JPH0731924Y2 - 工作機械の主軸における工具取付部の構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は工作機械の主軸における工具取付部の構造に係
り、詳しくは該部の寿命を延長させる技術に関する。

〈従来の技術〉 フライス盤，マシニングセンタあるいは形彫機などの工
作機械には、切削や研削加工に供されるフライスや錐な
どの工具を回転駆動するための主軸が具えられている。
主軸は主軸頭により回転自在に支持され、電動モータな
どにより回転駆動される。主軸の先端には多くの場合テ
ーパ形状の工具取付穴が形成されており、この工具取付
穴に工具のシャンクを嵌合・固定させるようになってい
る。

第４図には工作機械の主軸頭の構造の１例を示すが、こ
の図において主軸１は主軸頭２の中心部にラジアルロー
ラベアリング3,4とスラストボールベアリング５により
強固に支持されている。したがって、重切削などの場合
に発生する大きな加工分力を受けても主軸１は振れるこ
となく所望の回転が確保されるのである。

一方、主軸１の先端部にはテーパ形状の工具取付穴６が
形成されており、この工具取付穴６に工具（本図では工
具ホルダ）７のテーパシャンク部（以下、シャンク部）
7aが嵌合する。シャンク部7aの後端（図中右側）にはプ
ルスタッド部7bが一体に形成されており、このプルスタ
ッド部7bを主軸１内に設けられたチャック機構のコレッ
ト８がくわえるようになっている。

チャック機構はコレット８の他、ドローバー９と皿ばね
群10とから構成されており、ドローバー9,コレット８を
介して、皿ばね群10のばね力でプルスタッド部7bを図中
右方に強力に引くことにより工具７と主軸１との結合が
行われる。工具７の交換の際にはドローバー９の右端
（図示せず）を油圧などで押し、コレット８がプルスタ
ッド7bを開放することにより行われる。そして、図示し
ない工具自動交換装置（以下、ATC:Automatic Tool Cha
nger）を具えたマシニングセンタなどにおいては、各種
の加工に適した工具７をATCと上記チャック機構とを連
動させて自動的に交換し、様々な加工が連続して行える
ようにしている。

主軸１の工具取付穴６と工具７のシャンク部7aとのテー
パ比は基本的に同一であり、工具取付穴６側のテーパ比
はゲージを用いて厳重に管理されている。そして、工具
取付穴６と工具７のテーパ比に差がある場合には各々の
勾配の差をもって設定角度_Δθとし、この値は工具取付
穴６が相対的に先細りであれば正となり、逆の場合は負
としていた。従来は工具取付穴６と工具７のテーパ比が
等しいため、当然のことながら設定角度_Δθ＝０であっ
た。尚、設定角度_△が過大である場合には、工具７側の
寸法公差如何で、嵌合面の後端部（図中、Ｂ点）におけ
る面圧が０となり、先端部（図中、Ａ点）を支点に工具
７が首振り運動を起こすことがあり、その限界となる角
度を限界設定角度_Δθmaxと称している。

尚、工具取付穴６の表面は工具７の交換や加工時の微動
に起因する摩耗を防止して加工精度を維持するべく、各
種の表面硬化処理、例えばモリブデン鋼を用いた窒化処
理，高炭素鋼を用いた焼入処理，耐食鋼を用いた浸炭処
理などを施している。

〈考案が解決しようとする課題〉 ところで、上述した従来の主軸１には以下に述べる問題
点があった。

第５図には従来の工具取付構造において、ドローバー９
により工具７を所定の引張力Ｑで引いたときに発生する
嵌合面の面圧分布を示してある。図中実線で示したもの
は工具取付穴６のテーパ比をゲージを用いて正確に管理
した状態であり、破線で示したものはある程度使い込ん
だ状態である。この図から判るように、初期には前後端
部の面圧が高く、その後次第に中央部の面圧が高まると
共に先端部の面圧が低下してくる。

この状態が顕著になってくると、工具７の実支持長が短
くなり、工具７が微小な首振り運動いわゆるびびり動を
起こすようになってくる。このびびり動は工具取付穴６
に与えられる設定角度_Δθが限界設定角度_Δθmaxを超
えた場合の首振り運動とは異なり、嵌合面の後端部（図
中、Ｂ点）を支点として起こる。

実験などを通して調査解析した結果、以下の２点がこの
びびり動の原因となっていることが判明した。まず、第
１点として工具取付穴６の先端部が他の部位に比べ加工
時の応力や微動などによる影響を受け易く、摩耗や塑性
変形（いわゆるへたり）をより多く生じることがある。
第２点としては、工具取付穴６に嵌合する工具７のシャ
ンク部7aの形状が製造公差内で微妙に異なるため面圧分
布が一定せず、且つ嵌合面積に対するドローバー９の引
張力Ｑが装置のコンパクト化などのためにあまり大きく
できないためにびびり動が助長されて摩耗やへたりが更
に拡大することがある。尚、これらの摩耗やへたりは先
端部に限らず、かなり広範囲に及んでいる。

現在、マシニングセンタなどにおいてはNC（Numerical
Control）を採用して高精度の加工を行っているが、工
具７自体が上述したようなびびり動を起こすと当然に加
工精度が悪化する。したがって、ゲージによるチャック
を適宜行い、所定量の摩耗やへたりがあった場合には主
軸１の交換が行われていた。この作業は主軸頭２の分解
などに多大な時間と工数とを要すると共に、交換部品
（主軸１など）のコストも大きかった。そして、工具交
換頻度が高い場合には機械の稼働率に与える影響も無視
できず、早急な改善が求められていた。

