JPS6121764B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アーコーステイツク・エミツシヨン
を利用した工具折損予防装置に用いるのに好適な
超音波振動発信装置付工具ホルダに関するもので
ある。

近年、生産技術の進歩に伴い切削加工の省力
化、無人化の要望が急速に高まつているが、この
ような自動加工においては、切削工具の損傷、折
損等の異常状態をインプロセス検出することが重
要な課題である。

切削工具の損傷、折損等の異常状態をインプロ
セス検出する有効な方法の一つとして、工具の損
傷あるいは折損に伴い自然に発生するアコーステ
イツク・エミツシヨン（Acoustic Emission以下
AEという）を検出し、その検出信号により警報
を出して後続の作業を中断する検出方法が知られ
ている。工具の波損や折損により発生するAE信
のレベルは十分大きいので、AEによる上記検出
方法は工具の破損や折損をインプロセス検出する
のに有効ではあるが、工具が波損又は折損したの
ちでないと検出できないため、折損の予知には利
用できない難点がある。なお、工具が折損する直
前にその前兆として発生するAEを利用するイン
プロセス検出方法も研究されてはいるが、AE信
号が小さくて検出が非常に困難であり、たとえ検
出できたとしても主軸が停止するにはある程度の
時間を必要とするので、工具の折損予防には利用
できない可能性が高いと考えられる。

一方、ドリル、タツプ、エンドミル等の回転切
削工具では、部分的な損傷、破損よりも切くずの
詰りや刃先の溶着によつて折損する場合が多い。
しかも折れた工具が工作物に埋め込まれてその除
去に非常な手間を要し、かつ加工時間が長いこと
が多いので、折損のインプロセス検出のみなら
ず、折損を予知し折損の予防が可能な装置が必要
とされている。このような回転切削工具の切削加
工中における折損を防止する手段として、例えば
トリクリミツタを用いてタツプの折損を予防する
ことはよく知られているけれども、単にトリクリ
ミツタを使用するだけでは、作業者がいない場合
にはトリクリミツタの耐久試験を行なつているの
と同じ状態となつてトリクリミツタの破壊につな
がり、無人加工に適用できない欠点がある。

また、工具を回転駆動する電動機の負荷電流の
変化を利用してドリルの折損を予知する方法も実
用化されている。この方法は中径ドリル（φ10〜
20）の折損予防にはある程度有効であるが、折損
し易いφ９以下の小径ドリルの場合、汎用工作機
械では負荷電流の変化が小さいので折損の予防に
利用できない難点がある。

更に、工具ホルダ、主軸などに取り付けたひず
みゲージで切削抵抗あるいはその分力比を検出
し、これらの変化によつてドリルの折損を予知す
る方法も知られているが、この方法も小径ドリル
の場合には、工具に加わる負荷が小さいためひず
みの変化が小さく検出が困難である。

このように、特に小径の回転切削工具では折損
を予防する有効な方法がなかつたため、マシニン
グセンター等による自動加工に際しては、折損し
易い小径工具はなるべく使用しないように設計し
ているのが現状である。

このような事情に鑑み、小径工具に対しても有
効に折損の予防ができるアコーステイツク・エミ
ツシヨンを利用した工具折損予防装置が特願昭57
−069354号に提案されている。

上記の工具折損予防装置は、切削加工中に工具
に過負荷がかかり、該工具が折損するおそれのあ
る場合に、これに応答して一定レベル以上の弾性
波を発生する手段を工具ホルダ又は主軸頭に組み
込み、該手段により発生した弾性波を外部で受信
し、ノイズと弁別して出力を発生する検出器を設
け、該検出器からの出力信号により警報を出し、
かつ前記工具の保護動作を行なうように構成され
ており、上記の弾性波を発生する手段としては、
その作動時に比較的レベルの大きい弾性波を発生
するトリクリミツタが簡便で、かつ工具の保護動
作も兼ねるので好適であるとされ、工具ホルダの
後端にトリクリミツタを組み込んだ実施が示され
ている。

しかし、上記のようにトリクリミツタの作動時
に発生する弾性振動を検出信号に利用する場合、
工具の折損を防止する方法が最も求められている
小径のドリルやタツプ、例えばドリル径がφ９以
下、タツプのM8以下の小径工具では、その切削
トルクが小さいためトリクリミツタ作動時に発生
する弾生振動も小さく、したがつてノイズの大き
い環境では検出信号とノイズとの弁別が困難にな
つて、上記の工具折損予防装置が採用し難いとい
う問題点があつた。

