CN105246648B - 具有改进的由前进至缩回转换的强制进给工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于启动主轴进给方向由前进方向至缩回方向转换的进给工具和方法，所述前进方向是指主轴朝向工件移动，所述缩回方向是指主轴远离工件移动。所述工具和方法可以采用在一个或多个组件上产生的过载推力和/或作用在一个或多个组件上的升降环，以启动由前进转至缩回的转换。所述工具和方法也可以包括两级活塞实现转换。在工具中各种组件可以单独或结合使用。

Description

具有改进的由前进至缩回转换的强制进给工具
技术领域
本申请要求申请号为61/769,736、申请日为2013年2月26日、标题为进给钻头的美国申请的优先权，并且要求申请号为61/822,959、申请日为2013年5月14日、标题为进给钻头的美国申请的优先权。
背景技术
强制进给工具，例如但不仅限于进给钻头，通常已知的用于执行例如由钢、铝、钛和复合材料制成的工件上的操作。强制进给工具包括将钻头(a bit)进给到工件中的工具进给机构。除其他应用外，常见的强制进给工具的应用包括，航空器各个部件中的钻孔。
强制进给工具通常包括配置用于驱动主轴的马达。所述主轴可以旋转，并且每转可以前进预先设定的数值。所述主轴设计为以朝向工件的前进方向和以远离工件的缩回方向移动。
工具10被设计为用于启动主轴由以前进方向移动至以缩回方向移动的转换。典型的用于启动主轴由前进至缩回的转换的方法是机械的凸轮杆或通过气动限制信号驱动的气动活塞。这些机构的操作可靠性对于工具的操作来说是至关重要的。此时的机械故障会导致有缺陷的工具无法脱离前进位置中的主轴。这样会导致工件和/或工具的损坏。
发明内容
本发明针对于配置用于启动主轴由前进方向至缩回方向的转换的强制进给工具。
一实施例针对于配置为以第一模式和第二模式操作的强制进给工具。进给工具包括细长的主轴，所述主轴适合于安装刀具、旋转和沿进给线路轴向移动。主轴配置为以第一模式操作沿进给线路以第一方向轴向移动和以第二模式操作沿进给路线以相反的第二方向轴向移动。主轴进一步配置为用于避免在第一方向上超出停止位置的移动。主轴驱动机构连接主轴以旋转主轴。差动进给齿轮与主轴驱动机构啮合并且通过主轴驱动机构被旋转，并且与主轴隔开。主轴进给齿轮连接至主轴，用于沿进给线路轴向移动主轴。主轴进给齿轮与差动进给齿轮啮合并且通过差动进给齿轮被旋转。第一模式包括主轴驱动机构与主轴啮合以旋转主轴，以及与差动进给齿轮啮合以旋转主轴进给齿轮。主轴进给齿轮位于沿进给线路的第一轴向位置，和主轴驱动机构，并且与差动进给齿轮以第一轴向距离隔开。第二模式包括在沿进给线路的不同的第二轴向位置处的主轴进给齿轮，并且差动进给齿轮与主轴驱动机构以更大的第二轴向距离隔开，并且脱离主轴驱动机构。主轴配置为从第一模式转换为第二模式以响应主轴进给齿轮，所述主轴进给齿轮轴向地沿进给线路从第一位置向第二位置移动。
进给工具可以包括升降环，其轴向地沿进给线路与主轴进给齿轮一起移动。当主轴进给齿轮从第一轴向位置向第二轴向位置移动时，升降环向外径向延伸超出主轴进给齿轮抵靠差动进给齿轮。
升降环和主轴进给齿轮可以是一个单一的组件。
升降环可以围绕主轴延伸并且包括容纳主轴的中央开口。
进给工具可以包括一个或多个坡道，其分别从主轴驱动机构和差动进给齿轮向外延伸，它们各自具有包括凸轮面的坡道，所凸轮面相互接触使主轴驱动机构和差动进给齿轮以第一模式相互啮合。
进给工具可以包括偏动元件，其作用在主轴进给齿轮上以避免主轴进给齿轮从第一轴向位置向第二向线位置移动。
进给工具可以包括气动马达，所述气动马达施加力到主轴驱动机构上从而旋转差动进给齿轮和主轴进给齿轮。
进给工具可以包括活塞，所述活塞通过与活塞一起位于气缸中的杆有效连接至差动进给齿轮，所述气缸包括空气入口。
