JP6050218B2 - コレットチャック装置 - Google Patents

Description

本発明は、コレットを保持する構造に特徴があるコレットチャック装置に関する。

各種工作機械において、被加工品あるいは加工用の工具等を把持する手段であるコレットチャック装置が知られている。コレットチャック装置は、引き込みに伴い縮径するコレットによって被把持部材を把持する。コレットチャック装置では、把持する部材に応じてコレットを交換できるようになっている。通常、コレットはチャック装置にネジにより固定されている。しかしながら、コレットをネジで固定する方法は、コレットの交換に手間が掛り、作業効率が悪い。特許文献１および２には、コレットの交換を迅速に行うことができる構造のコレットチャック装置が記載されている。

特開２００７−３３１０８０号公報 実全平２−１０７４１０号公報

コレットチャック装置の本体には、テーパ孔が設けられ、このテーパ孔にテーパ面を有したコレットが装着されることで、コレット爪部の縮径が生じるようにされている。しかしながら、特許文献１や２に記載の構造では、コレットの外周テーパ面と本体側のテーパ孔の内周面とが均等な力で接触せず、被加工品に対するコレットの把持精度に問題がある。

このような背景において、本発明は、被把持部材に対するコレットの把持精度が高く、ひいては加工精度の高いコレットチャック装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、テーパ孔を有する静止部材と、外周テーパ面、円筒部および後端凸部を有するコレットと、前記コレットと係合する係合部を有する引込部材とを備え、前記後端凸部の外周面に凹部が設けられ、前記引込部材に配置された凸状部材が、前記凹部に接触して前記コレットを弾性的に径方向内側に向かって押すとともに、前記係合部が前記後端凸部に係合することによって前記コレットが微動可能な状態で保持され、前記係合部が前記後端凸部に係合した状態で前記引込部材により前記コレットが前記静止部材の内部に向かって引き込まれることで前記外周テーパ面が前記テーパ孔の内周面に倣って当接し、前記コレットが被把持部材を把持することを特徴とするコレットチャック装置である。

請求項１に記載の発明によれば、コレットは、凹部に接触した凸状部材により引込部材に対して保持される。そして、引込部材によりコレットが静止部材（コレットチャック装置本体）の内側に引き込まれる。この際、凸状部材が凹部に弾性的に接触し、コレットは引込部材に固定されておらず係合しているだけなので、静止部材に対してコレットの軸位置の微動や微小な回転が可能となる。このため、コレットが引き込まれる過程において、コレットは、その外周テーパ面が静止部材のテーパ孔の内周面に倣う。言い換えると、コレットチャック装置に取り付けられた状態のコレットは、外周テーパ面の中心軸と、テーパ孔内周面の中心軸とが一致する方向に微動や微小な回転を行えるだけの自由度を有している。これによって、コレットの外周テーパ面と静止部材のテーパ孔の内周面との接触が均一に行われ、コレットの外周テーパ面と本体側のテーパ孔の内周面とが均等な力で接触する。

仮に、引込部材にコレットがねじ等により固定されていると、コレットの微動や微小な回転が制限されるのでコレットの外周テーパ面が静止部材のテーパ孔の内周面に倣うことができず、コレットの外周テーパ面と静止部材のテーパ孔の内周面との接触が均一に行われない状態でコレットの引込が行われる可能性が高くなる。なお、コレットに把持される被把持部材は、加工される側の部材であってもよいし、加工を行うための工具（切削工具等）であってもよい。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記引込部材は、コレット取付孔を有し、前記コレット取付孔と前記後端凸部は、一定の角度位置のみで前記コレットが挿入可能な非円形状の輪郭で形成され、前記後端凸部をコレット取付孔に挿入して回転させると前記後端凸部と前記引込部材の前記係合部の係合が行われることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、簡単な作業でコレットを引込部材に係合させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記非円形状の輪郭は、同一円の円弧と円の弦を交互に連結して形成される形状を有することを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、加工が簡単であり、製造コストを抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記引込部材は油圧または空気圧で駆動されることを特徴とする。

本発明によれば、被把持部材に対するコレットの把持精度が高いコレットチャック装置が得られる。

実施形態の側断面図（Ａ）および（Ｂ）、更に（Ａ）の一部を拡大した側断面図（Ｃ）である。 実施形態の一部切り取り断面図である。 実施形態におけるコレットの斜視図（Ａ）、背面図（Ｂ）および側断面図（Ｃ）である。 実施形態のデータ（Ａ）と比較例のデータ（Ｂ）である。

