工具１００の回転軸から所定の角度だけ傾斜したテーパ面（例えば、１/１０テーパ）であり、工具１００のクランプ状態における心出し精度を規定する基準面である。工具テーパ部１０５は、所定の肉厚のテーパシャンク部１０６の外周面であり、テーパシャンク部１０６の内周面にはスピンドルユニット２００からクランプ力を受けるクランプ力作用部１０７が形成されている。クランプ力作用部１０７は、後述するクランピング羽２４０が外方向に開いたときにテーパシャンク部１０６を拡径すると共に、工具ホルダ１０１（工具１００）をスピンドル２１０側に引き込む方向にクランプ力を発生させるように斜面が形成されている。

（スピンドルユニット２００）
スピンドルユニット２００は、スピンドル２１０、ドローバー２２０、コーン２３０、クランピング羽２４０から大略構成されている。スピンドルユニット２００は、図示しないモータ、エアスピンドル等の回転駆動装置により回転駆動される。

スピンドル２１０は、先端外周部に工具ホルダ１０１の工具テーパ部１０５と嵌合するスピンドルテーパ部２１１が形成され、また、スピンドル２１０の先端部にその軸に垂直で工具ホルダ１０１の工具端面１０４に当接するスピンドル端面２１２が形成されている。スピンドル２１０の内空部には、円筒形状のコーン２３０がドローバー２２０に接続されて配置され、一体的にスピンドル２１０の軸方向に移動可能とされている。

コーン２３０の外周面には複数のクランピング羽２４０が接触して配置されている。クランピング羽２４０の先端部２４１はコーン２３０の外周面に形成された段部２３１と当接し、コーン２３０の移動により段部２３１がぞれぞれのクランピング羽２４０を外方へ押し拡げることができる。また、クランピング羽２４０の先端部２４１はその外周部がクランプ力作用部１０７に対応した位置となるよう配置され、クランプ状態でクランプ力作用部１０７にクランプ力を作用させる構成とされている。

一方、クランピング羽２４０の後端部２４２は、スピンドル２１０の内空部に設けられた溝部２１３に収容されており、コーン２３０の移動によっても軸方向の位置が概略維持され、また、クランプ状態においてはコーン２３０の後端部２３２に押されて後端部２４２が溝部２１３側に移動することでクランピング羽２４０の外方への移動が可能とされている。

スピンドル２１０の内空部の奥部にはバネ保持材２４５およびバネ２４６が配置され、このバネ２４６によりクランピング羽２４０は工具１００側へ付勢されている。これにより、クランプ状態において、ドローバー２２０およびコーン２３０の移動によってクランピング羽２４０が安定に外方へ押し拡げられる。

（工具保持器３００）
結合部３１０は、工具１００を他の工具に交換するときに、工具ホルダ１０１を保持し、クランプあるいはアンクランプ動作を協働して行なうためのものである。結合部３１０の開口端には、工具ホルダ１０１の位置決めと軸方向の押付力を受けるためのテーパ部３１１が形成され、テーパ部３１１の奥には内径部３１２が形成されている。この内径部３１２は、工具ホルダ１０１のプルスタッドボルト１０２が所定の間隙を有して嵌合する大きさであり、内径部３１２の周囲には、クリック部３１３が設けられている。クリック部３１３は、工具ホルダ１０１のプルスタッドボルト１０２に形成された係止部１２１に所定のクリック力で嵌合し、工具１００を保持する。

結合部３１０は、工作機械のベッド側に固定されたベース部３２０に保持され、また、軸方向には軸力発生部３３０を介して保持されている。軸力発生部３３０は、コイルばね、あるいは、油圧・空気圧等によるシリンダ装置を使用できる。

（アンクランプ状態）
図２に示すように、アンクランプ状態では、ドローバー２２０が工具１００側へ移動しており、ドローバー２２０と共にコーン２３０も工具１００側へ移動しているので、クランピング羽２４０の先端部２４１は段部２３１に乗り上げておらず、径方向には閉じた状態である。

図３に示すように、ドローバー２２０がアンクランプ位置にある状態で、先ず、工具保持器３００又は、スピンドル２１０の一方を接近させて対向させ、コーン先端部２３３で工具ホルダ１０１の内空端面１２２を工具保持器３００側へ押圧する。工具１００は、プルスタッドボルト１０２が工具保持器３００のクリック部３１３により係止され、工具ホルダ１０１がテーパ部３１１との当接により位置決めされた状態で工具保持器３００に保持されている。この状態では、工具端面１０４とスピンドル端面２１２が間隙を有する状態である。

