JPH1058210A - 工作機械の工具保持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ドローバーを付勢する力が同一のままでも、刃
先の損傷および主軸と工具のテーパ部のフレッテイング
の発生を防止することができる工作機械の工具保持装置
を提供する。 【解決手段】工具１を装着・保持するには、工具１のプ
ルスタッド３を主軸４内に差込み、この状態でドローバ
ー９を皿ばね１１の付勢により移動する。すると、該ド
ローバー９と一体のシリンダケース３２が移動して、コ
レット３３とシリンダケース３２の接合部の楔作用によ
り、コレット３３がプルスタッド３のフランジ面３ｃに
係合する。工具１を主軸４から引き抜く方向の力が作用
しても、コレット３３はシリンダケース３２により外方
への拡がりが阻止されて位置決めされており、工具１か
らの力は、プルスタッド３、コレット３３、コレットオ
ープナ３１、主軸４、テーパ面５、工具のテーパ面２か
らなる閉ループＲを構成し、工具１が機械的ロックによ
り確実に保持される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具のテーパ面を
主軸のテーパ面に当接させた状態でドローバーの先端に
配置したコレット等の楔部材を工具のプルスタッドのフ
ランジ面に係合させ、ドローバーを付勢して工具を主軸
に保持するようにした工作機械の工具保持装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は工具を保持した状態における工作
機械の主軸頭の断面図である。１は工具あるいは工具を
保持するホルダ（以下、両者を合わせて工具という。）
で、外周にはテーパ面２が形成され、端部にはプルスタ
ッド３が固定されている。なお、プルスタッド３のフラ
ンジ部３ａの両端はそれぞれテーパ面３ｂ，３ｃが形成
されている。４は主軸で、先端部の内面にはテーパ面２
と係合するテーパ面５が、また、内部には逃げ穴６と案
内穴７が形成されている。８はコレットで、径方向に複
数に分割され、ドローバー９により軸方向に位置決めさ
れている。１０は環状のばねで、コレット８を付勢して
いる。１１は皿ばねで、複数枚が軸方向に並べて配置さ
れ、ドローバー９を１０〜１２ｋＮの力で図における右
方に付勢している。なお、ドローバー９の図示しない他
端には、エアシリンダが配置されている。

【０００３】以下、動作を説明する。工具１を交換する
ときには、図示しないエアシリンダを動作させ、皿ばね
１１に抗してドローバー９を左方へ移動させる。コレッ
ト８の先端が案内穴７から逃げ穴６に移動すると、図７
に示すように、ばね１０によりコレット８は径方向に開
き、内径がフランジ部３ａの外径より大きくなる。この
状態で工具１を主軸４から外す。なお、工具１を主軸４
から外し易すくするため、コレット８の内径がフランジ
部３ａの外径よりも大きくなった後、エアシリンダの移
動端において、ドローバー９の先端９ａでプルスタッド
３の端面を僅かに（たとえば数十μｍでもよい）押すよ
うにしている。次に、別の工具１を主軸４内に挿入し、
テーパ面２をテーパ面５に当接させてから、図示しない
エアシリンダを上記とは逆の方向に動作させる。する
と、皿ばね１１によりドローバー９は右方に移動し、コ
レット８は逃げ穴６から案内穴７に移動する際にばね１
０に抗して閉じる。そして、、さらに右方に移動し、コ
レット８のフランジ部３ａの内面８ａがテーパ面３ｃに
当接して、工具１を右方に付勢する。この結果、工具１
のテーパ面２と主軸４のテーパ面５間の摩擦力により工
具１と主軸４は一体になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、工具１が例え
ばエンドミルの場合、加工時、図示しない刃先には工具
１を主軸４から引き抜く方向（図６における左向き）の
力（以下、引き抜き力という。）が加わり、特に重切削
の際、前記引き抜き力が皿ばね１１の力よりも大きくな
って、テーパ面２とテーパ面５が瞬間的に離間すること
があった。そして、前記離間が発生すると、主軸４の回
転力が工具１に伝達されないため、刃先を損傷した。ま
た、前記離間が振動的に発生すると、テーパ面２とテー
パ面５の接触面が摩耗しあるいは錆びが発生する、いわ
ゆるフレッテイング（フレッテイング・コロージョン；
擦過摩耗）が発生した。この場合、ばね１１の付勢力を
大きくすればフレッテイングを防止できるが、エアシリ
ンダの能力を大きくする必要があった。