（構成）
図１（Ａ）および図１（Ｂ）には、コレットチャック装置１が示されている。図１（Ａ）には、コレットを装着していない状態が示され、図１（Ｂ）には、コレットを装着した状態が示されている。図１（Ｃ）には、後述するボールプランジャの部分を拡大したものが示されている。図２には、図１（Ａ）におけるＣ−Ｃ’の線で切断したものを軸方向正面から見た状態が示されている。

コレットチャック装置１は、本体となる主軸９、さらに主軸９に固定された静止部材２を備えている。なお、符号１０，１１，１２は、組み立て用のボルトである。静止部材２の先端には、テーパ孔３が設けられている。軸方向（図のＺ軸方向）から見たテーパ孔３の形状は円形であり、その内周面は、テーパ面であるテーパ孔内周面４とされている。テーパ孔内周面４は、入口の開口部から軸方向内部（図のＺ軸方向）に向かって、内径が線形に縮径するテーパ形状に加工されている。

テーパ孔３の奥には、コレット収容部５が設けられている。コレット収容部５は、コレット２０を収容するための空間である。コレット収容部５には、引込部材６が配置されている。引込部材６は、内径が縮径した係合部６ａを一端に有した略筒状の構造を有している。すなわち、係合部６ａは、軸中心の方向に突出した引っ掛かり構造を有している。図２に示すように、軸方向から見て、係合部６ａの中心には、非円形な輪郭の開口６ｂが設けられている。開口６ｂは、同一円の円弧と円の弦を交互に連結して形成される形状、すなわち角が円弧で構成された略三角形の形状を有している。これは、後述するコレット２０の後端凸部２３の輪郭と相似形の形状である。

引込部材６は、主軸９に配置されたエアシリンダ７により駆動され、軸方向（図のＺ軸方向）において前後に移動する。引込部材６を駆動する手段は、エアシリンダ以外に油圧や電動によるものであってもよい。

引込部材６には、軸方向から見た等角な位置に３個のボールプランジャ８が配置されている。ボールプランジャ８は、筒状の部材の内側にコイルばねが収められ、このコイルばねによって、筒状の部材から一部が外側に突出した凸状部材８ａが外側に向かって付勢されている部品である。図示する例では、凸状部材８ａとして球体の部材を用い、その球面が被支持部材に接触する形態のものが用いられている。ボールプランジャはコイルばねの弾性力によって凸状部材８ａ（球体）がフローティング状態となっているので、凸状部材８ａを被支持部材に接触させることで、被支持部材を完全に固定せずに弾性的に支持することができる。凸条部材８ａとしては、球体以外にも被支持部材に接触する先端部分が球面または丸い形状のもの（例えば、半球体等）を用いることもできる。３個のボールプランジャ８のそれぞれは、コレット収容部５に収容されたコレット２０を径方向内側（軸中心の方向）に弾性的に押し、それによりコレット２０がコレット収容部５において周囲の３方向から弾性的に保持される。

図３には、コレット２０が示されている。コレット２０は、把持される被加工部材が収まる把持孔２６を軸中心に有した略筒形状を有し、先端の部分から後端に向かって、外周テーパ面２１、円筒部２２、後端凸部２３を有している。外周テーパ面２１は、静止部材２側に設けられたテーパ孔内周面４に倣うテーパ形状を有している。外周テーパ面２１と円筒部２２には、軸方向に延長するスリット（割り）２４が設けられ、外周から軸中心に向かう圧力を受けた際に、外径および内径が縮径する構造とされている。スリット２４は、軸方向から見た等角な位置（この場合は、３０°毎の角度位置）に６つ設けられて６つの爪２７を形成している。また、コレット２０の端面にはコレット脱着治具のピンを挿入するための脱着用穴２８が複数設けられている。図３のコレットは製作時に被加工部材の外径寸法に合わせて保持孔２６の内径が仕上げられたものであるが、製作時には内径を仕上げずにおいて、コレット使用時に保持孔２６を所望の内径に仕上げて使用することもできる。

円筒部２２と後端凸部２３との境の部分には、段差部２５（図１（Ｂ）参照）が設けられている。軸方向から見た後端凸部２３の輪郭形状は、引込部材６に設けられた開口６ｂと相似形の形状（角が円弧の略三角形状）で、角度を合わせると開口６ｂに後端凸部２３の挿入が可能なようになっている。後端凸部２３を開口６ｂに挿入後、脱着治具を用いてコレット２０を回転させると取り付けが完了する。これにより、係合部６ａの後端が段差部２５に接触し引っ掛かることで、後端凸部２３に係合部６ａが係合する。そして、この状態で引込部材６を主軸９の方向に動かすことで、コレット２０が、引込部材６により主軸９の方向（Ｚ軸方向）に引き込まれる。また、後端凸部２３の外周には、ボールプランジャ８の凸状の部材８ａが接触する円錐状の凹部２３ａ（図３参照）が複数形成されている。コレット２０を回転させるとボールプランジャ８の凸状の部材８ａが凹部２３ａに嵌まって正しい角度位置であることが確認できる。なお、凹部２３ａは円錐状に限定されず、たとえば球面や軸方向に延在する溝などであってもよい。