（クランプ動作）
コーン先端部２３３で工具１００を工具保持器３００へ押圧し、軸力発生部３３０からの反力として工具１００がスピンドル２１０側へ押圧される所定量以上の押付力を発生させる。次に、油圧制御等によりドローバー２２０を工具端面１０４とスピンドル端面２１２が密着するまで後退させ、所定量の押付力を作用させて端面位置決めを行ない倒れ精度を出す（引き込み開始ステップ）。この引き込み開始ステップ終了時においては、工具端面１０４とスピンドル端面２１２は密着しているが、工具テーパ部１０５とスピンドルテーパ部２１１とは間隙を有する状態であり、例えば、φ０．００１〜φ０．００６ｍｍのすきま嵌めとされている。

上記の引き込み開始ステップに続いて、引込力によりドローバー２２０を更に後退させ、それと同時にコーン２３０の段部２３１にならって押し広げられたクランピング羽２４０がクランプ力作用部１０７に接触することで生じるクランプ力の径方向分力（内張り力）でテーパシャンク部１０６を拡径させ、これにより工具テーパ部１０５を変形させてスピンドルテーパ部２１１に密着させてテーパ面位置決めを行い心出し精度を出す。また、クランプ力の軸方向分力で所定量の端面密着力が発生し、工具端面１０４とスピンドル端面２１２の密着力を増加させる（引き込み操作ステップ）。引き込み操作ステップ終了時においては、図４に示されるような状態となっている。尚、図４に示すように、例えば、クランプ力が軸から略６０°の方向に作用するようにクランプ力作用部１０７と先端部２４１との当接関係が形成されている。この場合は、クランプ力の約0.85（＝sin60°）が拡径方向に作用し、約0.5（＝cos60°）が軸方向に作用する。

上記示した引き込み開始ステップおよび引き込み操作ステップを行なうことにより、二面拘束による工具１００のスピンドル２１０へのクランプ動作が可能となる。尚、クランプ動作完了後、工具１００をクリック部３１３のクリック力に抗して工具保持器３００から離間させ、加工動作に移行することができる。

（アンクランプ動作）
アンクランプ動作は、上記示したクランプ動作と逆動作となる。すなわち、工具１００をクランプした状態のスピンドル２１０を工具保持器３００に近接させ、工具ホルダ１０１のプルスタッドボルト１０２を工具保持器３００のクリック部３１３に係止させる。この状態で、ドローバー２２０、コーン２３０を工具１００側へ移動させることにより、コーン２３０の段部２３１により外方へ押し拡げられていたクランピング羽２４０を内方へ閉じさせる。これにより、クランピング羽２４０による工具ホルダ１０１のクランプ力作用部１０７へのクランプ力が解除される。この後、スピンドル２１０（スピンドルユニット２００）を工具保持器３００から離間させると、工具１００は工具保持器３００に保持されたままとなり、他の工具との交換動作等が可能となる。

（本発明の第１の実施の形態の効果）
（１）本発明の第１の実施の形態によれば、引き込み開始ステップにより工具１００の倒れ精度を出した後に、引き込み操作ステップとしてクランピング羽２４０によりテーパシャンク部１０６を外方向に拡張させて心出しをしてクランプ動作を行なう。従って、工具交換時に安定な二面拘束が可能であり、倒れ精度および心出し精度に優れる。
（２）工具の自動交換に上記クランプ方式（工具クランプ装置または工具クランプ方法）を採用することで、工具交換毎の振れ取り回数を少なくすることが可能になり、振れ取り時間の短縮（サイクルタイム短縮）と工具寿命の向上が可能となる。
（３）工具ホルダ１０１のクランプ力作用部１０７とクランピング羽２４０の先端部２４１との当接により、図４に示すように、クランプ角６０°の方向にクランプ力が作用するので、例えばクランプ角３０°の標準ＨＳＫ方式に比較して、工具把持特性に優れ、また、繰り返し工具取付け精度を良くすることができる。

（本発明の第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る工具の構造である。図６は、アンクランプ状態におけるスピンドルユニット２００の構成を示す縦断面図である。図７は、工具１００、スピンドルユニット２００、および、工具保持器３００がアンクランプ状態で配置されている状態を示す縦断面図である。図８は、工具１００、スピンドルユニット２００、および、工具保持器３００がクランプ状態で配置されている状態を示す縦断面図である。

本発明の第２の実施の形態に係る工具クランプ装置は、本発明の第１の実施の形態と比べて、工具端面１０４をスピンドル端面２１２に密着させる引き込み構成が異なるが、その他の構成は第１の実施の形態と同様であるので、異なる構成について、以下に説明する。

