JP6767779B2 - チャック装置及びワークチャック方法 - Google Patents

Description

本発明は、主軸の回転中心から離れた外側に位置する第１チャック機構と、主軸の回転中心に近い内側に位置する第２チャック機構とを備えたチャック装置及び、そのチャック装置によるワークチャック方法に関する。
に関する。

工作機械などでは、主軸に対して加工対象であるワークをセットする構成としてチャック装置が使用される。そうしたチャック装置は、例えば、主軸の回転中心と、クランプしたワークの中心との芯ずれを吸収する手段として、フローティングチャック機構が提案されている。下記特許文献１には、フローティング部材を介して主軸にチャック装置を取り付けることで、チャック装置が主軸の中心線と直交する方向にスライド可能な構成が提案されている。このフローティングチャック機構によれば、フローティング部材が変位することにより、チャック装置が自動的に芯出しされてズレを吸収することが可能になる。

特開２００８−２４６６３２号公報

しかし、こうした従来の主軸チャックの構造では、フローティング部材がチャック装置と主軸との間に挟まれるようにして配置されているため、チャック装置に対してワークをクランプさせる動力を主軸側から伝達するための伝達機構をいかに構成するかが問題となる。また、フローティング部材をチャック装置と主軸との間に挟み込むような構成では、その個所の剛性を低下させてしまい、加工精度を上げることができないおそれがある。更に、新たにフローティング部材が追加されたことにより、部品点数が増してコストアップになるだけではなく、メンテナンス及び寿命や破損による部品交換などの負担が増加するおそれがある。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、内部にフローティング機構を備えたチャック装置及び、そのチャック装置によるワークチャック方法を提供することを目的とする。

本発明に係るチャック装置は、主軸の回転中心から離れた外側に配置された第１チャック機構と、主軸の回転中心に近い内側に配置された第２チャック機構とを備え、回転する主軸に対してワークを保持するためのものであって、前記第１チャック機構は、基準位置に合わせてワークをクランプするものであり、前記第２チャック機構は、回転軸側に固定されたベース部材に対して径方向に隙間をもったフローティング状態で組み付けられ、前記第１チャック機構によるクランプ位置に合わせて前記ワークをクランプするものであり、ドローバに連結され軸方向に移動可能な筒形状のコレット部材と、前記コレット部材の外側に配置され前記コレット部材とテーパ面同士が摺接したガイド部材とを備え、前記コレット部材の内側への変形によってワークをクランプし、前記ガイド部材が、前記ベース部材に対して径方向の隙間が生じるように取付部材によって取り付けられたものである。

本発明によれば、第１チャック機構においてワークを基準位置に合わせてクランプした後、フローティング状態で組み付けられた第２チャック機構では、位置決めされたワークに合わせて変位した位置で当該ワークをクランプすることができる。

主軸装置を示した断面図である。 チャック装置の一実施形態を示した断面図である。 ワークのクランプ状態を正面側から示した簡略図である。 第１チャック機構を拡大して示した断面図である。 第２チャック機構におけるフローティング構造の一部拡大断面図である。 第２チャック機構におけるフローティング構造の一部拡大断面図である。

次に、本発明に係るチャック装置及びワークチャック方法の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、主軸装置を示した断面図である。この主軸装置１は、工作機械の主軸を構成するものであり、先端部にはワークをクランプするためのチャック装置５が備えられている。主軸装置１は、円筒形状の主軸台１１内にスピンドル１２が回転自在に組み付けられ、そのスピンドル１２の先端部にチャック装置５が取り付けられている。

スピンドル１２にはプーリ１３が固定され、スピンドルモータ（不図示）の回転軸に固定されたプーリとの間にベルト１４が掛け渡されている。また、スピンドル１２には、回転数を検出するためのエンコーダ（不図示）が設けられており、そのスピンドル１２に固定されたプーリ１５とエンコーダ側のプーリとの間にもタイミングベルト１６が掛け渡されている。そのため、回転制御されたスピンドルモータからスピンドル１２を介してチャック装置５に回転が伝達され、クランプされたワークに対して加工時の回転が与えられることとなる。

また、スピンドル１２の内部には筒形状の第１ドローバ１７と第２ドローバ１８とが二重になって挿入され、それぞれに対してチャック装置５を駆動させるための伸縮アクチュエータが設けられている。本実施形態では、伸縮アクチュエータとして油圧シリンダが使用され、第１ドローバ１７には第１シリンダ２１のピストンが一体に形成され、第２ドローバ１８には第２シリンダ２２のピストンが一体に形成されている。従って、インジューサ２３を介して行われる作動油の給排油により、第１シリンダ２１と第２シチリンダ２２とがそれぞれが独立して軸方向（ＸＲ方向及びＸＬ方向）に作動し、第１ドローバ１７および第２ドローバ１８を介したチャック装置５への出力が行われる。

