JP2008279543A - 工具ホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】工具シャンク部の外径が小さな工具であっても、工具ホルダを破損したり、あるいは膨張室の液体が外部に漏洩することなく工具を強固に固定する。
【解決手段】工具１の工具シャンク部２を挿入する中空部５２を有するスリーブ５０と、スリーブ５０が嵌入される工具保持部４０と、を備え、スリーブ５０の外周面と工具保持部４０の内周面との間に膨張室４６を形成し、膨張室４６に液圧を付与することによりスリーブ５０を膨出させて工具シャンク部２を固定する工具ホルダ１０において、スリーブ５０の内周面には、中空部５２と連続する割り溝５４が周方向に等間隔に３個又は４個設けられ、スリーブ５０の外周面には、割り溝５４の間を肉薄に設け液圧を受ける受圧面が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具を機械の主軸に装着するための工具ホルダに関し、特に、工具の工具シャンク部を把持するスリーブの外周面に液圧を付与することで工具を固定するチャックに関する。

従来、工具の工具シャンク部を挿入する中空部を有するスリーブと、スリーブが嵌入される工具保持部と、を備え、スリーブの外周面と工具保持部の内周面との間に膨張室を形成し、膨張室に液圧を付与することによりスリーブを膨出させて工具シャンク部を固定するようにした液圧式の工具ホルダが知られている（例えば、下記特許文献１〜２参照）。

このような工具ホルダは、スリーブの弾性変形によりスリーブの中空部を縮径させて工具シャンク部を把持するため、スリーブの内径が小さい場合、縮径量が小さくなりスリーブの弾性変形による締まり代を充分に得られず、把持力が大きく低下する問題がある。

具体的には、ＪＩＳ規格による工具シャンク部にはいずれも公差があり、例えば、外径が４ｍｍで公差ｈ６の工具シャンク部では、−８〜０μｍの範囲の公差が存在し、工具シャンク部をスリーブ中空部に挿入するためのクリアランスが２μｍ及び工具シャンク部を把持するための締め代が５μｍ程度に設定されており、スリーブの中空部にも０〜−８μｍの範囲のＨ６の公差が存在する場合、これらを全て許容して工具シャンク部を把持するためにはスリーブの縮径量が少なくとも２３μｍ以上必要となる。

しかしながら、下記特許文献１〜２に提案されている工具ホルダにおいて、工具シャンク部を把持するのに充分な縮径量を得るためには液圧を極度に高くしなければならず、スリーブが塑性変形して破損したり、あるいは膨張室の液体が外部に漏洩するおそれがある。
特開平１−３２１１０３号公報 特開平５−２８５７１４号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、スリーブの外周面に液圧を付与することによりスリーブを膨出させて工具シャンク部を固定するようにした液圧式の工具ホルダにおいて、中空部の口径が小さくなっても締まり代を大きく設定することができる工具ホルダの提供を目的とする。

本発明に係る工具ホルダは、工具の工具シャンク部を挿入する中空部を有するスリーブと、前記スリーブが嵌入される工具保持部と、を備え、前記スリーブの外周面と前記工具保持部の内周面との間に膨張室を形成し、前記膨張室に液圧を付与することにより前記スリーブを膨出させて前記工具シャンク部を固定する工具ホルダにおいて、前記スリーブの内周面には、前記中空部と連続する割り溝が周方向に等間隔に３個又は４個設けられ、前記スリーブの外周面には、前記割り溝の間を肉薄に設け液圧を受ける受圧面が形成されていることを特徴とする。

上記の本発明によれば、スリーブの内周面に割り溝を３個又は４個設け、スリーブの外周面に前記割り溝の間を肉薄な受圧面を設けることにより、液圧を受圧面が弾性変形によりたわむため、小さな液圧であってもスリーブの中空部を大きく縮径させることができる。そのため、工具シャンク部の外径が小さな工具であっても、小さな液圧でスリーブ中空部の縮径量を大きく設定することができ、工具ホルダを破損したり、膨張室の液体が外部に漏洩したりすること無く工具を強固に固定することができる。

また、上記発明において、前記スリーブの外周面の一部が前記工具保持部の内周面と軸方向に沿って当接してもよい。

このように、スリーブが工具保持部の内周面と当接することで、工具保持部の内周面に対するスリーブの受圧面の位置が強固に安定するため各受圧面に対して液圧を精度良く内径方向に作用させることができ、高剛性かつ位置精度良く工具を固定することができる。