另一针对进给工具的实施例，其包括细长的适合安装刀具的主轴。主轴配置为沿进给线路以前进方向朝第一位置轴向移动和以相反的方向缩回。主轴驱动齿轮连接至主轴以旋转主轴。主轴进给齿轮连接至主轴以沿进给线路轴向移动主轴。差动进给齿轮与主轴进给齿轮通过匹配齿轮齿而啮合。差动驱动齿轮与主轴驱动齿轮通过匹配齿轮齿啮合，并且进一步与差动进给齿轮啮合。为差动驱动齿轮提供动力以旋转主轴驱动齿轮，并且还通过差动进给齿轮旋转主轴进给齿轮。主轴进给齿轮有效连接至主轴，为了在主轴达到第一位置后使其沿进给路线轴向移动。主轴进给齿轮的移动导致差动进给齿轮远离差动驱动齿轮，并且使差动进给齿轮脱离差动驱动齿轮。
主轴驱动齿轮和主轴进给齿轮可以沿主轴轴向对齐，而差动驱动齿轮和差动进给齿轮可以沿差动进给杆轴向对齐，并且它们与主轴和平行的差动进给杆轴向啮合在一起。
差动驱动齿轮可以包括沿外缘的齿轮齿，当主轴以前进方向移动时所述差动驱动齿轮的齿轮齿与主轴驱动齿轮啮合，并且差动进给齿轮可以包括沿外缘的齿轮齿，当主轴以前进方向移动时所述差动进给齿轮的齿轮齿与主轴进给齿轮啮合。
可以为差动驱动齿轮提供动力以旋转主轴驱动齿轮，并且还通过差动进给齿轮旋转主轴进给齿轮。
进给工具也可以包括偏动元件，所述偏动元件施加力到主轴进给齿轮上使主轴进给齿轮在前进方向上沿进给线路偏移。
主轴进给齿轮可以包括升降环，所述升降环径向向外延伸超出主轴进给齿轮。当主轴沿进给路线轴向移动时在主轴到达第一位置后，升降环可以抵靠在差动进给齿轮的轴向面上使得差动进给齿轮从差动驱动齿轮移开。
主轴进给齿轮和升降环可以分离，并且可以沿主轴轴向隔开。
差动进给齿轮和差动驱动齿轮各自可以包括一个或多个具有倾斜面的坡道，所述倾斜面相互接触从而使差动驱动齿轮与差动进给齿轮啮合。
可以将差动进给齿轮固定到差动进给杆上，并且所述杆可以相对于差动驱动齿轮轴向移动，所述差动驱动齿轮具有固定至差动进给杆的活塞。
另一实施例针对强制进给工具中启动主轴方向转换的方法。该方法包括旋转连接至主轴由此使主轴旋转的主轴驱动机构。该方法包括旋转主轴驱动机构由此旋转差动进给齿轮，所述差动进给齿轮与主轴驱动机构啮合。所述方法包括旋转差动进给齿轮由此旋转主轴进给齿轮，所述主轴进给齿轮与差动进给齿轮啮合。所述方法包括旋转主轴进给齿轮，主轴旋转时所述主轴进给齿轮连接至主轴，并且以第一方向沿进给线路移动主轴。所述方法包括持续旋转主轴和主轴进给齿轮时，以及开始沿主轴轴向地以相反的第二方向沿进给线路移动主轴进给齿轮时，避免主轴在第一方向上的移动。所述方法包括沿主轴以第二方向轴向移动主轴进给齿轮，和使差动进给齿轮从主轴驱动机构移开，和使差动进给齿轮从主轴驱动机构上脱离。所述方法还包括，持续旋转主轴和以第二方向沿进给线路移动主轴时，停止主轴进给齿轮的旋转。
所述方法也可以包括接触升降环，主轴进给齿轮沿主轴以第二方向轴向移动时和差动进给齿轮从主轴驱动机构移开时，所述升降环由主轴进给齿轮向外径向延伸抵靠差动进给齿轮。
升降环可以与主轴进给齿轮整体成形。
所述方法也可以包括，沿主轴以第二方向轴向移动主轴进给齿轮时，和增加旋转主轴进给齿轮所需要的扭矩时，移动主轴进给齿轮抵靠偏动元件。
所述方法也可以包括滑动主轴驱动机构的凸轮面使其抵靠相对的差动进给齿轮的凸轮面，和移动差动进给齿轮使其远离主轴驱动机构。
所述方法也可以包括在活塞上施加空气压力，所述活塞连接差动进给齿轮，并且移动差动进给齿轮使其远离主轴驱动机构。
所述方法也可以包括对气流暴露活塞的限定区域，所述活塞连接至差动进给齿轮，在将差动进给齿轮从主轴驱动机构移开之前所述气流穿过气流入口，而在差动进给齿轮开始从主轴驱动机构远离之后对气流暴露更大的活塞区域。
各种实施例的各个方面可以根据需要单独或结合采用。
附图说明
图1是直角工具的立体图。
图2是同轴工具的立体图。
图3A是以前进方向操作的工具组件的侧向示意图。
图3B是以缩回方向操作的工具组件的侧向示意图。
图4是齿轮头的侧截面图。
图5是前进进给操作中的齿轮头的侧截面图。
图6是缩回操作中的齿轮头的侧截面图。
图7是具有坡道的差动驱动齿轮的俯视图，所述坡道构成阈值离合器部分。
图7A是图7的两个坡道的侧视图。
