JPH07299615A - 工具保持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 サラバネよりも大きな力によって、コレット
チャックを後側に押圧する機構を設け、これによってサ
ラバネの枚数を軽減し、主軸の長さを短縮することので
きる工具保持装置を提供する。 【構成】 引き棒１の前方部に、コレットチャック２の
数に応じた隆起部１１を放射方向に設け、隆起部１１
は、後部において後側から前方側に傾斜部を有し、各コ
レットチャック２は、その中途部位において隆起部１１
及び各球４を嵌合する前後方向細長穴２１を上下両側を
貫通して設け、穴２１の後端に球４と当接する壁面を設
け、スリーブ３１の内壁に、隆起部１１の放射方向に対
応した位置に複数の窪み３２を設け、窪み３２は、その
前部において後側から前側に下降する傾斜部を有し、球
４は、隆起部１１の該傾斜部、コレットチャックの該後
端に位置する壁面２２、及び窪み３２の該傾斜部の何れ
かの位置に同時に当接できる程度の大きさである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の工具を使用する
工作機械において、順次使用する工具を保持する保持装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来コレットチャック２を使用した工具
保持装置は、図１に示すように、工具のプルボルト部分
をコレットチャック２によって把持しているが、この場
合の把持力は、主軸３の内側に設けられているサラバネ
５の引き棒１を介した引っ張り力（図１の矢印→によっ
て示す。）に由来しており、かつその大きさは該引つ張
り力によって支配されている。

【０００３】そして、図１からも明らかなように、従来
のコレットチャック２及び引き棒１の関係は、単にコレ
ットチャック２の後端部と引き棒１の先端部の鍔状部分
とが、相互に接触面を介してサラバネ５の引っ張り力を
引き棒１がそのままコレットチャック２に伝達している
に過ぎなかった。

【０００４】即ち、コレットチャック２を後方へ押圧す
る力は、引き棒１に対するサラバネ５の引っ張り力と同
一であった。

【０００５】通常主軸３内に収納されているサラバネ５
の数は数十枚〜百数十枚程度であることが多いが、要請
される工具に対する把持力によって、サラバネ５の数が
決定される為、主軸３の長さはサラバネ５の枚数によっ
て支配されることを免れない。

【０００６】然るに、高速回転を行っている主軸３にお
いて、例えば軸断面の中心位置がずれること等を原因と
して、軸方向に対する垂直方向の振動が生ずることがあ
るが、この場合主軸３が長くなるにしたがって、該振動
の共振周波数が低くなると共に、該垂直方向の振幅が大
きくなる傾向がある。

【０００７】このような軸と直交する方向の振動の振幅
が大きいことは、主軸３の回転摩擦、更にはこれに伴っ
て摩擦熱が大きくなり、極めて危険な回転状態となる
が、これを避ける為、主軸３の回転速度に対する制約が
必然的に生ずることになる。

【０００８】即ち、主軸３の長さに応じて、その回転速
度の制約が大きくならざるを得ないが、主軸３の長さが
サラバネ５の数によって支配される以上、サラバネ５の
数が増えるほど回転数の制約が大きくなるという不合理
性を免れない。