さらに上記発明において、前記受圧面と前記工具保持部の内周面によって区画された３個又は４個の膨張室が、前記スリーブの外周面に形成された連通部によって連通してもよく、これにより、受圧面と工具保持部の内周面によって区画された各膨張室のうち１の膨張室に外部より液圧を付与する場合であっても、付与された液圧が他の膨張室に伝達されやすくなり、各受圧面に作用する液圧を等しく設定することができ、位置精度良く工具を固定することができる。

本発明の工具ホルダによれば、工具シャンク部の外径が小さな工具であっても、工具ホルダを破損したり、あるいは膨張室の液体が外部に漏洩することなく工具を強固に固定することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は工具１を取り付けた状態における本実施形態に係る工具ホルダ１０の断面図であり、図２はスリーブ６０の斜視図、図３は液圧を付与する前の状態を示す図１のＡ−Ａ断面図、図４は液圧を付与した後の状態を示す図１のＡ−Ａ断面図である。

本実施形態に係る工具ホルダ１０は、切削工具等の工具１を保持する工具ホルダであって、図１に示すように、工作機械主軸に接続固定されるテーパシャンク部２０と、工具自動交換装置と係合するマニュピュレータ把持部３０と、工具１の工具シャンク部２を受け入れて保持する工具保持部４０とを備える。この工具ホルダ１０におけるテーパ状シャンク部２０とマニュピュレータ把持部３０は従来公知のものと同様であり、ここでは説明を省略する。

工具保持部４０は、先端に開口してスリーブ５０を嵌入する凹部４２が形成された筒状のチャック部４４と、凹部４２に連通して配設された加圧部７０とを有する。

スリーブ５０は、図２に示すように、工具シャンク部２を挿入して保持可能な中空部５２を有し、弾性変形することにより工具１を押圧して保持する筒状の部材であって、中空部５２に連続した軸方向に延びる３個又は４個（本実施形態では３個）の割り溝５４が周方向に等間隔に形成されている。

スリーブ５０の外周面には、両端部において径外方向に延出したフランジ部５６，５６が形成されており、フランジ部５６，５６に挟まれた軸方向中央部分に受圧面５８と、連通部６０が形成されている。

詳細には、スリーブ５０の外周面には隣り合う割り溝５４の底部５４ａを結ぶ平面と平行な受圧面５８が設けられるとともに、割り溝５４の外側におけるスリーブ５０の周面６２がチャック部４４の凹部４２に圧入可能な円弧状に設けられている。これにより、スリーブ５０の軸方向中央部分の断面形状が角部を丸めた三角形状をなしており、割り溝５４の間が他の部分より肉薄に設けられている。

このようなスリーブ５０は、図３に示すように、凹部４２にフランジ部５６，５６を圧入し、スリーブ５０をチャック部４０に固定した状態において、割り溝５４の外側におけるスリーブ５０の周面６２が凹部４２に圧入されて凹部４２の内周面と軸方向に沿って緊密に当接するとともに、スリーブ５０の両端部に配設されたフランジ部５６，５６に挟まれた領域において凹部４２の内周面と受圧面５８との間に受圧面５８に対応して３個の膨張室４６が形成され、各膨張室４６はスリーブ５０の外周面に形成された連通部６０によって連通されている。

加圧部７０は、外周面から内径方向にシリンダ穴７２が穿設され、このシリンダ穴７２に加圧室７４が形成されている。加圧室７４はチャック部４４に設けられた凹部４２の内周面に開口する流路７６と接続され、スリーブ５０が凹部４２に嵌入された状態において、加圧室７４と１個の膨張室４６ａとが連通するようになっている。

加圧室７４の内部には液体が充填され、その液体は、流路７６を介して１個の膨張室４６ａに供給され、更に連通部６０を介して他の膨張室４６ｂ，４６ｂに供給される。

この加圧室７４はシール部材７８及びプランジャ８０を介して作動ネジ８２により閉塞されており、作動ネジ８２を不図示の回転操作具で回転させることで、加圧室７４及び膨張室４６内の液圧を上昇させるようになっている。

このような工具ホルダ１０に工具１を取り付けるには、まず、図３に示すように、膨張室４６を加圧しておらずスリーブ５０が弾性変形していない状態において、スリーブ５０の中空部５２内に工具シャンク部２を挿入する。

