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【発明の名称】 工具保持部材
【発明者】 【氏名】小谷 恭弘

【氏名】石井 英

【要約】 【課題】摺動時に相手材を磨耗させず、自己も耐摩耗性に優れた工具マガジン用の保持金具を提供する。

【構成】工具マガジン3は複数の連結されたチェーン5を有している。チェーン5の側面には平面形状がコの字状の保持金具7が設けられている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
工作機械用の工具マガジンに着脱可能に設けられ、工具を着脱可能に保持する工具保持部材であって、
体積分率で、ガラス繊維を25〜35%、無機質充填材を30〜40%含有する熱硬化性樹脂からなることを特徴とする工具保持部材。
【請求項2】
前記熱硬化性樹脂はフェノール樹脂であることを特徴とする請求項1記載の工具保持部材。
【請求項3】
前記無機質充填材はガラス粉末であることを特徴とする請求項1記載の工具保持部材。
【請求項4】
曲げ強さが130MPa以上であることを特徴とする請求項1記載の工具保持部材。
【請求項5】
射出成形により製造されることを特徴とする請求項1記載の工具保持部材。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、工具保持部材に関するものである。
【背景技術】
【0002】
マシニングセンタのように、3次元形状を加工する工作機械においては、ドリル等の加工のための先端工具が多くの種類のものを必要とする場合がある。
従って、このような工作機械は工具を保持する工具マガジンを具備していることが多い。
【0003】
工具マガジンの構造は多様であるが、チェーンとスプロケットを具備する構造が多い。
このような構造では、チェーンに複数の保持金具が設けられており、保持金具に工具を保持する工具保持部材が着脱可能に設けられている。
【0004】
工作機械側が制御装置等を用いて、工具マガジン側に対して、特定の工具を送るように要求すると、工具マガジン側はスプロケットを回転駆動させて必要な工具を工具保持部材ごと所定の位置まで移動させる。
【0005】
そして、アーム等が工具保持部材を保持金具から抜き出し、最後に保持金具から工具を抜き出して工作機械側に搬送する。
【0006】
ここで、工具保持部材の材質は、かつては鋼材が用いられていたが、軽量化のために、近年では熱硬化性樹脂を用いることが多い。
この場合、圧縮成形により形成する方法もあるが、この場合コストや時間がかかる上に、強度が不十分であるため、射出成形によって成形することが多い。
【0007】
この場合、強度や寸法安定性の向上を図ってガラス繊維を含有させているものがあり、以下のようなものが知られている(特許文献1)。
なお、ガラス繊維の含有率は、体積分率で、例えば45〜55%程度である。
【特許文献1】特開2001-347434号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、このような工具保持部材では、ガラス繊維が表面に露出するため、工具保持部材を保持金具から抜き出す際にガラス繊維が保持金具を摩耗させてしまうという問題があった。
【0009】
さらに、その際にガラス繊維が保持金具から脱落することにより、保持金具自身も摩耗してしまうという問題があった。
【0010】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は摺動時に相手材を磨耗させず、自己も耐摩耗性に優れた工具マガジン用の保持金具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
前述した目的を達成するために、本発明は、工作機械用の工具マガジンに着脱可能に設けられ、工具を着脱可能に保持する工具保持部材であって、体積分率で、ガラス繊維を25〜35%、無機質充填材を30〜40%含有する熱硬化性樹脂からなることを特徴とする工具保持部材である。
【0012】
前記熱硬化性樹脂はフェノール樹脂である
前記無機質充填材はガラス粉末であってもよい。
前記工具保持部材は、曲げ強さが130MPa以上であり、射出成形により製造される。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、摺動時に相手材を磨耗させず、自己も耐摩耗性に優れた工具マガジン用の保持金具を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る工具保持部材1が設けられた工具マガジン3を示す平面図であって、図2は図1の工具保持部材1付近の側面図、図3は図2のA方向矢視図である。
【0015】
