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テーパーコーンのはめあいと安定性
- テーパーコーンのはめあいと安定性について、物理的な条件や加工精度の影響について知りたい。
- テーパーコーンは軸方向と周方向に力を受けられる設計であるが、嵌め合いが不安定で偏荷重に対して傾きやすい。
- テーパー角20°、直径D:φ120mm、軸方向長さL:20mmのテーパーコーンの安定性について懸念がある。
- 機械設計
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そろそろ問題を整理しましょう。 テーパーで位置決メしたいが、姿勢が不安定。（玉の上に載っているような挙動） （荷重50kgf時、偏荷重（追加）で、姿勢変化してしまう。） テーパーサイズ（D=Φ120 L=20）は所与であって変更できない。（とする。） 偏荷重は、制御できない。（とする。） テーパー角度は、変更可能である。 荷重50kgfは、変更できない。（とする。） 部品精度は、変更可能である。 変形でなく、姿勢変化するということは、すべりが発生していると理解する。 すべりをなくすには、荷重を大きくする、または、L寸法を大きくし、接触面積を大きくする。 となるが、どちらも、変更の余地がない。（とする。） 要求精度、部品精度の提示がないので、部品精度の件はパス。 まさか、一般公差で製作しているということではないと思いますが。 まずは、部品精度を測ってください。 テーパーはめあいで機能的に使おうということでしたら、 角度公差の議論になるでしょう。 その上で、常識的に、（指示）公差内で、「雄側角度＞雌側角度」、口元あたりを強くということになります。注意点として、使い勝手がわかりませんので、確定的な表現ではありません。負荷側のアタリを強くするということになるでしょうか。 質問者さん、ほかの回答者さんも、（いかにも）L寸法が小さい、荷重が小さいというのは共通認識となっていると思いますので、 設計的アドバイスということで、、、 ?テーパー角度を小さくする。 テーパー40度をどの程度小さくすればよいか？ 姿勢変化を、スイングのような動きと想定すれば、 その回転中心はテーパー断面内になく、偏荷重によるすべりを助長している。 私は、とりあえずも、回転中心をテーパー断面内に持ってくること、（テーパー角度換算 約20度以内）を勧める。 できれば、テーパー角度を10度以下まで小さくすることで改善されるのではないかと思います。（結論では、回答（７）さんと同じ。） ? テーパー角度の変更で、問題が解決しない場合、とりあえず、変更不能としていたL寸法のサイズアップ、荷重アップの順になるでしょうか。 感想として、 テーパーはめあいで位置決メ、保持したいという意図と思います。が、 試作過程なのかもしれませんが、 L寸法、荷重、角度では、当初の意図からかなり外れた状態になっていると思います。 設計的に、外した（外れた）部分の補填についての処置が見えてきていません。
回答（１）再出 ＞やっぱりこの話題は噛合わないのかな？ まあ、 ＞想像ですが、、、 となら無理でしょう。 ＞回答（4）旋盤主軸端面チャック これを調べてみました。 JIS B6109 工作機械－旋盤の主軸端及びチャックの接続寸法 φＤ：82.563 +0.010／０ ← IT4級 Ｅ：14.288 ０／-0.025 勾配角：７°7′30″+30″／０ 〃 チャック ０／-30″ テーパだから仮想寸法なのに４級公差。角度公差もどうやって検査？ 日頃やっておられる方のみが言える話。私ではない。況や７級公差あたりでウロウロするようでは論外。 ＞それよりは、雄側角度＞雌側角度 気味に調整した方がベター 1/2の確率だから一致はしているが、逆であってもジャストでも安定性には寄与しにくい。 旋盤主軸端では公差もさりながら、10ton位のネジ固定することのほうが重要。 その力で底部を強く当てることで垂直度を規正し安定するのであって、テーパは嵌合近傍での同芯度を規正するのみ。 主題と比較参照するにテーパー角度の違いもあるが、それよりも底部（ツバ部）押当ての重要性とクランプ力が１、２桁違うことでしょう。 ＞材質・硬度・形状 等によっては ＨＳＫ(2面拘束)のツールみたいに弾性変形を積極的に利用 http://www.kuroda-precision.co.jp/products/Tlg/tool_osusume/too01.htm これは重要な考え方。落着についてはテーパは補助的でツバ部の面アタリが本命。 ＞長さが短いこと 従来のＮＴなどより短い。
回答 2)です 別に絡むつもりは無いのだが・・・・ ＞若干の雄側角度＜雌側角度なら、光明丹による当たり検査をしても、 ＞実施方法が誤りだと ＞若干の雄側角度＜雌側角度が解らない場合があります。 ＞それよりは、雄側角度＞雌側角度 気味に調整した方がベターでしょう。 光明丹やブリューで微細な角度の勘合を見る以外の方法は？ 検査治具やマスターを作ってダイヤルで測定でしょうか？ ツーリングやゲージなら寸法を測定後に 最終的にはブリューを塗ってマスターとの勘合を確認するのが定石だが・・・ やっぱりこの話題は噛合わないのかな？ 角度を変更するなら ＭＴテーパーの角度（約3度）～ 10度以下 が良いと思う 荷重が低いので緩めの角度で十分でしょう