（工具１００）
工具１００は、工具ホルダ１０１、プルスタッドボルト１５０、および、工具本体部１０３から大略構成されている。

プルスタッドボルト１５０は、ネジ部１５１を鍔部１５２が工具ホルダ１０１に当接するまで螺合させて、工具ホルダ１０１に取り付けられる。この状態で、工具保持器３００側に第１の実施の形態と同様に係止部１５３が突出するよう立設されていると共に、スピンドルユニット２００側にも係止部１５４が突出するよう立設されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

（スピンドルユニット２００）
スピンドルユニット２００は、スピンドル２１０、ドローバー２２０、コーン２３０、クランピング羽２４０、センタロッド２５０から大略構成されている。スピンドルユニット２００は、図示しないモータ、エアスピンドル等の回転駆動装置により回転駆動される。

ドローバー２２０には、コーン２３０がネジ部２３５により螺合されて固定され、コーン２３０の中空部２３６をセンタロッド２５０が貫通してスライド可能な状態で組み立てられている。センタロッド２５０は、コイルばね２３７によりセンタロッド２５０が工具１００側へ突出する方向に付勢されている。また、センタロッド２５０の先端部には、ボールプランジャ部２５５が形成されている。ボールプランジャ部２５５には、プルスタッドボルト１５０の係止部１５４を収容する内空部２５６が形成され、この内空部２５６には図示しないばねにより内径方向に付勢されたボール２５７が配置されている。上記のような構成においては、プルスタッドボルト１５０の係止部１５４がボールプランジャ部２５５の内空部２５６に挿入されると、付勢されたボール２５７と係止部１５４との節度機構により所定の引張荷重が作用するまではボールプランジャ部２５５とプルスタッドボルト１５０の係止状態が維持される。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

（アンクランプ状態）
図６に示すように、アンクランプ状態では、ドローバー２２０が工具１００側へ移動しており、ドローバー２２０と共にコーン２３０も工具１００側へ移動しているので、クランピング羽２４０の先端部２４１は段部２３１に乗り上げておらず、径方向には閉じた状態である。

図７に示すように、ドローバー２２０がアンクランプ位置にある状態で、先ず、工具保持器３００又は、スピンドル２１０を対向させ、ボールプランジャ部２５５がプルスタッドボルト１５０の係止部１５４と係止するまで接近させる。工具１００は、プルスタッドボルト１５０が工具保持器３００のクリック部３１３により係止され、工具ホルダ１０１はテーパ部３１１との当接により位置決めされた状態で工具保持器３００に保持されている。この状態では、工具端面１０４とスピンドル端面２１２が間隙を有する状態である。

（クランプ動作）
ドローバー２２０を引込力により後退させ、センタロッド２５０後部に設けたコイルばね２３７の復元力によりプルスタッドボルト１５０を引込むことで工具端面１０４とスピンドル端面２１２を密着させて端面位置決めを行い倒れ精度を出す（引き込み開始ステップ）。この引き込み開始ステップ終了時においては、工具端面１０４とスピンドル端面２１２は密着しているが、工具テーパ部１０５とスピンドルテーパ部２１１とは間隙を有する状態であり、例えば、φ０．００１〜φ０．００６ｍｍのすきま嵌めとされている。

上記の引き込み開始ステップに続いて、引込力によりドローバー２２０を更に後退させ、それと同時にコーン２３０の段部２３１にならって押し広げられたクランピング羽２４０がクランプ力作用部１０７に接触することで生じるクランプ力の径方向分力（内張り力）でテーパシャンク部１０６を拡径させ、これにより工具テーパ部１０５を変形させてスピンドルテーパ部２１１に密着させてテーパ面位置決めを行い心出し精度を出す。また、クランプ力の軸方向分力で所定量の端面密着力が発生し、工具端面１０４とスピンドル端面２１２の密着力を増加させる（引き込み操作ステップ）。引き込み操作ステップ終了時においては、図８に示されるような状態となっている。尚、クランプ力の方向は
第１の実施の形態と同様に、略６０°である。

上記示した引き込み開始ステップおよび引き込み操作ステップを行なうことにより、二面拘束による工具１００のスピンドル２１０へのクランプ動作が可能となる。尚、クランプ動作完了後、工具１００をクリック部３１３のクリック力に抗して工具保持器３００から離間させ、加工動作に移行することができる。

（アンクランプ動作）
アンクランプ動作は、上記示したクランプ動作と逆動作となる。すなわち、工具１００をクランプした状態のスピンドル２１０を工具保持器３００に近接させ、工具ホルダ１０１のプルスタッドボルト１５０を工具保持器３００のクリック部３１３に係止させる。この状態で、ドローバー２２０、コーン２３０を工具１００側へ移動させることにより、ボールプランジャ部２５５とプルスタッドボルト１５０の係止部１５４とが離間し、さらに移動することで、コーン２３０の段部２３１により外方へ押し拡げられていたクランピング羽２４０を内方へ閉じさせる。これにより、クランピング羽２４０による工具ホルダ１０１のクランプ力作用部１０７へのクランプ力が解除される。この後、スピンドル２１０（スピンドルユニット２００）を工具保持器３００から離間させると、工具１００は工具保持器３００に保持されたままとなり、他の工具との交換動作等が可能となる。

