CN109732382B - 一种外转内冷刀柄装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外转内冷刀柄装置，包括拉钉、刀柄本体、上机体、旋转支撑体、密封支撑机构、下机体和锁紧螺帽，在上机体上连接带有进气道和进水道的止动销，止动销的进水道与外接水泵高压水管连接，止动销的进水道与上机体上设置的水道连通，旋转支撑体的内侧面与刀柄本体连接，旋转支撑体的外侧面与上机体的内表面滑动连接，旋转支撑体保证了上机体为静止以及刀柄本体的转动状态，装置设置低压气幕密封结构和高压旋转密封结构的双密封结构，溢流结构及节流调压结构。此设计的刀柄既提高了产品加工效率，保证了产品加工的高精、高光和高亮等特性。

Description

一种外转内冷刀柄装置

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体涉及数控机床使用的一种外转内冷刀柄装置。

背景技术

在机械加工产业，消费群对产品要求逐渐展现为高精、高质和高光的需求，同时也保证加工刀具的使用寿命的提升。故需保证加工设备及主轴的高精密性。而机械行业信息化的快速覆盖与革新，机械自动化程度逐层提升，同时也需使用专门的高端数控设备及高速电主轴，而今机械加工产品的设备特点趋向为高功率、高速的内冷加工，从而提升在钻、铣、磨等工序加工的效率和质量。而在传统的数控加工设备上一般未设置中心水冷装置，所以，为了保证产品的高质量性，需更换使用高精度带内冷加工的数控机床及主轴，从而额外增加了机加工的成本费用，也导致中低端设备的搁置以及使用范围的限制。由此需从外接刀柄中增加中心水冷装置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，现针对以上加工现象及需求，本申请提供了一种外转内冷刀柄装置，在未配有中心内冷的数控设备中依旧完成内冷工序的加工。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种外转内冷刀柄装置，包括拉钉、刀柄本体、上机体、旋转支撑体、密封支撑机构、下机体和锁紧螺帽，在所述上机体上连接带有进气道和进水道的止动销，止动销的进水道与外接水泵高压水管连接，所述止动销的进水道与上机体上设置的水道连通，外接高压冷却液经过所述上机体上设置的水道、下机体的水道后进入刀柄本体的内孔；高速旋转的旋转支撑体为环状结构，旋转支撑体的内侧面与所述刀柄本体连接，旋转支撑体的外侧面与所述上机体的内表面滑动连接，所述旋转支撑体保证了上机体为静止以及所述刀柄本体的转动状态。

优选的，所述密封支撑机构包括低压气幕密封结构和高压旋转密封结构，所述低压气幕密封结构用于保证旋转支撑体上端外环处的密封和清洁，所述高压旋转密封结构用于保证刀柄中心稳定出水和旋转支撑体的密封。

优选的，所述低压气幕密封结构为气密封，外接气源通过进气管与止动销上进气道连接，高压气体从止动销的进气道进入并与上机体内设置的机体气道连通，机体气道的气体进入旋转支撑体的上面和下面设置的气流环中。

优选的，所述上机体内的机体气道包括轴向气道和与所述轴向气道上部和下部连通的径向气道，所述径向气道的初期段与所述气流环连通，旋转支撑体上面的气流环与外界连通将气体吹出，与外界隔离保持清洁，旋转支撑体下面的气流环与旋转密封盖连通从而阻隔溢流出来的低压水，实现气压密封。

优选的，所述高压旋转密封结构为水密封，外接水源通过从止动销的进水道与所述上机体和下机体内的机体水道连通；大部分高压水从下机体的机体水道进入刀柄本体的内水孔中，以此保证稳定的供水；部分高压水分流均匀流入并布满设置在下机体与旋转支撑体之间的环流腔内，环流腔内的高压水向上止推活动塞，活动塞连同下耐压垫块向上浮动与上耐压垫块平面贴合。

优选的，在所述下耐压垫块的平面上设置溢流孔，高速转动的上耐压垫块带动的冷却水从所述溢流孔中排水，高速转动的上耐压垫块与静止的下耐压垫块的贴合面间形成水膜，使得上耐压垫块和下耐压垫块紧紧粘合又保持相对转动状态。

优选的，装置还包括用于调节和保持上耐压垫块与下耐压垫块间的水膜形成的节流调压结构，所述节流调压结构包括设置于所述下机体内的小孔节流器，所述小孔节流器用于调节流向刀柄本体的内水孔的压力值，从而保证了上耐压垫块与下耐压垫块间的水膜厚度和平面贴合度。

优选的，所述活动塞的下方设置弹性圆柱销，所述弹性圆柱销用于保持活动塞的轴向浮动。

优选的，所述锁紧螺帽为全圆外周螺帽、正六边形外周螺母或阶梯状螺帽的一种。

优选的，所述旋转支撑体为轴承组件。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：密封效果更加，保证了刀柄所处环境的清洁度，从而间接提高了加工质量和加工稳定性。