本考案は上記状況に鑑みなされたもので、工具取付穴６
の耐久性を向上させ、もって主軸１の寿命を高めること
を目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 そこで、本考案ではこの課題を解決するために、主軸の
先端部に形成されたテーパ形状の工具取付穴に工具のシ
ャンク部を嵌合させて当該工具を取り付ける構造であっ
て、前記工具取付穴に与えられる設定角度を０を越え限
界設定角度の80％以下としたことを特徴とする工作機械
の主軸における工具取付部の構造を提供するものであ
る。

〈作用〉 工具取付穴に正の値の設定角度が与えられるため、先端
部の面圧が上昇して該部に多少の摩耗やへたりが生じて
も実支持長の減少が起こらない。また、この設定角度は
限界設定角度の80％以下であるため、工具が公差の範囲
内で先太となっていても嵌合面の先端を支点に工具が首
振り運動を起こすこともなく、常に安定した支持が行わ
れる。

〈実施例〉 本考案の一実施例を図面に基づき具体的に説明する。
尚、実施例の説明にあたっては前述した従来の例におけ
る部材と同一の部材に同一の符号を付し、重複する説明
を省略する。

第１図には本実施例に係る主軸の工具取付部の拡大半断
面を示し、第２図にはこの実施例における工具取付部の
面圧分布を示してある。そして、第３図には本考案を適
用する場合の適正範囲をグラフにより示してある。

第１図において、主軸１の工具取付穴６は工具７と嵌合
させた場合、相対的に先細りになるように形成されてい
る。すなわち前述した設定角度_Δθが正の値となってい
るのである。この設定角度_Δθは、限界設定角度_Δθma
xの略63％に当たり、工具取付穴６側のテーパ比を0.05/
100〜0.10/100の範囲で小さくなることにより得られ
た。尚、第１図においては工具取付穴６と工具７との間
に隙間が生じているが、ドローバー９により工具７を引
くことにより、嵌合面は全体に密着する。

以上のように正の設定角度_Δθを工具取付穴６に与える
ことにより、ドローバー９により工具７を引いた際に工
具取付穴６の先端部に生じる面圧が第２図に示すように
上昇し、約3kgf/mm²となった。因に、本実施例において
は、工具取付穴６の先端部の直径は70mm,工具７側のテ
ーパ比は7/24,ドローバー９の引張力Ｑは4500kgfであ
り、従来は嵌合面の平均面圧が1kgf/mm²であった。

以下、本実施例の作用を述べる。

主軸１の工具取付穴６に工具７のシャンク部7aを嵌合さ
せ、プルスタッド部7bを前述のチャック機構により引い
た場合、本実施例の主軸１では上述したように工具取付
穴６の先端部に生じる面圧が約3kgf/mm²と高くなった。
そのため、ある程度使い込んで該部にへたりが生じても
面圧は十分高い値に確保され、びびり動の発生が抑えら
れるようになった。また、シャンク部7aが製造公差によ
り多少先細りとなった場合にも、設定角度_Δθが限界設
定角度_Δθmaxの略63％であるため、嵌合面の先端を支
点に工具７が首振り運動を起こすようなこともなく、常
に安定した嵌合・固定が行えるようになった。

以上述べた理由により、工具取付穴６の摩耗やへたりは
従来のものに比べ著しく少なくなり、主軸１の寿命は飛
躍的に向上した。尚、本実施例では、フライス加工にお
いて直径100mm歯数12の工具７を用い、送り100〜150mm/
min,切削幅80mm,切り込み5mm,回転数200rpmの加工条件
で従来に比べ主軸１の寿命が数倍に延長された。

尚、設定角度_Δθの限界設定角度_Δθmaxに対する比を
様々に変えて試験を行った結果、第３図に示すように50
％から80％の範囲で主軸１の寿命が顕著に向上すること
が確認できた。また、設定角度_Δθの下限としては10％
程度でも十分な効果が認められる一方、設定角度_Δθを
80％以上とした場合には加工精度分や加工時における面
圧変動分が各々10％程度あるため、嵌合面の先端を支点
とした首振り運動が生じる虞があることが明かとなっ
た。

〈考案の効果〉 本考案に係る工作機械の主軸における工具取付部の構造
によれば、工具取付穴に０を超え限界設定角度の80％以
下の設定角度を与えるようにしたため、先端部の面圧が
相対的に上昇してびびり動やこれに起因する該部の摩耗
やへたりが減少し、この結果主軸の寿命が延長されて保
守コストの低減や工作機械の稼働率の向上が得られると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る主軸の工具取付部を示す拡大半
断面図であり、第２図はこの実施例における工具取付部
の面圧分布図である。また、第３図は本考案を適用する
場合の適正範囲を示すグラフである。一方、第４図は工
作機械の従来の主軸頭の構造の１例を示す縦断面図であ
り、第５図はこの例における工具取付部の面圧分布図で
ある。 図中、１は主軸、２は主軸頭、3,4はラジアルローラベ
アリング、５はスラストボールベアリング、６は工具取
付穴、6aは径増大部、6b,6cは残部、７は工具、7aはテ
ーパシャンク部、7bはプルスタッド部、８はコレット、
９はドローバー、10は皿ばね群、11はカラー、_Δθは設
定角度である。

フロントページの続き (72)考案者 谷 光夫 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)考案者 片山 欽司 広島県広島市安佐南区祇園３丁目２番１号 三菱重工業株式会社広島工機工場内 (56)参考文献 特開 昭59−196143（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−44735（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】主軸の先端部に形成されたテーパ形状の工
   具取付穴に工具のシャンク部を嵌合させて当該工具を取
   り付ける構造であって、前記工具取付穴に与えられる設
   定角度を０を越え限界設定角度の80％以下としたことを
   特徴とする工作機械の主軸における工具取付部の構造。