图8是在差动驱动齿轮和差动进给齿轮之间形成的阈值离合器的侧向立体图。
图9是具有升降环和避免差动进给齿轮旋转的夹持机构的主轴进给齿轮的侧向示意图。
图10是用于避免差动进给齿轮旋转的夹持机构的侧向立体图。
图11A是在第一位置的活塞的侧截面图，所述活塞穿过入口与工具一起以前进进给的方式操作。
图11B是在第二位置的活塞的侧截面图，所述活塞远离入口与工具一起以缩回的方式操作。
图12是以前进方向操作的工具组件的侧向示意图。
具体实施方式
本发明针对用于启动主轴进给方向由前进方向至缩回方向的转变的强制进给工具和方法，所述前进方向朝向工件移动主轴，所述缩回方向远离工件移动主轴。所述工具和方法可以采用发生在一个或多个组件上的过载推力和/或作用在一个或多个组件上的升降环，以启动由前进至缩回的转换。所述工具和方法也可以包括用于实现转换的二级活塞。在工具中各种组件可以单独或结合使用。
工具10通常包括马达12和齿轮头14，所述齿轮头14包括主轴30。图1图示出一强制进给工具的示例，确切的说为一直角强制进给工具10。图2示出一具有内联结构的强制进给工具10。所述直角和内联是指马达12相对于主轴30轴线的位置。强制进给工具10通常包括主轴30，所述主轴除旋转之外每转朝向被钻孔的工件前进预先设定的数值。主轴30被设计为以朝向工件的前进方向A和以远离工件的缩回(也就是相反的)方向R移动。马达12可以由压缩空气源、(未图示的)液压/流体操作、或(未图示的)电源驱动。
图3A和图3B提供了针对工具10的概述，以前进方向(图3A)和缩回方向(图3B)移动主轴30。工具10通常包括主轴部件39和差动部件49。在齿轮头14内部，部件39、49通常彼此平行对齐。所述主轴部件39包括一个或多个主轴30、主轴驱动齿轮31、主轴进给齿轮32和升降环50。差动部件49包括一个或多个差动驱动齿轮41、差动进给齿轮42，活塞60和进给杆40。
主轴30是一个细长的构件，其包括一个或多个用于与驱动齿轮31配合的槽和用于与进给齿轮32配合的螺纹。驱动齿轮31和进给齿轮32各自包括具有用于容纳主轴30的中央开口的环形形状。驱动齿轮31包括一个或多个柄脚，其啮合在主轴30中的一个或多个槽内，并且进给齿轮32包括与沿主轴30的螺纹啮合的螺纹。轮齿围绕各齿轮31、32的外边缘延伸，与差动部件49中相应的齿轮啮合。
主轴30可以延伸穿过支撑件80，其可以包括围绕齿轮头14延伸的外壳。在主轴30旋转和轴向移动期间，支撑件80保持静止。限深构件81可以安装在主轴30上，用于控制主轴30在前进方向上轴向移动的范围。所述限深器81安装在主轴30上并且和主轴30一起轴向移动。在一个或多个实施例中，所述限深器81是一个套环，其螺纹连接在主轴30上。所述限深器81从主轴30径向向外延伸，并且其尺寸设置为抵靠支撑件80从而避免在前进方向上主轴30额外的轴向移动。为了避免损坏，支撑件80可以包括在无法再向前驱动主轴30的位置上的轴承。偏动装置37位于主轴进给齿轮32和支撑件80之间。
在差动部件49中，驱动齿轮41和进给齿轮42各自围绕进给杆40延伸，并且包括围绕它们边缘的与主轴部件39的相应的齿轮31、32啮合的轮齿。活塞60位于在齿轮41、42下方的气缸88中。进给杆40安装在活塞60和差动齿轮42上作为一个部件轴向移动。差动驱动齿轮41围绕进给杆40延伸，但不与进给杆40一起轴向移动。偏动元件44沿进给杆40在活塞60和差动驱动齿轮41之间延伸。空气朝向气缸88底部的入口79。
主轴部件39和差动部件49的齿轮31、32、41、42配置用于为主轴30提供旋转和进给(前进和缩回)。差动驱动齿轮41通过马达12驱动。差动驱动齿轮41与主轴驱动齿轮31啮合，所述主轴驱动齿轮31有效连接至主轴30由此为主轴30提供旋转。差动驱动齿轮41也有效连接至差动进给齿轮42并使其旋转。差动进给齿轮42与主轴进给齿轮32啮合，所述主轴进给齿轮32螺纹连接在主轴30上。进给齿轮32、42为主轴30提供前进和缩回方向上的移动，进给的速率和方向根据驱动齿轮41/驱动齿轮31和进给齿轮42/进给齿轮32之间的比率。在一个或多个实施例中，主轴30上的螺纹设置为左旋，因此通过主轴进给齿轮32比主轴驱动齿轮31更快地旋转，实现前进方向的进给。在另一实施例中，主轴30设置为右旋，因此通过主轴进给齿轮32比驱动齿轮31更慢地旋转实现前进方向的进给。
