JP6745868B2

JP6745868B2 - 工具ホルダ

Info

Publication number: JP6745868B2
Application number: JP2018245880A
Authority: JP
Inventors: 英史玉川
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: WO2020138229A1; JP2020104220A

Description

本発明は、工作機械の主軸に装着される工具を把持する工具ホルダに関する。

回転工具を主軸に取り付け、テーブルにワークを取り付けて、主軸を回転させつつワークに対して相対移動させ、ワークを加工するタイプの工作機械では、工具ホルダを用いて回転工具を主軸に装着するようにしている。

近時、工作機械の分野では主軸の高速化が進められている一方で、高い加工精度が要求されるようになっている。主軸の高速化に伴い、特に高周波数領域で、加工中に共振によるびびり振動のような振動が発生することがある。

特許文献１には、工具ホルダの中空部内に工具ホルダとは固有振動数が異なる錘部材を収容し、中空部の周壁面と錘部材外周面との間にばね部材を配置して、振動の発生を防止した工具ホルダが記載されている。

特開２００７−２９００４７号公報

特許文献１の工具ホルダでは、切削加工中の振動を抑制する効果が小さい問題がある。また、工具ホルダの固有振動数を調節するために、錘部材の重量や形状、また、ばね部材のばね定数のように多くのパラメータを調整する必要があることから、固有振動数の調節がむずかしい問題がある。
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、振動の抑制効果が一層高い工具ホルダを提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、工作機械の主軸に装着される工具を把持する工具ホルダにおいて、工作機械の主軸のクランプ機構で該主軸に把持される工具ホルダ把持部と、工具ホルダの中心軸線に沿って工具ホルダ把持部より先端側に工具ホルダ把持部と一体で形成されたボス部と、工具ホルダの中心軸線に沿ってボス部に形成された工具装着穴と、工具装着穴の周囲に工具ホルダの中心軸線を中心として渦巻き状に延びるようにボス部に形成された少なくとも１本の渦巻溝と、工具ホルダの中心軸線に沿って延びる軸方向通路と、工具ホルダの中心軸線に関して半径方向に渦巻溝を横断して延びる径方向通路と、を具備し、前記径方向通路が、一端において軸方向通路に開口しており、径方向通路を介し渦巻溝が軸方向通路に連通する工具ホルダが提供される。

本発明によれば、工具ホルダ把持部とボス部とを一体に形成し、ボス部に渦巻溝を形成することによって、振動抑制効果の高い工具ホルダが提供される。また、本発明の工具ホルダは、工具ホルダ把持部とボス部とを一体に形成されているので、三次元プリンタにより一体的に製作することが可能であるので、有限要素法のような解析手法によって事前に固有振動数を求めることが容易であり、渦巻溝の形状や本数、工具ホルダの中心軸線を中心とした螺旋の角度範囲等を種々に変更しながらシミュレーションによって、振動抑制効果の一層高い工具ホルダを提供することが可能となる。また、本発明の工具ホルダは、二面拘束型の工具ホルダ（HSKホルダ）や、プルスタッドを有したBTシャンク工具ホルダの形状に三次元プリンタにより製作することができるので、既存の工具マガジンと工具交換装置とを備えたマシニングセンタのような工作機械で利用可能である。

本発明の好ましい実施形態による工具ホルダの縦断面図である。図１の工具ホルダをボス部側から見た端面図である。図１において、矢視線III-IIIに沿う断面図である。工具を装着した状態で示す図１の工具ホルダの側面図である。工具を装着した状態で示す図１の工具ホルダの端面図である。本発明の工具ホルダを利用可能な工作機械の略示図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。先ず、図６を参照して、本発明の工具ホルダを利用可能な工作機械の一例を説明する。
図６において、工作機械１００は横形マシニングセンタを構成しており、複数の工具Ｔを収納する工具マガジン１２０と、工具マガジン１２０に収納された工具Ｔの１つと、工作機械１００の主軸１０８の先端に装着された工具Ｔとを交換する工具交換装置１４０を備える。工作機械１００、工具マガジン１２０および工具交換装置１４０はカバー１３０によって包囲されている。工具Ｔはエンドミルのような回転工具であるが、本明細書では単に工具Ｔと記載する。

カバー１３０は、その内部を加工室１３４と工具収納室１３６とに分割する隔壁１３２を具備している。工作機械１００は、ワークを加工する加工室１３４内に配置され、工具マガジン１２０および工具交換装置１４０は工具収納室１３６内に配置される。隔壁１３２には、加工室１３４と工具収納室１３６との間で工具を移動するための開口部１３２ａが形成されており、隔壁１３２には、開口部１３２ａを開閉するためのシャッタ１３２ｂが配置されている。

