CN101011752B - 与旋转式器械结合使用的工具夹头 - Google Patents

Abstract

一种夹头，具有轴线(3)，夹头的中央部件支承着卡爪(7)，该卡爪(7)能够在夹紧工具(5)的位置和松开工具(5)的位置之间受到移动。每个卡爪具有朝轴线(3)开口的支座(20)，支座(20)具有后部(23)和侧面(24，25)。滚轴(29)抵靠着支座的背部加以设置，并可以绕着与轴线(3)平行的其自身的轴线旋转，且能在支座的两个侧面之间进行平移。支座的背部形成非常扁平的V字形，当操作员将卡爪紧固在工具上时，滚轴将自身置于该背部的中央处。而后，当夹头被旋转(R)到右边时，滚轴发生滚动，但不会在卡爪和工具上滑动，直到它被挤入到支座的垂直侧面(24)上。因此，能够很好地夹紧工具。

Description

与旋转式器械结合使用的工具夹头

技术领域

本发明涉及一种与旋转式器械结合使用的工具夹头。

背景技术

安装在旋转式器械的轴上的夹头的作用是夹持工具，例如就钻孔工具而言的钻头。该工具通常被三个卡爪夹持在夹头中，这些卡爪在前向上收聚，并被多个设置在夹头内部的装置按照这样的方式来移动和引导，即，如果向前移动这些卡爪，那么它们能朝向彼此移动以便夹住工具夹头，而如果向后移动这些卡爪，它们会将工具松开。这种夹头通常配备有中央部件，该部件具有连接到旋转式器械的后部以及与卡爪相连接的前部。

一些更为精巧的夹头配备有焊接到卡爪上的镶硬合金齿(carbideinsert)，以便当工具柄设置在夹盘中时，形成卡爪的一部分，该部分就是与工具柄相接触的部分。这些镶硬合金齿的根本作用是使卡爪具有优良的耐磨性能，同时使卡爪咬入工具柄，以提高夹头的夹紧力，进而确保工具不会在夹头内旋转。这些镶硬合金齿的主要问题在于它们会导致工具柄的快速磨损。

通常，这种类型的钻头夹头还具有需手动紧固工具夹头的特点，这意味着不需要锲形物来固定它们。这些夹头的最重要的问题之一在于它们能够产生的紧固扭矩。从使用灵活性这一简单的原因来说，这些夹头必须在工具上产生尽可能大的紧固扭矩，并且操作者必须对夹头施加尽可能小的紧固力。换句话说，夹头的效率必须尽可能高，以尽可能满足市场的需求。

例如，现有技术包括这种类型具有卡爪的夹头，这种卡爪能在中央主体部分中形成的钻孔内滑动，并在前向上收聚。这种卡爪可在它们的外表面上开设螺纹，并与螺母的带有螺纹的内表面相啮合，该螺母又与可旋转安装在主体上的套箍的内表面相啮合。

在这种情况下，螺母的旋转运动(通过套箍)使卡爪发生平移。因而，该系统将施加在螺母上的紧固扭矩Ca转换成由卡爪的边缘施加到工具柄的法向作用力Fn。该螺母/卡爪系统的固有效率确定了最大法向作用力Fn，该法向作用力是Ca的函数：Fn＝f(Ca)。

卡爪边缘与工具柄之间的摩擦系数u确定了切向合力Ft的最大值，因而，由夹头产生的最大合扭矩Cr为：

Cr＝R×Ft＝R×Fn×u＝R×f(Ca)×u

式中r是工具柄的半径。

因而，夹头的效率不仅和卡爪边缘与工具柄之间的摩擦系数u紧密相关，而且与由操作员施加到螺母上的扭矩Ca紧密相关。

因此，取决于工具柄的特性(硬度，粗糙度)，摩擦系数会有很大区别。由此，夹头所产生的紧固扭矩也是高度随机的。

此外，文献WO 01/81046描述了通过与凸轮壁相接触的滚轴对轴进行紧固的系统。然而，该系统不能用于任意直径的夹紧轴。而且，所实现的紧固并不是完全令人满意的，这是因为滚轴借助于将它们彼此连接在一起的单个弹性保持架，抵靠在凸轮上加以紧固：这使得滚轴的运动相互依赖，且不足以解决将轴居中的问题。而且，凸轮弯曲而连续的轮廓并不能确保滚轴抵靠在凸轮上进行精确定位。这不利于紧固的质量。