回答（５）です。 想像ですが、光明丹による当たり検査っていうより、テーパー角度40°にて “玉の上に載っている挙動”であれば、テーパー角度40°の雄側雌側の角度が 微妙に合っていないと思います。 そして、若干ですが雄側角度＜雌側角度となっているように思います。 ですから、若干角度が合っていない分が倒れるようになり、“玉の上に載っている挙動” の感じがするのでしょう。 テーパー角度40°位であり、且つ軸方向に50kgfの荷重位なら、雄側角度＞雌側角度 にて調整するが望ましいでしょう。 若干の雄側角度＜雌側角度なら、光明丹による当たり検査をしても、実施方法が誤りだと 若干の雄側角度＜雌側角度が解らない場合があります。 それよりは、雄側角度＞雌側角度 気味に調整した方がベターでしょう。 通常のテーパー式ホルダーは、テーパーの角度が数度と小さく、そのことにより軸方向の 力が楔効果で軸方向と垂直又は雌側テーパー面に軸方向力の数倍から数十倍の力が加わり、 より接触を安定させるものです。 （大きな力による弾性力と、軸方向のある程度の長さで） 今回は、それに該当しないので、角度の微妙な相違だと想像します。 ですから、雄側角度＞雌側角度 気味の調整がベターでしょう。 最初は、テーパーの雌側が薄く強度不足で、“玉の上に載っている挙動”をしていると 推測していました。 楔（テーパー）効果にて、50kgfの数倍の力がテーパー雌側を拡げようとする力なり、 そのような現象になっていると推測。 しかし、部品はテーパー角40°で直径D:φ120mm、軸方向長さL:20mmであるので、 テーパー角40°、直径D:φ120mm、軸方向長さL:20mmの雌側部品に、50kgのテーパー角40° 雄側部品が乗っている状態に酷似していて、“玉の上に載っている挙動”を示すなら、 ◆ テーパー角40°と大きい ◆ 荷重が50kgfと小さい （φ120mm＆L:20mmから受圧面積を計算し、50kgf/受圧面積の応力も小さい） から、若干の雄側角度＜雌側角度が“玉の上に載っている挙動”の原因と推測する。 因って、◆印の理由により、雄側角度＞雌側角度 気味に調整した方がベターでしょう とのアドバイスになっています。 テーパーシャンクのような使用方法でないことは明白になりました。 （テーパー角が40°でもあるし） 後は、より安定的にセットできる方法のアドバイスです。 “より安定的”が、どの程度の荷重で“玉の上に載っている挙動”を示さないかが プワーなので、現状の仕様のままで先ず調整してみては如何でしょうと、アドバイスを 記述しています。
一見して、気になることがあります。 > 軸方向に50kgfの荷重をかける設計 > 部品は、テーパー角20°（鋭角側）、直径D:φ120mm、軸方向長さL:20mm にて、 > 多少の偏荷重でもすぐに傾いてしまい、玉の上に載っているような挙動を示す 多少の偏荷重にもよりますが、軸方向に50kgfの荷重にて、玉の上に載っているような挙動 はイメージが湧きません。 直径D:φ120mmは、内径と思うのですが、その外径はφ何mmでしょうか？ 少し気になります。 また、その外径の保持方法はどのような内容でしょうか？ それと、“テーパー角20°（鋭角側）”の記述もです。 “テーパー角**°（鈍角側）”の記述だとテーパー角は20°でないのですか？ “勾配角”と“テーパー角”の指示方法は、JISで規定されています。 勘違いの記述だと思うのですが、確認したいです。 テーパー角20°は、＞形状の左側角度が20°です。 （それを半分にすると、上の勾配10°と下の勾配10°となります） >形状のようなイメージで左側角度が180°－（20°＋20°）＝140°ではないでしょうね 失礼は承知しておりますが、“玉の上に載っているような挙動”の記述が気になっています。 回答（１）は、何を記述しているかが全く理解不能。 軽率すぎる。 だから、皆さんがそれを引きずる。（迷惑な話だ）
旋盤主軸端面チャック他の取付け部の形状は質問条件よりL/D比はもっと 厳しいと思います テーパー寸法の加工精度の提示が無いがそっちの方が心配です
テーパの篏合のアタリを良くするためには、軸は勿論、内径も研磨しないと なりません。これは軸よりも加工面を目視できないために名人級の技が必要だ っと聞いた事があります。一般的に、図面にはアタリを90%以上のこととか図示 は出来るのですが、加工するのはNC加工機より先の精度は人間業しか無いのです 従って、専門メーカーの一流職人さんに御願いする他は無いだろうと思います 私も50kgfとは随分と小さい感じを感覚的に持ちましたけど・・・ っというのは、支圧応力度σa=1.25*σy=1.25*235=294 MPaとした場合にでは P=120*20*294=705600 N=72ton*90%アタリとしても・・・64.8tonだからかと これは、ラジアル方向力だが、1/20としても、ton単位になるからだろうか？