附图说明

图1和图2为本发明一种外转内冷刀柄装置不同角度的剖视图；

图3为气路示意图；

图4和图5为不同视角的水路示意图；

图6为外转内冷刀柄装置的俯视图；

图7为节流调压结构的示意图；

图8为溢流结构的示意图；

图9-图13为替换方案的示意图。

图中：101、拉钉；102、刀柄本体；103、上机体；104、旋转支撑体；105、密封座；106、弹性密封圈；107、旋转密封盖；108、活动塞；109、圆柱头螺钉；1010、出水环流盖；1011、锁紧螺帽；1012、止动销；1013、弹性圆柱销；1014、上耐压垫块；1015、下耐压垫块；1016、下机体；1017、调整螺钉；1018、密封环；1019、小孔节流器；1020、接触式密封结构；1030、静压支撑结构。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一、设计原理

刀柄适用于机械产品加工行业，主要功能实现为高速切削、钻、铣、磨、镗等工序加工，且对各种材料如玻璃、石墨、陶瓷、碳钢、塑料、板材等的加工呈现出优良的效果展现。刀柄作为主轴扭矩传递的中间介质，直接作用于材料的加工，而传统的刀柄实现加工主要依赖于主轴的性能，如中心出水，而本文所举刀柄完全摒弃主轴必须中心出水以此实现刀柄的中心出水的限制条件，将中心出水功能完全的单独驾驭于刀柄之上。其次刀柄采用自动换刀形式，且刀柄内部采用全新的密封结构来实现中心出水功能。通过外接增压水泵，将高压水通过水泵引入到刀柄之中，通过内部设置旋转支撑体保证刀柄本体与主轴同步运动，刀柄机体保持静止状态，本体与机体保证相对运动状态。故通过旋转密封结构保证旋转支撑体密封防锈，旋转密封结构通过气体分流为上层低压气道密封和下层高压旋转密封双层密封结构保证旋转支撑体的密封防锈。外部设置止动销(内部隐藏气道和水道)与主轴抱紧环相互锁紧，保证夹刀机械手与刀柄的角度定位从而便于刀柄的自动换刀，使刀柄换刀更加便捷，实现自动化操作。此设计的刀柄进而提高了产品加工效率，保证了产品加工的高精、高光和高亮等特性。

二、具体实施方案(参见图1-图8)

一种外转内冷刀柄装置，包括拉钉101、刀柄本体102、上机体103、旋转支撑体104、密封支撑机构、下机体1016和锁紧螺帽1011，在所述上机体103上连接带有进气道和进水道的止动销1012，止动销1012的进水道与外接水泵高压水管连接，所述止动销1012的进水道与上机体103上设置的水道连通，外接高压冷却液经过所述上机体103上设置的水道、下机体1016的水道后进入刀柄本体102的内孔；高速旋转的旋转支撑体104为环状结构，旋转支撑体104的内侧面与所述刀柄本体102连接，旋转支撑体104的外侧面与所述上机体103的内表面滑动连接，所述旋转支撑体104保证了上机体103为静止以及所述刀柄本体102的转动状态。

其中上机体103与下机体1016之间采用圆柱头螺钉109连接紧固。

其中刀柄本体102的下段与下机体1016之间设置出水环流盖1010，与刀柄本体102形成高压水腔及溢流观测结构。

其中刀柄本体102的中心出水孔处，刀具悬伸位置设置调整螺钉1017，作为刀具的悬伸位置调整件。

2.1旋转支撑体的结构设计保证刀柄的相对运动状态

刀柄装置外接增压水泵(即外接水源)，并将水流引入到刀柄中。为保证外接水泵向内稳定供水，刀柄刀刃稳定出水。故水泵外接安置，高压水管与刀柄机体外壳连接保持静止状态，而刀柄本体102与主轴连接为旋转状态，因此在刀柄组件内部设置旋转支撑体104，此结构的设计既保证上机体103的静止状态同时保证刀柄本体102的旋转状态，在主轴高速旋转切削状态下刀柄本体102依旧保持高稳定的旋转切削性能，同时上机体103保证静止状态。供水系统源源不断稳定的向刀柄供水，且能同时保证刀柄稳定高速地切削。

2.2双层密封结构提升了刀柄的使用寿命。

旋转支撑体104为高速旋转机构，故旋转支撑结构端面设置密封结构以保证旋转支撑体的绝对密封。水泵管道连接止动销1012并通过止动销1012进入静止状态的上机体103，依次高压通过刀柄本体102内孔中，依照此设计从而在旋转支撑体104下部分位置设计安装高压旋转密封结构1-Ⅱ以及上部分位置设计安装低压气幕密封结构1-Ⅰ，双层密封结构保证了旋转支撑体104处于密封的使用环境，从而保证了旋转支撑体104在持久高速运转条件下依旧保持高的使用精度。