为了以缩回方向移动主轴30，差动进给齿轮42从差动驱动齿轮41上脱离并且保持静止。这导致主轴进给齿轮32也静止不动。主轴30缩回是因为事实上主轴仍然由驱动齿轮31旋转。
主轴部件39和差动部件49形成齿轮头14，其配置为安装在马达12上。图4示出从马达12上脱离的直角进给齿轮头14的侧向示意图。工具10包括由马达12(附图4未示出)驱动的输入杆20驱动。针对直角的方案，一组锥齿轮22被用于为安装在驱动锥齿轮21上的输入齿轮78提供旋转，所述驱动锥齿轮21与差动驱动齿轮41啮合，并且为差动驱动齿轮41提供驱动力。因此，输入齿轮78设置用于提供使差动驱动齿轮41旋转的力(并且因此有效连接差动进给齿轮42、主轴驱动齿轮31和主轴进给齿轮32)。类似结构应用于内联工具，所述内联工具具有由马达12直接或通过减速齿轮箱(通常被称为行星齿轮箱)驱动的输入齿轮78。对于直角齿轮头14和内联齿轮头14两者来说，主轴部件39和差动部件49本质上是相同的。
在一个或多个实施例中，强制进给工具10采用压缩空气源作为马达的推动力。此外，同一空气源随后用于控制全部工具操作中的某些其他的功能。在一个或多个包括电动马达12实施例中，单独的压缩空气源提供这些控制功能或采用类似的电驱动控制。在一个或多个实施例中，活塞60和气缸88由压缩空气源提供空气。空气源由在工具10内的空气逻辑系统来控制。
图5和6图示出，通过差动驱动齿轮41和差动进给齿轮42分别与主轴驱动齿轮31和主轴进给齿轮32旋转来实现所述主轴30的旋转和轴向移动。主轴进给齿轮32包括连接在外螺纹上的内螺纹，所述外螺纹沿主轴30延伸。因此，当主轴进给齿轮32相对于主轴30旋转时，主轴30将以前进方向通过主轴进给齿轮32进给。在一个或多个实施例中，主轴30的外螺纹是左旋螺纹。主轴30还包括沿其长度延伸的槽。主轴驱动齿轮31包括内部的阳齿槽，其与主轴30上的驱动凹槽啮合。因此，当主轴驱动齿轮31被旋转时，主轴30也旋转。
图5图示了齿轮头14操作使主轴30以由箭头A表示的前进方向移动。如图所示，差动进给齿轮42与差动驱动齿轮41啮合，并且通过通过差动驱动齿轮41旋转。差动进给齿轮42反过来旋转主轴进给齿轮32，所述主轴进给齿轮32与主轴啮合。主轴进给齿轮32围绕主轴30的旋转以前进方向A轴向驱动主轴30。主轴30的移动范围可以通过限深器81在最大深度处抵靠支撑件80来设置。
工具10配置用于在主轴30以前进方向A轴向移动了期望的数值后，将进给方向转变为缩回主轴30。为了转变齿轮头14缩回，差动进给齿轮42从差动驱动齿轮41上脱离。脱离导致差动进给齿轮42保持静止。因为主轴进给齿轮32是通过差动进给齿轮42驱动的，主轴进给齿轮32也变为静止。随着主轴30仍然被主轴驱动齿轮31驱动(通过差动驱动齿轮41)，由于沿啮合在主轴进给齿轮32中的主轴30的长度的螺纹使主轴30缩回主轴30。
进给工具10可以包括一个或多个改善从进给到缩回转换的操作可靠性的方面。其可以包括一个或多个在差动进给齿轮42和差动驱动齿轮41之间形成的扭矩过载离合器70、轴向移动差动进给齿轮42的机械升降环50、以及二级活塞60。在一个或多个实施例中，工具10包括这些方面中的每一个。另一些实施例包括仅具有这些方面其中之一的进给工具10。还有另外一些实施例可以包括具有这些方面中的两个或多个的进给工具10。在一个特殊的实施例中，工具10包括升降环50和二级活塞60。在另一个特殊的实施例中，工具10包括扭矩过载离合器70和二级活塞60。图5和6包括这样的一个实施例，其包括离合器、升降环50和二级活塞60。
