CN103008707A

CN103008707A - 具有精密调节功能的柔性夹具

Info

Publication number: CN103008707A
Application number: CN2012103508492A
Authority: CN
Inventors: 叶夫根尼·科切罗夫斯基; 卡特·霍尔布鲁克; 格雷戈里·威伯尔
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2013-04-03
Also published as: EP2570212B1; KR20130030733A; US8985916B2; JP2013063507A; US20130071193A1; EP2570212A1

Abstract

本发明涉及具有精密调节功能的柔性夹具，并且提供一种用于材料移除刀具的刀夹，还公开了一种结合有该刀夹的材料移除刀具和调节切削刀具刀片的位置的工具和方法。所述刀夹具有夹具本体，除了别的以外，该夹具本体具有从第一侧朝向第二侧延伸通过夹具本体的至少一部分的凹部，该凹部的长轴线不平行于夹具本体的长轴线并且该凹部的至少一部分朝夹具本体的底侧敞开，和用于差动螺钉的螺纹开口，该用于差动螺纹的螺纹开口邻近刀具本体的第二端并且被纵向地定位在用于夹紧螺钉的开口和用于切削刀具刀片的刀座的至少一部分之间。用于差动螺纹的所述螺纹开口的螺纹轴线关于刀夹的长轴线形成角度G。

Description

具有精密调节功能的柔性夹具

技术领域

本公开涉及切削刀具，具体地涉及用于切削金属的切削刀具，并且更具体地涉及一种结合了结构特征和工程特征以提供用于精密加工的接口（interface）的刀夹。该刀夹包括通常基于差动螺钉和楔入机构的组合功能的精密调节机构并且在最佳范围中提供切削力支撑，这减小或者消除了调整系统中的反冲作用并且向系统赋予应力控制。

背景技术

在随后的背景讨论中，参考某些结构和/或方法。然而，以下参考不应该被理解为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人特意地保留论证这种结构和/或方法并无资格构成现有技术的权利。

常规刀夹，具体地用于精加工操作的ISO刀夹具有带有支靠于切削刀片以将该刀片保持在用于加工的理想坐置位置中的螺钉的刀夹。图1A示出常规的“螺钉朝下”刀夹10的实例。在常规刀夹10中，由定位在螺纹开口12（为了便于观察，在剖视图中示意螺纹开口12）中的凹头紧定螺钉（未示出）执行径向调节，即沿着图1A中的Y轴方向的调节。常规地，在螺钉的一端上存在六角扳手孔，用以接合具有适当的匹配形状的扳手。根据刀夹的质量，螺钉的另一端具有抛光的球形或者卵形表面（在高端设计中）或者简单的平坦表面（在廉价的款式中）。

常规刀夹10具有呈现基本突脊型结构的本体14。在使用中并且为了升高切削刀片18的顶点16，必须执行以下两种可能性中的一种：1）必须松开夹紧螺钉、执行调整、旋紧该夹紧螺钉，在完成该过程之前应检查所述调整并且应当作出任何校正；或者2）必须任意地预先拧紧夹紧螺钉以允许夹紧螺钉足够拉伸以提供调整范围。在车间中一般机械师对于这两种方法1）和2）均提出了批评。

常规设计的另一个问题是负的分辨率（resolution）的增益。图1B示出图1A中的传统刀夹10的线描图。在图1B中，示意了用于调整螺钉的螺纹开口12的典型轴向位置。所示出的常规刀夹10具有大约1：1.5的调整螺钉距离（L1）与顶点切削刃距离（L2）的比率。这意味着在螺纹开口12中的调整螺钉的小的径向运动将在位于顶点16处的切削刃上被放大1.5倍。作为参考，在图1A和1B中轴向方向是X轴线方向。

常规设计的又一个问题是由于调整而被拉伸的夹紧螺钉20的较高的膨胀应力，和调整螺钉的较高的压缩应力，该高压缩应力试图弯曲夹具本体14的刚性结构。这两种应力状态都不是理想的。

