CN105492158A - 刀夹 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于旋转驱动的刀具(2)的刀夹(1)，具有旋转对称的接纳体(3)，它含有前端的具有用于刀具(2)的刀柄(6)的接纳孔(5)的夹紧区域(4)和后端的用于紧固在机床工作主轴中的接纳区域(7)。为了以高的刚性实现减小的质量和更小的质量惯性矩，至少在前端的夹紧区域(4)中设置由纤维强化的塑料制成的套筒(11)。

Description

刀夹

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的刀夹/刀座。

背景技术

这种刀夹作为旋转驱动的刀具与机床工作主轴之间的接口使用。刀夹应该实现定位准确地承接刀具，用于以高精度加工并且能够快速更换刀具。目前已知的刀夹通常含有钢制的接纳体，其包括具有用于刀具刀柄的接纳孔的前夹紧区域和用于承接在机床工作主轴中的后接纳区域。根据夹紧系统可以不同地构成后接纳区域。但是因为为了实现所需的刚性，钢制的接纳体必需具有一定的尺寸，已知的刀夹也具有相对较高的质量和相应较大的质量惯性矩。因此，驱动装置和刀具更换系统也必须相应地设计尺寸。

发明内容

本发明的目的是，创造一种刀夹，该刀夹在刚性相同的情况下具有明显减小的质量和更小的质量惯性矩。

该目的通过具有权利要求1特征的刀夹实现。本发明适宜的改进方案和有利的扩展结构在从属权利要求中给出。

在按照本发明的刀夹中，至少在前夹紧区域中设置由CFK,GFK或者其它纤维强化的塑料制成的套筒。该套筒适宜地由多个纤维层组成，其纤维走向按照力流取向，所述力流通过旋转、夹紧和加工力产生。该套筒相对较轻而且可以保证刀夹的高强度和稳定性。由此可以至少部分地替换在常见的刀夹中为了稳定所使用的钢质量，这导致刀夹明显减小的质量和明显减小的质量惯性矩。由此在热装夹头中例如与等值的钢结构相比所述刀夹的重量减小直到50％，并且质量惯性矩减小直到60％。由此机床的多个零部件同样可以获益。在安装和更换刀夹时，在工作主轴上作用更小的惯性力，这不仅保护工作主轴与其轴承，而且保护接纳部。通过减小的质量也使更换刀夹时的冲击力更小，这对于磨损产生积极影响。对于刀夹的直线运动和加速度只需很小的驱动力，由此需要更小驱动功率的驱动装置并由此可以提高机床的生产率。驱动装置也只需更小的制动力并由此产生更小的冷却功率和更少的能量投入。通过减小的质量惯性矩尤其也能够实现更快的转速改变并由此加速了主轴的启动过程和停止过程。

在刀夹上使用纤维强化的塑料也对刀具更换过程产生积极影响。通过更小的要运动的质量可以更快地实现刀具更换过程，并且只需更小的用于使换刀器和刀匣运动的力。由此可以提高整个换刀系统的使用寿命。

除了在机床方面的积极效应以外，刀夹的复合纤维结构也在工件方面引起质量改善。通过更小的振动的质量可以减小不平衡并且改善刀具的回转/径向跳动。这有助于提高刀具的耐用度/寿命并且改善表面质量。此外，由纤维强化的塑料制成的套筒可以改善刀夹的缓冲特性，这以临界范围减小振动并且可以积极地影响表面质量。

所述刀夹可以由热装夹头构成，其中由纤维强化的塑料制成的套筒安设在由金属制成的接纳体的前夹紧区域上。在这里由于这种套筒有限的热负荷性，使用于固定刀具的热装过程与常见的热装夹头相反。代替为了接纳刀具而加热刀夹，而是在安装到刀夹中之前冷却刀具。

由纤维强化的塑料制成的套筒可以热装在由金属制成的接纳体的前夹紧区域上。为此，在安设套筒之前，可以冷却接纳体。当然后再次加热接纳体时，通过压配合/过盈配合保持套筒。如果例如使用具有其它尺寸或者特性的套筒，通过重新冷却下来也可以移除或者替换套筒。但是也可以将套筒粘接或者以其它适合的方式固定在接纳体上。

在另一适宜的结构中，由纤维强化的塑料制成的套筒可以形成接纳体的中间区域的至少一部分和前夹紧区域。仅仅较剧烈承载的部分、例如后接纳区域、中间区域的外部部分和接纳体前端面上的盖件可以由钢制成。

