門脇義次・斎藤輝雄・佐藤欣也・清水武史

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−17−

チャックのつめ結合部の剛性に関する基礎研究 一チャッキングの基礎研究（第11報）−

門脇義次・斎藤輝雄・佐藤欣也・清水武史

BasicStudyonJointStiffnessonChuckJaw

‑BasicStudyonChucking(11thReport)‑

YoshitsuguKADowAKI,TeruoSAITo, KinyaSATo,TakesiSIMIzu

（昭和62年10月31日受理）

I

Workpiecechuckingdeviceisbottleneckinmachiningsystem. Inthecaseoflathechuck, theselfturningorjawchangingmustbeperformedtofitchuckigsurfaceofjawtoworkpiece diameter.Whenjawischanged, topjawmustbefixedtomasterjawbymeansofjawboltor anotherfixingmethedthroughcontactsurface. Inthiscase, stiffnessofthejointmustbe consideredandtheknowledgeofjointstiffnessbecomesimportantbecausenewjawchanging systemshasbeendeveloped. Inthepresentstudy,aninspectingdeviceofjawstiffnessis developedandeffectsofjointsurfaceandjawboltonthestiffnessarestudied.

を取扱った研究例は見受けられないようである。

本報では，従来の手動によるつめの交換に際して はもちろん，今後開発が予想される新しいつめの交 換機構にも活用できるような，つめ結合のための基 礎資料を提示することを目的として，つめの剛性を 実験的に求める方法を提案し， この方法によって得 られる，つめの結合条件とつめ全体の剛性との関連

を明らかにしている。

1 ． はじめに

近年，工場の自動化，機械加工のシステム化等が 広く浸透していくなかで，工作物取付具のみは依然 として機械加工システムの隔路の一つのまま取I)残 きれているように見受けられる。このようなことか ら，高速切削への対応，柔軟性を考慮した工作物自 動着脱への対応など，工作物取付具の新たな見直し が求められている。

工作物自動着脱に限らず，旋盤作業では工作物取 付部分の剛性を増すためにチャ､ソクのつめの把握面 を工作物直径と等しくする必要があり，つめの中ぐ I)切削またはつめの交換が必要である。このため，

FMS(フレキシブノレ生産システム）に関連して，つ めの自動交換を経済的に行なうための研究開発がそ の機構の研究を中心として盛んに行なわれてい る')。ところで，こうして交換されるつめはなんらか の結合部を介してチャ.ソク本体に取り付けられるわ けで， この結合部分に起因する剛性の低下が予想さ れる。こ･のような， いわゆる結合部剛性に関しては 有限要素法による研究2)，工作機械結合部について の系統的な研究がある3)。いつぽう，これまでのつめ チャックの研究例では，マスタージョウとト ､ソフ･

ジョウは一体としており4)， この部分の結合部岡ﾘ性

2．実験装置および方法

１１１

図1は三つづめスクロールチャックに工作物を把 握した状態を示している。図1のように， トップジョ

ウは結合面Aを介して2本のつめボルトによりマ スタージョウに取付けられている。いま，垂直方向 に位置するつめに注目すると，工作物の把握によっ てつめには把握力に相当する下向きの力Fが作用 することになる。以下では， このように垂直下方に あるつめに注目してモデル化を行ない，図1のよう に，つめの先端のB点における水平方向ならびに垂 直方向変位が測定されている。

図2は実験装置の概念図である。チャックのつめ

の状態を再現するため，図2に判『てもトップジョ

ウは結合面Aを介して，コラムと一体に作られたマ

、 1

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昭和63年2月

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門脇義次・斎藤輝雄・佐藤欣也・清水武史

１１

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チャックのつめにおける結合部と変位の測定

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一 TOpjow b) Serruloted type joint 図4 供試結合面（トツプジョウ）

ＩＩＩＩＩＩＩＩ１ ＩＩＩＩＩＩ０ＩＩ１

Joint surfoce

○○

④

の︑一

スタージョウに2本のつめボルトにより取付けられ る。この取付状態を一定とするため，つめボノレトの ひずみによって引張力が測定される。図2に示され るように同じ条件でトップジョウを取付けた2個の つめを向い合せ， トップ･ビームとベースによI)一体 化した門型構造にする。荷重を加えるには，図3に 詳細を示すように， トップビームの中央に明けた長 穴を通して板状の荷重片が差し込まれる。この荷重 片を2個のつめをまたく．ように2個のつめの上端に 接触させ，つめの把握力に相当する荷重を加える。

