JP6026827B2

JP6026827B2 - 工具ホルダ

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Publication number: JP6026827B2
Application number: JP2012197552A
Authority: JP
Inventors: 溝口　春機; 春機溝口
Original assignee: MST Corp
Current assignee: MST Corp
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP2014050930A

Description

この発明は、マシニングセンタ等の工作機械に着脱可能に装着される工具ホルダに関するものである。

マシニングセンタに切削工具を装着する工具ホルダは、マシニングセンタの主軸に着脱可能なシャンク部とチャック部とをマニュピレータ把持部を介して一体に形成したものである。
この工具ホルダにおいて、近年、深く長い突き出しを必要とする金型が多くなり、その高能率加工が課題となっている。このような深く長い突き出し加工やチタン材等の難削材加工には、大径の超硬ソリッド工具やチップ交換式切削工具が使用されるが、前者は高価であり、通常、後者は低コストであることから使用される場合が多い。そのチップ交換式切削工具に関しては、従来から種々の構成の切削工具が提案されている。そのチップ交換式切削工具は、ストレートシャンク付きホルダに取り付け、そのストレートシャンクを一般的なミーリングチャックなどの工具ホルダに把持させて使用する場合がほとんどである。

一方、この工具ホルダにおいて、近年、主軸の高速回転化により、切削工具を精度良く強固に把握し、かつ剛性を有する上に、回転バランス等の性能の高度化が望まれ、その要求をみたすものとして、上記チャック部に切削工具を焼嵌め式でもって装着するものが注目されている（特許文献１〜５参照）。
その焼嵌めは、金属の熱収縮を利用して結合させる方法であり、その焼嵌めホルダは、ホルダ部の金属の熱膨縮を利用して、切削工具を取付けたり、又は取外したりすることが自在にできる状態にするために、ホルダ部の把持穴（取付孔）と切削工具の軸のそれぞれに締め代（公差）を設けて管理された工具ホルダのことである。

ここで、一般的に、切削工具は超硬合金製刃物を指し、その焼嵌めには、軸公差は、ＪＩＳＢ０４０１のｈ６を用いている。ホルダ部は通常鋼でできており、その線膨張係数は超硬合金の2倍程度あるため、前記公差を限定することで、焼嵌めホルダに切削工具（超硬合金）が保持された状態で加熱した場合であっても、切削工具を取外すことができる。軸公差がｈ６より大きくなると、ホルダ把持部穴径より切削工具（軸径）の方が小さくなり過ぎて、焼嵌めによって把持することができなくなる場合がある。
このため、焼嵌めホルダの切削工具取付孔は、軸公差ｈ６の切削工具が適切に把持できる穴（孔）径に管理している。通常、軸の基準径（締り代（孔公差）を０とした場合の軸径）の５／１００００ｍｍから３／１０００ｍｍ以内の締り代（公差）になるように穴径を設定している。この締り代にすることで、切削工具を自在に取付け・取外しのできる焼嵌めホルダとなる。

特開２０００−１９０１１８号公報特開２０１１−５６５９４号公報特開２００５−１４２０５号公報実公平７−３９５２６号公報米国特許明細書第５３１１６５４号公報特許第３９３２２１６号公報

上記難削材加工部品や金型などは、立ち壁や切削工具との干渉が多く、底の深い加工においては、把持剛性が高く切削性能に優れた工具ホルダであることが必要である。その把持剛性とは、工具が切削時に受ける切削負荷に耐え得る度合いの程度であって、ソリッド（一体無垢）で製作されるほど有利であり、また、材質のヤング率が高いほど剛性は高い。
また、機構的に工具等を把持する場合、その構造で把持剛性は大きく異なる。一般的な方法としては、ミーリングチャック等で把持する場合が多く見られるが、把持剛性を高めるために上記焼嵌め方式を用いる提案もされている。

