JP6382909B2 - クランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前置部分に記載されているような、加工品あるいはツール（工具）あるいはツールホルダを工作機械の機械構成部材にクランプ（締め固定）するためのクランプ装置に関係する。加えて、本発明はこのタイプのクランプ装置を備えた工作機械の工作ユニット（装置）にも関係する。

概して、工作機械またはマシニングセンタは工作ツールを自動的にクランプ（把持）およびリリース（解放）するため、加工スピンドルに一体化されるクランプ装置を含んでいる。従来のクランプ装置においては、工作ツールは、スプリング（バネ）構造体によって付勢されているテンションロッドの前方端部で加工スピンドル内に配置されているクランプ構造体によって保持される。概して、クランプ構造体は、工作ツールを加工スピンドル内に引き入れる複数の放射状に移動可能なピンサ（ペンチ）部材を含んでいる。工作ツールをリリースするために、テンションロッドは、ピンサ部材を備えたクランプ構造体が開いて工作ツールをリリースすべく、所謂リリースユニットを使用してスプリング構造体の付勢力に対抗して移動される。

このタイプのクランプ装置はＤＥ１０２００４０５１０３１Ｂ３に紹介されている。このクランプ装置においては、スプリング構造体は、相互に隣接して設置されている複数のカップスプリングを備えたカップスプリングパックの形態に構成されている。しかし、このタイプのカップスプリングパックは比較的に重く、加えて、担う高荷重（負荷）のために使用寿命が限定される。さらに、そのようなカップスプリングパックの設置は相当な労力を必要とする。

本発明によって解消されるべき課題（問題）は、クランプ力あるいは引き入れ力を発生させるのに使用されるスプリング構造体がコンパクトであって設置が容易であるように構成されたクランプ装置と、このタイプのクランプ装置を備えた工作ユニットを利用可能にすることである。

この課題は請求項１の特徴を備えたクランプ装置によって、および請求項１３の特徴を備えた工作ユニットによって解消される。本発明の有用であり進歩した実施態様および有利な改良は従属請求項において特定されている。

本発明のクランプ装置では、クランプ構造体のクランプ力と引き入れ力を発生させるのに使用されるスプリング構造体は、第１スプリングホルダと第２スプリングホルダとの間に配置されている複数のフレキシブルな（弾性力を備える）スプリング部材を備えた少なくとも１つのスプリングユニットを含んでおり、これら第１スプリングホルダと第２スプリングホルダはテンションロッドに対する捩れに対抗して固定されている。個々のスプリング部材を備えたスプリングユニットおよび関連するスプリングホルダは、コンパクトな単一ユニットとして組み込み式にすることができ、よって設置が容易である。単一（一体型）ユニットとして、それはテンションロッド上に容易に配置でき、据え付け、および潜在的な取り外しを大幅に単純化する。

本発明の有用な実施態様によれば、スプリングユニットは、周囲方向に間隔が開けられている複数のバー形状（棒形状）スプリング部材と、スプリングホルダ内に固定的に取り付けられ、または旋回式に取り付けられているそれらの端部を備えたバックリング（座屈）コラムスプリングとして構成できる。そのバー形状スプリング部材は金属製であっても繊維補強複合材製であってもよい。

別な有用な実施態様では、スプリング構造体は、互いに対する捩れに対抗して同様に固定されている複数の直列接続されたスプリングユニットを含んでいる。複数のスプリングユニットを好適に選択または組み合わせることで、所望のスプリング特性が容易に変更でき、支配的な要件に適合させることができる。

スプリングユニットとテンションロッドとの間の捩れ防止接続は、例えば、第１スプリングホルダに、例えば、ロックピンの形態のロック部材を含ませることで達成できる。第１スプリングホルダ上に設置されているロック部材は、例えば、テンションロッドに、あるいはテンションロッド上に捩れ防止形態で設置されている接触実現部材（接点構成部材）に形状フィット形態で係合できる。ピン等の形態で構成されているロック部材が第１スプリングホルダの前方側の穴内に設置できる。第２スプリングホルダは、テンションロッドの形状調和している外側立体表面形状に形状フィット形態で係合する内側立体表面形状を有している。可能な実施形態では、第２スプリングホルダの内側立体表面形状は２つの平行面を備えた通路によって形成でき、対応する外側立体表面形状はテンションロッドの細くなった前方部で平坦化された表面によって形成できる。形状フィット接続のための別な形状調和立体表面形状であっても同様に可能である。