第２ドローバ１８は、第２シリンダ２２を軸方向に突き抜けて主軸装置１の後方側（ＸＬ側）にあるインジューサ２４まで延びている。そして、第２ドローバ１８の内部にはエアパイプ１９が挿入されており、インジューサ２４の第１ポート２４１からは圧縮エアがエアパイプ１９内に供給され、第２ドローバ１８とエアパイプ１９との間の円筒空間には第２ポート２４２からクーラント液が供給されるようになっている。よって、こうした圧縮エアやクーラント液は、それぞれ軸心部分の流路を通ってチャック装置５へと送られることとなる。

次に、図２は、本実施形態のチャック装置を示した断面図である。また、図３は、ワークのクランプ状態を正面側（図２の右側）から示した簡略図である。このチャック装置５は、一つのワークＷに対して第１シリンダ２１の出力によるクランプを実行する第１チャック機構７と、第２シリンダ２２の出力によるクランプを実行する第２チャック機構８とを有している。なお、図３には第１チャック機構７が示されている。

チャック装置５は、スピンドル１２にベース部材３１が固定され、回転するベース部材３１に対して第１チャック機構７及び第２チャック機構８が一体的に組み付けられている。第１チャック機構７は、第１ドローバ１７に対して円筒形状の第１伝達部材３２がネジ部の螺合によって固定され、スピンドル１２に固定された軸受部材３３を貫き、摺動可能に支持されている。その第１伝達部材３２にはアーム部材３４が連結され、その先端部分に操作軸３５が連結されている。この第１チャック機構７は、図３に示すように３つのトップジョー４０がクランプ爪となってワークＷをフェースクランプするものであるため、アーム部材３４には３本の操作軸３５がそれぞれの位置に連結されている。

そして、操作軸３５には回転軸３６が連結されている。一方、ベース部材３１には支持部材４１が固定され、その支持部材４１に対して回転軸３６を保持するケース部材３８が固定されている。ケース部材３８の挿入孔に摺動可能に挿入された回転軸３６は、一端部側が筒状に形成され、その内部に操作軸３５が挿入されて２軸が同軸上に重ねられている。そして、重なり合った部分を径方向にピン３７が貫いて操作軸３５と回転軸３６が連結されているが、回転軸３６側には軸線に対して斜めに切られたリード溝３６１が形成され、操作軸３５が軸方向に変位することにより、その操作軸３５側に固定されたピン３７がリード溝３６１内を移動するようになっている。

また、回転軸３６の内部にはスプリング３９が挿入され、回転軸３６と操作軸３５との間には軸方向に弾性力が作用している。そして、その回転軸３６の端部にはワークＷをクランプするトップジョー４０が固定されている。従って、この第１チャック機構７では、操作軸３５が軸方向（ＸＲ方向及びＸＬ方向）に移動することにより、そのリード溝３６１内を移動するピン３７に押されるようにして回転軸３６が回転し、トップジョー４０には、軸方向の移動とともに図３に示すように旋回が与えられることとなる。これにより、ワークＷは前面側（図面右側）から当てられたトップジョー４０によってクランプ及びアンクランプされる。

本実施形態では、ワークＷに対して前面側からトップジョー４０が押し当てられるため、その裏側には当金４３が配置されている。そして、その当金４３には位置決ピン４４が形成されている。図３に示すように、ワークＷは複雑な形状をしているため、部品として組み付ける際の基準位置とする組み付け用の位置決穴Ｗｈが形成されている。従って、工作機械における加工時でも、その位置決穴Ｗｈがクランプ時の基準位置として使用され、当金４３に形成された位置決ピン４４が位置決穴Ｗｈへ挿入されるようになっている。よって、第１チャック機構７によるワークＷのクランプが、加工時におけるワークＷの基準位置を決定することとなる。

チャック装置５は、第１チャック機構７のほかにも、加工時に生じるビビリなどを無くしてワークＷを安定させるため、主軸の回転中心に近い内側でワークＷをクランプする第２チャック機構８が設けられている。しかし、２つのチャック機構によって行われる各々のクランプにズレが生じていた場合、両者のクランプによって加わる力がワークＷを変形させてしまい加工精度を低下させてしまうおそれがある。そこで本実施形態では、第１チャック機構７によってワークを基準位置に位置決めするとともに、第２チャック機構８が当該位置決めに倣うように構成されている。

