JPH0819928A - 工具把持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転工具が超高速回転状態にあっても工具の
保持が確実で、工具の半径方向の位置や軸方向の位置が
精度高く維持される工具把持装置の提供。 【構成】 回転工具３の工具ホルダに把持される部分４
に軸方向のすり割り部９または肉抜き部１０を設ける。
工具ホルダ１に工具を把持する部分５を設ける。工具ホ
ルダ１は剛性の高いものとされる。工具３は回転される
と、工具ホルダに把持された部分４が遠心力によってす
り割り部９または肉抜き部１０の個所で半径方向に膨張
し、その外周面が工具ホルダの工具を把持する部分５の
内径部に圧着される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】回転工具により対象を除去加工す
る工作機械に関し、特に超高速回転工具（回転数５万ｒ
ｐｍ以上）で切削または研削または研磨を行う微細精密
加工機械（数μ〜数１００μの加工）に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンドミルやドリル、軸付き砥石などの
回転工具を回転スピンドルに取り付ける際、従来はスピ
ンドル側の穴で工具の外径部を締め付けて工具を保持し
ている。

【０００３】図１の従来例では、工具ホルダ１の爪部分
２が工具３の工具ホルダに把持される部分４（シャン
ク）の外径を把持し、この面に働く摩擦力によって、加
工に係る回転方向の力を伝達すると共に、工具３の中心
を工具ホルダ１の中心に維持し、工具３の軸方向の位置
も維持している。

【０００４】なお、この明細書では、工作機械の工具３
を回転させる主軸から、工具３と一体となって分離する
部分を総称して「工具３」と呼び、主軸側に固定されて
この工具３を着脱する部分を総称して「工具ホルダ１」
としている。このため、次に述べる図２、図３の従来例
では、一般に工具ホルダとされる部分も「工具３」に含
めて述べている。

【０００５】図２に示す従来例では、工具ホルダ１の円
錐形の穴（工具を把持する部分５）に工具３後部の円錐
形の軸（工具ホルダに把持される部分４）を差し込み、
工具３後部のプルスタッド６でこれを引き込んでいる。
この場合、工具３を引き込む力が楔効果によって工具３
とホルダ１の円錐面を互いに密着させ、この円錐面によ
って工具３の半径方向、軸方向の位置が保持されてい
る。

【０００６】図３の従来例では、工具ホルダ１の円筒面
（工具を把持する部分５）に工具３後部の工具ホルダに
把持される部分４を差し込み、さらに、工具３側のフラ
ンジ７がホルダ１側の端面に接するように、工具３後部
のプルスタッド６でこれを引き込んでいる。この場合、
工具３とホルダ１の円筒面によって工具３の半径方向の
位置が保持され、工具３側のフランジ７と端面によって
軸方向の位置が保持されている。

【０００７】図４の従来例では、工具ホルダ１内に柔軟
なスリーブ８を設け、工具３をこのスリーブ８の内側に
差し込んだあと、スリーブ８とホルダ１の間に流体を圧
入することによって、このスリーブ８を半径方向に収縮
させ、スリーブ８と工具３の間の摩擦力によって工具３
を保持している。この場合、工具３の半径方向の位置は
スリーブ８によって保持され、軸方向の位置はスリーブ
８と工具３の間の摩擦力、または、工具３のフランジ７
とホルダ１の端面の接触によって維持されている。

【０００８】しかし、超高速回転スピンドルでは、スピ
ンドル側（工具ホルダ１）の工具を保持する部分５が遠
心力で広がってしまい、工具３の保持が困難である。す
なわち、一般に、回転工具３を高速回転させると、ホル
ダ１が半径方向に膨張して、工具３の半径方向の位置や
軸方向の位置が変化したり、あるいはこれらの双方が変
化しやすくなる。