互いに前後関係に配置された複数のスプリングユニットの非均等圧縮を回避するために、少なくとも１つのスプリングユニットの圧縮中にテンションロッドに対する少なくとも１つのスプリングホルダの長手（軸）方向の移動が停止面（停止部）によって制限できる。この停止面は、テンションロッドの中間部の捩れに対抗して、及び／又は停止面によって固定されるように、例えば、テンションロッド上に配置されている接触実現部材上のスリーブ形状接点構成部の停止面によって形成できる。これでスプリングユニットの１つだけが圧縮されるようなことは確実になくなる。

スプリング構造体の付勢力に対抗してクランプ構造体をリリース位置（解放位置）にまで移動させることができるリリースユニットは、油圧（液圧）的、空気圧的、あるいは電気的に運用できる。電気的に運用される場合には、別体の油圧的および空気圧的である集合体や技術的に複雑な密閉策は不要である。電気駆動装置はモータでよく、その固定子および回転子はリリースユニットのハウジング内に収納される。

本発明は、上記のクランプ装置が加工スピンドル内または別な機械構成部材内に一体化している工作機械の工作ユニットにも関係する。

この機械構成部材は、好適には、駆動機構によって回転駆動される旋回式に取り付けられた加工スピンドルである。

本発明のさらなる特徴と利点は、図面を参照に付した好適実施例の以下の説明に記載されている。

クランプ装置を含んだ工作機械の工作ユニットの長手方向断面図である。 図１に示すクランプ装置に使用される非圧縮状態のスプリングユニットの側面図である。 圧縮状態である図２で示すスプリングユニットの側面図である。 ２つのスプリングユニットを備えたテンションロッドの長手方向断面図である。 図４のＭ−Ｍ線の断面図である。 図４のＬ−Ｌ線の断面図である。 図４のＫ−Ｋ線の断面図である。 図４のＪ−Ｊ線の断面図である。 図５のＮ―Ｎ線の断面図である。 図８のＯ−Ｏ線の断面図である。 スプリングユニットを備えたテンションロッドの詳細図である。

図１は、加工品またはツールまたはツールホルダ３をクランプするための機械構成部材２内に一体化されたクランプ装置１を備えた工作機械の工作ユニットの概略図である。図示されている実施例において、部分的にのみ図示されている機械構成部材２は、スピンドルハウジング内に旋回式に取り付けられており、駆動機構で回転式に駆動され、図１の底部に見られるように、その外側端部は、ここでは中空テーパ（先細）シャンク（柄）の形状である、またはミリング（フライス削り）カッタ、ドリルビット（刃）または別な工作ツールであるツールホルダ３の機械テーパ部５を受領するための内側テーパ部４を含んでいる。クランプ装置１を使用して、機械運用中に回転する加工品にクランプすることも可能である。機械構成部材２は加工品またはツールをクランプするクランプ装置１が一体化している工作テーブル等であっても構わない。

クランプ装置１は、機械構成部材２の貫通通路６内で長手方向に可動であり、図示の実施例においては、クーラント（冷却剤）をツールホルダ３またはツールに供給するための貫通穴８を有したテンションロッド７を含んでいる。ツールホルダ３に対面するテンションロッド７の前方端部９には、当該技術分野で知られているようなクランプ構造体１１のクランプコーン（円錐体）１０が取り付けられている。クランプ構造体１１は、クランプコーン１０の周囲に配置された複数のピンサ部材１２を有したコレット（環体）を含んでおり、これらピンサ部材は、クランプコーン１０を長手方向に動かすことで機械テーパ部５をクランプあるいはリリースするために放射状に可動である。