【０００５】本発明の目的は、上記した課題を解決し、
ドローバーの先端に配置した楔部材を工具のプルスタッ
ドのフランジ面に係合させ、ドローバーを付勢して工具
を主軸に保持するようにした工作機械の工具保持装置に
おいて、ドローバーを付勢する力が同一のままでも、刃
先の損傷および主軸と工具のテーパ部のフレッテイング
の発生を防止することができる工作機械の工具保持装置
を提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る本発明
は、ドローバー（９）の先端に配置した楔部材（３３）
を工具（１）のプルスタッド（３）のフランジ面（３
ｃ）に係合させ、ドローバーを付勢して工具を主軸
（４）に保持するようにした工作機械の工具保持装置に
おいて、前記主軸（４）に形成した案内穴（７）に軸方
向移動自在に嵌挿されると共に前記ドローバー（９）と
一体に連結される位置決め手段（３２）を設け、前記楔
部材（３３）の外周面と前記位置決め手段（３２）の内
周面との間で、互に当接して楔作用をする接合部（３２
ｂ，３３ｆ）を設け、前記工具（１）を主軸（４）に保
持する状態では、前記ドローバー（９）の付勢に基づく
前記位置決め手段（３２）の前記楔部材（３３）に対す
る相対移動により、前記接合部（３２ｂ，３３ｆ）の楔
作用に基づき前記楔部材（３３）を前記フランジ面（３
ｃ）に係合すると共に、前記位置決め手段（３２）が前
記楔部材の拡がりを阻止して位置決めする、ことを特徴
とする工作機械の工具保持装置にある。

【０００７】請求項２に係る本発明は、前記楔部材（３
３）が、前記フランジ面（３ｃ）に係合する第１のテー
パ面（３３ｃ）と、前記接合部を構成する第２のテーパ
面（３３ｆ）とを有し、前記楔部材の第２のテーパ面
（３３ｆ）の軸線に対する角（ａ）が、前記第１のテー
パ面（３３ｃ）の軸線に対する角（ｂ）より小さいこと
を特徴とする、請求項１記載の工作機械の工具保持装置
にある。

【０００８】請求項３に係る本発明は、前記楔部材（３
３）の先端に第３のテーパ面（３３）を設け、また前記
主軸（４）に一体に当接部（３１ｂ）を設け、前記ドロ
ーバーの工具解放方向の移動に基づき、前記楔部材（３
３）を前記主軸（４）に対して軸方向に相対移動して、
前記第３のテーパ面（３３ａ）の前記主軸の当接部Ｚ
（３１ｂ）への当接により、該楔部材を、前記フランジ
面（３ｃ）から解放するように移動してなる、請求項１
又は２記載の工作機械の工具保持装置にある。