也能够实现实施例，其中，刀夹的整个外侧面设计为由纤维强化的塑料制成的套筒。接纳体例如可以由薄壁的金属插入件制成，它完全被形成刀夹的整个外轮廓的套筒包围。

配有由纤维强化的塑料制成的套筒的刀夹不必一定设计为热装夹头，而是也可以设计为Weldon夹头、具有卡钳的卡钳夹头或者例如夹紧夹头，其中前夹紧区域可以通过夹紧部件径向变形，该夹紧部件被纤维强化的塑料制成的套筒包围。所述夹紧部件可以这样构成，使前夹紧区域在接纳孔区域为了夹紧刀具而通过夹紧部件的轴向运动顶压到一起或者为了松开刀具而放松。所述夹紧部件例如可以是在前夹紧区域的锥形前部上轴向可移动的夹紧套筒，该夹紧套筒具有适配于前部的锥形外表面的锥形内表面。夹紧部件的轴向调整可以通过设计为内螺纹环的调整环实现，该调整环与夹紧部件上的外螺纹和夹紧区域上直径增大的后部上的外螺纹共同作用。但是，夹紧部件的轴向移动也可以通过其它调整方法实现。

但是，前夹紧区域也可以多部分地、即以模块化结构形式构成。在第一实施例中，接纳体和套筒为了封闭前夹紧区域这样成形，使它们形成用于旋入式刀具的支承面/定位面。在特别优选的实施例中，这些支承面/定位面由具有不同锥角的双锥结构构成，并且所述接纳体在前夹紧区域具有内螺纹，该内螺纹适合于，接合旋入式刀具的外螺纹。

在另一实施例中，前夹紧区域通过至少另一模块多部分地构成。为此以理想的方式不仅接纳体而且套筒都具有适合的支承面。但是，在备选的实施例中，所述套筒也可以延伸超过接纳体并且形成用于模块的单独接纳部。不言而喻，适合的模块具有与支承面对应的定位面。这种模块例如可以是热装夹头或者液压膨胀夹头。

如果刀夹以这种模块化结构方式组成，还使套筒附加地处于轴向预紧。由此可以更强烈地缓冲刀具夹持装置在运行期间的振动。通过安置模块、优选通过螺纹连接，通过旋入到具有用于刀具的夹紧空间的接纳装置中来将套筒在轴向夹紧的情况下置入到接纳体中。通过施加轴向力可以针对性地改变、尤其提高刀夹整体上的弹簧刚性和与此相关的在刀夹上特别简单地可激励的振动模式和附属于它的谐振频率。

如同一般公知的那样，零部件、例如刀夹的谐振频率由弹簧刚性与质量的商数的平方根确定。通过针对性地改变弹簧刚性，不仅可以针对性地影响扭振特性、即涉及刀夹围绕旋转轴线的振动，而且也针对性地影响横向振动特性、即，涉及刀夹在包括旋转轴线的平面中的振动与刀夹正交于旋转轴线的振动偏转。也已经证实，在高机械夹紧力/应力时在金属材料的弹性范围中在具体情况下可以提高缓冲性。

由纤维强化的塑料制成的套筒还可以具有不同布置的凹部，它们有利地影响缓冲特性。这些凹部例如可以通过在缠绕过程中加入的空心体产生，或者通过支承在绕组之间的由(激光)烧结的材料制成的层产生。所述凹部的特别有利的分布是这样一种布置，其中这些凹区域于至少两个、优选三个彼此同轴的、假想的圆柱壳或锥壳上。

类似于空洞也可以将冷却剂系统加工到套筒中。因为冷却剂通道在这种系统中无需钻孔，而是在制造时就已经加工进去，其造型不预先给定。因此，冷却剂通道的走向由不同的直线和/或曲线的分段组成，围绕例如S形的曲线形成，或者在轴向上“蜿蜒”。也能够使冷却剂通道在套筒内部螺旋形地围绕刀具夹持装置的旋转轴线向上“螺旋”。

在备选的实施例中，冷却剂导引系统也可以事后加工到套筒中。在此，通过材料去除工艺在顶靠在接纳体3的内表面上空出冷却剂通道的延伸部。这些冷却剂通道以后通过定位在金属的接纳体上限定边界。这种冷却剂导引系统的优点是，尤其以螺旋形的走向更好地而不是不显著地冷却夹紧段并由此冷却刀柄。