【０００９】図１に示す工具ホルダ１では、工具３を高
速回転させると、工具ホルダ１に大きな遠心力が作用
し、工具ホルダ１の爪部分２が開いてしまい、工具３に
対して回転方向の力が十分に伝達できなくなるととも
に、工具３の中心を工具ホルダ１の中心に維持し、工具
軸方向の位置を維持することができなくなっていた。

【００１０】図２に示す工具ホルダ１では、工具３を高
速回転させたとき、ホルダ１の工具を保持する部分（円
錐形の穴）が遠心力で開くことによって、工具３後部の
プルスタッド６が工具３を軸方向に引き込んでしまい、
工具３の軸方向の位置が変化してしまっていた。

【００１１】図３に示す工具ホルダ１では、工具３を高
速回転させたとき、工具ホルダ１の工具を保持する部分
５（円筒形の穴）が遠心力で開いても、工具３側のフラ
ンジ７とホルダ１側の端面によって工具３の軸方向の位
置が拘束されているため、工具３の軸方向の位置は保持
されていた。しかし、工具３とホルダ１の円筒面どうし
の密着度は低下し、工具３の半径方向の位置が保持され
なくなっていた。

【００１２】図４に示す工具ホルダ１では、工具３を高
速回転させたとき、スリーブ８とホルダ１の間に充填さ
れた液体に働く遠心力によって、工具３を把持する圧力
が低下し、工具３の半径方向の位置が維持されなくなる
とともに、軸方向の位置も維持され難くなっていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、回転工具
が超高速回転状態にあっても工具の保持が確実で、工具
の半径方向の位置や軸方向の位置が精度高く維持され
る、工具把持装置の提供を課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】工具の工具ホルダに把持
される部分にすり割り部または肉抜き部を設け、回転時
の遠心力によりこの部分の外周面が半径方向に膨張しや
すい形とする。同時に工具ホルダから工具を把持するた
めの可動部を除去して、回転時の遠心力によって半径方
向に膨張し難い形状とする。つまり、本発明ではスピン
ドル側の工具を把持する部分を剛とし、工具側の工具ホ
ルダにより把持される部分が遠心力によって膨張するこ
とによって両者を結合し、保持する。

【００１５】

【作用】工具と工具ホルダを結合した状態で両者を回転
させると、それぞれに遠心力によって、これらを半径方
向に膨張させようとする荷重が加わる。工具はこの遠心
力荷重によって膨張しやすく、逆に工具ホルダは膨張し
難い形状とされているので、工具を回転させると工具の
膨張が工具ホルダのそれよりも大きく、工具に働く遠心
力が工具と工具ホルダを強力に結合する。遠心力による
工具と工具ホルダ間の圧着力は工具の回転数が１０万ｒ
ｐｍでは重力の数十万倍になる。

【００１６】

【実施例】図５は本発明による工具３の第１の実施例で
ある。工具３の工具ホルダにより把持される部分４（シ
ャンク）に後端面からこの部分４の中心を通りすり割り
部９が軸方向に長く設けられている。工具３はステンレ
ス等の工具鋼で形成され、刃先はダイヤモンドである。
工具３の諸寸法はｄ1 ＝１０ｍｍ，ｄ2 ＝５mm，ｄ3 ＝
２ｍｍ，ｄ4 ＝０．１ｍｍである。

【００１７】図５の場合、すり割り部９の面は一面であ
るが図６（第２の実施例），図７（第３の実施例）のよ
うに複数としても良い。これにより、工具３を回転させ
ると、工具ホルダにより把持される部分４は遠心力で半
径方向に拡張（膨張）する。また、すり割り部９の対称
性により、工具３が半径方向に膨張したときも、その形
状の対称性が保たれる。

【００１８】図８は第４実施例であり、すり割り部９の
両端が閉じている。この様に閉構造にすると、工具３の
曲りに対する剛性を高めることができる。図９（第５実
施例）は、この様な閉じられたすり割り部９を２か所に
設けることにより、遠心力によって工具３が複数箇所で
膨張するようにし、工具ホルダ１の内壁面にこれらそれ
ぞれの位置で密着することによって、スピンドルの回転
軸に対して工具３が傾くことを防止するものである（図
１６）。

