JP5337427B2 - 工具ホルダの把持力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具ホルダを工作機械の主軸に装着した際に、工具ホルダが所定の把持力で主軸端に把持されているかを測定する工具ホルダの把持力測定装置に関するものである。

近年、ＨＳＫシャンクやＫＭシャンク（米国ケナメタル社製品）形状を有する工具ホルダが、比較的多用されるようになっている。これは構造上、主軸内に設置されたクランプ駆動手段により主軸端部に工具ホルダを装着する際に、シャンク部のテーパ角度を１／１０にして中空構造とし、かつテーパ面部と主軸端面との２面が当接する所謂２面拘束方式である。しかも、クランプ駆動手段による主軸内方への引込力はくさび機構により増力されて、約３倍の把持力を発生することができる構成を有しており剛性が高い。

図３はＨＳＫシャンクを有する工具ホルダ１を主軸２に装着した状態を示している。工具ホルダ１を主軸２に装着する場合は、工具ホルダ１のテーパシャンク部１ａを主軸２のテーパ孔２ａに挿入後に、ドローバ３を矢印方向へ引き込む。

これにより、ドローバ３に連結したクランピングスリーブ４のテーパ外周面４ａを介して、フィンガ５を内側面５ａの外方に押し広げることで、フィンガ５の外側テーパ面５ｂが工具ホルダ１の内側テーパ面１ｂに係合して、フィンガ５を外側に拡げながらドローバ３の引張り方向に引き込む。これにより、工具ホルダ１はその端面１ｃが主軸端面２ｂに密着すると共に、テーパシャンク部１ａが主軸２のテーパ孔２ａに密着する。

図４はＫＭシャンクを有する工具ホルダ１を主軸２に装着した状態を示している。工具ホルダ１を主軸２に装着する場合には、工具ホルダ１のテーパシャンク部１ｄを主軸２のテーパ孔２ｃに挿入後に、ロックロッド６を矢印方向に引き込む。これにより、ロックロッド６の外周に形成した傾斜面６ａが、スリーブ７に保持されている鋼球８を外側に広げるように押し出す。

従って、鋼球８は工具ホルダ１のテーパシャンク部１ｄに形成した孔のテーパ面１ｅに係合して、テーパシャンク部１ｄを外側に拡げながら引き込むことになり、工具ホルダ１はその端面１ｆが主軸端面２ｄに密着すると共に、テーパシャンク部１ｄが主軸２のテーパ孔２ｃに密着する。

このような構造の２面拘束方式においては、くさび作用によりドローバ３又はロックロッド６の引込力に対して、工具ホルダ１を主軸２の内方に２．５〜３倍の力で押し込むことが確認され、加工に多用されている。

従来から、工具ホルダの主軸内へ引込力を、保持力つまり把持力として検出し、表示したりする技術は特許文献１〜４の従来技術において知られている。

これらの特許文献１〜４は、何れも通常の主軸端構造に工具ホルダを装着する際の把持力を、プルスタッドを介して引き込む際に、ロードセル等の圧カセンサ等を用いて引込力を検出測定し、表示するものである。

しかし、ＨＳＫシャンクやＫＭシャンクのように、増力機構を介して行う構造における工具ホルダにおいては、増力された把持力で保持されているかどうかは測定不能である。

また、特許文献５、６のような従来技術も知られている。これらの特許文献５、６は、工具ホルダを引き込む工作機械側、即ち主軸側に設けたクランプ機構側が正常かどうかを判断するものである。特許文献１〜４と同様に、増力機構を介する構造における工具ホルダについては、増力された把持力で保持されているかどうかは測定できない。

実開昭５８−１４３１４４号公報 特開昭５９−２４９４４号公報 実開昭６３−７４４３号公報 特開平１０−２９１１０５号公報 特開２００３−３９２８０号公報 特開２００７−５４９２４号公報

本発明の目的は、工具ホルダを固定するための主軸内のクランプ機構を動作した際に、装着した工具ホルダ側の主軸端への把持力が、目的通りに増力されたものになっているかを確認できる工具ホルダの把持力測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る工具ホルダの把持力測定装置は、工具ホルダ（Ｈ）を工作機械の主軸に装着したときの、該主軸側による把持力を測定する工具ホルダの把持力測定装置において、被測定部材である前記工具ホルダ（Ｈ）のテーパシャンク部（Ｈａ）を挿入配置する固定の部材と、該テーパシャンク部（Ｈａ）を増力機構により把持するクランプ手段と、該クランプ手段を前記固定の部材側に引き込むクランプ駆動手段とを設け、該クランプ駆動手段の駆動力により前記テーパシャンク部（Ｈａ）から前記固定の部材に作用する圧縮力を検出する第1の力検出手段を設け、前記クランプ手段と前記クランプ駆動手段間に介在し前記クランプ駆動手段の駆動力が前記クランプ手段に作用する引張力を検出する第２の力検出手段を設け、前記クランプ駆動手段を駆動して前記クランプ手段により増力機構を用いて前記テーパシャンク部（Ｈａ）を引き込み、所定の引き込み力を前記第２の力検出手段が検出したときに、前記第１の力検出手段に加わる力を検出して前記テーパシャンク部（Ｈａ）に加わる把持力を測定することを特徴とする。