发明内容

本发明的目的在于通过提供一种能够产生较大紧固力、但不会损坏工具柄，也无需操作者施加较大的紧固作用力的夹头来解决上面阐述的问题。

本发明的另一目的是，尽管由于夹头本身所固有的阻力和偏心距的限制，仍然能取得良好的紧固效果。

为达到这一目的，本发明涉及一种与旋转式器械结合使用的工具夹头，包括：

-中央部件，它具有轴线、固定在旋转式器械的驱动轴上的后部、以及与若干卡爪相连的前部，每个卡爪都具有中央纵向平面；和

-用于使卡爪在夹紧工具的位置和松开工具的位置之间运动的装置；

-在每个卡爪的内侧形成的支座，所述支座包括朝向中央部件的轴线的开口和处于开口后面的背部，以及基本平行于中央部件的轴线的第一和第二侧面；和

-至少一个滚轴，借助于与每个其它卡爪上的保持件分开的刚性保持件，滚轴安装于每个支座内在并大致靠着每个支座的背部，滚轴能够绕与中央部件的轴线大致相平行的自身的轴线旋转，并能够在支座的两个侧面之间进行平移，两个侧面之间的距离大于滚轴的直径，并且滚轴能够施加作用给卡爪和工具；

支座的背部具有两个支承部分，即分别从第一侧面和第二侧面延伸至卡爪的中央纵向平面的第一和第二支承部分，每个支承部分按照这样的方式横向地弯曲或倾斜，即中央部件的轴线与所述支承部分之间的距离越临近中央纵向平面越大，所述支承部分与中央纵向平面邻接并相对于中央纵向平面对称，并且在它们的相交处形成了滚轴的定位空腔，以便当工具处于卡爪之间时，滚轴能使自身与支座的背部相接触，并基本上处于定位空腔中。

实际情况下，当将工具夹在本发明的夹头中时，有以下三个主要阶段可以区分出：

-第一阶段：由于滚轴在它们的支座内是自由的，它们可处于支座的两个侧面之间的任何位置，可与保持件相接触或与支承部分相接触，或者甚至是与侧面中的一个相接触；当待夹持的工具与滚轴接触时，由支承部分的特定几何形状和保持件所容许的滚轴的移动幅度能容许滚轴在任何情况下自然移动到支座的中央；因此，所有卡爪的滚轴都能到达定位空腔内部的以每个卡爪的中央平面为中心的准确位置中；支座的背部形成槽形或楔形的特定几何形状，在工具没有施加旋转的作用力时，使得滚轴本能地移动到该槽形或楔形中，在操作员紧固卡爪时，能确保滚轴良好的定位；

-应该注意到的是，该结构避免使用弹簧部件来对滚轴进行定位；侧面对滚轴的横向活动幅度加以限制，以便确保滚轴在该阶段自动使自身处于中央；

-第二阶段：用户完成对夹头的紧固；滚轴处于它们的中央位置，并且由用户施加到夹头上的紧固作用力在每个滚轴、卡爪支座的背部和工具之间产生接触作用力；在该配置中，滚轴支承在工具上的支承区域平均分布在工具的周围(在具有三个卡爪的情况下以间隔120°设置)，这确保了夹头的偏心率(用于安装在夹头中的工具的常规摆动公差)；而且，此时滚轴相对于每一个支承部分均处于理想的“倾斜”状态；

-第三阶段：现在以这种方式进行设置，一旦由工具施加的阻力矩迫使滚轴沿任意一个方向(左或右)滚动越过支承部分时，夹头就产生期望的挤压作用(wedge action)；应当注意到的是，在这个阶段过程中，滚轴可以不接触支座的侧面：这是因为滚轴可以将自身安置在其中一个支承部分和工具柄之间以产生挤压作用。