（作用）
コレット２０の外周テーパ面２１を本体側のテーパ孔内周面４に接触させてコレット２０を保持する構造において、コレット２０はボールプランジャ８により、軸回りの周囲から軸中心に向って押されて弾性的に保持され、コレット２０が引込部材６により引き込まれると、外周テーパ面２１がテーパ孔３の内周面であるテーパ孔内周面４に当接し、コレット２０が被把持部材を把持する。

すなわち、コレット２０をテーパ孔３からコレット収容部５に挿入する際、まずコレット２０を軸回りで回転させ、後端凸部２３と引込部材６（係合部６ａ）とが干渉しない位置関係とする。そして、その状態でコレット２０をテーパ孔３から主軸９の側に方向に向かって押し込むことで、係合部６ａと後端凸部２３とが干渉せずに、コレット２０がテーパ孔３からコレット収容部５に押し込まれる。

そして、軸線上で係合部６ａが円筒部２２の位置にくる状態とし、この状態から、コレット２０を回転させ、ボールプランジャ８の凸状の部材８ａを後端凸部２３の凹部２３ａに嵌め、接触させる。この状態において、コレット２０は、３方向からボールプランジャ８によって弾性的に支持され、また係合部６ａの奥側（主軸９の側）に後端凸部２３が位置し、軸方向において、係合部６ａと後端凸部２３が重なり、係合部６ａと後端凸部２３が係合する（図１（Ｂ）の状態）。

この状態において、引込部材６をエアシリンダ７により後退させる。この際、ボールプランジャ８の凸状の部材８ａが凹部２３ａに嵌っているが、その接触は弾性的であるので、コレット２０は、軸位置の微動が可能である。このため、引込部材６を後退させようとすると、コレット２０が主軸９の側に動こうとし、外周テーパ面２１がテーパ孔内周面４から受ける圧力が増大する（逆に言うと、外周テーパ面２１がテーパ孔内周面４を押す力が増大する）。この圧力により、スリット２４の幅が狭まり、コレット２０の外周テーパ面２１の部分と円筒部２２の外径および内径が縮径する。この際、コレット２０の内側にある把持孔２６に被把持部材があると、上記の縮径作用により、把持孔２６に把持された被把持部材を把持する力が大きくなる。すなわち、コレット２０のスリット２４によって周方向に分離された部分（つまり６つの爪２７）によって把持された被把持部材への把持力が増加する。

外周テーパ面２１がテーパ孔内周面４から圧力を受け、コレット２０の外周テーパ面２１の部分と円筒部２２の外径および内径が縮径する過程において、コレット２０が受ける束縛力は、引込部材６により後方（主軸９の側）に引かれる力と、外周テーパ面２１がテーパ孔内周面４から受ける圧力、そしてボールプランジャ８により周囲から受ける弾性力である。

ここで、引込部材６から受ける力は、軸方向に引く力であり、係合部６ａは後端凸部２３に引っ掛かっているだけであり、ボールプランジャ２０からの力は弾性力であるので、外周テーパ面２１がテーパ孔内周面４に密着する過程において、コレット２０には、主軸９の方向以外の微小な動き、すなわち図１にＸ軸方向（図１の紙面に垂直な方向（図２も参照）やＹ軸方向への微小な移動、更にＸ軸回りやＹ軸回りの微小な回転が許容される。

よって、外周テーパ面２１がテーパ孔内周面４に押し付けられる過程において、外周テーパ面２１がテーパ孔内周面４に倣い、両者の接触がより均一な状態となるように、コレット２０の微小な動きが許容される。その結果、外周テーパ面２１がテーパ孔内周面４に均一に接触した状態が得られる。このため、６つの爪２７によって行われる把持力が、偏りのない均一なものとなる。