図1に示すように、工具マガジン3は外枠9の内部に複数の連結されたチェーン5を有している。なお、外枠9の一部は開口しており、搬入口11が設けられている。
【0016】
チェーン5に接触するようにスプロケット10a、10b、10cが回転可能に設けられ、スプロケット10a、10b、10cに設けられた図示しない歯車とチェーン5とが噛み合っている。
【0017】
図1および図2に示すように、チェーン5の側面には平面形状がコの字状の保持金具7が設けられている。
【0018】
保持金具7のコの字の内部には工具保持部材1が着脱可能に保持されている。
工具保持部材1は、角柱状の形状を有しており、軸方向に工具挿入孔13が設けられている。
【0019】
図3に示すように、工具保持部材1の対向する側面には、溝部15a、15bが設けられており、保持金具7を溝部15a、15bに挿入することによって工具保持部材1は保持金具7に保持されている。
【0020】
チェーン5およびスプロケット10a、10b、10cは、工具保持部材を移動させるための部材であり、スプロケットが回転することにより、チェーン5が移動する。
【0021】
保持金具7は工具保持部材1を保持する部材であり、材質は鋼材等である。
工具保持部材1は、工具を保持する部材であり、工具挿入口13には図示しない工具を挿入可能である。
工具挿入口13には、チャック等が設けられ、チャックにより工具が保持される。
【0022】
ここで、工具マガジン1の動作について簡単に説明する。
図示しない工作機械等から、工具マガジン1内の特定の工具を送るように指示があると、スプロケット10a、10b、10cは図1のB1、B2、B3方向に回転し、チェーン5をB5方向に移動させる。
【0023】
そして、特定の工具が挿入された工具保持部材1が搬入口11まで移動すると、スプロケット10a、10b、10cの回転は停止する。
【0024】
そして、図示しないアーム等が、特定の工具が挿入された工具保持部材1を図2のC1方向、もしくはC2方向に移動させ、保持金具7から抜き出す。
【0025】
最後に、図示しないアーム等が図示しない工具を工具保持部材1の工具挿入口13から引き抜き、工作機械へ搬入する。
【0026】
ここで、工具保持部材1を保持金具7から抜き出す際には工具保持部材1の溝部17a、溝部17bと保持金具7が摺動する。
従って、工具保持部材1の材質は耐摩耗性に優れ、かつ摺動の際の相手材である、保持金具7を摩耗させない材質である必要がある。
【0027】
次に、工具保持部材1の材質及び製法について詳細に説明する。
工具保持部材1を構成する材料の一つは熱硬化性樹脂であり、例えばフェノール樹脂が用いられる。
【0028】
これを射出成形装置を用い金型等に射出し、加熱することによって所望の形状に形成する。
射出成形を行うことにより、短時間で所望の形状を得るとことができ、また圧縮成形等の手段と比べて寸法精度が良好であるため、後加工も不要となる。
【0029】
また、工具保持部材1にはガラス繊維が含有されている。ガラス繊維を含有させることによる効果は2つある。
【0030】
第1は曲げ強さを上昇させる効果である。
フェノール樹脂単体では曲げ強さが70〜100MPa程度であるが、工具保持部材として要求される曲げ強さは130MPa以上であるため、補強材が必要となる。
【0031】
そこで、フェノール樹脂よりも曲げ強さに優れたガラス繊維を含有させ、いわゆる繊維強化を行うことにより、曲げ強さを130MPa以上にすることができる。
なお、ガラス繊維の繊維長は100μm程度である。
【0032】
第2は、成形安定性を高める効果である。
熱硬化性樹脂は硬化時に収縮するが、フェノール樹脂単体では収縮率が1%を超えており、成形安定性が悪いので、フェノール樹脂よりも収縮率が小さい材料を加えて収縮率を下げる必要がある。
【0033】
ガラスは、フェノール樹脂の硬化温度である120℃前後では、フェノール樹脂と比してほとんど膨張、収縮しないので、ガラス繊維を加えることにより、収縮率を下げ、成形安定性を高めることができる。
【0034】
しかしながら、ガラス繊維には、先に述べたように、摺動時に、相手材である保持金具7を摩耗させてしまうと同時にガラス繊維が脱落して工具保持部材1が摩耗する原因となるため、含有率を抑えることが望ましい。
【0035】
一方で、ガラス繊維の含有率を抑えると、曲げ強さと、成形安定性が低下してしまうという問題がある。
【0036】
これらの問題に対し、本出願人は鋭意検討の結果、ガラス繊維の含有率を従来より下げ、その分、無機質充填材の含有率を上昇させることにより、曲げ強さの低下を最低限に抑え、かつ成形安定性(収縮率)を従来と同程度に維持できることを発見した。
【0037】
無機質充填材とは、収縮率がフェノール樹脂よりも小さい無機物質の紛体であり、例えばガラス粉末である。