【００１９】図１０は第６実施例であり、工具３の工具
ホルダにより把持される部分４（シャンク）が肉抜き部
１０によって中空構造とされることによって、工具３を
回転させた時に工具３の工具ホルダにより把持される部
分４が遠心力によって半径方向に拡張し易くされてい
る。図１１は第７実施例であり工具ホルダに把持される
部分４（シャンク）に肉抜き部１０とともにすり割り部
９も設け、遠心力による半径方向への拡張効果をより高
くしたものである。

【００２０】図１２に示す第８実施例では、工具３の肉
抜き部１０の端を節状の埋め金１１により閉じたもの
で、閉構造とすることで遠心力に対する工具ホルダに把
持される部分４の半径方向膨張の安定性を高めたもので
ある。図１３の第９実施例は、工具３の肉抜き部１０に
複数の節状の埋め金１１を設け、工具３とホルダ１が複
数の箇所で密着して工具３のスピンドル回転軸に対する
傾斜（倒れ）を防ぐようにしたものである。

【００２１】図１４は本発明による工具ホルダ１の一例
で第１０実施例とする。工具ホルダ１は肉厚の剛体１２
の中心部に工具を把持する部分５（円筒形の穴）が形成
されている。したがって、この工具ホルダ１は回転にと
もなう遠心力によって半径方向に膨張し難く、半径方向
の対称性と軸方向の位置精度を維持する構造となってい
る。また、この第１０実施例では工具３を保持するため
の可動部分をもたず、遠心力による半径方向の膨張量が
最小限に止まるようになっている。

【００２２】この実施例において、円筒形の穴の穴底１
３に軸方向に形成された貫通穴は、円筒形の穴の内壁面
を研磨するなど、加工の必要上と、この穴からエアや道
具の先端を送り込んで工具３を工具ホルダ１からはずす
際の補助にするために設けられている。

【００２３】図１５は第１１実施例であり、工具ホルダ
１の中心部に形成された工具３を把持する部分５が穴底
１３を備えた円筒形の穴とされ、この穴は装着される工
具３の軸方向に、工具３の刃先側が狭く後端側が広い、
わずかな逆テーパ形状とされている。この構造では、回
転にともなって膨張する工具３の外周面が、工具ホルダ
１の内壁面に遠心力によって圧着されると共に、その分
力によって工具３の軸方向後方に向かう推力が生じ、工
具３の後端が穴底１３に自動的に密着する。これによ
り、工具３の軸方向の位置が安定性よく保持される（図
１７）。逆テーパの程度は、工具３や工具ホルダ１の材
質、断面形状や規模によって異なり、回転が停止してい
るにもかかわらず工具３を抜き取ることができないよう
な事態が生じないように実験的に求める。

【００２４】図１６は、本発明による工具３と工具ホル
ダ１が結合され、高速回転にある状態を示すもので、第
１４実施例の工具ホルダ１に第５実施例の工具３が装着
されている。この実施例において工具ホルダ１に対する
工具３の装着は手で行われるが、装着時に工具３のすり
割り部９は膨張していないので、工具ホルダ１の工具を
把持する部分５（穴）への挿入は簡単に行われる。装着
の当初、工具３と工具ホルダ１との接触程度は軽く、負
荷のない工具３が工具ホルダ１によって回転をはじめら
れる程度でよい。この状態で両者を回転させると、工具
３は遠心力を受けて複数のすり割り部９で膨張し、これ
らの部分の外周面が工具ホルダ１に圧着される。この力
は回転速度とともに増大する。この力により、工具３の
半径方向の位置と、軸方向の位置が保持される。