図４は、第２チャック機構８の部分を拡大して示した断面図である。第２チャック機構８は、第２ドローバ１８に対して円柱形状の第２伝達部材５１が連結され、その第２伝達部材５１が第２支持部材４１の中心部分を貫通して摺動可能に支持されている。そして、第２伝達部材５１には、連結部材５６によってコレット部材５５が取り付けられている。連結部材５６は、第２伝達部材５１に対してネジ部によって締結され、そうした連結部材５６と第２伝達部材５１との間に形成された環状溝内に、コレット部材５５の内側フランジが挟み込まれるようにして組み付けられている。よって、コレット部材５５は、第２ドローバ―１８に従って軸方向に移動するように構成されている。

コレット部材５５は、その径方向の外側にガイド部材５３があり、内側にはクランプ部材５７がある。コレット部材５５とガイド部材５３とは、テーパ面を介して互いが接しているため、コレット部材５５がＸＬ方向へ引っ張られることにより、そのコレット部材５５が回転中心側すなわち径方向内側に撓められる。そして、撓んだコレット部材５５によって内側のクランプ部材５７が押され、ワークＷを包み込むように把持するクランプが行われるようになっている。一方、コレット部材５５がＸＲ方向へ押された場合には、クランプ部材５７からワークＷを解放するアンクランプが行われる。

支持部材４１にはベース部材５２がボルトの締結によって固定され、そのベース部材５２にはストリッパボルト６１が締結され、ガイド部材５３がそのストリッパボルト６１によってベース部材５２に取り付けられている。ガイド部材５３の取付孔５３１は、ストリッパボルト６１との間に隙間が生じる寸法で形成されている。また、ガイド部材５３はベース部材５２の凹部５２１に嵌め込まれているが、ここにも隙間があるため、ガイド部材５３はベース部材５２に対して変位が可能な状態で取り付けられている。つまりガイド部材５３は、ベース部材５２に対してフローティング状態で組み付けられている。

ガイド部材５３にはクランプ部材５７がボルト６２によって締結されて一体になっている。そうしたガイド部材５３とクランプ部材５７との間にはコレット部材５５が配置され一体的に構成されているが、ボルト６２が通る貫通孔には摺動可能なブシュ６３が嵌め込まれ、コレット部材５５は、ガイド部材５３とクランプ部材５７との間を軸方向に変位可能な構成となっている。よって、軸方向に不変のクランプ部材５７に対してコレット部材５５が軸方向に変位することにより、前述したワークＷのクランプおよびアンクランプが行われる。

クランプ部材５７は、連結部材５６にも嵌め込まれて一体的な構成となっている。また、円筒形状をしたクランプ部材５７の内部側にはワークＷを位置決めするためのサポート部材５８がねじ止めされている。このサポート部材５８は、クランプ部材５７や第１チャック機構７によってクランプする前段階の不安定なワークＷをチャック装置５において保持するものである。円筒形状をしたサポート部材５８の内部には、第２伝達部材５１、連結部材５６、クランプ部材５７およびサポート部材５８に形成された貫通孔からなるクーラント流路６５が構成されている。また、第１チャック機構７側にもクーラント流路６６が形成されている。そのため、第２ドローバ１８内を通して送られるクーラント液がクーラント流路６５，６６を通ってワークＷに吹き付けられるようになっている。

続いて、チャック装置５におけるワークＷのクランプおよびアンクランプは次のように行われる。先ず、ワークＷは、主軸の回転中心にあるサポート部材５８に突出部Ｗａが挿入されるほか、位置決穴Ｗｈに位置決ピン４４が挿入されるようにして当金４３に当てた位置決めが行われる。そして、ワークＷのチャックに際して、第１チャック機構７におけるクランプが先行して行われ、その後に第２チャック機構８におけるクランプが行われる。

第１チャック機構７のクランプでは、第１シリンダ２１の作動により第１ドローバ１７がＸＬ方向に移動し、それに連動して第１伝達部材３２、アーム部材３４および操作軸３５が同方向に引っ張られるようにして変位する。通常のトップジョー４０は図３の一点鎖線で示す位置にあるが、操作軸３５がＸＬ方向に移動することにより、リード溝３６１内をピン３７が移動することで回転軸３６が回転し、トップジョー４０が図３の実線で示す位置に旋回する。トップジョー４０は、その先端部がワークＷの縁部に位置するとともに、回転軸３６を介してＸＬ方向に変位することにより、ワークＷを前面側から押え込んだクランプが行われる。