【0038】
無機質充填材そのものは、従来の工具保持部材にも含有されていたが、体積分率で5〜10%程度であり、工具保持部材の曲げ強さや成形安定性を左右する程度のものではなかった。
【0039】
しかし、無機質充填材には曲げ強さを上昇させる効果はあまり期待できないが、成形安定性を高める効果は、ガラス粉末を用いた場合、ガラス繊維と略同等である。
従って、無機質充填材の含有率を上昇させても成形安定性はほとんど変化しない。
【0040】
ここで、曲げ強さの低下を最低限に抑え、かつ成形安定性(収縮率)を従来と同程度に維持できるガラス繊維と無機質充填材の含有率は、ガラス繊維が体積分率で25〜35%、無機質充填材が30〜40%の場合である。
【0041】
かかる割合にすることにより、工具保持部材1の曲げ強さは130MPa以上に維持することができ、かつ成形安定性は、従来と略同等に保つことができる。
【0042】
なお、ガラス繊維の含有率をこれ以上増加させると、ガラス繊維が、摺動時に、相手材である保持金具7を摩耗させてしまうと同時に、脱落して工具保持部材1が摩耗する原因となるので、好ましくない。
【0043】
また、ガラス繊維の含有率をこれ以上低下させると、工具保持部材1の曲げ強さが低下し、130MPa以下になる恐れがあるので、好ましくない、
【0044】
一方、無機質充填材の含有率をこれ以上増加させると、工具保持部材1の曲げ強さや硬度が上昇し、摺動時に、相手材である保持金具7を摩耗させる原因となるので好ましくない。
【0045】
また、無機質充填材の含有率をこれ以上低下させると、フェノール樹脂の含有率が増加し、工具保持部材1の成形安定性が悪化するので好ましくない。
従って、ガラス繊維と無機質充填材の含有率は、ガラス繊維が体積分率で25〜35%、無機質充填材が30〜40%にする必要がある。
【0046】
このように、本実施の形態によれば、工具保持部材1は、ガラス繊維および無機質充填材を含有するフェノール樹脂を射出成形して成形され、ガラス繊維の含有率が体積分率で25〜35%、無機質充填材の含有率が30〜40%である。
【0047】
従って、工具保持部材1は、摺動時に相手材を磨耗させず、自己も耐摩耗性に優れている。
【実施例1】
【0048】
次に、本実施形態に係る工具保持部材1を構成する材料を用いて摩耗試験を行った結果について説明する。
図4は摩耗試験に用いた材料の組成および物性を示す表である。
【0049】
まず、各組成について簡単に補足説明する。
組成は、いずれの材料も残余は同材質のフェノール樹脂である。
【0050】
また、組成のうち、ガラス粉末Bとガラス粉末Cは曲げ強度が互いに異なり、ガラス粉末Bの方が曲げ強度が大きい。
パルプ質充填材とは、布材のことである。
【0051】
次に、作成したサンプルとその組成、物性について比較説明する。
「現行品」とあるのは、従来の工具保持部材を構成する組成のサンプルであり、ガラス繊維を体積分率で45〜55%と、他のサンプルよりも多く含有しているのが特徴である。
【0052】
現行品の特性を見るに、曲げ強さ、曲げ弾性率、圧縮強さ、ロックウェル硬度、シャルピー衝撃強さのいずれも他のサンプルより高い値を示し、成形収縮率も最も低い。
即ち、ガラス繊維を含有させることにより、曲げ強さを強化し、かつ成形安定性が良好になっていることが分かる。
【0053】
一方、「現行品(圧縮成形)」とあるのは、圧縮成形により成形したサンプルである。なお、他のサンプルは全て射出成形である。
現行品(圧縮成形)の物性を見ると、ガラス繊維は含有されておらず、パルプ質充填材および木粉が含有されている。
【0054】
現行品(圧縮成形)の特性を見ると、曲げ強さ、曲げ弾性率が他のサンプルと比べて半分以下であり、成形収縮率が最も悪い。従って、ガラス繊維を含有させず、かつ、射出成形で形成しないと特性が悪いことが分かる。
【0055】
次に、「本発明品」とあるのは、本実施形態に係る工具保持部材1を構成する材料を用いたサンプルであり、即ち、組成を見ると、ガラス繊維が25〜35%、無機質充填材が30〜40%含有されている。
【0056】
本発明品の特性を見ると、曲げ強さ、曲げ弾性率、圧縮強さ、シャルピー衝撃強さは、現行品より低いものの、他のサンプルよりは良好であり、また、成形収縮率も現行品より大きいものの、他のサンプルよりは良好である。
【0057】
比較品1および比較品2は、ガラス繊維の含有量を本発明品以下にしたサンプルであり、比較品1はテフロン(登録商標)系滑材を、比較品2はカーボン系滑材を含有している。
【0058】
比較品1の特性を見ると、曲げ強さ、曲げ弾性率、ロックウェル硬度、シャルピー衝撃強さが本発明品より低く、ガラス繊維の含有量が少ないと強度が低下することが分かる。
【0059】