【０００９】しかも、主軸３が長くなるにしたがって、
加工時間、運搬上の便宜、操作上の取り扱い、精度を要
する加工上の運転等において不利とならざるを得ない。

【００１０】このように、サラバネ５の引っ張り力の要
請上、所定の長さの主軸３を使用せざるを得なかったに
も拘らず、サラバネ５の引っ張り力を一層効率化させよ
うとする工夫はこれまで行われていなかった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記のよう
に、主軸が内包するサラバネの枚数によって、要請され
る長さを緩和する為、スリーブの内側、引き棒、コレッ
トチャックの結合関係を改善して、サラバネの引っ張り
力を、従来技術に比し、効率的に利用し、これによって
逆にサラバネの枚数、ひいては主軸の長さを短縮できる
工具保持装置を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成する
為、本発明の構成は、主軸のスリーブ内に存在するコレ
ットチャックに対する引き棒の後方への引っ張り力に基
づき、コレットチャックが工具のプルボルトを把持する
工具保持装置において、引き棒の前方部に、コレットチ
ャックの数に応じた隆起部を引き棒の軸から放射方向に
設け、該隆起部は、その後部において後側から前方側に
順次隆起する傾斜部を有し、複数個の各コレットチャッ
クは、その中途部位において該隆起部及び各球を嵌合す
る前後方向細長穴を上下両側を貫通した状態に設け、該
穴の後端に球と当接する壁面を設け、スリーブの内壁
に、該隆起部の該放射方向に対応した位置に複数の窪み
を設け、該窪みは、その前部において後側から前側にか
けて順次下降する傾斜部を有し、該球は、隆起部の該傾
斜部、コレットチャックの該後端に位置する壁面、及び
窪みの該傾斜部の何れかの位置に同時に当接できる程度
の大きさであり、隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部が
それぞれ該球と接する位置における軸方向に対する傾斜
角度をそれぞれα、βとし、コレットチャックの該壁面
が球と接する位置における軸と直交する方向に対する傾
斜角度をγとし（但しα、β＞０であり、γは右上方向
への傾斜角度の場合をγ＞０とする）、球に対する隆起
部の該傾斜部、窪みの該傾斜部及びコレットチャックの
該壁面の各静止摩擦係数の平均値をμとした場合、α、
β、γ及びμが下記式を充足することに基づく工具保持
装置。 記 （１＋μｔａｎ γ）ｓｉｎα・ｃｏｓα（ｔａｎα＋
ｔａｎ β）＞１＋２μ＋（２μ−１）ｔａｎ γ・ｔ
ａｎβ からなる。

【００１３】

【発明の作用】図２は、本発明の前記構成の概略を示す
引き棒１、コレットチャック２及び球４の形状を示す分
解見取図であり、図３（イ）、（ロ）は、コレットチャ
ック２の球４と接している壁面が右上方向に傾斜してい
る場合、及び左上方向に傾斜している場合における軸方
向側断面図を示す。

【００１４】図３（イ）、（ロ）に示すように、引き棒
１の前側部に、コレットチャック２の数に応じた隆起部
１１を軸の中心位置から放射状に複数個設けた隆起部１
１の後側傾斜部の球４と接している位置における傾斜角
度を軸方向に対しαと設定する。

【００１５】他方、各コレットチャック２に設けられた
上下に貫通した軸方向の細長穴２１に、該隆起部１１及
び球４が嵌合され、しかも球４は引き棒１がサラバネ５
によって引っ張られ、これによってコレットチャック２
を後側方向に押圧しており、引き棒１は、隆起部１１の
後側傾斜部→球４→コレットチャックの細長穴２１の後
側壁面２２の順序によって、サラバネ５の引っ張り力を
伝達している。

【００１６】そして、主軸３のスリーブ３１の内側にお
いて、引き棒１の各隆起部１１に対し、該放射方向に対
応した位置に設けられた窪み３２の、前側に存在する傾
斜部の該球４と接している位置における傾斜角度をβと
設定し、コレットチャックの該壁面２２を、軸方向に対
し該球４と接している位置における傾斜角度をγと設定
した場合（但しγは、垂直又は右上方向に傾斜させた場
合をγ≧０とする。）、サラバネ５の引き棒１に対する
引っ張り力Ｆと、該球４を介したコレットチャックの該
壁面２２に対する後側への押圧力ｆとの関係について考
察する。

【００１７】図３に示すように、球４と引き棒１の傾斜
面との接触位置において、前記引っ張り力Ｆは、球４の
中心方向の力Ｆ_１と傾斜面に沿った力Ｆ’とに分解する
ことができ、 Ｆ_１＝Ｆｓｉｎ α Ｆ’＝Ｆｃｏｓ α が成立する。