一方、ネジによりコレットを引込部材に固定した場合、前述の微小な移動や回転が妨げられ、外周テーパ面がテーパ孔内周面に倣うことができなくなるので、均一に接触した状態を確実に得ることができなくなる。これによって加工精度が悪くなる場合がある。さらに、それぞれの爪によって伝達される把持力に偏りが生じることになるが、その偏りも毎回同じではないので、把持力の偏りによる加工精度のばらつきが大きくなる可能性がある。さらに、ネジでコレットを固定した引込部材がドローバーのように軸方向に長い部材である場合、引込力が作用するコレットの固定部分とそれに対する反力が作用するコレットの姿勢を支える部分（上記の例でいうと、外周テーパ面２１とテーパ孔内周面４との接触部分）との距離が離れているので、引込力の作用線と反力の作用線が同軸上にないときに生じるモーメントが大きくなり、コレットに無理な力が加わり易い。このため、繰り返しの使用において、コレットの歪み等の精度の低下を招き易い。これに対して、本発明を利用した場合、コレットは引込部材６に引っ掛けられて後方に引っ張られるだけであるのでコレットに引込力が作用する部分とコレットの姿勢を支える部分との距離が近くなり、上記モーメントが小さくなる。また、コレットの保持はボールプランジャにより弾性的に行われているのでコレット自体が無理な力を避けるように微動可能である。したがって、ネジで締結して完全に固定した場合のような問題は生じない。

（効果の確認）
ボールプランジャ２０の代わりにネジを用い、ネジにより引込部材６にコレット２０が固定される構造の比較例を作製した。そして、上述した実施形態と比較例のコレットチャック装置で鋼材製のスリーブを把持し、その内径を旋盤により同じ条件で加工する試験を行った。

図４には、被加工品であるフランジ付きスリーブの外径側を本発明のコレットチャック装置で把持して内径とフランジ端面を旋盤で切削したときの、外径に対するフランジ端面の直角度と内径の振れ、および内径の真円度の実測データが示されている。図４（Ａ）には、実施形態の場合のデータが示され、図４（Ｂ）には、比較例の場合のデータが示されている。ここで、直角度、内径の振れおよび真円度というのは、ＪＩＳ規格ＪＩＳＢ００２１で定義されるパラメータである。コレットチャック装置から取り外されたスリーブの、外径に対する端面の直角度や内径の振れの数値が小さいということは、加工時に旋盤主軸の中心軸とスリーブ自体の中心軸とのズレが小さかったことを意味する。すなわち、スリーブを直接把持していたコレットの爪部の中心軸と旋盤の主軸の中心軸とのズレが小さかったということになり、コレットの求心性が優れているコレットチャック装置であることを示している。

図４から明らかなように、本実施形態のコレットチャック装置を用いて加工を行った場合は直角度の平均値が１. ０μｍ、内径の振れの平均値が３．８μｍであるのに対して、従来のコレットチャック装置を用いた比較例では直角度の平均値が１. ２５μｍ、内径振れの平均値が１２μｍであり、特に振れの加工精度が大幅に向上している。また、内径振れのばらつきは本実施形態と比較例で同程度であるが、直角度については本実施形態ではバラつきが無かった。したがって、本実施形態のコレットチャック装置を用いて加工を行った場合は、より高い加工精度をバラツキなく得ることができる。これは、コレットの爪が均等に加工品に力を加えながら把持できていること、更にコレットと旋盤主軸の同軸度が向上したことによる効果であると考えられる。

（その他）
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、コレットチャック装置に利用することができる。

１…コレットチャック装置、２…静止部材、３…テーパ孔、４…テーパ孔内周面、５…コレット収容部、６…引込部材、６ａ…係合部、６ｂ…開口、７…エアシリンダ、８…ボールプランジャ、８ａ…凸条部材、９…主軸、１０…ビス、１１…ビス、１２…ビス、２０…コレット、２１…外周テーパ面、２２…円筒部、２３…後端凸部、２３ａ…凹部、２４…スリット、２５…段差部、２６…把持孔、２７…爪。

Claims (4)

1. テーパ孔を有する静止部材と、
   外周テーパ面、円筒部および後端凸部を有するコレットと、
   前記コレットと係合する係合部を有する引込部材と
   を備え、
   前記後端凸部の外周面に凹部が設けられ、
   前記引込部材に配置された凸状部材が、前記凹部に接触して前記コレットを弾性的に径方向内側に向かって押すとともに、前記係合部が前記後端凸部に係合することによって前記コレットが微動可能な状態で保持され、
   前記係合部が前記後端凸部に係合した状態で前記引込部材により前記コレットが前記静止部材の内部に向かって引き込まれることで前記外周テーパ面が前記テーパ孔の内周面に倣って当接し、前記コレットが被把持部材を把持することを特徴とするコレットチャック装置。
2. 前記引込部材は、コレット取付孔を有し、
   前記コレット取付孔と前記後端凸部は、一定の角度位置のみで前記コレットが挿入可能な非円形状の輪郭で形成され、
   前記後端凸部をコレット取付孔に挿入して回転させると前記後端凸部と前記引込部材の前記係合部の係合が行われ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装置。
3. 前記非円形状の輪郭は、同一円の円弧と円の弦を交互に連結して形成される形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載のコレットチャック装置。
4. 前記引込部材は油圧または空気圧で駆動されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のコレットチャック装置。

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