比較品2の特性を見ると、曲げ弾性率は本発明品よりも高いものの、曲げ強度、圧縮強さ、ロックウェル硬度、シャルピー衝撃強さが本発明品より低く、ガラス繊維の含有量が少ないと強度が低下することが分かる。
【0060】
比較品3は、比較品2において、カーボン系滑材の含有率を下げ、ガラス繊維の含有率を上げたものである。
【0061】
比較品3の特性を見ると、曲げ強さ、曲げ弾性率、圧縮強さは本発明品と同等であるが、シャルピー衝撃強さが本発明品より低く、ガラス繊維の含有量が少ないと強度が低下することが分かる。
【0062】
比較品4は、比較品2において、ガラス繊維の含有率を上げたものである。
比較品4の特性を見ると、曲げ弾性率は本発明品より高いものの、曲げ強度、圧縮強さ、シャルピー衝撃強さが本発明品より低く、ガラス繊維の含有量が少ないと強度が低下することが分かる。
【0063】
次に、各サンプルの成形品と金属片との摺動による摩耗試験を行った結果について説明する。
図5は摩耗試験の結果を示す図である。
なお、サンプル1、サンプル2とあるのは、2つのサンプルで試験を行ったことを示す。
【0064】
図5に示すように、本発明品の摩耗量は、成形品、金属片共に、現行品の摩耗量を大きく下回り、耐摩耗性に優れていることが分かった。
【0065】
同様に、比較品1〜5も摩耗量は、成形品、金属片共に、現行品の摩耗量を下回った。
【実施例2】
【0066】
次に、これらのサンプルのうち、現行品、現行品(圧縮成形)および成形品の摩耗量が他のサンプルより小さかった、本発明品、比較品2、比較品5について、図2に示すような実際の工具保持部材1の形状に成形し、水平方向に保持金具7への抜き差しを繰り返すことによる摩耗試験を行い、工具保持部材1の摩耗深さを測定した。
図6〜図12は、摩耗試験の結果を示すグラフである。
【0067】
なお、試験条件について補足すると、保持金具の材質は一般構造用圧延鋼材(SS400相当品)であり、表面に亜鉛メッキを施した後に、クロメート処理と呼ばれる化成処理を施したものである。
【0068】
また、保持金具7への抜き差しは50回/分の速度で行い、これを20万回繰り返した。
さらに、工具保持部材1に工具が挿入された状況を想定し、工具保持部材1に対し、鉛直方向に8kgの荷重をかけた状態で試験を行った。以上の結果を図6〜図12に示す。
【0069】
ここで、図6〜10は、各サンプルごとの実測値を表示したグラフであり、図11は図6から図10のデータを全て表示したグラフである。また図12は各サンプルごとの平均値を表示したグラフである。
【0070】
なお、摩耗深さは図2に示す溝部11a、11bの端部である原点部31を原点にして表示している。
また、サンプル1、サンプル2とあるのは、2つのサンプルで試験を行ったことを示す。
【0071】
図6〜12に示すように、本発明品は最も摩耗深さが小さく、摩耗量(グラフの面積で表される部分)も小さかった。
一方で現行品、現行品(圧縮成形)は摩耗深さ、摩耗量が本発明品の2〜3倍であった。
【0072】
比較品1の摩耗深さは本発明品と現行品(圧縮成形)の中間程度であった。
比較品5については、摩耗量は本発明品と同程度であるが、最大摩耗深さが本発明品よりも大きかった。
【0073】
以上より、本発明品が、最も優れた耐摩耗性を有していることが分かった。
【0074】
以上、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【0075】
【図1】工具保持部材1が設けられた工具マガジン3を示す平面図
【図2】図1の工具保持部材1付近の側面図
【図3】図2のA方向矢視図
【図4】摩耗試験に用いた材料の組成および物性を示す表
【図5】摩耗試験の模式図
【図6】摩耗試験の結果を示すグラフ
【図7】摩耗試験の結果を示すグラフ
【図8】摩耗試験の結果を示すグラフ
【図9】摩耗試験の結果を示すグラフ
【図10】摩耗試験の結果を示すグラフ
【図11】摩耗試験の結果を示すグラフ
【図12】摩耗試験の結果を示すグラフ
【符号の説明】
【0076】
1…………工具保持部材
3…………工具マガジン
5…………チェーン
7…………保持金具
9…………外枠
10………スプロケット
11………搬入口
13………工具挿入口
15a……溝部
【出願人】 【識別番号】000233239
【氏名又は名称】日立機材株式会社
【出願日】 平成18年6月22日(2006.6.22)
【代理人】 【識別番号】100096091
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 誠一


【公開番号】 特開2008−842(P2008−842A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2006−172127(P2006−172127)