本発明はこのような問題を解決することを目的
としてなされたものであり、トリクリミツタの作
動時にこれに連動して超音波領域を含む高い周波
数の弾性振動が発生する超音波振動発信機構を備
えた工具ホルダを提供せんとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、機械主
軸に連動連結して回転せしめられる筒状の本体と
該本体に回転自在に嵌挿されたスピンドルと、該
スピンドルの前端突出部に設けられた工具把持部
と、前記本体の後端部に回転自在に装着されると
共に、前記スピンドルの後端部に連動連結される
伝動部材と、該伝動部材と検出信号との間に介装
したトリクリミツタとを備え、前記伝動部材と前
記本体との間に介装したトルクリミツタとを備
え、前記伝動部材と前記本体との回転部分の一方
にばね部材が設けられ、他方に前記ばね部材をは
ね上げるはね上げ部材が設けられ、前記トリクリ
ミツタが作動時に、前記ばね部材と前記はね上げ
部材が間欠的に衝突して超音波振動を発生するよ
うに構成されていることを特徴とする。

したがつて、本発明の工具ホルダを用いれば、
トリクリミツタの設定トルクが小さい場合でも、
トリクリミツタの作動時にこれに連動する超音波
発信機構が超音波領域を含む周波数の高い弾性振
動を発生するので、上述のアコーステイツク・エ
ミツシヨンを利用した工具波損予防装置が、小経
工具に対しても有効な適用可能となり、またノイ
ズの大きい環境でも十分に使用できる利点があ
る。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明
する。

第１図は本発明をドリルのホルダに実施した例
を示しており、１はホルダ本体で、円筒形をな
し、かつ前半部外周に刻設したねじ部２にロツク
ナツト３が螺合されている。４はドリルＤを保持
するスピンドルで、後端に底部５を有する有底筒
軸に形成されていて、本体１にボールベアリング
６及びスラストベアリング７を介して前端部分が
突出した姿勢で回転自在に嵌装され、かつ後端に
嵌着した係止リング８を本体１内に嵌着した止め
輪９に係止させて軸方向への抜け出しが阻止され
ている。スピンドル４の底部５には角孔１０が穿
設され、かつ前端開口はテーパ孔１１に形成され
ていて、該テーパ孔１１に嵌装したコレツト１２
にドリルＤを挿入し、スピンドル４の前端部にボ
ールベアリング１３を介して回転自在に装着した
締付ナツト１４でコレツト１２を締付けてドリル
Ｄを固定保持するように構成されている。その
際、ドリルＤの後端が調整ねじ１５に当接して本
体１から突出長さが規制される。

１６は本体１の回転力をスピンドル４に伝達す
る伝動部材であつて、第４図に良く示されている
ように、本体１の後端開口部に球体２０を介して
回転自在並びに着脱自在に嵌合される円盤１７
と、該円盤１７の一側方中央部に突設した角軸１
８と、他側方中央部に突設した螺軸１９とからな
り、円盤１７には環状溝２１が設けられ、該環状
溝２１内に周方向へ適当間隔をおいて、数本のピ
ン２２が軸線と平行に配設されている。前記球体
２０は本体１の後端開口部の周壁に90度ずつ位相
を異にして穿設した４つの底部開口がやや小径に
なつた透孔２３に嵌め込まれていて、該球体２０
が円盤１７の環状溝２１に係合して伝動部材１６
を本体１に対し回転自在かつ着脱可能に装着せし
めるように構成されており、本体１に装着したと
き角軸１８がスピンドル４の角孔１０に摺動可能
に挿通してスピンドル４と係合するようになつて
いる。本体１の後端部外周には４つの透孔２３を
囲繞するように浅い環状溝２４が設けられ、該環
状溝２４に帯状の板ばね２５が緩嵌状態に巻着さ
れている。該板ばね２５は透孔２３に嵌め込んだ
球体２０の脱落を防ぐ押えばねとして機能すると
同時に、その一端が先細に形成され曲折して本体
１の後端部に穿設した通孔２６を貫通し、その先
端部分２５ａが前記伝動部材１６に設けたピン２
２と係合して、後述するトリクリミツタの作動時
に前記ピン２２により先端部分２５ａを間欠的に
はね上げて板ばね２５が超音波領域を含む周波数
の高い弾性振動を発生する超音波振動発信機構を
構成している。