例えば、切削工具側とホルダ側を凹凸の嵌合として焼嵌めで結合させ、さらに螺旋で係止させることで一体化を提案する工具ホルダ付きエンドミルが開示されている（特許文献１、図３参照）。しかし、積極的に超硬シャンク部を採用する開示はない。なぜなら、超硬シャンク（エンドミルボディ）にチップを取り付ける機構を設けることは困難だからである。
また、工具ホルダと超硬合金の軸に螺旋で取り付ける工具の態様が開示されている（特許文献２、図７参照）。しかし、この開示は、アーバ（工具ホルダ）に保持させると表記するのみで具体的にはその取付態様は開示されていない。
さらに、超硬合金からなる保持具が開示されているが（特許文献３、要約、第１図参照）、その保持具を把持する工具ホルダは全く開示されていない。
また、穴の深いボーリング加工を行うために超硬合金の軸を採用し、螺旋で切削工具を固定する方法が開示されている（特許文献４、第１図参照）。その他、ソリッドの切削工具を焼嵌め方式で把持する事例は多く見られる。

一方、焼嵌めホルダは、上記のように把持力の高い工具ホルダの一つであるが、近年の切削加工においては、切削中に切削工具が抜け落ちることがしばしば指摘されている。原因はチタンなど難削材を高負荷に削る加工が増えたことに起因する。このため、切削工具を焼嵌めによる把持だけでなく、ホルダの把持部穴に内蔵したボールと切削工具の軸側に設けた溝をかみ合わせて抜け防止する機構も提案されている（特許文献２参照）。
チタンの切削加工では、切削時の発熱により切削工具とホルダ把持部が１００℃程度に熱くなる事が知られている。その上に、大きな切削負荷を受けるため、上記で示される焼嵌めホルダの設定（軸の基準径の５／１００００ｍｍから３／１０００ｍｍ以内の締り代）では容易に抜けてしまう場合が想定される。

この発明は、上記の実状の下、難削材加工部品や金型等、立ち壁や切削工具等との干渉が多く底の深い加工においても、剛性が高く切削性能に優れた工具ホルダを提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、この発明は、まず、工具ホルダの切削工具チャック部を軸状に長くするために、その軸状部を超硬合金製とし、そのチャック部をチャック部本体とその本体に焼嵌めされる前記超硬合金製軸状部とから構成することとしたのである。すなわち、超硬合金が芯金として内蔵された一体型工具ホルダとし、その超硬合金により、突出軸状部を形成した構成としたのである。

そのチャック部本体と超硬合金製軸状部との焼嵌めでの一体化は、通常の切削工具のホルダ部への焼嵌め取付けによってはチャック部本体から超硬合金製軸状部が抜けないチャック部本体の取付孔の孔径と超硬合金製軸状部の軸径の締め代で行なわれている必要がある。このため、その締め代は、切削工具の焼嵌め取付け・取外しによってチャック部本体から超硬合金製軸状部が抜けなければ任意であり、従来と同程度であったり、それより小さくであったりしても、抜けなければ良い。しかし、特別な軸と穴の嵌め合い設定をして、確実に通常の切削工具のホルダ部への焼嵌め取付けによってはチャック部本体から超硬合金製軸状部が抜けないようにすることが好ましい。例えば、
第一に、その嵌め合いの締り代の設定は、ＪＩＳＢ０４０１の「しまりばめ」（附属書１表２参照）の締り代「Ｘ７」以上、例えば、軸の基準径の３／１０００ｍｍを超えることが望ましい。但し、チャック部本体を加熱して超硬合金製軸状部が装着できる設定でなければならない。このため、軸状部の基準径の３／１０００ｍｍを超え、同基準径５／１０００ｍｍ以内に収まる設定である。
温度的に見れば、少なくとも５００℃程度の温度を与えても容易に外れない設定であり、既存の焼嵌め装置でも簡単に外すことができない設定である。つまり、切削加工熱による温度上昇と過大な負荷が加わった場合であっても、確実に、緩むことのない取付強度に設定にするためである。