【００２５】図１７は第１１実施例の工具ホルダ１に第
１実施例の工具３が装着され、高速回転にある状態を示
している。この例では高速回転の遠心力によって工具３
のホルダ１に把持される部分４が半径方向に膨張し、そ
の外周面が工具ホルダ１の内壁面に圧着される。同時に
これらの圧着面は工具３の刃先方向に対して逆テーパー
とされているので、遠心力による圧着力の分力によって
工具３自体が後方に引き込まれ、工具３の後端が工具３
を把持する部分の穴底１３に当接する。これにより、工
具３の半径方向の位置と、軸方向の位置が保持される。

【００２６】なお、工具３と工具ホルダ１の回転してい
ないときの寸法をわずかに締まり嵌めとなるように、工
具３の工具ホルダに把持される部分４にわずかなバネ性
を持たせて製作することにより、工具ホルダ１に工具３
を挿入したとき、バネ性によって工具３と工具ホルダ１
が仮に固定され、両者が回転し始めるまでの間の位置の
保持が容易になる。この場合でも、挿入時に工具３が弾
性変形によって縮小するため、比較的小さい挿入力によ
って、工具３を工具ホルダ１に挿入することができる。

【００２７】図１８は第１２の実施例であり、工具３が
工具ホルダ１に装着され、高速回転されている状態で示
されている。工具３の工具ホルダにより把持される部分
４の側面にスリット１４が形成されており、工具３を回
転させた時に工具３の工具ホルダにより把持される部分
４が遠心力によって半径方向に拡張し易くされている。
工具ホルダ１の工具を把持する部分５の内壁面に工具３
の回転により拡張される部分を受け入れるテーパー溝
（逆テーパー）が形成されており、工具３に高速回転時
に軸方向で後方に向かうスラストが働くようにされてい
る。

【００２８】図１９〜図２１は第１３実施例であり、や
はり工具３が工具ホルダ１に装着され、高速回転されて
いる状態で示されている。工具３の工具ホルダにより把
持される部分４に鋼球１５が半径方向に出没可能に内蔵
され、工具ホルダ１の工具を把持する部分５の内壁面に
鋼球１５を受け入れる窪み１６が形成されている。鋼球
１５は工具３の工具ホルダにより把持される部分４に形
成された半径方向の穴または貫通孔１７に内蔵されてお
り、出口部分がカシメられる等して脱落しないようにさ
れている（図２０）。窪み１６は工具３の刃先側に相当
する面が傾斜面とされ、逆テーパー面を構成している
（図２１）。窪み１６は工具ホルダ１の工具を把持する
部分５の内壁面に、工具３の工具ホルダにより把持され
る部分４の周囲に配置された鋼球１５の数に合わせて形
成される。

【００２９】工具３が高速回転されると鋼球１５は遠心
力により、工具３の工具ホルダにより把持される部分４
から半径方向に突出し、すなわち、工具ホルダにより把
持される部分４が膨張し、工具ホルダ１の工具を把持す
る部分５の内壁面に形成された窪み１６に嵌まり込む。
これにより工具３と工具ホルダ１とが緊密に結合される
と共に窪み１６の逆テーパー面により、工具３に軸方向
で後方に向かうスラストが働く。以上は実施例であっ
て、図示の工具３、工具ホルダ１の形状、構造は基本的
なものを示したにすぎず、本願発明は図示された具体的
な構成に限定されない。

【００３０】

【発明の効果】高速回転する工具が安定に精度良く把持
される。工具に対する把持力は、回転速度の増加と共に
強化され、工具ホルダによる工具回転数の制限を緩和す
る。工具と工具ホルダの結合に関する可動部が工具側に
存在することとなり、一方、工具側の構造も、遠心力に
よって自動的に生じる膨張の現象を利用するので、工具
と工具ホルダの形状を単純にでき、これらの製作精度の
改善を可能する。また、より小寸法の工具と工具ホルダ
の製作が容易となる。このことは工具のさらなる高速回
転を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】一部を断面にして示す正面図（第１の従来
例）。