当以适当的旋转方向进行操作时，由工具施加的阻力矩使滚轴通过滚动而不会在工具和卡爪上方以滑动的方式朝一个侧壁运动，导致在卡爪(由旋转式器械驱动)和工具之间产生良好的旋转运动的传动。由于滚轴移动越过的支座背部的支承部分具有弯曲或倾斜，因此滚轴更接近于中央部件的轴线发生移动，并由此使得工具距离该轴线更近，直到产生挤压作用(不一定与所述的侧面发生接触)。即使由操作员执行的初始紧固作用力不是很大，本发明也实现了滚轴的挤入，并实现了在操作时对工具的良好紧固。而且，因为支座的背部是对称的，工具将在中央头部的任何旋转方向上被牢固地夹持住。

因此，本发明的夹头使夹头的夹持力几乎完全独立于：

-施加在螺母上的紧固扭矩Ca，并因而独立于夹头的固有效率；

-和卡爪与工具柄之间的摩擦系数u。

在该夹头的一个可能实施方案中，从横截面上看去，在第一支承部分的每个点上，第一支承部分在所述点上的切线与当滚轴抵靠着支座的第一侧面时穿过滚轴与工具的接触点在滚轴上形成的切线之间的夹角(α)满足：

tanα/2＜Umin

其中，Umin为下列值中较小的一个：

-滚轴和工具之间的摩擦系数u，该工具是从可以夹持在夹头中的预先确定的一组工具中选出的；

-滚轴和卡爪之间摩擦系数u′。

因此，一方面，如果可以夹持在夹头中的一组工具已经确定，并且如果相应摩擦系数u的值也是已知的，而且，另一方面如果滚轴和卡爪之间的摩擦系数u′也是已知的，于是可以确定的是，对于所考虑的这组工具中的每一个来说，满足tanα/2＜u′，tanα/2＜u。这种关系确保了当滚轴接触到支座的第一侧面时，或一般地说，当滚轴插入在一个极限位置时(并不一定抵靠着该侧面)，滚轴能够在工具和卡爪上滚动而不会产生滑动。

例如，第一支承部分基本呈平面状并平行于中央部件的轴线，而且，从横截面上看去，当滚轴抵靠着支座的第一侧面时，穿过滚轴和工具之间的接触点且位于滚轴上的切线与第一支承部分形成的夹角α满足：

tanα/2＜Umin

角(α)介于0.5°-2°之间，例如为1°。

在一有利实施方案中，第一和第二支承部分在它们的相交处基本形成165°至175°的钝角。正是在这个角中，滚轴将自身置于其内。

例如，支座纵向地形成于卡爪中，并且保持件设置在所述卡爪的支座的开口中，以便既将滚轴保持所述支座内，也同时允许滚轴旋转运动和平移，在所述保持件内设置开槽以容许滚轴部分伸出支座以与工具接触。

滚轴基本呈柱形，且在其每端具有能够接合在保持件的元件中的轴向杆，所述元件界定出所述槽。

附图说明

本发明的两个可行实施方案现将参照附图以非限定实施例的方式进行说明。

图1是根据本发明的夹头的分解立体图；

图2是图1所示的夹头处于组装状态，并夹持住工具时的侧视图；

图3，图4和图5分别是结合图1所示的夹头所使用的卡爪，滚轴和保持件的立体图；

图6是图3所示的卡爪的主视图，在该图中包括有滚轴和保持件；

图7沿图6中标记的AA线所得到的卡爪的截面视图；

图8沿图2中标记的A′A′线所得到的夹头旋转前的截面视图；

图9是在图8中标记的细节B的放大视图；

图10和11是夹头向右旋转时与图8和图9相似的视图；

图12是当夹头向左旋转时与图11相似的视图；和

图13是将法向和切向作用力作用在滚轴上时，工具、卡爪和滚轴的简图。

具体实施方式

先考虑图1和图2。

夹头1具有在该情况下形成为主体2的中央部件，该主体2的常规形状为柱形并具有轴线3。该主体2的后部具有用于插入旋转式器械(例如钻机)的主轴的开口。主体2的前部具有用于插入工具5(例如钻头)的纵向钻孔以及在前向上会聚的三个支座6，每个支座容纳一个卡爪7，并当卡爪平移时能对其进行引导。卡爪7具有外部螺纹8。