クランプ構造体１１のピンサ部材１２の外側端部１３はツールホルダ３の環状溝部１４に係合する。ピンサ部材１２の内側端部１５は支持スリーブ１６によって支持される。テンションロッド７は、このテンションロッドの周囲で同心的に設置されているスプリング構造体１７によって後方に付勢される。以下で詳細に説明するが、片側にて、この実施例では２つのスプリングユニット１８を含んでいるスプリング構造体１７が、機械構成部材２内でソケット形状の接点構成部材１９によって支持され、他方側にて、テンションロッド７の太くなった後方端部２１上でカラー（継環）２０によって支持される。接点構成部材１９は機械構成部材２の貫通通路６の内側環状棚２３に環状フランジ２２を介して押し付けられているが、これはこの場合には加工スピンドルであり、テンションロッド７の後方端部２１の方向に延びるスリーブ形状の接点構成部２４を含んでいる。

ツールホルダ３から離れる方向に面したテンションロッド７の後方端部２１にはリリースユニット２５が設置されており、それによってテンションロッド７はスプリング構造体１７の付勢力に対抗して前方に押し出されることができる。リリースユニット２５は、テンションロッド７の後方端部２１に押圧される圧力スリーブ２６を含んでおり、この圧力スリーブは油圧式、空気圧式または電気式駆動機構によって動作できる。テンションロッド７がリリースユニット２５によってツールホルダ３の方向に押されると、加工スピンドル６の前方端部に配置されているクランプ構造体１１がツールホルダ３またはツールの機械テーパ部５をリリースする。一方、テンションロッド７がスプリング構造体１７の付勢力によって後方に引き寄せられると、機械テーパ部５は引き寄せられて機械構成部材２内にクランプされる。クランプ構造体１１の構造および機能性は知られているので、ここでは詳細には説明しない。

図示されている実施例においては、スプリング構造体１７は、図２と図３で別々に図示されている２つの直列接続されたスプリングユニット１８を含んでおり、それぞれは、２つの環状スプリングホルダ２７と２８の間に配置され、バックリングコラムの形態に設計された複数のスプリング部材２９を含んでいる。バー形状（棒形状）のスプリング部材２９は金属製、ＧＦＲＰ製、ＣＦＲＰ製または他の繊維補強複合材製でよく、矩形断面を有することができる。それらは、例えば、環状スプリングホルダ２７と２８の前部側の対応溝内に配置できる。スプリングユニット１８が圧縮されると、バー形状スプリング部材２９は、図２で示される当初位置に対して座屈し、図３で示されるように曲げられる。この実施例では、バー形状スプリング部材２９は分離されており、スプリング部材２９が相互に接触せず、スプリングユニット１８の圧縮状態であっても相互に接触しないように周囲方向に角度を有している。スプリング部材２９は、放射状、または環状スプリングホルダ２７または２８の中央と縁部との間の接続線に対して角度を有して傾斜した状態で配置できる。

図４から図８が示すように、テンションロッド７は、テンションロッド７の後方端部２１で長手方向にカラー２０を隣接させる筒状中間部３０を有しており、対向した平坦面３２を備えた筒状中間部を細くなった前方部３１に隣接させる。テンションロッド７の細くなった前方部３１に配置されている接触実現部材１９のスリーブ形状接触実現部２４の外径は、テンションロッド７の中間部３０の外径と一致する。２つのスプリングユニット１８のデザインは同一であり、それぞれは第１スプリングホルダ２７と、異なったデザインの第２スプリングホルダ２８とを含んでおり、テンションロッド７の筒状中間部３０に配置されている後方スプリングユニット１８は、テンションロッド７の細くなった前方部３１に配置されている後方スプリングユニット（原文のまま）１８に対して１８０°だけ長手軸周囲を回転し、それら２つの第１スプリングホルダ２７は、それぞれテンションロッド７の太くなった後方端部２１および接触実現部材１９の環状フランジ２２でカラー２０に押圧されており、第２スプリングホルダ２８はスプリング構造体１７の中間に隣接状態で配置されている。

図５に図示するように、第１環状スプリングホルダ２７は、テンションロッド７の中間筒状部の外径に一致する内径を備えた貫通通路３３を有する。貫通通路３３の内壁には、通流空気の供給のための複数の溝部３４が配置されており、これらの溝部は周辺に均等に配分されており、スプリングホルダ２７の長手方向に延びている。さらに、その前部側で第１スプリングホルダ２７は、図９と図１０で示されており、ここではロックピンの形態に設計されているロック部材３６のための穴３５も有している。