負荷の方法は万能試験機を用いた圧縮試験と同様で

ある。

図3に示されるように2個のトップ｡ジョウが対称 に配置されて，つめの取付条件を等しくしてあるた め,つめの変形も対称であると考えられる。したがっ て，荷重のためつめが傾斜して， 口開きが生じた場 合でも，荷重片は傾斜せず水平が保たれるはずであ る。このことはチャックに工作物を把握する際工作 物の傾斜がない理想の把握状態に相当している。 ま

た，つめの変形はつめ先端の垂直および水平方向変

図2 実験装置の概略図

Loodingunit

t

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②

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o〜d :Meosuringpoints

図3 実験装置の詳細図

秋田高専研究紀要第23号

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チャ･ソクのつめ結合部の剛性に関する基礎研究

表1 供試結合面

､｣‑〃《 備考

潴称 ｢迅甥

生づめと一体構造 マスタジョウに直接取付

ノグ

Tナット使用による取付

〃

I蔚さ3， 輻26

ピッチ3̲0, 高さ2.2

" 3.0, " 1 .0

" 3.0 " 2.2

" 3.0, " 1.0 1丈さ12,

lll角60,

〃90，

〃60

〃90，

Key Ser、80 Ser.90 SeT，60T Ser.90T キー

セレーション

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ノノ

ノノ

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Nol No.2 W.3 SeK"

Troctionforce in jowbolt : 12KN

Lood :"KN

図7 つめと荷重片の接触状態

『

b) Serrot ion90

図5 供試セレーション形状

聖4型 ll

る90度と日本で使用されている60度の2種類， ざ らに， セレーションはマスタージョウに直接ボルト 締めされる場合(Ser.60およびSer.90)とTeeボル

トを介して締められる場合(Ser.60TおよびSer.

90T)である。図5は供試セレーション形状の比較，

図6は供試Teeスロットの形状を示している。

これら一般のつめ結合面との比較のため， キーも セレーションもない平面同志が接触する場合 (Flat), およびマスタージョウとトップ°ジヨウの間 に結合面のない一体形(Solid)についても同様に実

験している。

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3． 実験結果と考察

図6 供試Teeスロット

まず， トップ。ジョウと荷重片との接触状態を検討 する。図7は感圧紙法によりつめと荷重片の接触状 態を見たものである。つめ先端の圧力が若干低く､

なっているものの，両方のつめの接触状態はほぼ等 しく ，本装置の目的の一つである対称なつめの接触 が得られている。

図8は負荷一除荷曲線の一例である。すなわち，

つめあたりの荷重を横軸とし，垂直方向ならびに水 位として， てこ式電気マイクロメータによl)測定さ

れる。

図4， および表lに供試結合面の種類を示してい る。すなわち, a)三つづめスクロールチャックに用 いられるキー(Key) とb)パワーチャ､ソクに用いら れるセレーション(Serration)である。 ここで， セ レーンョンは￨｣｣の角度によって欧米で使用されてい

１１

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昭和63年2月 ^{1 1}

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門脇義次・斎藤輝雄・佐藤欣也・清水武史

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Force FKN 図9 負荷一除荷曲線の概略図

15

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Troction forcein jowbolt･8KN 図8 負荷一除荷曲線の一例

平方向の変位を縦軸として，荷重を増していく過程 と減少していく過程を変位によって示す。図によれ ば， 負荷の過程と除荷の過程には若干の差があi) , いわゆるヒステリシスがみられる。

3． 1 要因実験 本実験に先立ち，つめの剛性 に対する取付条件の大略の影響を知り，以後の実験 の方針を立てるために実験計画法による要因実験を 行なった。この際の実験要因は，表2(a)に示す4要 因である。すなわち，結合部をキーとセレーション (山角60),つめ取付ボルトの引張り力を8KN, 16 KNとした。 また表2(a)においてつめの番号となっ ているのは，つめが対称に2個配置されていること から，同時に2個の測定結果を得るが， この際のば

らつきを調べるために，つめのそれぞれを番号に よって区別したものである。 また試験機の左右とあ るのは，圧縮試験に用いられる万能試験機そのもの の実験誤差に対する影響を知るための要因である。

したがって表2(a)における下の2要因は実験誤差の 影響を示すと考えてよい。なお， この要因実験にお ける測定項目はつめあたり荷重を15KNとした把 握力方向のつめの変位であり，図8における最高荷 重に対応する変位でもある。

表2(b)は，以上の各要因を組合せた実験条件のも とで測定を行ないこれをこれをデータとしてYetes の方法によって分散分析した結果である。表2(b)に おいて，各要因ごとのF値にれぱ，実験誤差に比較 して，結合部の種類， ボルト締付け力の影響は明ら