所述扭矩过载离合器70是一种用于实现工具10在前进和缩回操作之间转换的方法。所述离合器70包括在差动驱动齿轮41和差动进给齿轮42的接触面上的匹配坡道85。所述坡道85相互配合使得驱动齿轮41旋转进给齿轮42。偏动元件44的力使在相对齿轮41、42上的斜坡85之间保持啮合。
图7图示出差动驱动齿轮41的俯视图，其包括环形。中央开口86的尺寸设置为用于容纳进给杆40。面朝进给齿轮42的轴面84包括坡道85，每个坡道85包括倾斜的凸轮面87，其在图7A中最好地被示出。凸轮面87与面84以α角度对齐。角度α可以根据需要的啮合范围而改变。在如图7所示的一个或多个实施例中，坡道85完整地围绕中央开口86延伸。其他的实施例可以包括不同数量和配置的坡道85。差动进给齿轮42包括与相应坡道85相互配合的类似配置。在相对的齿轮42、41上的坡道85可以包括相同或不同的α角。
图8图示出例如当工具10以前进方向操作时，相互配合的差动驱动齿轮41和差动进给齿轮42。相对的坡道85的凸轮面87彼此接触使得驱动齿轮41旋转进给齿轮42。驱动齿轮41还包括沿边缘的齿轮齿82，所述齿轮齿82与相应的主轴驱动齿轮31上的轮齿啮合。类似的，进给齿轮42包括外围的轮齿83，所述轮齿83与主轴进给齿轮32上的轮齿啮合。至少通过偏动元件44的偏动力作用在齿轮41、42上使坡道85保持接触。在差动进给齿轮42无法被驱动的情况下，两个齿轮41、42则会沿差动进给杆40的轴线分离。引起分离的过载转矩数值是关于偏动元件44所施加的力和凸轮面87的角度α的函数。
如图5中所示，当工具10以前进方向操作时，通过离合器70使差动进给齿轮42与差动驱动齿轮41耦合，所述离合器70包括通过偏动元件44的偏动力而保持接触的接触坡道85。主轴进给齿轮32以相对于主轴驱动齿轮31的差动速度旋转，因此导致主轴前进。在主轴30的前进方向的移动范围内，通过抵靠在支撑件80上的限深元件81使主轴30的额外移动停止。在限深器81和支撑件80之间的接触位置上，主轴进给齿轮32的驱动仍然由差动进给齿轮42(通过差动驱动齿轮41)来执行。随着主轴30停止向前移动，螺纹连接在主轴30上的主轴进给齿轮32克服偏动元件37轴向向后移动。发明这种结构针对“推力过载”，并且其特别有利于应用在钻孔的工具上，在主轴冲程的末端短暂的停止周期非常有利于精确的钻孔深度和保持形成的埋头孔的光洁(a clean finish)。
在一个或多个实施例中，偏动元件37包括一个或多个贝式垫圈(Bellevillewasher)。在另一个实施例中，所述这些垫圈可以是波形或常规的压缩弹簧。元件37具有近似等于齿轮头14的推力定额的预加载。其取决于波形垫圈可能存在的弊端，即，由于波形垫圈内径/外径(ID/OD)的尺寸它们必须定位在主轴进给齿轮32的顶端。在一个或多个实施例，偏动元件37包括一个或多个波形弹簧，因为针对相同的给定的内径它们具有较小的外径，并且能够因此与主轴进给齿轮32平行放置。这使得齿轮头保持较低的总高度，其优点在于工具10能够获得更多的密闭空间。
主轴进给齿轮32沿主轴30的反向移动导致齿轮32克服偏动元件37移动。其结果是需要额外的扭矩通过差动进给齿轮42来旋转主轴进给齿轮32。这种额外的扭矩反过来需要通过差动驱动齿轮41来施加额外的扭矩。在差动驱动齿轮41和差动进给齿轮42之间所需的额外的扭矩导致凸轮面87滑动抵靠彼此和使得使齿轮41、42轴向分离。
在一个或多个实施例中，包括夹持机构，当工具10以缩回方向操作时，所述夹持机构沿差动部件49避免差动进给齿轮42的旋转。在如图9所示的一个实施例中，夹持机构包括锥形的离合器。差动进给齿轮42的顶部包括具有锥形宽度的突锥体48。此外，凹锥体55靠近差动进给齿轮42设置并且围绕进给杆40延伸。在一个或多个实施例中，在与差动进给齿轮42啮合期间，凹锥体55保持静止。在锥体48、55之间的锥体角度设计为用于形成防止差动进给齿轮42旋转的夹持力，但仍然允许差动进给齿轮42轴向运动(即，该角度不应该产生锥形锁合)。当工具10缩回时，通过离合器机构70的滑动凸轮面87迫使差动进给齿轮42向上。这种向上的移动迫使凸锥体48进入到凹锥体55中，以此避免旋转。图9包括具有差动进给齿轮42的实施例，所述差动进给齿轮42包括凸锥体48。其他的实施例可以颠倒凸锥体48和凹锥体55。