【図２】一部を断面にして示す正面図（第２の従来
例）。

【図３】一部を断面にして示す正面図（第３の従来
例）。

【図４】一部を断面にして示す正面図（第４の従来
例）。

【図５】工具の正面図（第１実施例）。

【図６】工具の正面図（第２実施例）。

【図７】工具の正面図（第３実施例）。

【図８】工具の正面図（第４実施例）。

【図９】工具の正面図（第５実施例）。

【図１０】工具の正面図（第６実施例）。

【図１１】工具の正面図（第７実施例）。

【図１２】工具の正面図（第８実施例）。

【図１３】工具の正面図（第９実施例）。

【図１４】工具の正面図（第１０実施例）。

【図１５】工具の正面図（第１１実施例）。

【図１６】装着の状態を示す正面図（第１例）。

【図１７】装着状態を示す正面図（第２例）。

【図１８】工具と工具ホルダの一部断面で示す正面図
（第１２実施例）。

【図１９】工具と工具ホルダの一部断面で示す正面図
（第１３実施例）。

【図２０】鋼球の装着状態を示す断面図（第１３実施
例）。

【図２１】窪みの状態を示す斜視図（第１３実施例）。

【符号の説明】

１ 工具ホルダ ２ 爪部分 ３ 工具 ４ 工具ホルダに把持される部分 ５ 工具を把持する部分 ６ プルスタッド ７ フランジ ８ スリーブ ９ すり割り部 １０ 肉抜き部 １１ 埋め金 １２ 剛体 １３ 穴底 １４ スリット １５ 鋼球 １６ 窪み １７ 穴

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転工具の工具ホルダに把持される部分
   に軸方向のすり割り部を設けると共に、工具ホルダに工
   具を把持する部分を設け、工具を回転して使用中に工具
   の工具ホルダに把持される部分が遠心力によってすり割
   り部で半径方向に膨張し、工具ホルダに把持される部分
   の外周面が工具ホルダの工具を把持する部分の内径部に
   密着する構造を特徴とした工具把持装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の工具であって、工具ホ
   ルダに把持される部分がすり割り部によりその半径方向
   に適度のばね性を有し、遠心力が作用していなくてもこ
   のばね性により、工具ホルダの工具を把持する部分の内
   径部に対して密着し、工具を保持させることができるこ
   とを特徴とした工具把持装置。
3. 【請求項３】 回転工具の工具ホルダに把持される部分
   に肉抜き部を設けると共に、工具ホルダに工具を把持す
   る部分を設け、工具を回転して使用中に工具の工具ホル
   ダに把持される部分が遠心力によって肉抜き部で半径方
   向に膨張し、その外周面が工具ホルダの内径部に密着す
   る構造を特徴とした工具把持装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の工具であって、シャン
   クが肉抜き部によりシャンクの半径方向に適度のばね性
   を有し、遠心力が作用していなくてもこのばね性によ
   り、工具ホルダの工具を把持する部分の内径部に対して
   密着し、工具を保持させることができることを特徴とし
   た工具把持装置。
5. 【請求項５】 回転工具の工具ホルダに把持される部分
   に軸方向のすり割り部または肉抜き部を設けると共に、
   工具ホルダに工具を把持する部分を設け、工具を回転し
   て使用中に工具の工具ホルダに把持される部分が遠心力
   によってすり割り部または肉抜き部で半径方向に膨張
   し、その外周面が工具ホルダの工具を把持する部分の内
   径部に密着する構造であって、工具ホルダがそれ自身に
   工具を締め付ける機構を持たないことを特徴とした工具
   把持装置。
6. 【請求項６】 工具ホルダに設けた工具を把持する部分
   が、装着される工具の刃先方向の側を狭く後方を広くし
   たわずかに逆テーパ形状とされた穴であり、また、工具
   の工具ホルダに把持される部分が穴に適合した断面形状
   であって、すり割り部または肉抜き部で半径方向に膨張
   可能とされていることを特徴とした請求項５に記載の工
   具把持装置。