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StrQin injowbolt xU3s

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Troctionforce injOwbolt KN 図10垂直方向変位 かに大きい。

3．2垂直方向変位におよぼす結合部の種類とボ ルト締付け力の影響 図9は負荷一除荷曲線の概 念図であり，各測定ごとに一定荷重まで負荷するこ とにし，負荷過程の中間(7.5KN),最高荷重(15 KN)および除荷過程の中間(7.5KN), さらに除荷 後の変位をそれぞれ図示のようにrll r29 r31 r49 と 名づける。以下においては，最高荷重によって生ず る変位r2' ヒステリシス差r3‑r,9および除荷後の 残留変位r4を求める。

秋田高専研究紀要第23号

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チャソクのつめ結合部の剛性に関する基礎研究

表2 要因実験 実験言1‑IEEi

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昭和63年2月

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結合部の種類 ボルト引餐力 つめの番号 試験機LI二の右左

Key 8Ⅷ 胸 I

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条 件

ABCD DATA

■ (1) (2) (3) (4) (4)2 (4)2／18 効 果

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16.3 10.1 11.8 7．5 16.0 10．6 11.0 9．7

26．4 19．3 26．6 20．7 28.1 20.2 28．6 22．7

45．7 47．3 48．3 51.3 10．5 6．7 6．3 6.1

一一一一

93．0 99．6 17．2 12．4 13.0 13.8 6.0 5．0

−

−

−

−

192.6 29．6 26．8 11.0 4．6 4．0 3．2 7．4

一一

37094．76 876．16 718．24 121.00 21.16 16．00 10.24 54．76

18．42 54．78 44．89 7．58 1.32 1．00 0．64 3．42

23 CT

ＡＢ

A×B

ＡＢ C×× ＣＣ

A×B×C 000 1

1 00 1 0 1 0 1 1 1 0 1 OO 1 1 1 0l 1 0 1 1 1 1 1 1 1

15．6 12．5 11.7 8．5 17．1 11.5 11.6 11．1

２３４３１２６５●●●●●●●●６４５１３３５０

一

一

一

一

一

一

一

一

7.1 5．9 7．9 5．9 1．9 4．1 0．1 5．1

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ー

ー

一

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６０８２２０２２●●●○●●●●１３３０１２２５ ６８８０４６８０●●●●の●●●６４０１１３０３一一一

43．56 23．04 0．64 1.00 1．96 12.96 0.64 9．00

2．72 1.44 0．04 0.06 0.12 0.81 0．04 0．58

ＡＢ ，×× ＤＤ

A×B×，

ＡＢ C×，×× ＣＣ ×× ＤＤ

A×B×C×，

要 因 ^S ゆ V F0 F(0.05) F(0.01)

C

Ｂ×ＤＣＡＢＣＤ×Ｂ××ＥＡ×ＡＡ

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l l l l l l l l

7 6

54．76 44．89 1.32 2．72 7．56 3．42 1．44 1．00 0．32

187．98 137．70 4．05 8．34 23.19 10.49 4．42 3．07

5．59〃〃〃〃〃〃〃〃 ^12．20〃〃〃〃〃〃〃〃

計 ¹⁵

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−22−

門脇義次・斎藤輝雄・佐藤欣也・清水武史

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Troction force injowbolt KN ボルト締付力と垂直方向剛性 図11

図10はつめ取付ボルトの締付けの強さと荷重 (F)を15KNとしたつめ先端の垂直方向変位（図9 のr2)との関係を示している。また，図llは変位の 代りに岡ﾘ性によってこれを表現したものである。な お両図ではつめの結合部の種類をパラメータにして いる。

図10によれば，変位は6〜14"mであり，ボルト の締付け力が高くなるにつれてつめの変位は減少し ている。いつぽう図11によれば，ボノレト締付け力と ともに剛性が向上し，結合部の無い一体形の岡I性に 近ず〈ことがわかる。つぎに，各結合面ごとの剛性 をみると， セレーションでは締付け力が小さい範囲 で，キーよ'）も剛性が高いが，締付け力20KN前後 で逆転し， それ以上の締付け力では， キーの剛性が セレーションのそれを上回っている。このように，

セレーションでは剛性の頭打ち状態が見られ， これ 以上ボルト締付け力を大きくしても，一体形に近ず けることは困難であるが， キーの場合はボルト締付 け力を増すことで，一体形の剛性に近づけることが できる。また，二つのセレーションSer60とSer90 の剛性を比較すると, Ser90の方が高い。これはT スロ､ソト付きの場合(Ser60TおよびSer90T)も同 様である。 また,Tスロットが有る場合と無い場合 (Ser60とSer60TまたはSer90とSer90Tの比 較）では有為な差が認められない。