【００１８】球４と引き棒１、スリーブ３１の内側面、
コレットチャックの壁面２２との静摩擦係数をそれぞれ
μ_１、μ_２、μ_３とし、スリーブ３１の傾斜面及びコレ
ットチャックの後側壁面２２の球４の中心方向に向かう
抗力（引き棒１の球４に対する作用に抵抗して生ずる反
発力）をそれぞれＦ_２、Ｆ_３とした場合、図３からも明
らかなように、軸方向及びこれに直交する方向の力のバ
ランスから、以下の式が成立する。 Ｆ_３（ｃｏｓ γ＋μ_３ｓｉｎ γ）＝Ｆ_２（ｓｉｎ β−μ_２ｃｏｓ β） ＋Ｆ_１（ｓｉｎ α＋μ_１ｃｏｓ α）・・・ μ_３Ｆ_３ｃｏｓ γ−Ｆ_３ｓｉｎ γ＋Ｆ_２（ｃｏｓ β＋μ_２ｓｉｎ β） ＝Ｆ_１（ｃｏｓ α−μ_１ｓｉｎ α） ・・・

【００１９】尚、上式において、球４の中心方向に向か
う力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３に基づく静摩擦力は、実際の
Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３が大きな値である為、静摩擦力の上限
値であるμ_１Ｆ_１、μ_２Ｆ_２、μ_３Ｆ_３の値となってい
る。

【００２０】また、上２式だけでなく、回転モーメント
のバランスを考慮した数式、即ち μ_３Ｆ_３ａ＝μ_１Ｆ_１ａ＋ａμ_２Ｆ_２ （但しａ：球４の半径）が成立するが如くにも考えられ
るが、引き棒１の傾斜面、スリーブの窪み３２の傾斜面
及びコレットチャックの後側壁面２２の何れにおいて
も、球４の回転を阻止する摩擦力、即ち回転摩擦力がこ
れらの各面において生じている為、上記の如き単に静摩
擦力μ_１Ｆ_１、μ_２Ｆ_２、μ_３Ｆ_３のみによる回転モー
メントのバランスの式は成立しない（各面との回転、摩
擦力をも考慮したことによる式が成立することにな
る。）。

【００２１】前記、の２式から、Ｆ_２を消去した場
合、 Ｆ_３＝Ｆ_１｛ｓｉｎ（α＋β）（１＋μ_１μ_２）＋（μ
_１μ_２）ｃｏｓ（α＋β）｝／｛ｃｏｓ（β＋γ）（１
＋μ_２μ_３）＋（μ_２μ_３）ｓｉｎ（β＋γ）｝

【００２２】ここで、コレットチャックの壁面２２に作
用する軸方向の力ｆは、抗力Ｆ_３とその摩擦力μ_３Ｆ_３
の各軸方向の成分の総和であるから、 ｆ＝Ｆ_３ｃｏｓ γ＋μ_３Ｆ_３ｓｉｎ γ である。

【００２３】他方、Ｆ_１＝Ｆｓｉｎ αであるから、 ｆ／Ｆ＝ｓｉｎ α（ｃｏｓγ＋μ_３ｓｉｎ γ）｛ｓ
ｉｎ（α＋β）（１＋μ_１μ_２）＋（μ_１μ_２）ｃｏｓ
（α＋β）｝／｛ｃｏｓ（β＋γ）（１＋μ_２μ_３）＋
（μ_２μ_３）ｓｉｎ（β＋γ）｝ が成立する。

【００２４】ここで、球４と引き棒１、スリーブ３１及
びコレットチャックの後側壁面２２の摩擦係数は概略等
しいので、各面における静摩擦係数の平均値をμとした
場合には、μ≒μ_１≒μ_２≒μ_３が成立し、 ｆ／Ｆ＝（１＋μｔａｎ γ）・ｓｉｎ α・ｃｏｓα（ｔａｎα＋β）／ ｛１＋２μ＋（２μ−１）ｔａｎγ・ｔａｎβ｝・・・ が成立する。（但しμ_１・μ_２≒μ_２・μ_３≒μ^２は値
が小さいので省略した。）