図４および図６と図７の断面図が示すように、スプリング部材２９の対面側で、第２環状スプリングホルダ２８は、ホルダの約半分を通過して延びる円形断面を有した通路３７を有しており、他方のスプリングホルダ２８の対面側では、それは２つの平行面３９を備えた通路３８を有しており、テンションロッド７の細くなった前方部３１で平坦面３２に押圧されている。その結果、第２スプリングホルダ２８は、軸方向で可動となり、捩れに対抗して固定されるようにテンションロッド７に配置される。

テンションロッド７を経路化するために、図６に示す第２スプリングホルダ２８の通路３７は、テンションロッド７の細くなった前方部３１の外径よりも少々大きな内径を有する。ここでも通路３７の内壁には通流空気の供給のために複数の溝部４０が配置されており、これらの溝部は周囲に均等に配分されており、スプリングホルダ２８の長手方向に延びている。

捩れに対する保護として提供された平行面３９の端部で、図７に示す第２スプリングホルダ２８の貫通通路３８は、通流空気の供給のために内側に湾曲した溝部４１も有する。平坦面３２に押圧される平行面３９のために、第２スプリングホルダ２８はテンションロッド７に対する捩れに対抗し、および相互に対する捩れに対抗して固定される。

図８に示す接触実現部材１９を通過する断面図は、テンションロッド７の細くなった前方部３１で平坦面３２に接するように２つの平行面４３を備えた貫通開口部４２も有することを図示している。このように、接触実現部材１９もテンションロッド７に対する捩れに対抗して固定されている。第１スプリングホルダ２７への捩れ防止接続を確実にするため、接触実現部材１９の環状フランジ２２は、図１０に示すロック部材３６のために貫通開口部（通路）４４を有する。接触実現部材１９の環状フランジ２２の外面には、互いに対して周囲方向に９０°だけ外れている通流空気の供給のために４つの凹形状部４５が設けられている。

図９は後方スプリングユニット１８の第１スプリングホルダ２７を図示しており、この後方スプリングユニットはテンションロッド７の筒状中間部３０上に設置されており、その第１スプリングホルダはテンションロッド７のカラー２０に接している。穴３５内に設置されているピン形状のロック部材３６はテンションロッド７のカラー２０上で凹形状部４６（原文のまま；他の箇所では停止面）に係合する。このように、テンションロッド７のカラー２０に押圧されている後方スプリングユニット１８の第１スプリングホルダ２７はテンションロッド７に対する捩れに対抗して固定されている。

図１０は、前方スプリングユニット１８の第１スプリングホルダ２７を図示しており、この前方スプリングユニットはスリーブ形状接触実現部２４上に配置され、この第１スプリングホルダは接触実現部材１９に接しており、図９の第１スプリングホルダ２７に対して、長手軸の周囲で１８０°だけ回転する。この場合には、穴３５に設置されているピン形状ロック部材３６が接触実現部材１９の環状フランジ２２で貫通開口部４４に係合する。このように、接触実現部材１９の環状フランジ２２に接している前方スプリングユニット１８の第１スプリングホルダ２７もテンションロッド７に対する捩れに対抗して固定されている。

図１１は均等に圧縮されているスプリングユニット１８を備えたリリース位置のテンションロッド７の詳細図である。この図は、機械構成部材２によって支持される接触実現部材１９のスリーブ形状接触実現部２４の長さが、テンションロッド７のリリース位置で、２つのスプリングユニット１８の理想的に均等な圧縮により、小さな安全クレアランス（隙間）Ｘが、スリーブ形状接触実現部２４の自由端の停止面４６と、前方スプリングユニット１８の第２環状スプリングホルダ２８の凹部４８の停止面４７との間で維持される。テンションロッド７の筒状中間部３０の長さも、テンションロッド７のリリース位置での２つのスプリングユニット１８の理想的に均等な圧縮により、小さな安全クレアランスＹが、筒状中間部３０からテンションロッド７の細くなった前方部３１への移行部で、後方スプリングユニット１８の第２環状スプリングホルダ２８の凹部４８の停止面４７と、環状停止面４９との間で維持される。このように、個別のスプリングユニット１８のスプリングの歪み、または長手方向のスプリングの偏位を制限することが可能であり、テンションロッド７のリリース位置への移動によって引き起こされるスプリングユニット１８の圧縮中に、スプリングユニット１８の１つに限定されない圧縮が確実になる。