美国专利No.5，066，173描述了一种镗孔杆，其中带有凹部的狭槽置于镗孔杆中，以允许夹具的前部足够柔性，以减小在夹紧螺钉上以及在调整螺钉上的应力。然而，因为调整仅仅依赖于螺钉的螺距并且调整螺钉处于刀具本体中（而非处于夹具自身内），所以这个设计的缺点在于较低的调整分辨率。

美国专利No.7，753，626公开了一种具有差动螺钉机构的夹具。然而，该夹具没有解决上述悬臂效应问题[siqiu1]（cantilever problem）和夹紧螺钉问题。

发明内容

所公开的具有调整布置结构的实施例的优点包括但不限于一个或者更多个以下优点：1）较高的调整分辨率，该高调整分辨率是在调整期间利用在调整机构的质心轴线和夹具本体的长轴线之间引入的角度而得以改进的；2）在切削刃下方进一步向前横穿调整接触范围，以实现更长的杠杆并且减轻悬臂效应（cantilever）；3）更好地支撑以抵抗切削力并且减小调整机构中的接触应力；4）减小在夹紧螺钉中的应力；和5）更加易于接近调整螺钉并且简化调整过程。

在另外的实施例中，简化了调整套件的制造，同时使用标准公制和英制螺纹的组合制造相邻的螺纹。在不规定非标准螺纹的情况下，基于接近的直径而采用接近但不同的螺距，从而给出巨大的经济效果。

用于材料移除刀具的刀夹的示例性实施例包括：夹具本体；在夹具本体的第一端处的轴向调整螺钉；靠近夹具本体的第一端的用于夹紧螺钉的开口；在夹具本体的第二端处的用于切削刀具刀片的刀座；从第一侧朝向第二侧延伸通过所述夹具本体的至少一部分的凹部，该凹部的长轴线不平行于所述夹具本体的长轴线，并且该凹部的至少一部分朝夹具本体的底侧敞开；和用于差动螺钉的螺纹开口，其靠近第二端并且被纵向地定位在刀座的至少一部分和用于夹紧螺钉的开口之间，其中所述用于差动螺钉的螺纹开口的螺纹轴线关于所述夹具本体的长轴线形成角度G。

材料移除刀具的示例性实施例包括本体和多个刀夹。所述刀夹包括：夹具本体；在夹具本体的第一端处的轴向调整螺钉；靠近夹具本体的第一端的用于夹紧螺钉的开口；在夹具本体的第二端处的用于切削刀具刀片的刀座；从第一侧朝向第二侧延伸通过夹具本体的至少一个部分的凹部，该凹部的长轴线不平行于夹具本体的长轴线，并且该凹部的至少一部分朝夹具本体的底侧敞开；和用于差动螺钉的螺纹开口，其邻近第二端并且被纵向地定位在刀座的至少一部分和用于夹紧螺钉的开口之间，其中所述用于差动螺钉的螺纹开口的螺纹轴线关于夹具本体的长轴线形成角度G。