【００２５】上記の式が１より大きい場には、ｆ＞Ｆ
となり、サラバネ５による引き棒１に対する引っ張り力
Ｆよりも、コレットチャックの壁面２２への押圧力ｆの
方が大きいことになる。

【００２６】尚コレットチャックの壁面２２の球４と接
する位置が、左上方向に傾斜している場合は、前記の
式において、ｔａｎγが負の値となるが、一般にμ＜１
／２であるから、前記左上方向の傾斜の場合には、右上
方向の傾斜の場合に比し、式の分母が大きな値とな
る。

【００２７】何れにせよ、ｆ＞Ｆとなる為には、前記
において、 （１＋μｔａｎ γ）ｓｉｎα・ｃｏｓα（ｔａｎα＋ｔａｎ β）＞１＋２ μ ＋（２μ−１）ｔａｎ γ・ｔａｎβ・・・ が成立することが必要である。

【００２８】即ち、本願発明では、前記を条件とし
て、引き棒１に対するサラバネ５による引っ張り力Ｆを
引き棒１の傾斜面、スリーブ３１の傾斜面及び球４を介
することによるコレットチャックの壁面２２への押圧力
ｆに変換することによってｆ＞Ｆを実現する点に、本願
発明の基本的技術思想が存在する。

【００２９】

【実施例１】実施例１は、前記の式が比較的煩雑であ
ることに着目し、特にγ＞０、即ちコレットチャックの
壁面２２の球４と接する位置が右上方向に傾斜している
場合において、前記の要件に関する式を簡略させた実
施例を示す。

【００３０】前記右上方向の傾斜の場合には、ｔａｎ
γ・ｔａｎβ≧０であり、しかも一般に球４と各面との
静摩擦係数が０．５よりも小さいので、 １＋２ μ＋（２μ−１）ｔａｎ γ・ｔａｎβ≦１＋
２ μ が成立する。

【００３１】従って、図３に示すコレットチャックの壁
面２２が右上方向の傾斜している場合には、 ｆ／Ｆ＞（１＋μｔａｎ γ）・ｓｉｎα・ｃｏｓα
（ｔａｎα＋β）／（１＋２ μ） が成立する。

【００３２】かくして、 ｓｉｎ α・ｃｏｓα（ｔａｎα＋ｔａｎ β）＞（１＋２ μ）／（１＋ μ ｔａｎγ）・・・ が成立する場合には、ｆ／Ｆ＞１が明らかに成立し、し
かもの式が１より大きい要件を一層簡略な式とするこ
とができる。

【００３３】

【実施例２】実施例２は、図４に示すように、コレット
チャック２の球４と当接する壁面を、軸方向と直交する
方向とし、γ＝０であり、かつ以μ≒０場合を示す。

【００３４】この場合、上記の不当式は ｓｉｎα・ｓｉｎ（α＋β）＞ｃｏｓ β となる。

【００３５】ｓｉｎα・ｓｉｎ（α＋β）＝１／２｛ｃ
ｏｓβ−ｃｏｓ（２ α＋β）｝ であり、 ｃｏｓ（２α＋β）＝ｃｏｓ２α・ｃｏｓβ−ｓｉｎ２
α・ｃｏｓβ であり、 ｓｉｎ２α＝２ｓｉｎα・ｃｏｓα、ｃｏｓ２α＝２ｃ
ｏｓ^２ α−１ であるから、結局の式は、 ｔａｎα・ｔａｎβ＞１ とｆ＞Ｆが成立する為の要件を簡略化することができ
る。

【００３６】実施例２の場合には、 ｆ／Ｆ＝ｓｉｎ α・ｓｉｎ（α＋β）／ｃｏｓβ である。

【００３７】上記式において、例えばα＝β＝６０°の
場合には、 ｆ／Ｆ＝ｓｉｎ６０°・ｓｉｎ１２０°／ｃｏｓ６０゜
＝１．５ であり、α＝β＝７５°の場合には、 となり、何れの場合においてもｆ＞Ｆが成立し、サラバ
ネ５の引っ張り力Ｆよりもコレットチャック２に対する
押圧力ｆが大きな値となっていることが判明する。