本発明に係る工具ホルダの把持力測定装置によれば、機械側の引込力を所定量加えたときの工具ホルダの機械主軸端側にクランプされる力を測定することができ、工具ホルダが所定の品質を備えているか否かを容易に確認できる。

従って、使用前において、予め本装置でクランプされる力を測定しておくことで、工具ホルダを交換して使用する場合の不安感を払拭し、安全な加工を実施でき、加工品質の向上に寄与することができる。

本発明を図１、図２に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例による工具ホルダの把持力測定装置の構成図である。このクランプ測定装置は、図４に示すＫＭシャンクの工具ホルダ用の測定装置を示している。クランプ駆動手段である流体作動シリンダ１１が取付板１２ａを含む取付台部１２に装着されており、シリンダ１１のピストンロッド１１ａと一体のピストンロッド１１ｂが上下動自在に配置されている。ピストンロッド１１ａを挟んだ上下のピストン室に流体を供給する流体給排切換弁１３が設けられており、切換弁１３には流体圧力源１４が接続されていて、動作信号により切換弁１３が駆動されるようになっている。

取付板１２ａ上には、内部空間１５ａを有し、下方が開放された筒状の中間ベース１５が複数個のねじ１６により固定されている。この中間ベース１５の上部の中央には、貫通孔１５ｂが形成され、更に中間ベース１５の上部には、ガイドフランジ１７がねじ１８により固定されている。ガイドフランジ１７の中央部には中間ベース１５の貫通孔１５ｂと連通する貫通孔１７ａが形成され、ガイドフランジ１７上には第１の力検出手段である円環状の圧縮型ロードセル１９が取り付けられている。

ロードセル１９の上部には、スペーサ２０を介してテーパ孔２１ａを有するテーパフランジ２１が、ねじ２２によりロードセル１９と共にガイドフランジ１７のフランジ孔１７ｂに固定されている。テーパフランジ２１の下部は、フランジ孔１７ｂに嵌合される環状ガイド部２１ｂによってガイドフランジ１７と同心に装着されている。環状ガイド部２１ｂの内径２１ｃは、上端から形成されるテーパ孔２１ａと同心状に形成され、これらの部材１２〜２１により装置本体が構成されており、テーパ孔２１ａに工具ホルダＨのテーパシャンク部Ｈａが着脱自在とされている。

図２は工具ホルダＨ側とクランプ駆動側との関係の拡大断面図である。クランプ手段は前述した図４でのＫＭシャンクの説明と同様に、スリーブ２３、鋼球２４及びロックロッド２５から構成されている。スリーブ２３には、その中程に形成されたフランジ部２３ａが、ガイドフランジ１７のフランジ孔１７ｂ内に収容され、スリーブ２３はねじ２６によりガイドフランジ１７に固定されている。工具ホルダＨのテーパシャンク部Ｈａは鋼球２４、スリーブ２３を介してロックロッド２５にロックされている。そして、このロックロッド２５は連結ロッド２７に係合して長手方向に連結されている。

連結ロッド２７の連結部２７ａは例えばバヨネット継手のような構造とされ、連結ロッド２７の下部にはねじ孔２７ｂが形成されており、第２の力検出手段である引張型ロードセル２８から上方に突出した雄ねじ２８ａがねじ込まれている。このロードセル２８の下方には雄ねじ２８ｂが突出されており、上方の雄ねじ２８ａが連結ロッド２７と螺合し、下方の雄ねじ２８ｂはアダプタ２９のねじ孔２９ａに螺合している。

更に、アダプタ２９の下側に大径のねじ孔２９ｂが形成されており、アダプタ２９の下端に隣接して配置したナット３０のねじ孔３０ａを介して、前述のシリンダ１１のピストンロッド１１ｂの先端の雄ねじ１１ｃが螺合されている。

このように、シリンダ１１によって駆動されるクランプ手段が引張型のロードセル２８を介してシリンダ１１に連結され、クランプ手段によって引き込まれる工具ホルダＨが、テーパフランジ２１及びスペーサ２０を介して圧縮型のロードセル１９に間接的に連結されている。なお、ピストンロッド１１ｂはストップピン３１により、その上下動範囲が規制されている。

このような構成により、実際に把持力測定時に先ずシリンダ１１へ加わる流体圧力を設定しておく必要がある。予め、工具ホルダＨを主軸端へ装着したときの把持力がどの程度必要かは従来の技術として知られているので、シリンダ１１の大きさや増力度等を考慮すると、どの程度の流体圧力を供給すればいいか技術的に算定できる。