应该理解前面的一般说明和以下详细说明均为示例性的和解释性的并且旨在提供对于根据权利要求的本发明的进一步的解释。

附图说明

能够结合附图阅读以下详细说明，其中类似的附图标记标注类似的元件并且其中：

图1A和1B示出常规的“螺钉朝下”刀夹；

图2示出用于材料移除刀具的刀夹的示例性实施例的分解视图；

图3A到3C示意用于材料移除刀具的刀夹的示例性实施例的不同视图；

图4A和4B是包括夹具本体的第二端并且除了别的以外示出夹具本体内部的一些特征和一些角度关系的放大视图；

图5A和5B示出在刀夹的示例性实施例中的调整支撑点和控制点之间的空间关系；

图6是包括夹具本体的第二端并且示出夹具本体内部的某些特征的另一放大视图；

图7示出能够具有固有防旋转特性的衬垫的若干种可能截面形状；

图8是在夹具本体的示例性实施例中的应力状态的FEA分析的实例；

图9示出使用适当的工具对差动螺钉进行的调整；

图10A-B和11A-B共同地示出用于调节差动螺钉的其它技术；

图12示出具有多个与其结合的多个刀具夹具的材料移除刀具的示例性实施例；

图13示出具有多个与其结合的多个刀具夹具的材料移除刀具的另一示例性实施例；

图14示意对于示例材料移除刀具执行的工程计算给出的结果。

具体实施方式

图2示出用于材料移除刀具100的刀夹的示例性实施例的分解视图。该示例性刀夹100包括夹具本体102。夹具本体102能够具有任何适当的形状。在所示意的实例中，夹具本体102为大体矩形形状，具有大体六个标称侧面（nominal sides）：第一端表面104大体与第二端表面106相对；顶表面108大体与底表面110相对；并且第一侧表面112大体与第二侧表面114相对。顶表面108；底表面110；第一侧表面112；和第二侧表面114大体与第一端表面104和第二端表面106相互连接以形成具有长轴线116的实心体。前面使用的术语和对于夹具本体102的六个表面的分配并不排除在所提到的表面中的任何一个表面上具有不规则的表面、切口区域或者其它特征，而同时仍然被大体描述为具有大体矩形形状。在这里进一步描述了这种特征的实例。

示例性刀夹100的其它特征包括在夹具本体102的第一端122处的轴向调整螺钉120。在图2所示的示例性实施例中，调整螺钉120被置放在朝第一端表面104敞开的螺纹开口124中。当被致动时，轴向调整螺钉在沿着轴线116的横向方向上移动（transfer）刀夹100，在常规布置中该横向方向为X轴线方向。通常，在轴线116的方向上的调整对于在刀夹100的刀座中的切削刀片的控制点在Y轴线方向上的位置无任何影响。然而，在Y方向轴线上的调整将改变控制点在X轴线方向上的位置。因此，通常有益的是在沿着Y轴线方向的径向调整之后执行沿着X轴线方向的轴向调整。

示例性刀夹100的其它特征还包括用于夹紧螺钉132的开口130。在图2所示的示例性实施例中，开口130靠近夹具本体102的第一端122并且从顶表面108延伸到底表面110。如图所示，在开口130附近的顶表面108相对于在夹具本体102的其它区域中的顶表面108倾斜。与夹紧螺钉一起示出了垫圈134。

示例性刀夹100的其它特征还包括在夹具本体102的第二端142处的用于切削刀具刀片（未在图2中示出）的刀座140。在图2所示的示例性实施例中，刀座140具有用于支撑切削刀片的侧面的两个表面144、146和用于支撑切削刀片的底表面的表面148。在表面148中存在开口150，用以支撑用于切削刀具刀片的安装机构，例如带螺纹的紧固件。

示例性刀夹100的另外特征包括凹部160。在图2所示的示例性实施例中，凹部160从第一侧表面112朝向第二侧表面114延伸穿过夹具本体102的至少一部分。凹部160的长轴线162不平行于夹具本体102的长轴线116。凹部160的至少一部分朝夹具本体102的底表面110敞开。

示例性刀夹100的进一步特征包括用于差动螺钉172的螺纹开口170。在图2所示的示例性实施例中，螺纹开口170靠近夹具本体102的第二端142并且被纵向地（相对于夹具本体102的长轴线116）定位在刀座140的至少一部分和用于夹紧螺钉132的开口130之间。该螺纹开口具有轴线174。

图3A到3C示意用于材料移除刀具的刀夹100的示例性实施例的不同视图。图3A是主要地示出顶表面108和第一侧表面112的顶部前透视图；图3B是主要地示出底表面110和第二侧表面114的底部后透视图；并且图3C是主要地示出第一侧表面112的侧视图。在图3A到3C中的每一幅图中，切削刀具刀片200被定位在刀座140中并且由在开口150中的紧固件202固定。

图4A是包括夹具本体102的第二端142并且示出夹具本体102的某些内部特征的放大视图。在图4A所示的示例性实施例中，示意了在螺纹开口170的定向、夹具本体102的旋转中心300和被定位在刀夹100的刀座140中的切削刀具刀片200的控制点302之间的空间关系。在示例性实施例中，用于差动螺钉172的螺纹开口170的轴线174关于轴线X形成角度G。参考图4A和4B，坐置的切削刀具刀片200的处在假想半径306的端部上的控制点302在调整期间绕旋转中心300周向移动（参见控制点302从第一位置302a到第二位置302b的位置变化）。控制点302的径向调整将产生关于Y轴线位于角度τ上的假想速度矢量304。这则提供控制点302在轴向方向上的位移Δ。这就是如上所述在调整期结束时有益地是使用轴向调整螺钉以补偿误差Δ的原因。