第二に、上記「締り代の設定」は、ＪＩＳＢ０４０１で示す、常用するハメアイの穴で用いる寸法許容差を参考にすると、「しまりばめ」の締り代「Ｘ７」を超える設定であり、基準軸ｈ６に対する締り代が「Ｘ７」時の最大締り代を超えることがより有効である。
チャック部本体と軸状部の材質が同等であれば、線膨張係数も同じであり、本来の目的である破壊しないと分解できない設定となり得るが、通常、チャック部本体は鋼であって、超硬合金とは2倍以上線膨張係数が異なり、上記ｈ６に対する締り代では十分な設定とはいえない。
例えば、直径１６ｍｍの軸状部の場合は、締り代が０．０５８ｍｍ以上０．０７８ｍｍ以内となり、同直径２０ｍｍの場合は、締り代が０．０６８ｍｍ以上０．０９９ｍｍ以内であり、同直径２５ｍｍの場合は、締り代が０．０７８ｍｍ以上０．１２２ｍｍ以内となる設定である。

なお、ＪＩＳＢ０４０１のハメアイ寸法許容差を示したが、重要な部分は締り代の量であって、X７等の公差範囲ではない。よって、チャック本体の把持部内径を小さく設定する以外に、軸状部側でプラス公差の基準を任意に設定し、十分な締り代を取れるようにすることも可能である。
鋼製チャック本体と超硬合金製軸状部の一体化は、チャック本体の超硬合金製軸状部の把持（焼嵌め）剛性を高めるとともにその軸状部の抜けを回避する意味合いであり、真に一体化するには、超硬合金を特定し、チャック本体の材質を特定し、また、上記のように締り代を特定する必要がある。ユーザーで容易に外すことのできない、また、切削加工で抜け落ちることのない設定にするためである。

第三に、上記の設定で構成される具体例としては、チャック本体の材質と超硬合金製軸状部の種類又は材質を以下のものに特定すると効果的である。
例えば、チャック本体の材質は、SKD61相当の熱間ダイス鋼又は特許文献６で示されるオーステナイト組織を有する特殊鋼を採用する。これによって、上記設定した大きな締り代を与えることが可能であり、その時の応力にも十分耐えることができる。
超硬合金の種類と材質は、WC−Co系で耐摩耗・耐衝撃工具用の汎用材質であり、かつ細粒から中粒合金で耐摩耗性と靭性が要求される場合に適した材種分類記号でVM10からVM60に属するものが適している。過大な負荷に耐え得るには、硬さ（又はヤング率の高さ）だけでなく、靭性も必要不可欠であり、そのバランスが重要であって、前記材料はその点を満足するからである。
このことから、例えば、超硬合金の線膨張係数は、５．２×１０^−６から６．５×10^−６程度のものが望ましい。線膨張係数が５．２×10^−６より低いK種の超硬合金もあるが、硬さ（又はヤング率）は高いが靭性に劣り、線膨張係数６．５×10^−６より大きい超硬合金は硬さ（又はヤング率）が低下するためである。

また、鋼製チャック本体の把持穴径：２５ｍｍ、超硬合金製軸状部径及び切削工具径：２５ｍｍ、加工条件の切削速度：４２ｍ／ｍｉｎ、軸方向の切込が刃径の３倍、径方向の切込が刃径の４４％とし、被削材質はチタン合金Ti-6Al-4V を用い、締り代は、０．０５０ｍｍで、軸径の２／１０００としたところ、容易にスリップ及び抜けが発生した。
このことから、締り代が上記軸径の３／１０００を超えることで、確実に、スリップ及び抜けを回避することが可能であり、切込が刃径の５０％を超えると、超硬合金自身がせん断してしまうことから、その締り代を軸径の３／１０００以上とすることは、チャック本体（焼嵌めホルダ）と超硬合金（軸状部）の確実な一体化を達するための適した条件設定（締り代）と判断することができる。

また、ホルダ材質の特定、超硬合金の特定及び締り代の特定をすることで、一旦取り付けると外れることの極めて少ない設定とすることができる。さらに、超硬合金が芯金として内蔵した一体型工具ホルダとなって、チタンなどの重切削においても安心して使用することができる。