一方、この第１チャック機構７がワークＷをアンクランプする場合は、第１シリンダ２１の作動により第１ドローバ１７がＸＲ方向に移動し、それに連動して第１伝達部材３２、アーム部材３４を介して操作軸３５が同方向に押されるように変位する。そして、リード溝３６１内をピン３７が移動し、回転軸３６が回転することでトップジョー４０が旋回し、図３の実線で示す位置から一点鎖線で示す位置へとトップジョー４０の先端部がワークＷから離れながら移動する。

次に、前述した第１チャック機構７の第１クランプの後は、第２チャック機構８による第２クランプが行われる。その際、クランプ動作の前に第２チャック機構８の芯出しが行われる。その芯出し工程では、チャック装置５に対して回転が与えられる。具体的には、スピンドルモータからスピンドル１２に所定回転数の回転が所定時間だけ与えられ、そのスピンドル１２と一体のベース部材３１を介してチャック装置５全体が回転することとなる。

そのため、チャック装置５には遠心力が作用し、第２チャック機構８では、フローティング構造となっているガイド部材５３、コレット部材５５、クランプ部材５７およびサポート部材５８がベース部材５２内を径方向に変位することとなる。よって、第１クランプ状態で第２チャック機構８の中心位置がワークＷの突出部Ｗａの中心位置との間でズレが生じていたとしても、ワークＷを直接把持するクランプ部材５７やガイド部材５３などが、ワークＷ（突出部Ｗａ）の位置に倣って径方向に変位する芯出しが行われることとなる。そして、その芯出し後に第２クランプが行われる。

第２チャック機構８の第２クランプは、第２シリンダ２２の作動により第２ドローバ１８がＸＬ方向に移動し、それに連動して第２伝達部材５１およびコレット部材５５が同方向に引っ張られるように変位する。そして、コレット部材５５は、ガイド部材５３と接するテーパ面を摺動して内側に撓められ、それによりクランプ部材５７が押されてワークＷ（突出部Ｗａ）を把持する第２クランプが行われる。一方、ワークＷをアンクランプする場合には、第２シリンダ２２の作動により第２ドローバ１８がＸＲ方向に移動し、それに連動して第２伝達部材５１およびコレット部材５５が同方向に押されて変位する。そして、コレット部材５５は、ガイド部材５３と接するテーパ面により撓みが戻されて、クランプ部材５７によるワークＷの押え付けが解かれる。

ところで、第２チャック機構８のフローティング構造は、ベース部材５２に対してガイド部材５３がストリッパボルト６１によって取り付けられている。この場合、ガイド部材５３は、ストリッパボルト６１やベース部材５２に対して芯出し方向である径方向には隙間が設けられているが、軸方向にはベース部材５２と接している。芯出しはチャック装置５を回転させた遠心力によって行われるため、ガイド部材５３とベース部材５２との間の接触抵抗が大きいと、芯出し動作が妨げられることになる。そこで、接触抵抗を低減させるため第２チャック機構８として次のような構成が有効である。

図５および図６は、図２に示す矢印Ｐの拡大図である。先ず、図５に示す第１案について説明する。ガイド部材５３は、ベース部材５２の凹部５２１内に挿入され、互いに軸方向に向かい合う端面５３３と底面５２３とが当たって接触抵抗を生じさせる。そこで、ガイド部材５３の端面５３３は、断面が台形の凸部５３５が外縁に沿って環状に形成されたものとする。こうしてベース部材５２の底面５２３との接触面積を小さくすることで、遠心力に対する接触抵抗を小さくして、ガイド部材５３などの変位がスムーズに行われるようになる。なお、この凸部５３５は、端面５２３の外縁に沿った位置に限らず、中心側に形成されたものであってもよい。

次に、図６に示す第２案について説明する。ここでは、ガイド部材５３の端面５３３に、断面が台形の凸部５３７が中心部側において環状に形成され、その位置に合わせてベース部材５２の底面５２３に環状凹部５２５が形成され、そこに複数のボール６８が挿入されている。従って、軸方向に見た場合、ガイド部材５３とベース部材５２とは、直接接することなくボール６８を介して端面５３３と底面５２３とが配置されているため、径方向に移動するガイド部材５３がボール６８に支えられ、接触抵抗がより小さくなって遠心力による芯出しがスムーズに行われることとなる。