轴线174与夹具本体102的底表面110形成角度G。这允许1/sin（G）倍减小在差动螺钉轴线174的方向上的每一单位移动，以符合于以下关系：

H_eff＝Hsin（G）

其中H_eff是有效调整运动矢量，H是差动螺钉172的运动矢量（对应于轴线174）。

例如如果G=60度，则H_eff＝H（0.866），与对于G=90度相比，这导致调整分辨率更精细15%。在45度的角度G下，调整分辨率的改进将会是更精确41%。朝向0度减小角度G存在基于夹具本体的设计范围的几何约束。通常G_min>ATAN（F/L）。在示例性实施例中，89.9°>G>30°。

根据以上关系和位置，差动螺钉172用作差动楔入机构并且赋予在材料移除刀具上的切削刀具刀片200的位置调整更加精细的控制。例如，角度G决定平移机构诸如差动螺钉172和其它有关部件的特征的位置，使得减小了每个差动螺钉172的螺纹长度的、刀夹本体102的第二端142（和安装在其上的任何有关切削刀具刀片）相对于的基线B的竖直运动（即，沿着Y轴线方向的运动）。这导致更小的竖直运动和刀夹的那些部分的位置的更加精细增量控制。

图5A和5B示出在刀夹100的示例性实施例中的调整支撑点400和控制点302之间的空间关系。为差动螺钉172的轴线174采用角度移动了调整支撑点400，即：差动螺钉172的力施加到基线B的点在沿着轴线116的X轴方向上更加靠近了控制点302，所述调整支撑点通常是材料移除刀具的一部分，诸如容纳刀夹的空腔。例如，在图5A中的距离L3小于在常规“螺钉朝下”刀夹中的相关距离。

图5B是材料移除刀具的部分的示意图。图5B给出从旋转中心300到调整支撑点400的距离的值的真实实例（D1，在该实例中等于21.09mm）和从旋转中心300到控制点302的距离的值的真实实例（D2，在该实例中等于26.5mm）。与关于STFCR-12CA-16M型号夹具的已知技术相比，在图5B中示意的距离导致分辨率提高14%。

所公开的刀夹的另一个方面在于，结合了由于凹部160导致的刀夹本体102绕旋转中心300的柔性和差动楔入机构的控制功能这两者允许显著地减小在夹紧螺钉132中和在差动螺钉172的螺纹中产生的应力。

例如，示例性刀夹100的又一特征包括在夹具本体102的底表面110处被定位在用于差动螺钉172的螺纹开口170中的衬垫500。能够例如在图2和3B中看到该特征。参考图6，图6是包括夹具本体102的第二端142并且示出夹具本体102一些内部特征的另一放大视图，示例性衬垫500具有类似楔形的形状并且在第一端502处与差动螺钉172操作相连以转化差动螺钉172的运动，用以改变衬垫500的表面504相对于夹具本体102的底表面110的突出位置。该转化运动在图6中由箭头M示意。

在示例性实施例中，差动螺钉172在位于一端处的第一螺纹部分上具有螺距为P1的外螺纹并且被定位在夹具本体102的具有角度的螺纹开口170中。差动螺钉172的另一端具有带有螺距P2并且具有相同导程的外螺纹的第二螺纹部分并且与衬垫500的具有螺距P1的第一螺纹部分的内螺纹接合。

使用不同的螺距能够提供增加的调整分辨率而不用规定非标准螺纹。如果对于差动螺钉的两端仅使用公制螺纹或仅使用英制螺纹，则由于螺纹的螺距之间的差异，调整分辨率将是比较粗糙的。例如，如果一端是标准M10x1.5并且细螺距为M10x1.25，则螺距的差异为1.5-1.25=0.25mm。结果，差动螺钉的一圈将调节在刀片上的参考点的位置大约0.25mm。相反，如果标准m10x1.5螺纹与标准3/8”-16螺纹（螺距=25.4mm/16=1.5875mm）组合，则螺距差异将是1.5875-1.5=0.0875mm。这比先前的情况精细（或者更加精确）2.9倍并且提供增加的调整分辨率。