【０００９】請求項４に係る本発明は、ドローバー
（９）の先端に配置したコレット（３３）を工具（１）
のプルスタッド（３）のフランジ面（３ｃ）に係合さ
せ、ドローバー（９）を付勢して工具（１）を主軸
（４）に保持するようにした工作機械の工具保持装置に
おいて、前記主軸（４）のテーパ面（５）の奥側に内径
（３１ｃ）が前記プルスタッド（３ａ）の外径よりも大
きく端部に径方向の面（３１ｂ）を備える環状のボス
（３１）を配置し、前記ボスの外周に嵌合する第１の穴
（３２ａ）とこの第１の穴とテーパ面（３２ｂ）で接続
され該第１の穴よりも大径の第２の穴（３２ｃ）を備え
外径が前記主軸（４）の内径（７）に嵌合する環状のシ
リンダケース（３２）と、一端の内径方向にＶ型のフラ
ンジ（３３ａ，３３ｃ）が形成された棒状のコレット
（３３）と、該コレットを径方向に位置決めするコレッ
トホルダ（３４）と、該コレットホルダと前記ドローバ
ー（９）との間に縮設されたばね（３５）と、を設け、
前記コレット（３３）とコレットホルダ（３４）とばね
（３５）を内部に配置した前記シリンダケース（３２）
を前記第２の穴（３２ｃ）側でドローバー（９）の先端
に固定し、前記コレットのフランジの一方の側面（３３
ａ）を前記ボス（３１）の径方向の面（３１ｂ）に係合
させ、工具（１）のテーパ面（２）を前記主軸（４）の
テーパ面（２）に当接させた状態で、前記コレット（３
３）を、工具開放時は、内周が前記プルスタッド（３
ａ）のフランジ面（３ｃ）を通過させる位置に、工具保
持時は、他方の前記側面（３３ｃ）が前記プルスタッド
のフランジ面（３ｃ）に係合しかつ外周が前記シリンダ
ケース（３２）の第１の穴（３２ａ）と当接する位置
に、それぞれ移動させるように構成したことを特徴とす
る工作機械の工具保持装置にある。

【００１０】［作用］以上構成に基づき、工具（１）を
装着・保持するには、工具（１）のプルスタッド（３）
を主軸（４）内に差込み、この状態で、ドローバー
（９）を例えば皿ばね（１１）の付勢により移動する。
すると、該ドローバー（９）と一体の位置決め手段（シ
リンダケース）（３２）が移動して、楔部材（コレッ
ト）（３３）と位置決め手段の接合部（３３ｆ，３３
ｂ）の楔作用により、楔部材（３３）がプルスタッド
（３）のフランジ面（３ｃ）に係合する。

【００１１】この際、上記接合部を構成する楔部材の第
２のテーパ面（３３ｆ）のなす角（ａ）が、前記フラン
ジ面と係合する第１のテーパ面（３３ｃ）のなす角
（ｂ）より小さく設定してあり、前記ドローバー（９）
の付勢力が、前記第２のテーパ面（３３ｆ）の楔作用に
より倍力されて、第１のテーパ面（３３ｃ）がフランジ
面（３ｃ）に係合する。また、工具（１）を主軸（４）
から引き抜く方向に力が作用すると、前記第２のテーパ
面（３３ｆ）により倍力されて位置決め手段（３２）が
主軸（４）の案内穴（７）に押付けられる。

【００１２】これにより、楔部材（３３）が位置決め手
段（３２）により外方に拡がることを阻止されて位置決
めされており、工具（１）を引き抜く方向の力は、工具
（１）、プルスタッド（３）、フランジ面（３ｃ）、第
１のテーパ面（３３ｃ）、楔部材（３３）、第３のテー
パ面（３３ａ）、当接部（３１ｂ）、コレットオープナ
（３１）、主軸（４）、テーパ面（５）そして工具のテ
ーパ面（２）からなる閉ループ（Ｒ）を構成し、工具
（１）が機械的ロックにより確実に保持される。

【００１３】一方、ドローバー（９）を例えばエアシリ
ンダにより皿ばね（１１）に抗して移動すると、例えば
コレットホルダ（３４）、ばね（３５）を介して楔部材
（コレット）（３３）が移動し、その第３のテーパ面
（３３ａ）が、例えばボス（３１）等の主軸に一体の当
接部（３３ａ）に当接し、楔部材（３３）を外径方向に
拡げてフランジ面（３ｃ）との係合を解放する。この状
態で、工具（１）を主軸（４）から取外すことが可能と
なる。