工具マガジン１２０は円板状に形成されたベース部材１２２を具備している。ベース部材１２２は、半径方向外方に開口し周方向に等角度間隔で配設された複数の凹部からなる受容部１２４を有しており、該受容部１２４の各々に工具ホルダ１０を介して工具が保持される。

工具交換装置１４０は、工具マガジン１２０と工作機械１００との間に配設され、交換アーム１４２と、シフタ１４４とを具備している。交換アーム１４２の両端には工具を把持するグリッパ１４２ａ、１４２ｂが設けられている。交換アーム１４２は、主軸１０８の回転軸線の方向に進退する直線動作と、主軸１０８の回転軸線に対して垂直な平面（鉛直平面）内で９０°または１８０°回転する回転動作が可能となっている。

シフタ１４４は、工具マガジン１２０と交換アーム１４２との間で水平方向に往復動可能に設けられている。シフタ１４４は、工具マガジン１２０の待機位置１２１にある工具を工具マガジン１２０から受け取り、該工具を工具授受位置１４６へ移送する。また、シフタ１４４は、反対に、工具授受位置１４６において交換アーム１４２から工具を受け取り、該工具を待機位置１２１に配置されている工具マガジン１２０の受容部１２４に装着する。

図１〜図３において、本発明の好ましい実施形態による工具ホルダ１０は、工具ホルダ把持部として中空のテーパ部１２、フランジ部１４およびボス部１８を有している。テーパ部１２は、工作機械の主軸１０８に形成されたテーパ穴（図示せず）に装着される。より詳細には、主軸１０８内には、複数のコレット（図示せず）と、該複数のコレットに連結されたドローバー（図示せず）と、該ドローバーを主軸の中心軸線に沿って前後方向に駆動する皿ばね（図示せず）を有したクランプ機構が配設されている。クランプ機構の複数のコレットがテーパ部１２の中空部１２ａ内に配置され、中空部１２ａの内面１２ｂからテーパ部１２をテーパ穴の内面１２ｂに押圧することによって、テーパ部１２が工作機械の主軸１０８に把持される。

なお、本例では、工具ホルダ１０は、二面拘束型の工具ホルダ（HSKホルダ）であるが、プルスタッド（図示せず）を有したBTシャンク工具ホルダであってもよい。その場合、クランプ機構は、プルスタッドに係脱可能に設けられたドローバー（図示せず）と、該ドローバーを主軸１０８の回転軸線に沿って前後方向に駆動する皿ばね（図示せず）とを備えている。

フランジ部１４は、工作機械１００の主軸１０８の端面に当接する当接面１４ａと、フランジ部１４の外周面に形成された周溝１６を有している。周溝１６は工具マガジンの受容部１２４および交換アーム１４２のグリッパ１４２ａ、１４２ｂと係合可能となっている。

ボス部１８は、工具ホルダ１０の中心軸線Ｏに沿ってフランジ部１４からテーパ部１２の反対側（先端側）に突出している。ボス部１８には、中心軸線Ｏに沿って工具装着穴２０が形成されている。工具装着穴２０に工具Ｔのシャンク部が挿入される。例えば、工具ホルダ１０のボス部を加熱して工具装着穴２０を広げ、工具Ｔのシャンク部を挿入して、工具ホルダ１０を冷却することによって、焼き嵌め式に工具Ｔを工具ホルダ１０に装着することができる。或いは、工具装着穴２０内に、工具Ｔのシャンク部を把持するコレットチャック（図示せず）を組み込んでもよい。

ボス部１８の外周面１８ａと、工具装着穴２０の内周面２０ａとの間には、少なくとも１本の、本例では２本の渦巻き形または螺旋状の溝２４、２６（以下、渦巻溝２４、２６と記載する）が形成されている。渦巻溝２４、２６は中心軸線Ｏを中心として５４０°（巻き数＝１．５）に亘って延設されている。渦巻溝２４、２６の本数や中心軸線Ｏを中心とした渦巻溝２４、２６の角度範囲（巻き数）はこれに限定されず、実験等を通じて、振動が小さく或いは除去されるように、適宜決定することができる。また、本例では、渦巻溝２４、２６は、アルキメデスの螺旋（代数螺旋）状に形成されているが、ベルヌーイの螺旋（対数螺旋）状に形成してもよい。更には、渦巻溝２４、２６は、インボリュート曲線に沿って延在するように形成してもよい。