为了将冷却剂从后接纳区域7导引到套筒，所述刀夹具有从后接纳区域到前接纳区域的冷却剂导引结构，以及在前接纳区域4中具有接纳体3的缺口，其与套筒11连接。

为了可以更简单地安置套筒11，在有利的实施例中所述接纳体可以具有导向面或者类似的部件，它们使得最佳地定位变得容易。这种导向面例如可以是接纳体3总归圆形的外表面上倒平的配合面，其在套筒11中接合在相应的对应面上。这种措施也确保，设置的连接点，例如在夹头中的缺口与套筒中的冷却剂导引系统的连接位置相互连通/对齐。

为了改善套筒与接纳体的固定，有利地要提高在金属与纤维强化的塑料之间的摩擦力。最简单地能够通过金属表面拉毛或者通过加入相应的材料、例如橡胶到纤维强化的塑料中实现这一点。

作为强化套筒的套筒优选可以由通过碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维强化的塑料制成。

附图说明

本发明的其它特点和优势由下面参照附图对优选实施例的描述给出。

附图示出：

图1刀夹第一实施例的纵截面图；

图2刀夹第二实施例的纵截面图；

图3刀夹第三实施例的纵截面图；

图4刀夹第四实施例的纵截面图；

图5刀夹第五实施例的纵截面图；

图6刀夹第六实施例的纵截面图。

具体实施方式

在图1中示出了在这里配有HSK接口的刀夹1，用于力锁合地夹持钻头、铣刀、磨削刀具或者其它旋转驱动的刀具2。刀夹1在所示实施例中由热技术的夹紧夹头构成并且包括旋转对称的接纳体3，接纳体在其刀具侧的前端部上包括具有用于刀具2的刀柄6的接纳孔5的夹紧区域4，并且在其机床侧的后端部上包括在这里具有用于接纳在机床工作主轴中的锥形外部夹紧面8的锥形后接纳区域7。钢制的接纳体3还具有圆柱形的中间区域9，该中间区域具有把握槽10，用于接合刀具更换器。在接纳体3的前夹紧区域4上设置有由碳纤维强化的塑料(CFK)或者其它纤维强化的塑料制成的套筒11。

在图1所示的实施例中，由CFK制成的套筒11利用压配合/过盈配合设置在金属制的接纳体3的前夹紧区域4上。为了装配由CFK制成的套筒11，将接纳体3例如冷却到-180℃。然后将位于室温的套筒11安设在由于冷却收缩的前夹紧区域4上。当接纳体3又加热并由此膨胀时，套筒11被固定。在此，这样选择套筒11的内径与前夹紧区域4的外径的比例，当接纳体3在冷却以后又加热到室温并且径向膨胀时，使套筒11在径向预紧的情况下可靠地固定在前夹紧区域4上。

作为对于形成压配合的备选或补充，可以利用形状锁合使接纳体3与套筒11相互连接。在优选的实施例中，接纳体3具有不平度，例如以径向向外指向的花纹的形式，套筒11压入到其中。因此，通过零部件的弹性变形已经可以实现形状锁合。优选套筒11具有与接纳体3的不平度对应的凹下，它们在未夹紧的状态下已经形状锁合地相互嵌接。

在另一优选的实施例中，套筒不作为预加工的部件推套上，而是以多层以缠绕工艺施加。接纳体3在其前夹紧区域4中优选为此具有多个与接纳体固定连接的针状和/或销状部件，针状和/或销状部件在缠绕过程中进入到套筒中并由此实现特别稳定的复合，这种复合在理想情况下具有增加的缓冲特性。对于本领域技术人员不言而喻的是，术语缠绕工艺包括多种由现有技术公知的方法，例如由多个纤维强化的塑料带料幅编织且尤其针织形成套筒。

如同由图1给出的那样，前夹紧区域4与套筒11的外径相比相对细长且薄壁地构成。夹紧区域4在这里包括略微锥形的、细长的前部12，具有设置在其中的用于刀柄6的接纳孔5，并且包括加宽的后部13。套筒11在细长的前部12、加宽的后部13上延伸并且接合到接纳体3的圆柱形中间区域9的前端面上的凹陷14中。刀夹3在所示的结构中具有贯通的孔15以及在后接纳区域7中具有加宽的后中空腔16。在中空腔16内侧面上设有用于夹紧钳或者其它夹紧部件的夹紧面17，用于从内部将刀夹1夹紧在工作主轴中。