【００１４】なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照
するためのものであるが、本発明の構成を何等限定する
ものではない。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施の形態を示
す工具を保持した状態における工作機械の主軸頭の要部
断面図、また、図２は工具を保持していない状態を示す
工作機械の主軸頭の要部断面図、図３は主要部の拡大
図、図４はコレットホルダの正面図である。なお、図
６，７と同じものあるいは同一の機能のものは同一の符
号を付してある。３１はコレットオープナで、外周は主
軸４の案内穴７に嵌合し、一端にボス３１ａが形成され
ている。３１ｂはボス３１ａの端部に形成されたテーパ
面、３１ｃは穴で、その直径はフランジ部３ａの外径よ
りも大きい。３２は環状のシリンダケースで、外周は主
軸４の案内穴７に嵌合し、一方の端部にはボス３１ａに
外嵌する穴３２ａが形成されている。３２ｂはテーパ面
で、穴３２ａと穴３２ａよりも大径の穴３２ｃとを接続
している。そして、シリンダケース３２は後端側で雌ね
じ３２ｄがドローバー９の雄ねじ９ｂに螺合し、ドロー
バー９と一体である。３３はコレットで、詳細について
は後述する。３４はコレットホルダで、外周はシリンダ
ケースの穴３２ｃに嵌合し、一方の側面にはコレット３
３を径方向に位置決めする半径方向に延びる３個の案内
溝３４ａが設けてあり、内側に穴３４ｂが形成されてい
る。また、案内溝３４ａの底面３４ｃは外径に向かって
深くなる方向（テーパ面３ｃ方向）のテーパ面に形成し
てある。なお、図４に示すように、案内溝３４ａの隣合
う側面は互いに平行である。３５は、コレット３３とド
ローバー９のフランジ部９ｃとの間に縮設された皿ばね
である。なお、図示していないドローバー９の後端側に
は、図６の場合と同様に、エアシリンダが配置されてい
る。

【００１６】次に、図３に基づきコレット３３の形状を
詳細に説明する。なお、同図において、実線は工具１を
保持している時の各部材の位置を、また、２点鎖線は工
具１交換時におけるコレット３３とシリンダケース３２
の位置を示している。始めに内側の形状を説明する。コ
レット３３の先端はＶ字状に形成されており、テーパ面
３３ａはコレットオープナのテーパ面３１ｂと同一角度
である。３３ｂは軸と平行な面、３３ｃはテーパ面３ｃ
と同一角度のテーパ面、３３ｄはテーパ面３３ｃと後端
部３３ｅとを接続する面で、軸と平行である。次にコレ
ット３３の外側の形状を説明する。３３ｆはテーパ面
で、該テーパ面３３ｆが軸線とのなす角ａは、前記テー
パ面３３ｃが軸線とのなす角ｂより小さく、例えば余接
の値が１／２以下である。３３ｇは軸と平行な面であ
る。また、後端部３３ｅは底面３４ｃと同一角度のテー
パ面である。そして、１個のコレット３３は上記の各面
が形成された環状部品を径方向に３分割し、さらに分割
面を直径と平行に形成したもので、本実施の形態では３
個のコレット３３を円周方向に配置してある。なお、コ
レットが楔部材であり、シリンダケース３２が楔部材の
位置決め手段を構成している。

【００１７】以下、工具１を交換するときの動作を説明
する。図示しないエアシリンダを動作させ、ドローバー
９の後端を付勢すると、ドローバー９と一体のシリンダ
ケース３２が左方へ移動する。コレット３３は皿ばね３
５により図の左方へ付勢されているから、穴３２ａの移
動に伴ない、テーパ面３３ａとテーパ面３１ｂおよび後
端部３３ｅが案内溝３４ａの底面３４ｃにそれぞれ当接
した状態で軸心から離れる方向に移動し、エアシリンダ
の移動端において、面３３ｂはフランジ部３ａの外径の
外側に位置し、従来の場合と同様に、移動端の直前でド
ローバー９の先端９ａがプルスタッド３の端面をたとえ
ば数十μｍ押すようにしている。なお、エアシリンダの
移動端において、コレットオープナ３１の軸と直角の面
３１ｄとシリンダケース３２の端面３２ｅとの間および
穴３２ｃと面３３ｇとの間にはそれぞれ隙間が形成され
るように設定されている。