夹头1还具有基本呈柱形的后部环9，该后部环9大致同轴地围绕在主体2的后部上，并且该后部环9以任何适合的方式与主体2连接。

螺母10啮合在卡爪7的周围，基本与主体2同轴。螺母10具有与卡爪7的外部螺纹8相啮合的内螺纹，以便根据螺母10旋转的方向使卡爪7朝夹紧或松开的位置移动。螺母10还具有围绕螺母10以等间隔设置的大致呈径向的三个齿11。螺母10靠着主体2的后部加以设置。为了便于其旋转，由簧环13保持在适当位置的滚珠轴承罩12嵌在螺母10和主体2之间。金属突出部分14同样设置在位于螺母10前部的主体2上，并将螺母10保持在其轴向位置上。

夹头1还包括基本呈柱形的紧固环15(或套箍)，该紧固环15基本上同轴地环绕螺母10设置，并通过位于后面的后部环9和位于前面的金属突出部分14来防止紧固环15旋转。

在环15和螺母10之间具有包括三个元件17的弹簧16，这三个元件17朝轴线3的方向伸出，并插入到螺母10的齿部11之间，以便当操作员转动环15时，螺母10也转动并进而使卡爪7发生移动。

如图3和图7所示，每个卡爪7具有后部18，该后部18相对于轴线3倾斜，并能在主体2的支座6内滑动，每个卡爪还具有前部19，该前部19的内表面(即朝向轴线3的表面)基本平行于轴线3并与工具5相接触。

每个卡爪7包括在其前部19中形成并位于内侧的支座20。该支座20从卡爪7的前端21纵向延伸至前部19和后部18之间形成的夹角处。支座20具有朝向轴线3的开口22，和处于开口22后的背部23以及第一和第二侧面24，25。侧面24，25基本与轴线3平行，且相互平行，并基本垂直于卡瓜7的前部19的内表面。

支座20的背部23具有与第一侧面24相邻的第一支承部分26，还具有与第二侧面25和第一支承部分26相邻的第二支承部分27。两个支承部分26，27相对于卡爪7的中央纵向平面28是对称的。

第一支承部分26呈轻微倾斜的平面状：当在相对于轴线3呈横向的平面中看去时，支承部分26的平面上各点和轴线3之间的距离越临近第一侧面24越小，并越临近第二侧面25越大。同样，第二支承部分27因而也呈轻微倾斜的平面状：当在相对于轴线3呈横向的平面中看去时，该平面上各点和轴线3之间的距离越临近第二侧面25越小，并越临近第一侧面24越大。支座20的背部23因而呈非常扁平的V字形(参见图9)。

基本呈柱形的滚轴29置于支座20内，该滚轴29的轴线30基本平行于轴线3。滚轴29在其每一端具有轴向杆31。滚轴29的直径略大于支座20的深度，这样，当滚轴29与支座20的背部23接触，甚至处于背部23的支承部分26，27之间的夹角中时，滚轴29超出卡爪7的前部19的下表面而伸出。

保持件32设置在卡爪7的支座20的开口22中，以将滚轴保持在支座20内。保持件32具有放置在开口22内且大致呈矩形的中央部分33，还具有固定在卡爪7的前部19的下表面上的两个侧翼34。中央部分33具有大致呈矩形的槽35，该槽35(沿轴线3)的长度大约与滚轴29的长度相同，槽35的(横向)宽度大于滚轴29的直径。边沿36将滚轴29的杆31支承在槽35的前部和后部。最后，处于保持件32的纵向端部的凸部37将支座20闭合。

当滚轴29装配在由保持件32闭合的支座20内时，滚轴29接合在槽35中。滚轴29因而与支座20的背部23相接触，同时从卡爪7的前部19的下表面稍微伸出。同时，防止滚轴29产生任何显著的纵向运动。另一方面，滚轴29能绕其轴线30旋转，同时与所述侧面24，25大致呈直角的方式，在支座20的两个侧面24，25之间横向移动。这些移动并没有受到保持件32的阻挡。

支座20的背部23的支承部分26，27的倾斜角度采用如下方式加以限定：当滚轴29与支座20的第一侧面24相接触，且工具5插入到夹头(图13)中时，当在横截面上看去时，穿过滚轴29与工具5之间的接触点P的滚轴29的切线T与第一支承部分26形成角度为α的夹角。

对夹头的操作现将参照附图8-12进行描述。

当夹头1打开时，滚轴29自由地放置在卡爪7的支座20内。当夹头1闭合时，滚轴29与工具5的柄相接触。如图8和9所示，现在相互形成V形角的支承部分26，27迫使滚轴29自然在支座20内移动至其中央位置。在这种稳定的平衡状态下，作用力Fn现由卡爪7施加到滚轴29上。