トリクリミツタ２７は、前記伝動部材１６の螺
軸１９に組み付けられ、主体をなす有底筒状のリ
テーナ２８と、該リテーナ２８の底部２９に120
度ずつ位相を異にして穿設した３つの孔３０に収
容されたボール３１と、螺軸１９に互い違いに向
きを変えて重ね合わせて配置した多数の皿ばね３
２と、軸１９に螺着した蓋体３３と、該蓋体３３
の固定ねじ３４と、前記ボール３１に対応して前
記伝動部材１６の円盤１７側面に120度ずつ位相
を異ならしめて凹設した円弧状に延びる３つの凹
部３５とにより構成され、蓋体３３の締め加減に
よつて設定トルクが調整できるようになつてい
る。リテーナ２８は、第５図に良く示されている
ように、その底部２９に伝動部材１６の螺軸１９
が挿通する孔３６と、該孔３６に対して同心円上
に120度ずつ位相を異にして設けた３つのボール
収容孔３０とを有し、また底部２９の外周縁に本
体１の後端縁に設けた一対の伝動用切欠部３８
（第２図参照）に係合する突出部３７が一体的に
設けられている。

上記構成の本発明工具ホルダは、第１図の仮想
線に示すようにサイドロツクホルダ４０に挿入
し、第６図に示すように、サイドロツクホルダ４
０を介して工作機械の主軸４１に着脱自在に連結
して使用され、主軸４１の回転に運動してホルダ
４０、本体１、トリクリミツタ２７、伝動部材１
６及びスピンドル４を介してドリルＤ４が回転せ
しめられるものである。４２は主軸頭、４３は軸
受、４４は被削材で、テーブル４５にセツトして
バイス４６に固定されている。

５１は工具の折損予防検出器であつて、検出部
５２、ハイパスフイルタ５３、増巾器５４、平均
値検波器５５、振巾弁別器５８により構成されて
おり、検出部５２は主軸頭４２に取り付けられ
る。図中５７は警報信号発生器、５８は工作機械
のコントローラである。

切削工具中に切りくずのつまりや刃先の摩耗、
溶着などによつてトリクリミツタ２７の設定トル
ク以上の過負荷がドリルＤにかかり、ドリルＤが
折損するおそれがあると、トリクリミツタ２７が
作動して本体１と伝動部材１６との間にスリツプ
を生じる。このスリツプによつて、トリクリミツ
タ２７のボール３１と凹部３５とが係脱動作を繰
り返して弾生振動を発生すると共に、本体１と伝
動部材１６とが相対的に回転し、前記超音波振動
発信機構のピン２２が板ばね２５の先端部分２５
ａを間欠的にはね上げて超音波領域を含む周波数
の高い弾性振動を発生する。

上記トリクリミツタ２７の作動により発生する
弾性振動のレベルはその設定トルクの大きさによ
つて増減し、ドリルＤが小径の場合には設定トル
クが小さいので、発生する弾性振動のレベルも小
さくなる。これに対してピン２２と板ばね２５か
らなる発信機構により発生する弾性振動はトリク
リミツタ２７の設定トルクに左右されず、主軸４
１の回転数に関係し、通常この回転数は500r.p.
m以上であるから、常に超音波領域を含む高い周
波数の弾性振動が発生する。

上記超音波振動発信機構により生じた弾性振動
はサイドロツクホルダ４０、軸受４３を通過して
主軸頭４２に伝わり検出器５２で検出されるが、
その周波数は300KHz以上の超音波領域にあつ
て、ドリルＤによる切削作業中ドリルＤ自体や工
具ホルダ、軸受その他外部環境によつて生じる騒
音や振動の周波数より高いので、これらのノイズ
で閾値を300KHzに設定したハイパスフイルタ５
３で除去した後、増巾器５４で増巾し、検波器５
５で平均値検波を行なう。更に、振巾弁別器５６
で設定された閾値と比較し、これを越えた信号が
検出された時には警報信号発生器５７が警報を出
し、コントローラ５８がステツプバツグ指令を出
し、この指令に従つて主軸頭が後退してドリルＤ
による切削させ、ドリルＤの折損を防止するよう
になつている。また、上記コントーラ５８はステ
ツプバツク指令が単位時間内に一定回数以上生じ
た場合、工具寿命と判断して工具交換信号を出す
ように構成されている。