在常见的热技术的夹紧夹头中为了夹紧刀具首先加热刀夹1，接着必需再冷却，与常见的热技术的夹紧夹头不同，在这里为了夹紧在刀夹1内部首先冷却刀具2。当刀柄6的直径通过冷却得以减小，可以将刀具2插入到接纳孔5中。如果刀具2在安装后又达到室温并由此又膨胀，则刀柄6固定在接纳孔5中。在这里也这样选择接纳孔5内径与刀柄6外径的关系，使得刀具2在常见的运行温度时固定地保持在刀夹1的接纳孔5中。

为了松开刀具2，冷却由刀夹1和刀具2组成的整个单元。在此，套筒11的内径根据纤维层而定几乎不改变。薄壁的前部12与套筒11形成挤压连接，即处于外部的径向预载下。在前部12中，尽管冷却引起圆周减小，但是只有在取消预载以后才导致接纳孔5减小。因为刀柄6的直径通过冷却减小，接纳孔5的直径保持不变，可以取下刀具2。

在图2中示出了刀夹1的另一实施例。这个刀夹1具有钢制的接纳体3，接纳体具有用于夹紧刀具2的前夹紧区域4和用于接纳在机床工作主轴中的后接纳区域7。前夹紧区域4在这里也通过锥形的、细长的前部12和在直径上略微放大的后部13形成。但是在这个结构中刀具2不是通过热装、而是通过锥形的、细长的前部12的径向挤压夹紧。前部12的径向挤压通过在前部12上可轴向移动的夹紧部件18实现。在这里由夹紧套构成的夹紧部件18可以相对于接纳体3轴向调整并且具有适配于前部12的锥形外表面的锥形内表面19。在前部区域中同样薄壁的套状夹紧部件18在其外侧面上包括由CFK或者其它纤维强化的塑料制成的套筒11，它同样用于加固。

被套筒11包围的夹紧部件18相对于接纳体3的轴向调整通过设计为螺纹环的调整环20实现，调整环与夹紧套18上的外螺纹21和夹紧区域4的、与前部12相比在直径上增大的后部上的外螺纹22共同作用。两个外螺纹具有不同的螺距，套状夹紧部件18通过旋转调整环20要么可以为了夹紧刀具2向后在接纳区域7的方向上移动，要么为了松开刀具2向前移动。夹紧部件18的轴向调整能以夹紧锁的方式通过右旋螺纹和左旋螺纹或者通过类似的调整结构实现。

在图3中所示的结构中，几乎整个前夹紧区域4以及大部分圆柱形的中间区域9通过由CFK或者其它纤维强化的塑料制成的套筒11形成。仅仅在安装刀夹到工作主轴1中时剧烈承载的接纳区域7、圆柱形中间区域9的外部23和设置在刀夹前端面上的盖件24在这里由钢制成。这个刀夹1也由热技术的夹紧夹头构成，其中为了安装冷却刀具2。

为了提高刀柄6与套筒11之间的摩擦，不仅刀柄6的外表面而且套筒11的内表面都可以被加工。这例如可以通过机械地或者化学地拉毛表面或者通过覆层实现。当然，对此可以使用类似的方法使基体3与套筒11相互连接。

在图4中示出配有由纤维强化的碳材料制成的套筒11的刀夹1的另一实施例。在这个结构中，接纳体3由薄壁的金属制插入件构成，它完全被形成刀夹1整个外轮廓的由纤维强化的碳材料制成的套筒11包围。前夹紧区域4的外轮廓和后接纳区域7的外轮廓通过套筒11形成。由插入件构成的接纳体3同样具有细长的、薄壁的前部12，该前部具有用于刀具2的刀柄6的接纳孔5。在套筒11的外侧面上可以埋入或嵌入由金属制成的用于形成把握槽10的衬入层25。

在图5所示的结构中，接纳体3在前夹紧区域4中具有用于旋入式刀具27的接纳部26。接纳部26在所示的实施例中设计为由双锥结构。在接纳体3和/或套筒11中设有孔29、通道30、槽、缝隙或类似结构形式的冷却剂导引系统28。

在图6的实施例中，套筒11通过缠绕工艺涂覆。接纳体3的前夹紧区域4具有多个针状和/或销状的部件31，它们在缠绕过程中进入到套筒11中。在这个结构中，接纳体3在前夹紧区域4中也具有例如由双锥结构构成的用于旋入式刀具27的接纳部26。

