JPH0810478Y2 - 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部を嵌合・固定させるようにな
っている。

第７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（以降、シャンク部
と称する）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
勾配の差を以て設定角度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とのテーパ比が
等しいため、当然のことながら設定角度Δθは０であっ
た。尚、設定角度Δθが過大である場合には、工具７側
の寸法交差如何で、嵌合面の後端部（後述の第８図中、
Ｂ点）における面圧が０となり、先端部（同図中、Ａ
点）を支点に工具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８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を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
越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
くできないことにより、ひ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（Numerica
l 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、ゲージによるチェッ
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、以て主軸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、前記工具取付穴の軸方向における中間部位に円環
状の径増大部を設ける共に先端側の残部嵌合面と後端側
の残部嵌合面に、先端側に対して後端側が小なる設定角
度を設けた、あるいは前記工具のシャンク部の軸方向に
おける中間部位に円環状の径減少部を設けると共に大径
側の残部嵌合面と小径側の残部嵌合面に、大径側に対し
て小径側が小なる設定角度を設け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〉 工具取付穴の中間部位に円環状の径増大部が形成され
ているあるいは工具のシャンク部の軸方向における中間
部位に円環状の径減少部が形成されているため、該部で
は工具のシャンク部が実際には支持されず、工具のシャ
ンク部が工具取付穴の先端部および後端部で支持される
ため、実嵌合面積の低下により面圧が必然的に向上す
る。また、例えば工具取付穴の先端側の残部嵌合部には
面圧を先端部に集中させるような設定角度を設ける一
方、後端部の残部嵌合部には隙間が生じることがなく且
つ工具のシャンク部と工具取付穴とが軽く嵌合するよう
な設定角度を設けると、多少の摩耗やへたりが生じても
実支持長の減少は起こらずびびり動が抑えられる。

〈実施例〉 本考案の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図には本考案の第１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。また、第３図〜第
６図には本考案の他の実施例に係る主軸の工具取付部の
拡大半断面を示してある。

第１図において、主軸１にはその中間部に円環状の径
増大部6aが形成されている。径の増大量は本実施例の場
合半径方向で1mm程度であり、その長さl₀は工具取付穴
６と工具７の嵌合長Ｌの約35％となっている。したがっ
て、その前後には工具７のシャンク部7aと当接・嵌合す
る残部嵌合面6b,6cが形成され、これらの長さl₁，l₂は
それぞれ嵌合長Ｌの50％,15％となっている。先端部の
残部嵌合面6bには先端側が強く当たるような設定角度Δ
θ_１が与えられており、工具取付穴６側のテーパを0.1/
100rad以下の範囲で小さくしている。また、後端部の残
部嵌合面6cには、嵌合面全体が軽く保持されるように、
先端部の残部嵌合面6bより小さく設定角度Δθ_２（＝Δ
θ_１/2）が与えられており、工具取付穴６側のテーパの
範囲を0.05/100rad以下と小さくしている。

第１図の構造において、先端部の設定角度Δθ_１は、
工具７がドローバー９により牽引された場合に、先ず工
具取付穴６の先端部の残部嵌合面6bの先端側から工具７
のシャンク部7aが順次接触して行き、最終的に残部嵌合
面6bのＡ点からＣ点までの全面が嵌合し、しかもＣ点に
おける面圧が０に近くなるような値を採用している。

ところで、この場合に工具取付穴６の後端部における
Ｄ点の残部嵌合面6cと工具７のシャンク部7aと隙間δ_２
を、先端部の残部嵌合面6bの設定角度Δθ_１に対応した
隙間δ_１にすると、後端部の残部嵌合面6cは工具７のシ
ャンク部7aと接触せず、実支持長が50％程度となってし
まうこととなる。そこで、これを防止するために本実施
例では後端部の残部嵌合面6cのＤ点の隙間δ_２を隙間δ
_１より小さくしている。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を牽引することにより残部嵌合面6b,6c
は全体に密着する。

このようにした結果、本実施例では工具取付部の面圧
分布が第２図に示すようになり、理想的な保持が行われ
るようになった。

第３図に示した第２実施例では、上述した第１実施例
とは逆に、工具７のシャンク7aの中間部に円環状の径減
少部7cを形成し、先端部の残部嵌合面7dと後端部の残部
嵌合面7eとにそれぞれ設定角度Δθ_１および設定角度Δ
θ_２を設けた。この実施例の作用や効果などは第１実施
例と同一である。

第４図に示した第３実施例は、第１実施例の工具取付
穴６におけるＣ点およびＤ点のコーナエッジに丸み
ρ_１，ρ_２を設けたもので、該部における面圧の集中を
緩和し、工具７のシャンク部7aへの損傷を防止すること
を目的としている。

第５図に示した第４実施例は、第１実施例における径
増大部6aの形状を滑らかな円弧状にしたもので、該部に
切削粉や塵埃などが溜まることを防止する効果を狙って
いる。尚、径増大部6a（径減少部7c）は工具取付穴６と
工具７との接触を防止するためのもので、その形状は上
記実施例のものに限られず、種々のものが考えられる。

第６図に示した第５実施例は第１実施例の工具取付穴
６と第２実施例の工具７とを組み合わせたもので、その
作用や効果などは他の実施例と同一である。

〈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、工具取付穴あるいは工具のシャンクの中間
部に径増大部や径減少部を形成して残部の面圧を高める
一方、残部嵌合面に、先端側あるいは大径側に対して後
端側あるいは小径側が小なる設定角度を設けて実支持長
を確保するようにしたため、残部特に先端部の摩耗やへ
たりが減少すると共にこれらの現象が起こった場合にも
工具のびびり動が起こらなくなり、その結果主軸の寿命
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図は本考案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〜第６図には本考案の
他の実施例に係る主軸の工具取付部の拡大半断面図であ
る。一方、第７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８図はこの例における工具
取付部の面圧分布図である。 図面中、 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は残部嵌合面、７は工具、7aはテ
ーパシャンク部、7bはプルスタッド部、7cは径減少部、
7d,7eは残部嵌合面、８はコレット、９はドローバー、1
0は皿ばね群である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 桑原 晴義 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 (72)考案者 渡部 健 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

Claims (2)

【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、前記工具取付穴の軸方向におけ
   る中間部位に円環状の径増大部を設けると共に先端側の
   残部嵌合面と後端側の残部嵌合面に、先端側に対して後
   端側が小なる設定角度を設け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。
2. 【請求項２】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、前記工具のシャンク部の軸方向
   における中間部位に円環状の径減少部を設けると共に大
   径側の残部嵌合面と小径側の残部嵌合面に、大径側に対
   して小径側が小なる設定角度を設け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。