当差动螺钉172被转动时，其被移动进出螺纹开口170。该沿着轴线174的平移运动产生力F，该力F通过衬垫500作用在调整支撑点400上并且产生反作用力F_eff。这个反作用力F_eff引起夹具本体102弯曲并且例如在夹紧螺钉132上产生应力。在这方面，衬垫500的形状根据以下等式提供减小的弯曲刀夹102的施加力F：

F=F_effsin（G）

对于G=60度，作用力的减小为15%。

在另一方面，衬垫500的表面504具有大的半径。这个大的半径通过将点接触转化成线接触而减小了接触应力和变形，这则将增加夹具100部件的寿命。

能够将衬垫500固定在开口170中以便不旋转。例如并且如图所示，例如在图2和3B中，通过将销700插入在衬垫500的本体中的开口702中并且插入在夹具本体102的狭槽704中而将衬垫500定位成不旋转。销700能够是弹簧类型或者实心类型或者其它适当类型的。还例如并且如在图7中所示，衬垫500的横截面形状能够由带有固有防旋转特性的几何形状600制成。在又一实施例中，衬垫500的本体的至少一部分的横截面形状能够被成形为抑制衬垫500的旋转。

能够将标识或者其它识别信息结合到衬垫500的表面504上。例如，衬垫500或者其一部分，包括表面504，能够由挤压成型的多边形形状制造，该挤压成型的多边形形状具有利用其自然形状传递扭矩或者防止旋转的任何已知多边形或者其它形状的横截面类型。防旋转形状的实例能够是具有或不具有印刷的标志的三凸形状602，诸如用于Coromant的形状。

凹部160有助于夹具本体102的柔性。能够使用有限元分析（FEA）获得用于设定凹部160的尺寸和定位的适当参数。图8是夹具本体102中的应力状态的FEA分析的实例。先前已经例如在图5B中示出凹部的适当位置的实例。

图9示出使用适当的工具700通过旋转方向R而调整差动螺钉172。适当的工具包括例如T形扳手或者阿伦（Allan）扳头。能够使用刻度盘702诸如通过确定控制点302的位置而确定切削刀具刀片200的位置。

图10A-B和11A-B共同地示出用于调节差动螺钉172的其它技术。例如并且如在图10A和10B中看到地，可以在夹具本体102的表面上放置标记720。可以利用蚀刻、印刷或者其它适当的技术将标记放置在那里。标记720的实例位置是在螺纹开口170附近，但是能够使用任何适当的位置。通过在螺纹开口170附近使用标记720，能够利用光投影装置诸如激光束或者其它指向装置调节差动螺钉172。图11A和11B示出的驱动器或者扳手740的两种变型，所述驱动器或者扳手740用于调节差动螺钉172并且结合有用于与标记720一起使用的激光束742。图11B所示的变型结合有延伸部744。图11A和11B示出从驱动器或者扳手740投射出来的激光束，如在图10A和10B中所示，该激光束然后以点或者线722的形式而投射在夹具本体102的表面上。这将允许使用者在还使用标记720确定差动螺钉172的位置或者赋予差动螺钉172的旋转量的同时转动差动螺钉172。能够根据刀夹100或者安装在刀夹100上的刀片200的参考特征的平移来校准标记720，诸如控制点302、顶表面108或者能够据此确定控制点302的位置的其它适当参考特征。

包括光投影装置诸如激光束722的工具，诸如驱动器或者扳手740，能够被用于调节安装在刀夹100中的切削刀具刀片的控制点302。为此，能够利用工具740旋转差动螺钉172以参照在夹具本体102的表面上的多个标记720中的一个或者更多个标记定位来自光投影装置的光。使用这项技术，能够在刀夹仍然被安装在机床上时并且不使用预校正器直接地在刀夹上执行精密调整。