さらに、チャック本体（焼嵌めホルダ）と超硬合金（軸状部）が強力に把持されているので、超硬合金が受ける応力も大きく、ホルダ先端部と超硬合金が交わる部分（境界部）は、切削抵抗や衝撃に対して、応力集中する箇所である。また、把持力が大きいほど応力集中も高まるため、それらを防ぐ対策が必要である。このため、ホルダ部の先端部前面に緩衝材が軸状シャンク部外周面を接して囲むように設けられている構成とすると良い。すなわち、緩衝材を軸状シャンク部の締り代より小さい締り代でもって焼嵌め又は圧入によってその境界部に設ければ、ホルダ部と軸状シャンク部との界面に生じる曲げ応力や衝撃に対してその応力集中を緩和し得る。その緩衝材としては、その作用を発揮し得るものを適宜に選択すれば良いが、例えば、軽金属又は樹脂からなるものとし、アルミニウム等の軽金属がより好ましい。ホルダ先端部に凹型のヌスミ（鍔）を儲けると、さらに緩衝材で衝撃を受ける力が高まりより有効である。なお、この緩衝材の取付けによっても、チャック部本体と超硬合金製軸状部との一体化は向上して、通常の切削工具のホルダ部への焼嵌め取付けによってはチャック部本体から超硬合金製軸状部が抜けなくなる。

以上から、この発明の構成としては、工作機械に着脱可能な工具本体シャンク部と、切削工具が装着される工具本体チャック部とから成る工具ホルダであって、工具本体チャック部は、工具本体シャンク部に連結されたホルダ部（上記チャック本体）と超硬合金製軸状シャンク部（上記軸状部）とから成り、その軸状シャンク部（アーバ部）は前記ホルダ部の取付孔に同一軸上に挿入されて焼嵌めによって一体化されて、その焼嵌めは、通常の切削工具のホルダ部への焼嵌め取付けによってはホルダ部から軸状シャンク部が抜けないホルダ部の取付孔の孔径と軸状シャンク部の軸径の焼嵌め締め代で行なわれており、軸状シャンク部の先端部取付孔に切削工具が同一軸上に挿入されて装着される構成を採用することができる。
すなわち、通常、切削工具の焼嵌めは、取外しし得ることが前提であるのに対し、この構成のホルダ部と軸状シャンク部とは焼嵌め取付け後には、通常の切削作用によっては、ホルダ部から軸状シャンク部が抜けることなくかつ自転しない状態となる。

この構成において、上記ホルダ部の材質を鋼、上記軸状シャンク部の材質をＶＭ１０〜ＶＭ６０の何れか一つとし、かつ、ホルダ部の取付孔の孔径と軸状シャンク部の軸径の焼嵌め締り代を、その軸状シャンク部の基準径の３／１０００ｍｍを超え５／１０００ｍｍ以下としたり、ホルダ部の先端部前面に軽金属又は樹脂からなる緩衝材が軸状シャンク部外周面を圧接して囲むように設けられているようにしたりすることができる。

また、上記軸状シャンク部のホルダ部から突出した部分は、同一径のストレート状であったり、先端に向かって段階的に縮径する形状であったり、徐々に縮径するテーパ状であったりと任意である。さらに、その「軸状シャンク部のホルダ部取付孔に焼嵌めされる軸径Ｄ_２」＞その「ホルダ部から突出した軸径Ｄ_１」（Ｄ_２＞Ｄ_１）とすることができる。このＤ_２＞Ｄ_１とすることで、切削力（切削抵抗）より把持力（把持トルク）が容易に上回る関係を得ることができる。このため、上記把持剛性が高くなって軸状シャンク部の抜け回避性も向上し、ホルダ部の芯金部となる超鋼合金部分が大きくなって、軸状シャンク部（アーバ部）の抜けにくい剛性の高い一体型工具ホルダとなる。なお、前記軸状シャンク部のホルダ部から突出した部分が、先端に向かって段階的に縮径する形状であったり、徐々に縮径するテーパ状であったりする場合のＤ_１は、その部分の最小径であって、例えば、「Ｄ_２−Ｄ_１」は１〜５ｍｍとする。