そして図１において、本装置のテーパフランジ２１に被測定部材である工具ホルダＨを挿入配置し、次に切換弁１３を駆動させ、このシリンダ１１の上ピストン室側へその加圧流体を供給する。これによりピストンロッド１１ａが下降し、ピストンロッド１１ｂ、アダプタ２９、第２の力検出手段であるロードセル２８、ロックロッド２５を介し、工具ホルダＨを引き下げる。従って、このときロードセル２８には、シリンダ１１によって工具ホルダを引き込む力が加わり、相当する歪量が発生し、更に電気信号として増幅器３３へ入力する。
このとき前述したようにシリンダ１１の大きさ、流体圧力の大きさから工具ホルダＨを引き込む力は予め算定できる。

同時に、工具ホルダＨのテーパシャンク部Ｈａにおいては、図４に示すように既に公知になっている増力機構（ロックロッド２５の先端側のテーパ部・鋼球２４・テーパフランジ２１の内面テーパによる力伝達機構）により、テーパシャンク部Ｈａが引き込まれることになり、第１の力検出手段であるロードセル１９にこの増力した力が把持力として加わることになる。更に、ロードセル１９に発生した歪量は、電気信号として増幅器３２へ入力される。

２つの増幅器３２、３３へ入力された電気信号は更に演算装置３４へ送られて、工具の引き込み力に相当するロードセル２８の歪量（電気信号）に対してロードセル１９の歪量（電気信号）とを比較演算し、その結果を表示装置３５に表示する。演算装置３４においては、電気信号として入力した歪量同士を比較し、ロードセル２８の出力に対しロードセル１９の出力から両者の割合を演算し、表示装置３５には何倍の力が発生しているかを表示する。或いは、２つのロードセル１９、２８の発生歪量に相当する力の大きさを例えば単位ニュートンで示し、その比較による良否を表示することができる。

以上のように、シリンダ１１を介して加えた力をロードセル２８の歪量として検出し、ロードセル１９に発生する歪量を検出することで、所定の増力がされてクランプされているかが容易に判定できる。

このように、工具を直接引き込む連結側と工具シャンクとその固定側（主軸側）の間とに、それぞれ力検出手段を配置し、工具シャンクを装着固定することで、工具ホルダＨの把持力測定とその良否の判定が可能になる。

クランプ手段のクランプ駆動手段として、実施例ではシリンダ１１について説明したが、これに限定されず、例えば皿ばね機構のように予め所定の引込力をクランプ手段に設定してもよい。続いて、工具ホルダＨの装着時には、アンクランプ状態に別の駆動手段により動作させておいて、工具ホルダＨの装着後に、別の駆動手段をオフし、皿ばね機構のばね力により工具ホルダＨを主軸内へ引き込むような構成としてもよい。

これにより、皿ばね機構による所定の力でクランプ手段をクランプしたときの工具ホルダＨ側の把持力が、所定の増力された値になっているかを容易に測定することができる。

把持力測定装置の構成図である。 主要部拡大断面図である。 ＨＳＫシャンクの断面図である。 ＫＭシャンクの断面図である。

符号の説明

１１ 流体作動シリンダ
１２ 取付台部
１５ 中間ベース
１７ ガイドフランジ
１９、２８ ロードセル
２３ スリーブ
２４ 鋼球
２５ ロックロッド
２７ 連結ロッド
２９ アダプタ
３０ ナット
３２、３３ 増幅器
３４ 演算装置
３５ 表示装置

Claims (2)

1. 工具ホルダ（Ｈ）を工作機械の主軸に装着したときの、該主軸側による把持力を測定する工具ホルダの把持力測定装置において、被測定部材である前記工具ホルダ（Ｈ）のテーパシャンク部（Ｈａ）を挿入配置する固定の部材と、該テーパシャンク部（Ｈａ）を増力機構により把持するクランプ手段と、該クランプ手段を前記固定の部材側に引き込むクランプ駆動手段とを設け、該クランプ駆動手段の駆動力により前記テーパシャンク部（Ｈａ）から前記固定の部材に作用する圧縮力を検出する第1の力検出手段を設け、前記クランプ手段と前記クランプ駆動手段間に介在し前記クランプ駆動手段の駆動力が前記クランプ手段に作用する引張力を検出する第２の力検出手段を設け、前記クランプ駆動手段を駆動して前記クランプ手段により増力機構を用いて前記テーパシャンク部（Ｈａ）を引き込み、所定の引き込み力を前記第２の力検出手段が検出したときに、前記第１の力検出手段に加わる力を検出して前記テーパシャンク部（Ｈａ）に加わる把持力を測定することを特徴とする工具ホルダの把持力測定装置。
2. 前記第１、第２の力検出手段はそれぞれロードセルであることを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダの把持力測定装置。

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