第７図ないし第９図は本発明をタツプホルダに
実施した例を示している。基本的には上記実施例
のドリルホルダの場合と同じであるが、スピンド
ル４が本体に対して回転自在並びに軸方向摺動自
在に嵌装され、スプリング６０の作用でタツプＴ
の自進作用による送りと、主軸４１による送りと
誤差を修正するフローテイング機構が内蔵されて
いる点に差異がある。また、超音波振動発信機構
を構成する板ばね２５が本体１の外周面に軸方向
へ延長して設けた溝６１に配設され、その基端が
ビス６２で本体１に固定されると共に、先細に形
成した先端部分２５ａが曲折して通孔２６を貫通
し、ピン２２と係合してトリクリミツタ作動時に
超音波領域を含む周波数の高い弾性振動を発生す
るようになつている。なお、この場合には伝動部
材１６を本体１の後端部に係止する球体２０の脱
落を防ぐ押えばね６３は板ばね２５と別に設ける
必要がある。

以上詳述したように、本発明の工具ホルダは、
トリクリミツタの作動時にこれに連動するばね部
材と、該ばね部材をはね上げるはね上げ部材とか
らなる超音波振動発信機構が超音波領域を含む周
波数の高い弾性振動を発生するように構成されて
いるからAEを利用した工具折損予防装置に組み
込んで使用すると、前記発信機構により生じる超
音波振動を検出信号として切削作業中に工具自
体、ホルダ、軸受その他外部環境によつて生じる
騒音や振動と明確に弁別することが容易になり、
前記工具折損予防装置をノイズの多い環境でも使
用できる利点がある。特に、前記の工具ホルダは
小径工具用として有効である。また、上記超音波
振動発信機の構成が簡単で、製作が容易であり、
安価に提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施態様を示し、第１図は本発
明工具ホルダの縦断正面図、第２図は同要部の平
面図、第３図は第１図の３−３線に沿う断面図、
第４図は伝動部材の斜視図、第５図はトリクリミ
ツタのリテーナの斜視図、第６図は同工具ホルダ
を用いた工具折損予防装置の概略説明図、第７図
は別の実施例の縦断正面図、第８図は同要部の正
面図、第９図は第７図の９−９線に沿う断面図で
ある。 １……本体、４……スピンドル、１６……伝動
部材、２７……トリクリミツタ、２２……ピン、
２５……板ばね、２５ａ……板ばね２５の先端部
分、Ｄ……ドリル、Ｔ……タツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 機械主軸に連動連結して回転せしめられる筒
   状の本体と、該本体に回転自在に嵌装されたスピ
   ンドルと、該スピンドルの前端突出部に設けられ
   た工具把持部と、前記本体の後端部に回転自在に
   装着されると共に、前記スピンドルの後端部に連
   動連結される伝動部材と、該伝動部材と前記本体
   との間に介装したトルクリミツタとを備え、 前記伝動部材と前記本体との回転部分の一方に
   ばね部材が設けられ、他方に前記ばね部材をはね
   上げるはね上げ部材が設けられ、前記トルクリミ
   ツタの作動時に、前記ばね部材と前記はね上げ部
   材が間欠的に衝突して超音波振動を発生するよう
   に構成されている超音波振動発信装置付工具ホル
   ダ。 ２ 前記ばね部材が前記本体外周に形成した環状
   溝又は軸方向に延びる溝に緩嵌された帯状の板ば
   ねであり、前記はね上げ部材が前記伝動部材に設
   けたピンであつて、前記板ばねの一端が屈曲して
   前記ピンに係合していることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の超音波振動発信装置付工具
   ホルダ。 ３ 前記本体と前記スピンドルとの間に軸方向へ
   衝動可能なフローテイング機構が設けられ、前記
   伝動部材が前記スピンドルの後端に軸方向へ相対
   的に変位可能に係合して連動連結されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の超音波振動発信装置付工具付ホルダ。