この発明は、以上のように、軸状シャンク部のホルダ部の取付孔への焼嵌めを、通常の切削工具のホルダ部への焼嵌め取付けによってはホルダ部から軸状シャンク部が抜けないホルダ部の取付孔の孔径と軸状シャンク部の軸径の焼嵌め締り代で行なわれたものとしたので、切削工具の取替だけで、難削材加工部品や金型など、立ち壁や干渉が多く底の深い加工においても、剛性が高く切削性能に優れた加工を行なうことができる。

この発明の一実施形態の切断正面図他の実施形態の切断正面図他の実施形態の要部切断正面図他の実施形態の要部切断正面図他の実施形態の分解切断正面図

一実施形態を図１に示し、この実施形態の工具ホルダＡは、マシニングセンタの主軸に着脱可能な工具本体シャンク部１と工具本体チャック部２とを自動工具交換装置（ＡＴＣ）用マニュピレータ把持部（Ｖフランジ部）３を介して一体にしたものである。
その工具本体チャック部２は、上記工具本体シャンク部１にＶフランジ部３を介して連結されたホルダ部２１と無垢円柱状の超硬合金製軸状シャンク部２２とから成る。その軸状シャンク部２２はホルダ部２１の取付孔２３に同一軸上に挿入されて、軸公差ｈ６でもって焼嵌めによって一体化されている。

上記工具本体シャンク部１とホルダ部２１の材質は、特許文献６で示されるオーステナイト組織を有する特殊鋼、軸状シャンク部２２の材質はＶＭ１０〜ＶＭ６０の何れか一つとし、かつ、ホルダ部２１の取付孔２３の孔径と軸状シャンク部２２の軸径の焼嵌め締り代を、その軸状シャンク部２２の基準径の３／１０００ｍｍを超え５／１０００ｍｍ以下とする。この締り代による焼嵌めによって、通常の切削工具のホルダ部への焼嵌め取付けによってはホルダ部２１から軸状シャンク部２２が抜けない嵌り合い構造となる。

その軸状シャンク部２２のホルダ部２１の取付孔２３への挿入長さＬ及び突出長さＭは切削負荷等を考慮して適宜に設定する。また、その軸状シャンク部２２のホルダ部取付孔２３に焼嵌めされる軸径Ｄ_２＞そのホルダ部から突出した軸径Ｄ_１とする。
なお、図３に示すように、ホルダ部２１と軸状シャンク部２２の取付孔２３の両端部を溶接ａ等によって固定したり、両者２１、２２を接着材を介して固定したりすることによって、ホルダ部２１と軸状シャンク部２２の取付固定力をより向上させることもできる。

軸状シャンク部の先端部のネジ穴２４には、図１で示すスクリューインツール２５ａや図２に示すエンドミル２５ｂ等の切削工具２５を同一軸上にねじ込み固定する（取付ける）。この切削工具２５を種々選択することによって、種々の切削加工が可能であり、軸状シャンク部２２の嵌め込み長さＬや突出長さ（突き出し長）Ｍを適宜に選定することによって、種々の切削深さに対応することができる。例えば、Ｄ_２：１６ｍｍ以上であれば、Ｌ：３２ｍｍ以上等と、Ｌ＝２Ｄ_２〜３Ｄ_２とする。また、突出長さＭも、例えば、２５、５０、７５、８５、１００、１２５（ｍｍ）等とする。

上記ボルダ部２１の先端部前面には、図２に示すように、アルミニウム製緩衝材３０を軸状シャンク２２に焼嵌め又は圧入によってその外周面に圧接して包むように設ければ、切削加工時のボルダ部２１と軸状シャンク２２との界面（ホルダ部２１の軸状シャンク部２２の突出端面）に生じる応力を緩衝することができる。また、緩衝材３０に加えて、又は単独に、図３に示すカバー３１を設けることができる。緩衝材３０を設けた際、図４に示すように、ホルダ２２の先端面にその緩衝材３０を包む鍔３２を設けることができる。この鍔３２は、全周でも、周囲部分的でも良い。この緩衝材３０等の取付けによって、ホルダ部２１と軸状シャンク２２との一体化は向上する。