次いで、作動ネジ８２を締め付けて加圧室７４及び膨張室４６内の液圧を上昇させることで、図４に示すように、スリーブ５０が割り溝５４をたわませて中空部５２を縮径させながら弾性変形して工具シャンク部２を押圧して強固に保持する。

一方、工具ホルダ１０から工具１を取り外すには、作動ネジ８２を緩め方向に回転させれば、加圧室７４及び膨張室４６内の液圧が低下するため、図３に示すようなスリーブ５０が弾性復元して工具１００を押圧しない元の状態に戻り、工具１をチャック部４４から取り外すことができる。

以上のように、本実施形態の工具ホルダ１０では、受圧面５８に液圧を受けたスリーブ５０は割り溝５４をたわませながら弾性変形し中空部５２を縮径させるため、受圧面５８に付与する液圧が小さくてもスリーブ５０の中空部５２を大きく縮径させることができ、工具シャンク部２の外径が小さな工具１であっても、工具ホルダ１０を破損したり、膨張室４６の液体が外部に漏洩したりすること無く工具１を強固に固定することができる。

また、割り溝５４の外側におけるスリーブ５０の周面６２が、凹部４２の内周面と軸方向に沿って当接しており、工具保持部４０に対するスリーブ５０の位置が安定するため、３個の受圧面５６に対して液圧を精度良く内径方向に作用させることができ、位置精度良く工具を固定することができる。しかも、周面６２は凹部４２に圧入され凹部４２の内周面と軸方向に沿って緊密に当接しているから、工具を剛性高く固定することができる。

また、３個の膨張室４６は連通部６０によって連通しており、１個の膨張室４６ａに付与した液圧が他の空間に伝達され、各受圧面５８に作用する液圧を等しく設定することができ、位置精度良く工具を固定することができる。

（実施例）
以下、実施例及び比較例により本発明の具体例及び効果を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

本発明の実施例に係る工具ホルダ、及び比較例に係る工具ホルダについて膨張室内を加圧した際の中空部の縮径量について有限要素法（ＦＥＭ）を用いたコンピュータシミュレーションによる構造解析を行った。

なお、実施例１、実施例２、比較例１〜比較例５において相違する点はチャック部４４の凹部４２に嵌入されるスリーブ５０の形状であり、他の構成は全て共通するため、全ての場合において、スリーブ５０の材質をＳＣＭ材に、膨張室４６の軸方向長さに相当するフランジ部５６を除くスリーブ５０の軸方向長さを１６ｍｍに設定し、スリーブ５０の外周面に膨張室４６内の液圧に相当する圧力７０Ｎ／ｍｍ^２を付与した場合の中空部５２の縮径量を算出した。実施例１、実施例２、比較例１〜比較例５におけるスリーブの詳細な構成は次のとおりである。

実施例１において用いたスリーブ５０は、上記した実施形態における工具ホルダ１０と同様のものであって、図３を参照して各寸法を示すと、スリーブ５０の中空部５２の口径Ｄ１は４ｍｍ、スリーブ５０の外径Ｄ２は８ｍｍに設定し、割り溝５４及び受圧面５８を３個ずつ形成した。割り溝５４を形成した部分の肉厚Ｔ１は０．３ｍｍ、受圧面５８を形成した部分の肉厚Ｔ２は０．７２ｍｍに設定した。

実施例２において用いたスリーブ５０は、図５に示すように、割り溝５４及び受圧面５８を４個ずつ形成した点で実施例１と相違しているが他の構成は実施例１と共通しており、スリーブ５０の中空部５２の口径Ｄ１は４ｍｍ、スリーブ５０の外径Ｄ２は８ｍｍ、割り溝５４を形成した部分の肉厚Ｔ１は０．３ｍｍ、受圧面５８を形成した部分の肉厚Ｔ２は０．７２ｍｍに設定した。

また、比較例１及び２において用いたスリーブ１００は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、割り溝１０４のみを３個及び４個設け、肉薄の受圧面が形成されていない点で実施例１及び２と相違しているが、他の構成は実施例１及び２と共通しており、スリーブ１００の中空部１０２の口径Ｄ１は４ｍｍ、スリーブ１００の外径Ｄ２は８ｍｍ、割り溝１０４を形成した部分の肉厚Ｔ１＝０．３ｍｍに設定した。

