ツールホルダとは? 工作機械に欠かせないパーツについて解説

ツールホルダとは? 工作機械に欠かせないパーツについて解説

工作機械では、ツールホルダという機器が使われています。具体的に、ツールホルダとはどのような役割を持っているのでしょうか。
この記事では、ツールホルダが持つ役割に加えて、チャックやシャンク形状の種類についてご紹介します。

ツールホルダとは

切削加工を行う工作機械は、主軸に取り付けた切削工具を交換して使い分けることで、さまざまな形状に加工します。加工中、主軸に取り付けた切削工具を保持する役割を持つのがツールホルダです。

フライス盤や旋盤、ボール盤など、主に1種類の切削加工を得意とする工作機械において、使用する切削工具の太さや長さは加工ごとに異なります。マシニングセンタやターニングセンタなどの複合工作機械の場合は、さらに多種多様な切削工具を使用して加工を行います。
仮に工具の保持機能を主軸に持たせた場合、剛性低下やブレが発生したり、使用できる工具が限られて複合加工が困難になったりする可能性が高いです。そこで必要となるのがツールホルダです。

ツールホルダは、剛性を確保しながらさまざまな切削工具に対応する、接続機器(インターフェース)としての役割を果たしています。

工具の固定方法によるツールホルダの種類

ツールホルダは、主にチャックによって工具を保持します。チャックの方式は、工具の固定方法によっていくつかの種類に分けられるため、最適なものを選定することが重要です。固定方法によるホルダの種類と、それぞれの用途をご紹介します。

・コレットチャック

ドリルやエンドミルといった、ストレートシャンクの切削工具を保持するためのホルダです。縦方向に多くのスリット(切れ込み)が入った筒状のチャックで、外から圧力をかけることで切り込みが閉じられ、工具のシャンクを把握(保持)するという仕組みになっています。
保持力はそれほど強くないものの、精度が高くフレが少ないことから高速回転に最適です。また、工具交換も容易で使いやすいことから、広く普及しています。

・ミーリングチャック

ニードルベアリングによる締め付けの力を使用したチャックで、ロールチャックとも呼ばれます。ストレートコレットやフェイスミルアーバといった保持具を介して、工具を取り付けることが可能です。保持具を交換してさまざまな工具に対応できるため、汎用性に優れています。
曲げ剛性に弱い点は注意が必要ですが、2面拘束アーバを使用すれば剛性を向上させられます。

・油圧チャック

油圧機構を内蔵していて、油圧の力によって工具を保持するチャックで、ハイドロチャックとも呼ばれます。工具を締め付ける力が油圧で増幅されるため、小さな力でも容易に工具を交換できるのがメリットです。
また、圧力が均一で取り付け精度も高い、ブレが少ないなどの特徴を持っていて、主にストレートシャンクの工具を保持するのに用いられます。高い精度が求められるリーマ加工などに最適です。

・サイドロックホルダ

ホルダの側面からねじを締め付けて、工具シャンクの平取り部を固定するチャックです。高い保持力が得られて工具脱落の危険が少ないため、大型の切削工具に適しています。
ただし、側面からねじによって押し付け固定するという構造上、ホルダと工具が接する面積が小さくなり、剛性が低くビビリが発生しやすいです。
刃先交換式のドリルなど一部の工具にしか対応できず、使える工具は限定されます。

・焼き嵌めチャック

ホルダを加熱・冷却して工具を保持するのが焼き嵌めチャックで、強力な保持力が特徴です。高周波誘導加熱装置や電熱ヒーターなどでホルダを加熱し熱膨張させてから、ストレートシャンクの切削工具を差し込み、冷却による熱収縮を利用して工具を保持します。
構造がシンプルで取り付け精度や剛性が高いため、高精度加工に使われます。ただし、加熱時に火傷を負う危険があるなど、取り扱いには注意が必要です。

ツールホルダのテーパ規格の種類

ツールホルダは、工具を保持する側にチャック機構があり、工作機械の主軸に取り付けられる側はテーパ形状になっています。テーパ形状にもいくつかの規格と種類があり、異なるテーパ形状は取り付けることができません。
ツールホルダのテーパ規格の種類と、それぞれの特徴をご紹介します。

・ナショナルテーパ(NT)

ATC(自動工具交換装置)のないフライス盤で使われるのがナショナルテーパです。テーパの先端は雌ねじとなっていて、主軸端の雄ねじで締め付けて固定を行います。

・ボトルグリップテーパ(BT)

マシニングセンタやターニングセンタなどで複合加工を行う際に、ATCが容易にホルダ着脱を行えるよう工夫されたテーパシャンクです。テーパの先端には、プルスタッドボルトと呼ばれる引き込み用の突起が取り付けられています。
主軸とテーパの接触箇所が、軸方向24mmに対して直径が7mm小さくなる7/24テーパとなっているのが特徴です。

・二面拘束形テーパ

テーパの根本にフランジのついたシャンクです。NTやBTはテーパ部のみで接触する一面拘束ですが、二面拘束形テーパはテーパ部とフランジ部による二面拘束を行います。切削熱や、重切削時の応力によるシャンクの食い込み、フレを防止できるのが特徴です。

・中空テーパ(HSK)

テーパシャンクの内部が中空になっているシャンクです。遠心力の影響を受けにくく、高速加工にも対応できます。また、軽量でATCの交換時間を短縮できるため、加工サイクル短縮につなげられるのも中空テーパのメリットです。
1/10と小さなテーパとなっている点も特徴で、交換によって位置ずれが生じにくく、繰り返しの位置決め精度に優れています。

・CAPTOシャンク

テーパの勾配角度が1/20で、シャンク断面が膨らみのある三角形の形状になっているシャンクです。曲げ剛性や捩り剛性、トルク伝達力に優れます。

加工に合わせてツールホルダを選ぶことが大切

ツールホルダは工具を保持するパーツであると同時に、加工精度を左右する重要な部分でもあります。精度の高い加工を行うためには、使用する工具だけでなく、加工に合わせたツールホルダを選ぶことも大切です。