上述したクランプ装置の機能性は図１に関連させて以下で説明する。

図１で示すクランプ装置のリリース位置で、テンションロッド７は、例えば、油圧的、空気圧的または電気的に運用されるリリースユニット２５によってスプリング構造体１７の付勢力に対抗してツールホルダ３の方向に押される。これで、２つのスプリング部材（原文のまま；ユニット）１８は図３で示すように圧縮されることができ、クランプコーン１０と支持スリーブ１６によって、クランプ構造体１１のピンサ部材１２は図１で示す放射状内側に押されたリリース位置を占めることができる。このリリース位置で、ピンサ部材１２の外側端部１３はツールホルダ３の環状溝部１４内に係合せず、ピンサ部材１２はツールホルダ３を解除してツールを交換させる。

一方、リリースユニット２５の圧力スリーブ２６が引き込まれるとき、テンションロッド７はスプリング構造体１７によって引き入れられ、ピンサ部材１２を、クランプコーン１０とツールホルダ３の機械テーパ部５によって放射状外側に押し出させ、ピンサ部材１２によって機械構成部材２の内側テーパ部４内に引き入れてクランプさせる。

本発明によるクランプ装置は上述の実施例に限定されない。すなわち、本発明のクランプシステムは、中空コーンクランプシステムのみならず、他のクランプシステムの急テーパクランプシステムにおいても利用が可能である。クランプ構造体は、中空テーパシャンク（ＨＳＫ）を備えた保持ツールおよびコレットに類似した急テーパシャンク（ＳＫ）を備えた保持ツールの両方のために、球状クランプ部材を備えたクランプ構造体として、あるいは他のツール交換システムのためのクランプ構造体として構成できる。クランプ装置は、加工品のリリース可能な保持にも適している。さらに、リリースユニットを運用するために異なるタイプの駆動機構が利用できる。

１・・・クランプ装置
２・・・機械構成部材
３・・・ツールホルダ
４・・・内側テーパ部
５・・・機械テーパ部
６・・・貫通通路
７・・・テンションロッド
８・・・貫通穴
９・・・テンションロッドの前方端部
１０・・・クランプコーン
１１・・・クランプ構造体
１２・・・ピンサ部材
１３・・・ピンサ部材の外側端部
１４・・・環状溝部
１５・・・ピンサ部材の内側端部
１６・・・支持スリーブ
１７・・・スプリング構造体
１８・・・スプリングユニット
１９・・・接点構成部材
２０・・・カラー
２１・・・テンションロッドの後方端部
２２・・・環状フランジ
２３・・・環状棚
２４・・・スリーブ形状接触実現部
２５・・・リリースユニット
２６・・・圧力スリーブ
２７・・・第１スプリングホルダ
２８・・・第２スプリングホルダ
２９・・・スプリング部材
３０・・・テンションロッドの筒状中間部
３１・・・テンションロッドの細くなった前方部
３２・・・平坦面
３３・・・貫通通路
３４・・・溝部
３５・・・穴
３６・・・ロック部材
３７・・・円形断面を備えた通路
３８・・・２つの平行面を備えた通路
３９・・・表面
４０・・・溝部
４１・・・溝部
４２・・・通路
４３・・・表面
４４・・・貫通通路
４５・・・凹形状部
４６・・・停止面
４７・・・停止面
４８・・・凹部
４９・・・停止面

Claims (12)