比較例３及び４において用いたスリーブは、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、受圧面１０８のみを３個及び４個設け、中空部１０２に割り溝が形成されていない点で実施例１及び２と相違しているが、他の構成は実施例１及び２と共通しており、スリーブ１００の中空部１０２の口径Ｄ１は４ｍｍ、スリーブ１００の外径Ｄ２は８ｍｍ、受圧面１０８を形成した部分の肉厚Ｔ２は０．７２ｍｍに設定した。

比較例５において用いたスリーブ１００は、図８に示すように、割り溝１０２及び受圧面１０８を５個ずつ形成した点で実施例１及び２と相違しているが、他の構成は実施例１及び２と共通しており、スリーブ１００の中空部１０２の口径Ｄ１は４ｍｍ、スリーブ１００の外径Ｄ２は８ｍｍ、割り溝１０２を形成した部分の肉厚Ｔ１は０．３ｍｍ、受圧面１０８を形成した部分の肉厚Ｔ２は０．７２ｍｍに設定した。

表１に示すように、実施例１及び２であると、中空部５２の縮径量がそれぞれ６４μｍ及び４１μｍとなるのに対して、比較例１〜５では中空部の縮径量が３〜１７μｍとなり、いずれの比較例に対しても２．４倍以上の縮径量が得られることがわかった。

また、工具シャンク部２及びスリーブの中空部にそれぞれｈ６及びＨ６の公差がある場合、工具シャンク部２の公差８μｍ及びスリーブの中空部の公差８μｍに加え、工具シャンク部をスリーブ中空部に挿入するための２μｍ程度のクリアランスと、工具シャンク部を把持するための５μｍ程度の締め代と、を全て許容してスリーブ５０が工具シャンク部を把持するためには中空部５２の縮径量が少なくとも２３（＝８＋８＋２＋５）μｍ以上必要となり、比較例１〜５の場合では中空部の縮径量が３〜１７μｍしかないためスリーブが工具シャンク部２を把持することができないが、実施例１及び２の場合、中空部５２の縮径量がそれぞれ６４μｍ及び４１μｍであるためスリーブ５０が工具シャンク部２を把持することができる。

この実験では、中空部５２の口径Ｄ１を４ｍｍに設定したが、６ｍｍにおいてもｈ６及びＨ６の公差は８μｍであり、４ｍｍの場合と同様、比較例１〜５では工具を把持することができないが、実施例１及び２であると工具を把持することができる結果が得られる。

本発明の一実施形態に係る工具ホルダの断面図であって、工具を取り付けた状態を示す。 スリーブの斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図であって、スリーブの弾性変形前の状態を示す。 図１のＡ−Ａ断面図であって、スリーブの弾性変形後の状態を示す。 実施例２に用いたスリーブの断面図である。 比較例に用いたスリーブの断面図であって（ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例２を示す。 比較例に用いたスリーブの断面図であって（ａ）は比較例３、（ｂ）は比較例４を示す。 比較例５に用いたスリーブの断面図である。

符号の説明

１…工具
２…工具シャンク部
１０…工具ホルダ
４０…工具把持部
４２…凹部
４６…膨張室
５０…スリーブ
５２…中空部
５４…割り溝
５８…受圧面
６０…連通部
７０…加圧部

Claims (3)

1. 工具の工具シャンク部を挿入する中空部を有するスリーブと、前記スリーブが嵌入される工具保持部と、を備え、前記スリーブの外周面と前記工具保持部の内周面との間に膨張室を形成し、前記膨張室に液圧を付与することにより前記スリーブを膨出させて前記工具シャンク部を固定する工具ホルダにおいて、
   前記スリーブの内周面には、前記中空部と連続する割り溝が周方向に等間隔に３個又は４個設けられ、
   前記スリーブの外周面には、前記割り溝の間を肉薄に設け液圧を受ける受圧面が形成されていることを特徴とする工具ホルダ。
2. 前記スリーブの外周面の一部が前記工具保持部の内周面と軸方向に沿って当接していることを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
3. 前記受圧面と前記工具保持部の内周面によって区画された３個又は４個の前記膨張室が、前記スリーブの外周面に形成された連通部によって連通していることを特徴とする請求項２に記載の工具ホルダ。

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