当夹头1以图10中的R所指示的状态向右旋转时，由机器在滚轴29上施加的扭矩和由工具5在滚轴29上施加的阻力矩C迫使滚轴29离开其中央平衡状态，从而朝向支座20的右边侧面(在这种情况下是第一侧面24)移动越过背部23的右边部分(在这种情况下是第一支承部分26)。这意味着此时滚轴29距离轴线3更近，并进而趋于夹紧工具5。即使滚轴29并没有与支座20的这个侧面相接触，还是应该能观察到挤压作用的产生。

为了产生预期有效的挤压作用，滚轴29必须滚动而不会在卡爪和工具上发生滑动。这意味着，在滚轴29与卡爪7以及与工具5的接触点上，需满足如下关系：Ft/Fn＜u，其中，

-u是滚轴与相关元件(工具5或卡爪7)之间的摩擦系数；

-Ft是切向作用力；

-Fn是法向作用力。

由于夹头1的几何形状，尤其是卡爪7的几何形状，在Ft和Fn之间的夹角为α/2(参见图13)。因而，在卡爪7，滚轴29和工具5的柄之间的摩擦系数u足以大于角α/2的正切值：u＞tanα/2。如果u的值对于不同的工具，卡爪和滚轴是已知的，那么通过为α选择合适的值，很容易满足这一关系式。

大约为1°的角α在挤紧和夹紧方面取得了良好的效果。同时它还提供了既不是很平(这意味着滚轴将不会自然处于中央处)，也不很弯(这意味着滚轴趋于保持在中央处)的支座20的背部23。

根据本发明，作用在滚轴29上的合力将滚轴29挤压在第一支承部分26和工具5的柄之间。由此，在卡爪，滚轴和工具的柄之间产生的挤压作用将工具5完全夹在夹头1内，并且这与夹头的固有效率以及摩擦系数u无关。

致使螺母10发生旋转的环15的旋转，仅用于使夹头1的夹紧直径适应于工具5的柄的直径。与传统的系统相比，该系统所需的作用在滚轴29上的法向作用力Fn非常小。这仅仅确保了滚轴29与卡爪7和工具5的柄处于良好的接触中，并确保滚轴能够以形成楔角的方式滚动，而不会使其抵靠着支座20的背部23的支承部分26，27以及工具5的柄发生滑动。

因而，本发明能够产生非常大的紧固扭矩，但却不会进一步损坏工具柄。

当夹头1旋转到左边时(图12)，上述现象以相对于卡爪7的中央纵向平面28对称的同样方式发生。因而，滚轴29在旋转而不会滑动越过第二支承部分27和工具5后，与第二侧面25(左边侧面)相接触。如果滚轴没有与第二侧面25相接触，挤压作用同样可以产生。

在上面的描述中，只有一个滚轴置于每个支座内。然而，将几个滚轴置于一个支座内也是可能的。

毋庸置疑，本发明并不仅限于如上通过实施例描述的实施方案，相反，它包括了所有替换实施方案。

特别地，本发明可应用于其它类型的夹头，例如：

-一种夹头，具有在形成于主体上的支座内受到平移导引的卡爪，该主体能够围绕中央部件旋转以移动卡爪，以便夹紧或松开工具，并且内表面上具有螺纹的卡爪与位于中央部件前部上的螺纹相啮合；

-一种夹头，具有受到弹性部件向前推动的卡爪，当插入工具时，操作员通过作用在适当元件上的平移运动使卡爪向后运动。

Claims (9)

1.一种与旋转式器械结合使用的工具夹头，包括：

-中央部件(2)，它具有轴线(3)，并且包括待固定至旋转式器械的驱动轴的后部以及与若干卡爪(7)相连的前部，每个卡爪具有中央纵向平面(28)；和

-用于使卡爪(7)在夹紧工具(5)的位置和松开工具(5)的位置之间运动的装置；

其特征在于，它包括：

-在每个卡爪(7)的内侧形成的支座(20)，所述支座(20)包括朝向中央部件(2)的轴线(3)的开口(22)、处于开口后面的背部(23)，以及基本平行于中央部件(2)的轴线(3)的第一和第二侧面(24，25)；和