夹持机构也可以包括如在图10中所示的齿式离合器。差动进给齿轮42包括一个或多个从顶面向上轴向延伸的销56。接合元件57沿进给杆40设置在差动进给齿轮42的上方。接合元件57包括一个或多个孔58，其与一个或多个销56匹配。当差动进给齿轮42通过凸轮面87的滑动而轴向移动时，销56插入到孔58中，由此避免额外的旋转。这种结构也可以颠倒过来，包括孔的差动进给齿轮42容纳由接合元件57延伸的销。
使用中，差动进给齿轮42与主轴进给齿轮32通过齿轮齿保持啮合。由于需要增大扭矩，因此凸轮面87滑动经过彼此，差动进给齿轮42轴向移动远离差动驱动齿轮41。在一个或多个实施例中，由于一个或多个主轴进给齿轮32沿主轴32轴向移动和差动进给齿轮42轴向移动远离差动驱动齿轮41，差动进给齿轮42相对于主轴进给齿轮32轴向滑动。差动驱动齿轮41持续旋转的结果是进一步地沿凸轮面87滑动，由此迫使齿轮41、42进一步地远离直至齿轮41、42最终脱离。一旦脱离，差动进给齿轮42接触夹持机构以避免进一步的旋转。这样反过来避免了主轴进给齿轮32的旋转。尽管齿轮32、42可以相对于彼此移动，但齿轮32、42通过它们的齿轮齿保持啮合。
在另一个实施例中，或与离合器70相结合，主轴进给齿轮32包括升降环50。如图9所示，环50在差动进给齿轮42的下方延伸，并且在前进进给操作中所述环50仅在差动进给齿轮42的底面的下方。在冲程的末端或推力过载的情况下，主轴进给齿轮32如上所述沿主轴30反向移动。因为主轴进给齿轮32沿主轴30轴向移动，升降环50作用在差动进给齿轮42上并且启动其朝向第二位置移动用于缩回工具(即，使其远离差动驱动齿轮31)。升降环50可以轴向移动差动进给齿轮42一轴向距离，使其与差动驱动齿轮41脱离。在一个或多个实施例中，升降环50也可以移动差动进给齿轮42一段距离，使其与夹持机构啮合从而避免旋转。
在一个或多个实施例中，升降环50可以安装在主轴进给齿轮32上。升降环50和进给齿轮32可以作为一个整体部件成形，例如一体模塑成形、一体化结构。升降环50也可以通过一个或多个机械紧固件和/或粘合剂安装在进给齿轮32的底面上。升降环50也可以是一个独立的元件，通过偏动元件38使所述升降环50保持抵靠在进给齿轮32的底面上(见图5、6)。
在一个或多个实施例中，扭矩离合器70和/或升降环50使差动进给齿轮42以限定的数值轴向移动从而脱离差动驱动齿轮41。可以进一步地配置活塞60用于提供差动进给齿轮42的额外的轴向移动。活塞60、进给杆40和差动进给齿轮42连接在一起作为一个部件轴向移动。如图11A和11B中所示，活塞60位于气缸88中，所述气缸包括外壁62和底壁63。气缸88的横截面形状与活塞60相配合，从而使活塞60延伸穿过气缸88且活塞60能够在气缸88内轴向移动。底壁63包括具有减小面积A1的入口79，该面积小于气缸88的面积。空气从空气逻辑系统以箭头Q方向朝向入口61移动。
当如图11A所示以前进方向操作工具10时，活塞60位于底壁63处并且在入口61上方延伸。因此，空气仅作用在通过入口61而暴露的等于面积A1的活塞60部分上。偏动元件44下压在活塞60上的力大于通过空气施加在活塞60的减小面积A1上的力。由此活塞60(以及安装的进给杆40和差动进给齿轮42)保持在同一轴向位置上。
一旦通过升降环50和/或阈值离合器70启动差动进给齿轮42的移动，活塞60也在气缸中轴向移动远离底壁63，因为其通过差动进给杆40与差动进给齿轮42耦合。活塞60的底移动远离入口61，由此空气能够作用在活塞60的较大面积A2上。其结果是通过空气施加一个较大的力。该较大的力克服偏动元件44并且轴向移动活塞60并且由此也使差动进给齿轮42与夹持机构接触。准备移动活塞的空气的位置大大降低了差动进给齿轮42从前进位置转换为缩回位置的时间。这也大大降低了堵塞的可能性。