この実施形態の工具ホルダＡは、図２において、Ｌ：４５ｍｍ、Ｍ：１２５ｍｍ、Ｄ_１：２４ｍｍ、Ｄ_２：２５ｍｍとして、チタン材等の難削材加工における高負荷切削加工においても、ホルダ部２１に対し軸状シャンク２２が自転することもなく、また抜けることもなかった。

工具本体シャンク部１と工具本体チャック部２とは、図５に示すように、マニュピレータ把持部３を工具本体シャンク部１側にして分割することができる。その分割面は、同図に示すように、チャック部２側が円筒状嵌合凸部２ａ、シャンク部側が円筒状嵌合凹部１ａの形状となっており，このシャンク部１とチャック部２の接合は電子ビーム溶接によって行なう。チャック部２とシャンク部１との嵌合は、チャック部２側を凹部、シャンク部１側を凸部とし得る。
また、切削工具２５は焼嵌めによって取付孔２４に取付ることもできる。さらに、実施形態のねじ込み式切削工具２５の場合、その切削時において、軸状シャンク部２２が自転せず、かつ抜けなければ良いため、その効果を得られるホルダ部取付孔２３の孔径と軸状シャンク部２２の軸径の締め代とすれば良い。このため、通常の切削工具のホルダ部への焼嵌め取付けの締め代より小さくても良い場合が多く考えられるが、その切削工具２５の使用態様に応じて前記自転及び抜け出しが生じない限りにおいてその締め代は適宜に設定する。

因みに、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ａ工具ホルダ
１工具本体シャンク部
２工具本体チャック部
３マニュピレータ把持部
２１工具本体チャック部のホルダ部
２２同超硬合金製軸状シャンク部
２３上記ホルダ部の軸状シャンク部取付孔
３０緩衝材
３１カバー
３２鍔

Claims

工作機械に着脱可能な工具本体シャンク部（１）と、切削工具（２５）が装着される工具本体チャック部（２）とから成る工具ホルダ（Ａ）であって、
上記工具本体チャック部（２）は、上記工具本体シャンク部（１）に連結されたホルダ部（２１）と超硬合金製軸状シャンク部（２２）とから成り、前記ホルダ部（２１）の取付孔（２３）は、前記軸状シャンク部（２２）が同一軸上に挿入されて焼嵌めによって一体化される機能を有し、その焼嵌めは、通常の切削工具のホルダ部への焼嵌め取付けによっては前記ホルダ部（２１）から軸状シャンク部（２２）が抜けないホルダ部（２１）の取付孔（２３）の孔径と前記軸状シャンク部（２２）の軸径の締め代で行なわれており、
上記ホルダ部（２１）の先端部前面に、その前面に接する軽金属又は樹脂からなる緩衝材（３０）が上記軸状シャンク部（２２）外周面を圧接して包むように設けられており、
上記軸状シャンク部（２２）の先端部取付孔（２４）は、上記切削工具（２５）が同一軸上に挿入されて装着できる機能を有することを特徴とする工具ホルダ。
上記切削工具（２５）が上記軸状シャンク部（２２）先端部にねじ込み式で装着される請求項１に記載の工具ホルダ（Ａ）であって、「上記取付孔（２３）に焼嵌めされる軸状シャンク部（２２）の軸径（Ｄ２）」＞「上記ホルダ部（２１）から突出した軸状シャンク部（２２）の軸径（Ｄ１）」としたことを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
上記ホルダ部（２１）の材質を鋼、上記軸状シャンク部（２２）の材質をＶＭ１０〜ＶＭ６０の何れか一つとし、かつ、上記ホルダ部（２１）の取付孔（２３）の孔径と前記軸状シャンク部（２２）の軸径の上記締り代を、その軸状シャンク部（２２）の基準径の３／１０００ｍｍを超え５／１０００ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の工具ホルダ。