【００１８】次に、別の工具１を主軸４内に挿入し、そ
のテーパ面２を主軸４のテーパ面５に当接させてから、
図示しないエアシリンダを上記とは逆の方向に動作させ
る。すると、ばね１１によりドローバー９と一体にシリ
ンダケース３２が右方へ移動する。コレット３３は先端
がシリンダケースのテーパ面３２ｂに当接しているか
ら、テーパ面３２ｂの移動に伴ない、皿ばね３５に抗し
てテーパ面３３ａとテーパ面３１ｂおよび後端部３３ｅ
が案内溝３４ａの底面３４ｃにそれぞれ当接した状態で
軸心に近づく方向に移動する。そして、コレット３３
は、テーパ面３３ａの外端がテーパ面３１ｂの外端と等
しくなった後は、穴３２ａの端部がテーパ面３３ｆに当
接することにより、皿ばね３５に抗してテーパ面３１ｂ
に沿ってさらに移動し、テーパ面３３ｃがプルスタッド
のテーパ面３ｃに当接することにより、工具１を右方に
付勢する。この結果、テーパ面２、テーパ面５間の摩擦
力により工具１と主軸４は一体になる。なお、テーパ面
３３ｃがテーパ面３ｃに当接したとき、面３３ｄとフラ
ンジ部３ａの外径、および面３３ｄと案内溝３４ａの内
径方向の側面との間にはそれぞれ隙間が形成されるよう
に構成されている。

【００１９】次に、機能について説明する。図示しない
刃先に皿ばね１１の力よりも大きい引き抜き力が加わる
と、コレット３３は軸心から遠ざかる方向に移動しよう
とする。しかし、テーパ面３３ｆには皿ばね１１の力が
加わっているため、例えばテーパ面３３ｆのなす角ａの
余接の値がテーパ面３３ｃのなす角ｂの余接の１／２の
場合、引き抜き力が皿ばね１１の力の２倍になるまでテ
ーパ部２とテーパ部５は離間しない。さらに、コレット
３３がシリンダケース３２により外方に拡がることを阻
止されて位置決めされており、工具１からの上記引き抜
き力は、図１のループＲに示すように、プルスタッド
３、テーパ面３ｃ、テーパ面３３ｃ、コレット３３、テ
ーパ面３３ａ、テーパ面３１ｂ、コレットオープナ３
１、主軸４、そしてテーパ面５，２、工具１の閉ループ
となり、工具１は機械的ロックにより確実に保持され
る。

【００２０】図５は、本発明による工具保持装置と従来
の工具保持装置のそれぞれに工具１を保持させ、保持し
た工具１を引き出す方向に付勢したときの引出力と、工
具１の変位量を比較したものである。同図から明らかな
ように、従来の工具保持装置の場合は引出力が１３ｋＮ
付近を越えると、工具１を支持する力がさらばねの引張
力とさらばねの剛性に依存する結果、変位量が急増す
る。これに対し、本発明による工具保持装置の場合は変
位量が一様で従来の工具保持装置に比べて小さい。フレ
ッティングは、変位量が大きいときに発生しやすいか
ら、本発明による工具保持装置に依ればフレッティング
がほとんど発生しない。

【００２１】なお、コレット３３を軸方向と平行にして
径方向に移動させる代わりに、コレットホルダ３４に回
転可能に支持させ、コレットホルダ３４に支持させた状
態で先端のＶ形の部分を径方向に開くように移動させる
ことにより面３１ｂとテーパ面３ｃの両者に係合させる
ように構成しても良い。また、コレットオープナ３１を
特に設けず、ボス３１ａを主軸４の内面に直接形成して
も良い。また、コレット３３は３分割に限らず、分割数
を変更しても良い。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ドローバーを付勢する皿ばねの力よりも大きい引き抜き
力が刃先に加わっても、工具のテーパ面と主軸のテーパ
面は離間しないから、ドローバーを付勢する力が同一の
ままでも、刃先の損傷および主軸と工具のテーパ部のフ
レッテイングの発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す工具を保持した状
態における工作機械の主軸頭の要部断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態を示す工具を保持してい
ない状態における工作機械の主軸頭の要部断面図であ
る。