【００３８】

【実施例３】実施例３は、コレットチャックの壁面２２
が図３に示すように右上方向に傾斜している場合におい
て、特に各傾斜角度γ及びスリーブ３１の傾斜面の角度
βを特定の範囲に設定した場合の実施例を示す。

【００３９】コレットチャックの壁面２２が、右上方向
に傾斜している場合には、図３からも明らかなように、
β＋γ＜９０°が成立する。

【００４０】この点は、引き棒１の球４に対する上方向
への力によって、球４はコレットチャックの後側端面２
２に沿って上側に移行しようとするところを、スリーブ
３１の傾斜面が軸方向にβであること、即ち軸と直交す
る方向に９０°−βであることによって、球４の上側方
向への移行を制約することが要求されるが、その為に
は、９０°−β＞γであることが要請されることからも
明らかであろう。

【００４１】ここでγ＋β＝π／２−δとした場合に
は、 １−ｔａｎ β・ｔａｎγ＝ｔａｎ δ（１＋ｔａｎ
β）／（ｔａｎβ＋ｔａｎ δ） であるから、 ｆ／Ｆ＝｛１＋μｃｏｔ（δ＋β）｝・（ｔａｎ δ＋
ｔａｎ β）・ｓｉｎα・ｓｉｎ（α＋β）／ｃｏｓ
β｛ｔａｎδ（１＋ｔａｎ β）＋２ μ（ｔａｎδ−
ｔａｎδ・ｔａｎ^２ β＋２ｔａｎβ）｝ が成立する。

【００４２】ここで、δが非常に小さい値であり、例え
ば５°（π／３６ラジアン）以下の場合には、前記ｆ／
Ｆは極めて大きな値となる。

【００４３】即ち、前記構成（１）においては、γ＋β
の値を９０°に近づけるにしたがって、コレットチャッ
ク２の後方への押圧力ｆを大きな値に設定することがで
きる。

【００４４】

【実施例４】実施例４は、引き棒１の傾斜面、スリーブ
３１の傾斜面及びコレットチャックの後側壁面２２の少
なくとも一部を湾曲した形状とした場合を示す。

【００４５】即ち、図３及び図４では、引き棒１の傾斜
面、スリーブ３１の傾斜面及びコレットチャックの後側
壁面２２を何れも平面形状に設計した場合を示した。

【００４６】しかしながら、図５に示すように、球４が
接している引き棒１の傾斜面、スリーブ３１の傾斜面及
びコレットチャックの後側壁面２２が湾曲していたとし
ても、前記、の式が１より大きい場合には、ｆ＞Ｆ
を実現することが可能である以上、本願発明は、引き棒
１の傾斜面、スリーブ３１の傾斜面及びコレットチャッ
クの後側壁面２２の少なくとも一部が湾曲していてもよ
い。

【００４７】

【発明の効果】以上の如き、引き棒の傾斜面、スリーブ
の傾斜面、コレットチャックの後側壁面及び球を用いた
ことによる本願発明の構成によって、サラバネの引っ張
り力よりもコレットチャックの後側壁面に、大きな押圧
力を作用させることが可能となるので、逆に、本願発明
の工具保持装置では、従来の工具保持装置と比較した場
合、工具に対する同一の把持力、即ち同一のコレットチ
ャックに対する押圧力を実現するうえで、本願発明の場
合にはサラバネの枚数を少なくし、ひいては、主軸の長
さを短縮することができる

【００４８】これによって、主軸を従来技術に比し、短
縮することができ、前記で述べたような主軸の回転数の
制約、下降時間の短縮、運搬上の便宜、操作上の取扱及
び精度を要する下降上の運転等において、従来技術の欠
点を改良することが可能となる。

【００４９】尚、本願の構成による引き棒、コレットチ
ャック及びスリーブ面を用いた場合において、工具を取
り外す工程を、図６（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、
（ホ）によって示す（尚図６では、コレットチャックの
後部壁面について、γ＝０とした平面形状の場合を示
す。）。