図12は,図9に示される垂直方向変位一荷重曲線 に現れるヒステリシス差として， 負荷一除荷過程の 中央における読みの差(図9中のr3‑r,)を求め， こ

れを改めて， ヒステリシスと名づけ，各ボノレ￨､締付 け力ごと， また，各結合面の種類ごとに示したもの である。図12によれば， ヒステリシスはボノレト締付 け力を増すにつれて減少しているが， その減少の度 合は， キーの場合が急であり， セレーションの場合 は緩やかである。これよI) , ヒステリシスは図10に 示される，つめの先端の垂直方向変位(r2)の場合と 同様の傾向である。また図12によれば，ボルト締付 け力3KNでは,結合面の種類によらず,ほぼ一定の ヒステリシスを示している。

3．3水平方向変位におよぼす結合部の種類とボ ルト締付け力の影響 図13では,垂直方向の場合 と同様にボルト締付け力と水平方向変位との関係が 示され，各種結合面の水平方向変位への影響も比較 されている。また図14は同様の関係を剛性によって 示したものである。図13によれば,同じ条件の場合，

水平方向変位は垂直方向変位に比較して小さく ，ほ ぼ1/3程度である。また，図13,図14によれば，つ めボルトの引張り力を増すにつれて，つめの水平方 向変位は減少して，剛性は向上している。ここで，

セレーションの場合は，山角の影響も大きく， 60度 よりも90度のほうが大きな剛性となっている。 ま た,Teeボルトの使用によってもつめの剛性に差を 生じ,60度.90度のいずれの山角の場合にもTee7f ルトを使用する場合に水平方向剛性が高くなる。こ のことはマスタージョウに直接ボルト締めの場合，

トップジョウのボルト穴間隔とマスタージョウのめ

秋田高専研究紀要第23号

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チャックのつめ結合部の剛性に関する基礎研究

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Troctionfo『℃e in jowbolt

4 ボルト締付力と水平方向剛性

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TToctionforceinjqwbolt KN 図13 水平方向変位

ねじ間隔とに差を生じ， ボルト座面の均等な接触が 得られないためと考えられる。いつぽう,Teeボル ト使用の場合は卜 ・ソフ。ジョウのボルト穴間隔と Teeボノレトの間隔が一致し，ボルト座面に均等な当 '）を生ずる結果．剛性は高いと考えられる。なお，

ここではマスタージョウの変形を差引いてあり，

Teeボルト使用のセレーションが見かけ上高い剛 性を示しているが，マスタージョウがTeeスロ､ソト

を有する場合は，このTeeスロ.ソトの変形のために つめ全体の剛性が下がり， セレーション使用のつめ の剛性が低くなることは予想できる。このような観 点から今後Teeスロ.ソト単独の岡ﾘ性を検討する必 要がある。

図15は，水平方向ヒステ'ノシスを示し，ボルトの 締付けを強くするにつれヒステリシスは減少してい る。いつぽう，結合面の影響は図12に示される垂直 方向の場合と異なり，セレーションでしかもTeeif ルト使用の場合全体的に大きくなっている。

図14

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Troctionforce injowmt KN

図15水平方向ヒステリシス

タージョウの結合条件と剛性の関連を明らかにする ための実験装置を試作した。この装置を用いて実験 の結果．チャックのつめの場合，結合面の種類とつ ための実験装置を試作した。この装置を用いて実験 の結果，チャックのつめの場合，結合面の種類とつ め取付けボルトの締付け強さによって剛性の変わる

4． ま とめ

チャックのつめにおいて， 卜 ､ソフ。ジョウとマス

［ ^{昭和63年2月}

可

−24−

門脇義次・斎藤輝雄・佐藤欣也・清水武史

会主査，東京工業大学工学部伊東誼教授を始め，関 係各位に心から感謝申し上げます。

二とが明らかとなった。ここでは，三つづめスクロー ルチャックに使用されているキーとパワーチャ･ソク に使用されているセレーションを検討したが， キー の場合はボルトの締付け強さを増すことによって，

一体形の岡ﾘ性に近づけることが出来るのに対し， セ レーションの場合はある限界を越えて強く締付けて もあま')剛性の向上が期待できないことが明らかと なった。

終')に，本研究は日本工作機械工業会のご支援に より行なわれたものであり，同会チャ･ソク研究分科

参考文献

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秋田高専研究紀要第23号

■

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