多种偏动元件可以包括多种不同的结构。偏动元件可以包括单一的元件、或多个元件。多个元件可以是一样的或不同的。所述元件可以包括但并不仅限于贝式垫圈(Belleville washer)、波形垫圈、波形弹簧、磁性材料和压缩弹簧。
在一个或多个实施例中，工具10包括升降环50、离合器70和二级活塞60。工具10也可以包括多种其他组合。在一个或多个实施例中，工具10包括升降环50和二级活塞60。在一个或多个实施例中，工具10包括阈值离合器70和二级活塞60。
差动驱动齿轮41可以与差动进给齿轮42以多种不同的结构啮合。一个实施例包括上述的离合器机构70。其他实施例包括但不仅限于销和孔驱动器和90度的面驱动器(齿形驱动器)。
马达12可以是气动的或电动的。马达12设置为给差动驱动齿轮41提供旋转力来旋转其他元件，所述其他元件包括如上所述的主轴30。在一个或多个实施例中，采用电动马达12、通过空气逻辑系统控制的单独的空气源提供二级活塞60的移动。
在一个或多个实施例中，沿差动部件49在活塞60和差动驱动齿轮41之间设置偏动元件44(即，如图3A和3B中所示，在差动驱动齿轮41的下方)。如图12中所示的一个或多个实施例中，可以沿差动部件49在支撑件80和差动进给齿轮42之间设置偏动元件47。这个偏动元件47施加一个沿差动部件49的力使差动驱动齿轮41和差动进给齿轮42保持轴向接触。在一个或多个实施例中，差动部件49包括两个偏动元件44、47。在一个或多个实施例中，差动部件49仅包括两个偏动元件44、47其中之一。
与空间相关的，例如“下方”、“之下”、“下游”、“上方”、“之上”等表述的使用仅为了便于描述从而解释某一元件相对于另一元件的位置。这些表述是为了包括装置不同的定位，那些除在附图中所描绘的定位以外的不同的定位。此外，例如“第一”、“第二”等表述也用于描述各种元件、区域、部分等，而并不出于限制的目的。类似的表述参见说明书中类似的元件。
这里所使用的表述“具有”、“含有”、“包括”，“包括”等为开放式表述，其代表所规定的元件或特征，但不排除附加的元件或特征。冠词“一”、“一种”和“该”适合于包括复数和单数，除非上下文清楚指明的除外。
本发明可以通过除了这里所设定的不超出本发明范围和构思的其他特殊的方式来实施，因此当前的实施例视为全方面的描述而并非限制性的，在权利要求的定义和等价范围内的所有变型都视为包括在内。

Claims (15)

1.一种配置为以第一模式和第二模式操作的强制进给工具，所述进给工具包括：
细长的主轴(30)，其适合于安装刀具和旋转和沿进给线路轴向移动，主轴(30)配置为以沿进给线路以第一方向轴向移动的第一模式操作和以沿进给线路以相反的第二方向轴向移动的第二模式操作，此外主轴(30)配置用于避免第一方向上的移动超出停止位置；
主轴驱动机构(41、31)，其连接至主轴(30)以旋转主轴(30)；
差动进给齿轮(42)，其与主轴驱动机构啮合并且由所述主轴驱动机构(41、31)旋转，所述差动进给齿轮与主轴(30)隔开；
主轴进给齿轮(32)，其连接至主轴(30)使主轴(30)沿进给线路轴向移动，所述主轴进给齿轮(32)与差动进给齿轮(42)啮合并且由所述差动进给齿轮旋转；
其特征在于：
第一模式包括主轴驱动机构(41、31)与主轴(30)啮合以旋转主轴(30)，和与差动进给齿轮(42)啮合以旋转主轴进给齿轮(32)，所述主轴进给齿轮(32)设置在沿进给线路的第一轴向位置处，所述主轴驱动机构(41、31)和差动进给齿轮(42)相距第一轴向距离；
第二模式包括在沿进给线路的不同的第二轴向位置处的主轴进给齿轮(32)，和差动进给齿轮(42)与主轴驱动机构(41、31)隔开较远轴向距离并且与主轴驱动机构(41、31)脱离；
主轴(30)配置用于从第一模式转换为第二模式以响应主轴进给齿轮(32)沿进给线路从第一轴向位置向第二轴向位置的轴向移动。