＞両面の議論があるがしっくりとは噛み合っていない。。。。 の当人でございます。 あまりに短い(L/D)と位置決めとしては安定には欠けるかも知れないが 勘合はテーパーのみですか？ 材質・硬度・形状 等によっては ＨＳＫ(2面拘束)のツールみたいに弾性変形を 積極的に利用するのも良いと思う。 接触する面積から「軸方向に50kgfの荷重」は低すぎのように思うが 精度よく勘合できれば大丈夫と思う。 ＪＩＳではテーパーの勘合を「光明丹のアタリ検査」でみるとあるが 現実的にツールメーカーではもっと薄い膜厚の「ブリュー」などで 検査しています。 ＞直径D:φ120mm、軸方向長さL:20mm 標準的なネジの締め付けトルクを考えても 機械関係で常用する 1.8T だと 「M5が1本」程度の締め付け？ 大きさを考慮すれば心許ないと感じるがどうだろう？ 積極的に弾性変形を利用でないなら 精度は上級レベルが必要 ※モールステーパーも食いついて(弾性変形)保持力を発揮するので 高精度であるほど保持力は高い ガタが嫌なら テーパー大径部が僅かに強く当たるように加工する 実寸法では 1/000 以下 の管理となる ゲージ屋さんや治工具屋さんに頼むか アドバイスをもらいましょう。
お礼
回答ありがとうございます。 50kgfが小さいというご意見ですが、直感的な理由以外に何か理由となるものはありますでしょうか？ この部品は、ベアリング上に載っているため、これ以上強く押すことはできません。2面拘束のアイデアも軸力が少なければ難しい気がします。他にも、スペースの問題で直径を小さくできない、長くも出来ないという制限もあります。 似たようなレイアウトで、部品の精度を上げれば問題無いと判断できるのであれば、部品が高くなってもアタリ検査をする精度の部品にしたいのですが、その判断をするために、質問させていただいています。
テーパシャンクの設計方法 http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=217266&event=QE0004 両面の議論があるがしっくりとは噛み合っていない。。。。 ＞物理的に直径と長さの比 L/Dによって、不安定になりやすいという領域の定義 テーパへの食込み力、＜軸方向に50kgf＞によって発生する 摩擦力 ｖｓ 使用時の（逆方向荷重＋横方向荷重）×衝撃係数 の計算になるでしょうが、衝撃に関する深い考察が必要で難しそう。直感的にＬ／Ｄが１以下では無理でしょう。 挙げられたＮＣツーリングでも、モールステーパは引張無しだが、ＮＴテーパは強力に引上げており位置決だけの役割に近い。 ＞部品の精度を数μmの同心度、同軸度のレベルまで上げてゲージで座りを確認するような加工にしていけば、このようなレイアウトでも、しっかりと座ったものになるものでしょうか？ 機械のテーパ部品の嵌め合い検査でも数字ウンヌンより光明丹のアタリ検査。 そのとおり必要です。 なので、両方を正さねばなりません。 ・・・○＾○・・・ ＜軸方向に50kgf＞ 静荷重では小さいですね。 http://www.tech.sci.nagoya-u.ac.jp/machine/howto/lathe-1.html モールステーパは、、、、軽く打ち込む（適度な勢いを付けて押し込む）、、、 お上品な表現してるが、叩き込みに近い。 ボール盤チャックのジャコブステーパの L/D は２弱。これはさらに固定力が弱く、はっきり叩き込まないとダメ。 ＞角度がそれだけ小さいと、ふらつく現象は無くなって、テーパが喰い付いてラジアルのガタはゼロに出来る 合ってます。 ジャコ程度はガシ～ンと叩き込まない限り抜くのは簡単です。 しかししかし L/D が小さすぎます。 簡単に言えば横方向の力（衝撃力）がその逆数のテコ比で穴を広げる働きをしてしまう。 小さくともツバ付きにして、ねじ止めで補助したいですね。 小さなキーを入れるのも一興。オス側はミゾ追加工のみ、メスの本体側にキーネジ止め・・・・ならテーパでなくストレートはめあい？ 加工精度うるさくなるがいずれでも可能と思います。
お礼
回答ありがとうございます。 テーパを使っている理由には、取り外しがあるからなのですが、 ジャコブテーパのように角度が小さいと、抜くためにも力が必要になる気がします。 逆に、角度がそれだけ小さいと、ふらつく現象は無くなって、テーパが喰い付いてラジアルのガタはゼロに出来るような気がしますが、どうでしょうか。
補足
外形はφ140で50kgfのスプリングによって軸方向に押されています。 ラジアル方向には動かないようにサポートされています。 勉強不足で、テーパー角の定義を勘違いしていました。 断面で見たときに軸との角度が20°ですので、テーパー角としては40°ということになります。 玉に載っているような挙動というのは、指で押して偏荷重をかけると、簡単に上面ではかって0.3mm程度の角度までずれてしまってい、同心度が完全に無くなっています。