1. 加工品またはツールまたはツールホルダ（３）を工作機械の機械構成部材（２）にクランプするためのクランプ装置（１）であって、
   長手方向（４）に可動であるテンションロッド（７）と、
   クランプ位置とリリース位置との間で該テンションロッド（７）による移動が可能なクランプ構造体（１１）と、
   該クランプ構造体（１１）のクランプ力および引き入れ力を発生させる該テンションロッド（７）のためのスプリング構造体（１７）と、
   前記クランプ構造体（１１）を、前記テンションロッド（７）によって前記スプリング構造体（１７）の付勢力に対抗して前記リリース位置にまで動かすことができるリリースユニット（２５）と、を含んでおり、
   前記スプリング構造体（１７）は、第１スプリングホルダ（２７）と第２スプリングホルダ（２８）との間に配置されている複数の弾性力を備えるスプリング部材（２９）を備えた少なくとも１つのスプリングユニット（１８）を含んでおり、
   該第１スプリングホルダ（２７）と該第２スプリングホルダ（２８）は、前記テンションロッド（７）に対する捩れに対して動かないように固定されており、
   前記少なくとも１つのスプリングユニット（１８）の圧縮中に、前記テンションロッド（７）に対する少なくとも１つのスプリングホルダ（２８）の長手方向の移動は停止面（４６、４９）によって制限され、
   前記停止面（４６、４９）は、捩れに対抗して固定されるべく、前記テンションロッド（７）上に配置された接点構成部材（１９）上のスリーブ形状の接点構成部（２４）の停止面（４６）及び／又は前記テンションロッド（７）の中間部（３１）上の停止面（４９）によって形成されていることを特徴とするクランプ装置（１）。
2. 前記少なくとも１つのスプリングユニット（１８）は、周囲方向に間隔を開けた複数のバー形状のスプリング部材（２９）を含んでおり、それらの端部は前記第１スプリングホルダ（２７）と前記第２スプリングホルダ（２８）に回動できないように取り付けられているか回動できるように取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のクランプ装置。
3. 前記スプリング構造体（１７）は、相互に対する捩れに対して動かないように固定されている複数の直列接続されているスプリングユニット（１８）を含んでいることを特徴とする請求項１または２記載のクランプ装置。
4. 前記第１スプリングホルダ（２７）は、前記テンションロッド（７）に対する捩れに対して該第１スプリングホルダ（２７）を動かないように固定するためのロック部材（３６）を含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクランプ装置。
5. 前記ロック部材（３６）は、前記第１スプリングホルダ（２７）の前方側の穴（３５）に配置されていることを特徴とする請求項４記載のクランプ装置。
6. 前記第２スプリングホルダ（２８）は、前記テンションロッド（７）の対応する外側の表面部（３１、３２）と係合するように、形状が一致するような内側の表面部（３８、３９）を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクランプ装置。
7. 前記第２スプリングホルダ（２８）上の前記内側の表面部（３８、３９）は２つの平行な表面（３９）を備えた通路（３８）によって形成されており、前記テンションロッド（７）の前記対応する外側の表面部（３１、３２）は該テンションロッド（７）の前方部（３１）上の平坦面（３２）によって形成されていることを特徴とする請求項６記載のクランプ装置。
8. 前記スプリング構造体（１７）は、前記接点構成部材（１９）の前記スリーブ形状の接点構成部（２４）上に配置された前方のスプリングユニット（１８）と、前記テンションロッド（７）の中間部（３１）上に配置された後方のスプリングユニット（１８）とを含んでいることを特徴とする請求項１記載のクランプ装置。
9. 前記スプリング構造体（１７）は、前記テンションロッド（７）の後方端部（２１）上のカラー（２０）と、該テンションロッド（７）の前方部（３１）上に配置された前記接点構成部材（１９）との間に配置されていることを特徴とする請求項１または８記載のクランプ装置。
10. 前記リリースユニット（２５）は、油圧、空気圧または電気的に駆動できることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のクランプ装置。
11. 機械構成部材（２）内に組み入れられたクランプ装置（１）を有した工作機械の工作ユニットであって、該クランプ装置は請求項１から１０のいずれかに記載の構成であることを特徴とする工作ユニット。
12. 前記機械構成部材（２）は、駆動機構によって回転式に駆動される旋回的に取り付けられた加工スピンドルであることを特徴とする請求項１１記載の工作ユニット。

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