-若干滚轴(29)，借助于与每个其它卡爪(7)上的保持件分开的刚性保持件(32)，所述滚轴(29)安装于每个支座(20)内并大致靠着每个支座(20)的背部(23)，滚轴(29)能够绕与中央部件(2)的轴线(3)大致平行的其自身的轴线(30)旋转，并能够在支座(20)的两个侧面(24，25)之间进行平移，所述两个侧面之间的距离大于滚轴(29)的直径，并且所述滚轴(29)能够施加作用给卡爪(7)和工具(5)；

支座(20)的背部(23)具有两个支承部分，即分别从第一侧面(24)和第二侧面(25)延伸至卡爪(7)的中央纵向平面的第一和第二支承部分(26，27)，每个支承部分(26，27)按照这样的方式横向地弯曲或倾斜，即中央部件(2)的轴线(3)与所述支承部分(26，27)之间的距离越临近中央纵向平面越大，所述支承部分(26，27)与中央纵向平面邻接并相对于中央纵向平面对称，并且在它们的相交处形成了滚轴(29)的定位空腔，以便当将工具置于卡爪之间时，滚轴(29)能自身与支座(20)的背部(23)相接触，并基本上处于定位空腔中。

2.如权利要求1所述的夹头，其特征在于，从横截面上看去，在第一支承部分(26)的每个点上，第一支承部分(26)在所述点上的切线与当所述滚轴抵靠着支座(20)的第一侧面(24)时穿过滚轴(29)与工具(5)的接触点(P)在所述滚轴(29)上形成的切线(T)之间的夹角(α)满足：tanα/2＜Umin

式中，Umin为下列值中较小的一个：

-滚轴(29)和工具(5)之间的摩擦系数u，该工具(5)是从可以夹持在夹头(1)中的预先确定的一组工具中选出的；

-滚轴(29)和卡爪(7)之间的摩擦系数u′。

3.如权利要求1或2所述的夹头，其特征在于，第一支承部分(26)基本呈平面状并平行于中央部件(2)的轴线(3)，并且，从横截面上看去，当滚轴抵靠着支座(20)的第一侧面(24)时，穿过滚轴(29)和工具(5)之间的接触点(P)且位于滚轴上(29)的切线(T)与第一支承部分(26)形成的夹角(α)满足：tanα/2＜Umin

其中，Umin为下列值中较小的一个：

-滚轴(29)和工具(5)之间的摩擦系数u，该工具(5)是从可以夹持在夹头(1)中的预先确定的一组工具中选出的；

-滚轴(29)和卡爪(7)之间的摩擦系数u′。

4.如权利要求2或3所述的夹头，其特征在于，所述角(α)介于0.5°至2°之间。

5.如权利要求1或2所述的夹头，其特征在于，第一和第二支承部分(26，27)在它们的相交处形成165°至175°的钝角。

6.如权利要求1或2所述的夹头，其特征在于，支座(20)纵向地形成于卡爪(7)中，并且保持件(32)设置在所述卡爪的支座(20)的开口中，以便既将滚轴(29)保持所述支座内，由同时允许滚轴旋转运动和平移，在所述保持件(32)内设置有槽(35)，用以容许滚轴(29)部分地伸出支座(20)以与工具(5)相接触。

7.如权利要求6所述的夹头，其特征在于，滚轴(29)基本呈柱形，且在其每端具有能够接合在保持件(32)的元件(36)中的轴向杆(31)，所述元件(36)界定出所述槽(35)。

8.如权利要求1或2所述的夹头，其特征在于，卡爪(7)在形成于中央主体部件(2)上的支座(6)内受到平移导引，所述卡爪(7)朝前向收聚并在其外表面上设有螺纹(8)，并且夹头(1)包括环绕中央部件(2)设置并具有与卡爪(7)的螺纹(8)相啮合的内螺纹的螺母(10)，以用于移动卡爪(7)来夹紧或松开工具(5)。

9.如权利要求1或2所述的夹头，其特征在于，卡爪(7)在能绕中央部件旋转的主体上的支座内受到平移导引，以便移动卡爪来夹紧或松开工具，所述卡爪在其外表面上具有可与处于中央部件的前部上的螺纹相啮合的螺纹。

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