【図３】本発明の一実施の形態を示す主要部の拡大図で
ある。

【図４】本発明の一実施の形態を示すコレットホルダの
正面図である。

【図５】従来の装置と本発明による装置との引張り力に
対する工具保持具の変化を示す図。

【図６】従来の工具を保持した状態における工作機械の
主軸頭の断面図である。

【図７】従来の工具を保持していない状態における工作
機械の主軸頭の断面図である。

【符号の説明】

１ 工具 ２，５ テーパ面 ３ プルスタッド ３ｃ フランジ面 ４ 主軸 ９ ドローバー ３１ ボス（コレットオープナ） ３１ｃ 当接部 ３２ （位置決め手段）シリンダケース ３３ 楔部材（コレット） ３３ａ 第３のテーパ面 ３２ｂ，３３ｆ 接合部（当接部、第２のテーパ面） ３３ｃ 第１のテーパ面 ３４ コレットホルダ ３５ 皿ばね

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ドローバーの先端に配置した楔部材を工
   具のプルスタッドのフランジ面に係合させ、ドローバー
   を付勢して工具を主軸に保持するようにした工作機械の
   工具保持装置において、 前記主軸に形成した案内穴に軸方向移動自在に嵌挿され
   ると共に前記ドローバーと一体に連結される位置決め手
   段を設け、 前記楔部材の外周面と前記位置決め手段の内周面との間
   で、互に当接して楔作用をする接合部を設け、 前記工具を主軸に保持する状態では、前記ドローバーの
   付勢に基づく前記位置決め手段の前記楔部材に対する相
   対移動により、前記接合部の楔作用に基づき前記楔部材
   を前記フランジ面に係合すると共に、前記位置決め手段
   が前記楔部材の拡がりを阻止して位置決めする、 ことを特徴とする工作機械の工具保持装置。
2. 【請求項２】 前記楔部材が、前記フランジ面に係合す
   る第１のテーパ面と、前記接合部を構成する第２のテー
   パ面とを有し、 前記楔部材の第２のテーパ面の軸線に対する角が、前記
   第１のテーパ面の軸線に対する角より小さいことを特徴
   とする、 請求項１記載の工作機械の工具保持装置。
3. 【請求項３】 前記楔部材の先端に第３のテーパ面を設
   け、また前記主軸に一体に当接部を設け、前記ドローバ
   ーの工具解放方向の移動に基づき、前記楔部材を前記主
   軸に対して軸方向に相対移動して、前記第３のテーパ面
   の前記主軸の当接部への当接により、該楔部材を、前記
   フランジ面から解放するように移動してなる、 請求項１又は２記載の工作機械の工具保持装置。
4. 【請求項４】ドローバーの先端に配置したコレットを工
   具のプルスタッドのフランジ面に係合させ、ドローバー
   を付勢して工具を主軸に保持するようにした工作機械の
   工具保持装置において、 前記主軸のテーパ面の奥側に内径が前記プルスタッドの
   外径よりも大きく端部に径方向の面を備える環状のボス
   を配置し、 前記ボスの外周に嵌合する第１の穴とこの第１の穴とテ
   ーパ面で接続され該第１の穴よりも大径の第２の穴を備
   え外径が前記主軸の内径に嵌合する環状のシリンダケー
   スと、 一端の内径方向にＶ型のフランジが形成された棒状のコ
   レットと、 該コレットを径方向に位置決めするコレットホルダと、 該コレットホルダと前記ドローバーとの間に縮設された
   ばねと、を設け、 前記コレットとコレットホルダとばねを内部に配置した
   前記シリンダケースを前記第２の穴側でドローバーの先
   端に固定し、前記コレットのフランジの一方の側面を前
   記ボスの径方向の面に係合させ、工具のテーパ面を前記
   主軸のテーパ面に当接させた状態で、前記コレットを、
   工具開放時は、内周が前記プルスタッドのフランジ面を
   通過させる位置に、工具保持時は、他方の前記側面が前
   記プルスタッドのフランジ面に係合しかつ外周が前記シ
   リンダケースの第１の穴と当接する位置に、それぞれ移
   動させるように構成したことを特徴とする、工作機械の
   工具保持装置。