【００５０】即ち、本願発明にかかる工具保持装置にお
いても、工具の取り外しは従来技術の場合と同様、当然
可能である。

【００５１】このように、本願発明は、サラバネの引っ
張り力を効率的に利用することによって、主軸の長さを
短縮し、これによって従来技術における長い主軸の長さ
を短縮し、これによって従来技術における諸々の欠点を
克服することができるので、本発明の価値は絶大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】：従来の工具保持装置の構成を示す側断面図

【図２】：本願発明の主軸、コレットチャック及び球の
対応関係及び外形を示す見取図

【図３】：本願発明の基本的原理を説明する側断面図

【図４】：実施例２の基本構成を示す側面図

【図５】：実施例４の基本構成を示す側面図

【図６】（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）：本
願発明において、工具を取り外す場合の工程を示す側面
図

【符合の説明】 １：引き棒 １１：引き棒の隆起部 ２：コレットチャック ２１：コレットチャックの細穴 ２２：コレットチャックの後側壁部分 ３：主軸 ３１：スリーブ ３２：スリーブの窪み ４：球 ５：サラバネ ６：弾性バネ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸のスリーブ内に存在するコレットチ
   ャックに対する引き棒の後方への引っ張り力に基づき、
   コレットチャックが工具のプルボルトを把持する工具保
   持装置において、引き棒の前方部に、コレットチャック
   の数に応じた隆起部を引き棒の軸から放射方向に設け、
   該隆起部は、その後部において後側から前方側に順次隆
   起する傾斜部を有し、複数個の各コレットチャックは、
   その中途部位において該隆起部及び各球を嵌合する前後
   方向細長穴を上下両側を貫通した状態に設け、該穴の後
   端に球と当接する壁面を設け、スリーブの内壁に、該隆
   起部の該放射方向に対応した位置に複数の窪みを設け、
   該窪みは、その前部において後側から前側にかけて順次
   下降する傾斜部を有し、該球は、隆起部の該傾斜部、コ
   レットチャックの該後端に位置する壁面、及び窪みの該
   傾斜部の何れかの位置に同時に当接できる程度の大きさ
   であり、隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部がそれぞれ
   該球と接する位置における軸方向に対する傾斜角度をそ
   れぞれα、βとし、コレットチャックの該壁面が球と接
   する位置における軸と直交する方向に対する傾斜角度を
   γとし（但しα、β＞０であり、γは右上方向への傾斜
   角度の場合をγ＞０とする）、球に対する隆起部の該傾
   斜部、窪みの該傾斜部及びコレットチャックの該壁面の
   各静止摩擦係数の平均μを以とした場合、α、β、γ及
   びμが下記式を充足することに基づく工具保持装置。 記 （１＋μｔａｎ γ）ｓｉｎα・ｃｏｓα（ｔａｎα＋
   ｔａｎ β）＞１＋２μ＋（２μ−１）ｔａｎ γ・ｔ
   ａｎβ
2. 【請求項２】 コレットチャックの該壁面が垂直方向又
   は右上方向に傾斜させ、α、β、γ及びμが下記の式を
   充足することを特徴とする請求項１記載の工具保持装
   置。 記 ｓｉｎ α・ｃｏｓα（ｔａｎα＋ｔａｎ β）＞（１
   ＋２ μ）／（１＋μｔａｎγ）
3. 【請求項３】 μ≒０とし、γ＝０とし、α、βが下記
   の式を充足することを特徴とする請求項１記載の工具保
   持装置。 記 ｔａｎ α・ｔａｎ β＞１
4. 【請求項４】 γ＋βが９５°以上であることを特徴と
   する請求項５記載の工具保持装置。
5. 【請求項５】 隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部及び
   コレットチャックの該壁面がそれぞれ直線状であること
   を特徴とする請求項１記載の工具保持装置。
6. 【請求項６】 隆起部の該傾斜部、窪みの該傾斜部及び
   コレットチャックの該壁面の少なくとも一部が曲線状で
   あることを特徴とする請求頂１記載の工具保持装置。