在另一在这里未单独示出的结构中，刀夹1也可以由Weldon夹头或者由夹紧钳夹头构成。本发明当然也不局限于HSK刀夹。在接纳体3中以相应的方式也可以设有SK-,JIS-,BT-,ABS-,Capto-或者其它适合的接口。

Claims (23)

1.一种用于旋转驱动的刀具(2)的刀夹(1)，该刀夹具有旋转对称的接纳体(3)，该接纳体包括前夹紧区域(4)和用于接纳在机床的工作主轴中的后接纳区域(7)，前夹紧区域具有用于刀具(2)刀柄(6)的接纳孔(5)，其特征在于，至少在前夹紧区域(4)中设置有由纤维强化的塑料制成的套筒(11)。

2.根据权利要求1所述的刀夹，其特征在于，所述套筒(11)安设在由金属制成的接纳体(3)的前夹紧区域(4)上。

3.根据权利要求1或2所述的刀夹，其特征在于，所述套筒(11)热装到所述前夹紧区域(4)上。

4.根据权利要求1或2所述的刀夹，其特征在于，在接纳体(3)与由纤维强化的塑料制成的套筒(11)之间产生形锁合的连接。

5.根据权利要求1所述的刀夹，其特征在于，所述刀夹以模块化结构形式多部分地构成，其中，旋转对称的接纳体(3)和套筒(11)分别形成至少一个模块。

6.根据权利要求1所述的刀夹，其特征在于，由纤维强化的塑料制成的套筒(11)通过至少一个附加的模块轴向预紧。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的刀夹，其特征在于，所述套筒(11)具有冷却剂导引系统(28)。

8.根据权利要求7所述的刀夹，其特征在于，所述冷却剂导引系统(28)具有至少一个冷却剂通道，该冷却剂通道的走向由直线的和曲线的区域分段地组成。

9.根据权利要求7或8所述的刀夹，其特征在于，所述冷却剂导引系统部分地由金属制成的接纳体(11)和套筒(4)限定边界。

10.根据权利要求1所述的刀夹，其特征在于，所述套筒(11)形成接纳体(3)的中间区域(9)的至少一部分和前夹紧区域(4)。

11.根据权利要求10所述的刀夹，其特征在于，所述后接纳区域(7)、中间区域(9)的外部(23)和接纳体(3)前端面上的盖件(24)由钢制成。

12.根据权利要求1所述的刀夹，其特征在于，所述接纳体(3)由薄壁的插入件构成，该插入件完全被形成刀夹(1)的整个外轮廓的套筒(11)包围。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的刀夹，其特征在于，所述接纳体(3)和/或套筒(11)具有用于旋入式刀具(27)的接纳部(26)。

14.根据权利要求13所述的刀夹，其特征在于，所述接纳部(26)设计为双锥结构。

15.根据权利要求1所述的刀夹，其特征在于，所述前夹紧区域(4)能够通过被套筒(11)包围的夹紧部件(18)径向变形。

16.根据权利要求15所述的刀夹，其特征在于，所述夹紧部件(18)设计为在前夹紧区域(4)的锥形前部(12)上可轴向移动的夹紧套，该夹紧套具有适配于前部(12)的锥形外表面的锥形内表面(19)。

17.根据权利要求16所述的刀夹，其特征在于，所述夹紧部件(18)能通过设计为内螺纹环的调整环(20)调整。

18.根据权利要求17所述的刀夹，其特征在于，所述调整环(20)与夹紧部件(18)上的外螺纹(21)和夹紧区域(4)上直径增大的后部件(13)上的外螺纹(22)共同作用。

19.根据权利要求1所述的刀夹，其特征在于，所述套筒(11)在其内部具有一个或多个凹部。

20.根据权利要求19所述的刀夹，其特征在于，所述凹部通过烧结工艺在层中形成，该层构造为在由纤维强化的塑料制成的、在两个区域之间相对旋转轴线沿纵向延伸的层。

21.根据权利要求1所述的刀夹，其特征在于，通过缠绕和/或编织工艺施加所述套筒(11)。

22.根据权利要求21所述的刀夹，其特征在于，所述前夹紧区域(4)具有多个针状和/或销状的部件(31)，所述针状和/或销状的部件在缠绕和/或编织工艺中进入到套筒(11)中。

23.根据上述权利要求中任一项所述的刀夹，其特征在于，所述套筒(11)由碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维强化的塑料制成。