（本発明の第２の実施の形態の効果）
本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、ボールプランジャ部２５５とプルスタッドボルト１５０の係止部１５４との係合を利用して工具端面１０４とスピンドル端面２１２を密着させるので、引き込み開始ステップでの引き込み操作が確実であり、端面位置決めによる倒れ精度が向上する。

以上、本発明の工具クランプ装置および工具クランプ方法を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る工具の構造である。 図２は、アンクランプ状態におけるスピンドルユニット２００の構成を示す縦断面図である。 図３は、工具１００、スピンドルユニット２００、および、工具保持器３００がアンクランプ状態で配置されている状態を示す縦断面図である。 図４は、工具１００、スピンドルユニット２００、および、工具保持器３００がクランプ状態で配置されている状態を示す縦断面図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態に係る工具の構造である。 図６は、アンクランプ状態におけるスピンドルユニット２００の構成を示す縦断面図である。 図７は、工具１００、スピンドルユニット２００、および、工具保持器３００がアンクランプ状態で配置されている状態を示す縦断面図である。 図８は、工具１００、スピンドルユニット２００、および、工具保持器３００がクランプ状態で配置されている状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１００…工具
１０１…工具ホルダ、１０２…プルスタッドボルト、１０３…工具本体部、１０４…工具端面、１０５…工具テーパ部、１０６…テーパシャンク部、１０７…クランプ力作用部、１２１…係止部、１２２…内空端面、１５０…プルスタッドボルト、１５１…ネジ部、１５２…鍔部、１５３…係止部、１５４…係止部
２００…スピンドルユニット
２１０…スピンドル、２１１…スピンドルテーパ部、２１２…スピンドル端面、２１３…溝部、２２０…ドローバー、２３０…コーン、２３１…段部、２３２…後端部、２３５…ネジ部、２３６…中空部、２３７…コイルばね、２４０…クランプ羽、２４１…先端部、２４２…後端部、２４５…バネ保持材、２４６…バネ、２５０…センタロッド、２５５…ボールプランジャ部、２５６…内空部、２５７…ボール
３００…工具保持器
３１０…結合部、３１１…テーパ部、３１２…内径部、３１３…クリック部、３２０…ベース部、３３０…軸力発生部

Claims (5)

1. 工具テーパ部および工具端面の二面拘束部を備えた工具ホルダに嵌合して、前記工具ホルダをスピンドル側に引き込み操作することによりクランプする工具クランプ装置であって、
   前記工具テーパ部に対応するスピンドルテーパ部および前記工具端面に対応するスピンドル端面を備えたスピンドルと、
   前記スピンドルの内部に収容されたクランプユニットと、を有し、
   前記工具端面と前記スピンドル端面が当接した状態において、前記工具テーパ部と前記スピンドルテーパ部とがすきま嵌めの関係寸法で形成され、
   前記クランプユニットによる引き込み操作開始時において、前記工具テーパ部と前記スピンドルテーパ部とはすきま嵌めの状態であり、引き込み操作終了時において、前記工具テーパ部の拡径により前記工具テーパ部と前記スピンドルテーパ部とが密着することを特徴とする工具クランプ装置。
2. 前記工具テーパ部は、中空形状のテーパシャンク部の外周面であることを特徴とする請求項１に記載の工具クランプ装置。
3. 前記テーパシャンク部は、前記クランプユニットによる引き込み操作により内側から拡径方向へのクランプ力を受けるクランプ力作用部を有することを特徴とする請求項２に記載の工具クランプ装置。
4. 前記クランプ力作用部は、前記拡径方向へ向かうスピンドル径方向と前記工具端面と前記スピンドル端面とが密着する方向のスピンドル軸方向の両方向の成分を持つ傾斜面で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の工具クランプ装置。
5. 工具テーパ部および工具端面の二面拘束部を備えた工具ホルダと前記工具テーパ部に対応するスピンドルテーパ部および前記工具端面に対応するスピンドル端面を備えたスピンドルとを対向させて、前記工具端面と前記スピンドル端面を接触させる引き込み開始ステップと、
   前記引き込み開始ステップに続いて、前記工具テーパ部を拡径させて前記スピンドルテーパ部に密着させる引き込み操作ステップとを有し、
   前記引き込み開始ステップの終了時において、前記工具テーパ部と前記スピンドルテーパ部とは、すきま嵌めの状態であることを特徴とする工具クランプ方法。
   

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