2.根据权利要求1的进给工具，进一步包括升降环(50)，所述升降环沿进给线路与主轴进给齿轮(32)一起轴向移动，当主轴进给齿轮(32)从第一轴向位置移动至第二轴向位置时，所述升降环(50)径向向外延伸超出主轴进给齿轮(32)接触抵靠差动进给齿轮。
3.根据权利要求2的进给工具，其中所述升降环(50)和主轴进给齿轮(32)是一个单一组件。
4.根据权利要求2的进给工具，其中所述升降环(50)围绕主轴(30)延伸并且包括容纳主轴(30)的中央开口。
5.根据权利要求1的进给工具，进一步包括一个或多个坡道(85)，所述坡道从每个主轴驱动机构(41、31)和差动进给齿轮(42)轴向向外延伸，所述坡道(85)各自包括凸轮面，所述凸轮面相互接触用于将主轴驱动机构(41、31)和差动进给齿轮(42)以第一模式相互啮合。
6.根据权利要求1的进给工具，进一步包括偏动元件(37)，所述偏动元件作用在主轴进给齿轮(32)上以避免主轴进给齿轮(32)从第一轴向位置向第二轴向位置的移动。
7.根据权利要求1的进给工具，进一步包括气动马达(12)，所述气动马达将力施加在主轴驱动机构(41、31)上以旋转差动进给齿轮(42)和主轴进给齿轮(32)。
8.根据权利要求1的进给工具，进一步包括活塞(60)，所述活塞通过杆(40)有效连接至差动进给齿轮(42)，所述活塞(60)设置在具有空气入口的气缸(88)中。
9.一种在强制进给工具中启动主轴方向转化的方法，所述方法包括：
旋转主轴驱动机构(41，31)，所述主轴驱动机构连接至主轴(30)由此旋转主轴(30)；
旋转主轴驱动机构(41、31)由此旋转差动进给齿轮(42)，所述差动进给齿轮与主轴驱动机构(41、31)啮合；
旋转差动进给齿轮(42)由此旋转主轴进给齿轮(32)，所述主轴进给齿轮与差动进给齿轮(42)啮合；
旋转主轴进给齿轮(32)，主轴(30)旋转时所述主轴进给齿轮(32)连接主轴(30)，并且以第一方向沿进给线路移动主轴(30)；
其特征在于：
持续旋转主轴(30)和主轴进给齿轮(32)时避免主轴(30)以第一方向移动，并且开始沿主轴(30)以相反的第二方向沿进给线路轴向移动主轴进给齿轮(32)；
沿主轴(30)以第二方向轴向移动主轴进给齿轮(32)，并且移动差动进给齿轮(42)使其远离主轴驱动机构(41、31)，并且使差动进给齿轮(42)从主轴驱动机构(41、31)上脱离；以及
持续旋转主轴(30)时停止主轴进给齿轮(32)的旋转，并且以第二方向沿进给线路移动主轴(30)。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括接触升降环(50)，主轴进给齿轮(32)沿主轴(30)以第二方向轴向移动时，所述升降环(50)由主轴进给齿轮(32)径向向外延伸抵靠差动进给齿轮(42)，并且移动差动进给齿轮(42)使其远离主轴驱动机构(41、31)。
11.根据权利要求10的方法，其中升降环(50)与主轴进给齿轮(32)整体成形。
12.根据权利要求9的方法，进一步包括，沿第二方向轴向移动主轴进给齿轮(32)时，克服偏动元件(44)移动主轴进给齿轮(32)，并且增大旋转主轴进给齿轮(32)所需的扭矩。
13.根据权利要求9的方法，进一步包括，滑动主轴驱动机构(41、31)上的凸轮面抵靠相对的差动进给齿轮(42)上的凸轮面，并且移动差动进给齿轮(42)使其远离主轴驱动机构(41、31)。
14.根据权利要求9的方法，进一步包括，在活塞(60)上施加空气压力，所述活塞连接差动进给齿轮(42)，并且移动差动进给齿轮(42)使其远离主轴驱动机构(41、31)。
15.根据权利要求9的方法，进一步包括，对空气气流暴露活塞(60)的限定区域，所述活塞(60)连接至差动进给齿轮(42)，在将差动进给齿轮(42)从主轴驱动机构(41、31)移开之前所述空气气流穿过空气入口，而在差动进给齿轮(42)开始从主轴驱动机构(41、31)远离之后对气流暴露更大的活塞(60)区域。
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