工具ホルダ１０には、また、中心軸線Ｏに沿って延設された軸方向通路２８が形成されている。軸方向通路２８によって、工具装着穴２０はテーパ部１２の中空部１２ａに連通する。工具ホルダ１０には、更に、複数の径方向通路３０が形成されている。径方向通路３０は、渦巻溝２４、２６の底部に隣接した部分を横断して半径方向に延びている。径方向通路３０によって、渦巻溝２４、２６は軸方向通路２８に連通する。

本実施形態によれば、工具Ｔのシャンク部を受容する工具装着穴２０の周囲に渦巻溝２４、２６を形成したので、渦巻溝２４、２６が形成されている領域は剛性、特に半径方向の剛性が低くなり、工具Ｔは、渦巻溝２４、２６の内側で工具装着穴２０より外側の領域と共に半径方向に弾性支持されることとなる。本発明では、図２では二点鎖線の円２２の内側の領域を工具把持部、そして円２２の外側の領域を支持部と称する。円２２は、渦巻溝２４、２６と交差することなく、渦巻溝２４、２６に接する最大の円とすることができる。

本実施形態によれば、工具Ｔおよび工具把持部を支持部によって半径方向に弾性支持することによって、渦巻溝２４、２６を備えていない場合と比較して、工具Ｔを含めた工具ホルダ１０の固有振動数を下げることができる。渦巻溝２４、２６の本数、形状、溝幅、中心軸線Ｏを中心とした渦巻溝２４、２６の角度範囲（巻き数）を変更することによって、上記固有振動数を調節することができる。渦巻溝２４、２６の形状は、工具ホルダ１０の中心軸線Ｏに関して対象であることが好ましい。また、工具Ｔを弾性支持することによって、主軸１０８を通じて工作機械１００側から工具Ｔに伝搬される振動を除去または低減することが可能となる。

また、テーパ部１２の中空部１２ａ、軸方向通路２８、径方向通路３０を介して圧縮空気を渦巻溝２４、２６に供給することによって、加工中に発生する加工液の液滴やミスト、または切削屑の渦巻溝２４、２６内への進入を防止することが可能となる。この目的のための圧縮空気は、主軸１０８内に配設された管路を介して供給されるテーパ穴清掃用の圧縮空気を用いることができる。圧縮空気を用いたテーパ穴の清掃は、工作機械の分野では常用されている。

工具ホルダ１０は、例えば、工具ホルダ把持部としてのテーパ部１２とボス部１８とが一体に形成されているので、三次元プリンタを用いてＳＵＳ３１６やマルエージング鋼といった素材で製作することができる。また、本発明において、工具ホルダ１０は、フランジ部１４を必ずしも備えていなくともよく、工具ホルダ把持部としてのテーパ部１２と、ボス部１８とが隣接して一体に形成されていてもよい。

１０工具ホルダ
１２テーパ部
１２ａ内面
１２ａ中空部
１２ｂ内面
１４フランジ部
１４ａ当接面
１６周溝
１８ボス部
１８ａ外周面
２０工具装着穴
２０ａ内周面
２２円
２４渦巻溝
２６渦巻溝
２８軸方向通路
３０径方向通路
１００工作機械
１０８主軸
１２０工具マガジン
１２１待機位置
１２２ベース部材
１２４受容部
１３０カバー
１３２隔壁
１３２ａ開口部
１３２ｂシャッタ
１３４加工室
１３６工具収納室
１４０工具交換装置
１４２交換アーム
１４２ａグリッパ
１４２ｂグリッパ
１４４シフタ
１４６工具授受位置

Claims

工作機械の主軸に装着される工具を把持する工具ホルダにおいて、
工作機械の主軸のクランプ機構で該主軸に把持される工具ホルダ把持部と、
工具ホルダの中心軸線に沿って工具ホルダ把持部より先端側に工具ホルダ把持部と一体で形成されたボス部と、
工具ホルダの中心軸線に沿ってボス部に形成された工具装着穴と、
工具装着穴の周囲に工具ホルダの中心軸線を中心として渦巻状に延びるようにボス部に形成された少なくとも１本の渦巻溝と、
工具ホルダの中心軸線に沿って延びる軸方向通路と、
工具ホルダの中心軸線に関して半径方向に渦巻溝を横断して延びる径方向通路と、
を具備し、
前記径方向通路が、一端において軸方向通路に開口しており、径方向通路を介し渦巻溝が軸方向通路に連通することを特徴とした工具ホルダ。
工具ホルダの中心軸線に関して対称に配置された２本の渦巻溝を備える請求項１に記載の工具ホルダ。
工具ホルダ把持部とボス部との間で半径方向に突出したフランジ部を更に備え、該フランジ部は、その外周面に沿って延びる周溝が形成されている請求項１に記載の工具ホルダ。