图12示出结合有刀夹100的材料移除刀具760的示例性实施例，所述刀夹100具有在这里公开的标记720。还示出了在标记720上的激光束722的实例。

在另一方面，对于刀夹100的精密调整能够考虑离心力。图13示出在本体804的钻孔部802上具有多个与其结合的刀夹100的材料移除刀具800。在加工操作期间，材料移除刀具以主轴速度绕轴线806旋转。在例如利用金刚石切削刃对非铁材料诸如铝进行加工操作期间，旋转速度能够超过7000m/分钟。对于较小直径的镗孔头，这可以被转化成较高的RPM’。离心力F与N²成比例（见以下等式）：

F=0.01097MRN²

其中M=质量，单位为kg，R=质心半径，单位为米并且N=rpm。

使用该信息，对实例材料移除刀具（具有直径Φ70.0mm的镗孔杆）进行工程计算。这些计算的结果在图14中示出并且揭示了能够在高达8000rpm的主轴速度下实现安全操作（基于2倍安全系数）。

虽然结合其优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员将会理解，可以在不偏离在所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下做出未予具体地描述的添加、删除、修改和替代。

Claims

1.一种用于材料移除刀具的刀夹，包括：

夹具本体；

在所述夹具本体的第一端处的轴向调整螺钉；

靠近所述夹具本体的第一端的用于夹紧螺钉的开口；

在所述夹具本体的第二端处的用于切削刀具刀片的刀座；

从第一侧朝向第二侧延伸通过所述夹具本体的至少一部分的凹部，所述凹部的长轴线不平行于所述夹具本体的长轴线，并且所述凹部的至少一部分朝所述夹具本体的底侧敞开；和

用于差动螺钉的螺纹开口，所述螺纹开口靠近所述第二端并且被纵向地定位在所述用于夹紧螺钉的开口和所述刀座的至少一部分之间，

其中所述用于差动螺钉的所述螺纹开口的螺纹轴线关于所述夹具本体的长轴线形成角度G。

2.根据权利要求1所述的刀夹，其中所述夹具包括在所述夹具本体的底表面处被定位在所述用于差动螺钉的所述螺纹开口中的衬垫。

3.根据权利要求2所述的刀夹，其中所述衬垫在第一端处与所述差动螺钉操作相连以转化所述差动螺钉的运动，用以改变所述衬垫的表面相对于所述夹具本体的底表面的突出位置。

4.根据权利要求2或者3所述的刀夹，其中所述差动螺钉具有：具有螺距为P1的外螺纹的第一螺纹部分；和具有螺距为P2的外螺纹的第二螺纹部分，其中所述衬垫具有带有螺距为P2的内螺纹的第一螺纹部分，并且其中所述差动螺钉的第二螺纹部分与所述衬垫的第一螺纹部分接合。

5.根据权利要求2所述的刀夹，其中通过插入在所述衬垫的本体中的开口和所述夹具本体的狭槽中的弹簧销，将所述衬垫定位成不旋转。

6.根据权利要求2所述的刀夹，其中所述衬垫的本体的至少一部分的横截面形状抑制所述衬垫的旋转。

7.根据权利要求1所述的刀夹，其中所述用于差动螺钉的所述螺纹开口从所述夹具本体的顶表面延伸到所述夹具本体的底表面。

8.根据权利要求1所述的刀夹，其中所述角度G大于或等于30度并且小于90度。

9.根据权利要求1所述的刀夹，所述刀夹包括在所述夹具本体的表面上的多个标记，其中根据所述刀夹或者安装在所述刀夹上的刀片的参考特征的平移将所述标记校准。

10.根据权利要求9所述的刀夹，其中所述参考特征是控制点。

11.根据权利要求9所述的刀夹，其中所述参考特征是所述夹具本体的顶表面。

12.一种材料移除刀具，包括：

本体；和

多个根据权利要求1所述的刀夹。

13.一种用于旋转根据权利要求1所述的刀夹的差动螺钉的工具，所述工具包括光投影装置。

14.一种调节安装在根据权利要求9所述的刀夹中的切削刀具刀片的控制点的方法，所述方法包括：

利用包括光投影装置的工具旋转所述差动螺钉；

参考在所述夹具本体的表面上的所述多个标记中的一个或更多个标记而定位来自所述光投影装置的光。