よって、本実施形態では、第１チャック機構７がワークＷをクランプした後、フローティング構造を有する第２チャック機構８において芯出しを行うようにしたため、第１チャック機構７のクランプにおける基準位置に対して第２チャック機構８のクランプ位置を合わせることができる。２組のチャック機構に基準位置に対するズレが生じていたしても、第２チャック機構８側がズレを吸収することにより、ワークＷに負荷をかけることなくクランプして加工を行うことができる。しかもチャック装置５は、フローティング構造を内蔵したものであるため、従来例のように別部材として部品点数を増やすことなく、また剛性低下や伝達機構の構造的不具合なども生じることはない。

また、本実施形態のフローティング構造は、ベース部材５２に締結されたストリッパボルト６１によってガイド部材５３が取り付けられ、そのストリッパボルト６１とガイド部材５３との間に隙間が設けられたものであるため、構造が簡単であり、従来のチャック装置に対して大幅な設計変更を施す必要もない。また、チャック装置５を回転させた遠心力によって第２チャック機構８の芯出しを行うようにしたため、人による作業は必要なく、加工時に一工程を追加するだけで大幅な時間をかけずに芯出しを行うことができる。更に、図５や図６に示すように接触抵抗を小さくする構成を追加することにより、第２チャック機構８における芯出しをより正確に行うことができる。

以上、本発明のチャック装置及びワークチャック方法の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態の第１チャック機構７は、トップジョー４０によるフェースクランプチャックが構成されているが、ワークＷが前記実施形態のものに限定されることはないため、第１チャック機構も様々なワークに対応するクランプ構造のものが対応可能である。

また、前記実施形態では、取付部材としてストッパボルト６１を使用し、径方向に隙間が生じるようにガイド部材５３をベース部材５２に取り付けたフローティング構造としたが、径方向に隙間が生じる構成であればこれ以外の構成であってもよい。
また、例えば、図５および図６に示す凸部５３５，５３７や複数のボール６８を入れた環状凹部５２５は、ガイド部材５３およびベース部材５２に対して逆に構成されたものであってもよい。

１…主軸装置 ５…チャック装置 １２…スピンドル １７…第１ドローバ １８…第２ドローバ１８ ２１…第１シリンダ ２２…第２シリンダ ３５…操作軸 ３６…回転軸 ４０…トップジョー ４３…当金 ４４…位置決ピン ５２…ベース部材 ５３…ガイド部材 ５５…コレット部材 ５７…クランプ部材 Ｗ…ワーク

Claims (5)

1. 主軸の回転中心から離れた外側に配置された第１チャック機構と、主軸の回転中心に近い内側に配置された第２チャック機構とを備え、回転する主軸に対してワークを保持するためのチャック装置において、
   前記第１チャック機構は、基準位置に合わせてワークをクランプするものであり、
   前記第２チャック機構は、回転軸側に固定されたベース部材に対して径方向に隙間をもったフローティング状態で組み付けられ、前記第１チャック機構によるクランプ位置に合わせて前記ワークをクランプするものであり、ドローバに連結され軸方向に移動可能な筒形状のコレット部材と、前記コレット部材の外側に配置され前記コレット部材とテーパ面同士が摺接したガイド部材とを備え、前記コレット部材の内側への変形によってワークをクランプし、前記ガイド部材が、前記ベース部材に対して径方向の隙間が生じるように取付部材によって取り付けられたものであることを特徴とするチャック装置。
2. 前記第２チャック機構は、軸方向に接する前記ベース部材と前記ガイド部材の一方に突起部が形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のチャック装置。
3. 前記第２チャック機構は、軸方向に対面する前記ガイド部材と前記ベース部材の一方に、複数のボールが保持されたものであることを特徴とする請求項１に記載のチャック装置。
4. 前記ベース部材には、ワークを基準位置に合わせて配置させる当金が固定され、
   前記第１チャック機構は、前記当金との間でワークを軸方向に挟み込んでクランプするクランプ手段を備えたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のチャック装置。
5. 主軸の回転中心から離れた外側に配置された第１チャック機構と、主軸の回転中心に近い内側に配置された第２チャック機構とを備え、回転する主軸に対してワークを保持するチャック装置のワークチャック方法であり、
   前記第１チャック機構により基準位置に合わせてワークをクランプする第１クランプ工程と、
   前記第１チャック機構と共に組付けられたベース部材に対して径方向に隙間をもったフローティング状態の前記第２チャック機構を、前記主軸の回転軸に固定された前記ベース部材とともにアンクランプ状態のまま回転させ、前記第２チャック機構に対して遠心力を作用させる芯出し工程と、
   前記第２チャック機構によりワークをクランプする第２クランプ工程と
   を有することを特徴とするワークチャック方法。
   

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