2.3低压气幕密封结构保证旋转支撑体的密封性及使用环境分离

如图所示低压气幕密封结构1-Ⅰ的存在完全保证旋转支撑体104上部安装环境的绝对密封。外接气管通过止动销1012将气体引入装置内。从箭头看，引入上机体103处旋转支撑体104的上安装位，即沿着轴向方向的气道汇集至环流槽中，朝各个角度方向均匀释放气体，既隔离外界环境中中尘、土、水等杂质，中保证气体向外环向吹尘，从而杜绝水、渣、尘进入轴承上端面；向下气体如箭头所示经过旋转密封盖107向外通过，以杜绝下位低压水腔中向上扩散的水，即阻隔刀柄内部溢流出来的低压水进入到旋转支撑体104，从而保证轴承下端安装环境的绝对密封。

2.4高压旋转密封结构1-Ⅱ既保证刀柄中心出水又保证旋转体密封

外接水泵通过上机体103和下机体1016中心水道引入高压冷却液进入刀柄本体102内孔中，其中部分高压水分流均匀流入并布满整个环流腔，并均匀水压释放向上止推活动塞108，其中活动塞108和下耐压垫块1015组合装配与下机体1016处于静止状态，上耐压垫块1014与密封座105组合安装连同刀柄本体102共同自由旋转。活动塞108连同下耐压垫块1015向上浮动与上耐压垫块1014平面贴合，下耐压垫块1015平面设置溢流孔，在上耐压垫块1014高速旋转下带动高压水通过旋转离心力将冷却水向外扩散通过下耐压垫块的溢流孔流出。上耐压垫块1014的高速旋转与下耐压垫块1015的静止形成的相对运动保证平面贴合间形成微薄的水膜，使上耐压垫块1014和下耐压垫块1015紧紧粘合在一起却又保持相对运动状态。

进一步的说明如下：参见图4和图5，水路流向沿箭头所示，部分水进入高压水腔中，均匀环绕布满四周，向上托起活动塞108和下耐压垫块1015，其中活动塞108和下耐压垫块1015配合组装在一起与下机体1016安装保持静止状态；下耐压垫块1015与密封座105配合组装在一起且与刀柄本体102安装保持高速旋转运动状态；由于部件装配间隙的存在，故高压水腔的部分水会向上溢出流向下耐压垫块1015上端面，而高速旋转下的上耐压垫块1014会使静止水形成稳定的水膜结构，达到密封的形式；而为避免长时间上耐压垫块1014高速旋转而磨损，不能达到形成水膜结构，导致水流出流向图示低压水腔导致损坏轴承结构，故低压水腔上端使用密封座105和旋转密封盖107结构，其中密封座105为旋转状态，旋转密封盖107为静止状态，配合安装间隙中安放密封环1018，密封环1018内圈紧紧扣住密封座105，密封座105旋转后密封环1018外圈扩张贴合住旋转密封盖107以此保证密封座105和旋转密封盖107是无间隙安装，从而抑制低压水腔水向上流入轴承导致破坏轴承件，为观测下耐压垫块1015和上耐压垫块1014的磨损程度来判断该结构是否失效需更换，故该产品底部设计溢流结构。

此外，设置弹性圆柱销1013，用于保持活动塞108的方向性浮动。

此外，为了保证整体的密封性，在各个安装连接处设置弹性密封圈106，如O型橡胶密封圈。

2.5溢流结构及节流调压结构保证高压旋转密封结构的可靠性

参见图1、图2、图7和图8，节流调压结构1-Ⅲ和溢流结构Ⅳ，高压旋转密封结构1-Ⅱ将部分高压水形成水膜并通过溢流孔渗出。其中溢流孔的形状为椭圆形且不限于此形状。溢流孔水流的渗出量直接反应下耐压垫块1015与上耐压垫块1014的平面贴合度，即结构的密封性。节流调压结构1-Ⅲ内设置小孔节流器1019，通过调节小孔节流器1019来调整进入刀柄本体102内孔中冷却水的压力值，从而保证下耐压垫块1015的止推高度以此确保上耐压垫块1014和下耐压垫块1015的平面贴合度最终实现高压旋转结构的密封功能。

具体的，节流调压结构1-Ⅲ如图4和图7所示，外接水进入到刀柄本体102内，部分水进入到高压水腔中，通过安装具有内孔压力差的小孔节流器1019调整高压水腔的压力，以保证活动塞108被向上均匀推起，从而保证整个水封结构的实现。

溢流结构Ⅳ如图4和图8所示，溢流结构流出的水量直接体现出低压水腔内渗入的水量，间接反映出下耐压垫块1015和上耐压垫块1014的磨损程度，以此保证水封结构的功能性。

2.6自动换刀手段实现操作智能化从而实现产线一体化

刀柄本体102与主轴通过锥面贴合安装，主轴端面安装主轴抱紧环并相互锁死，止动销1012配合安装插入主轴抱紧环中实现固定定位，主轴抱紧环外接气管，高压水管，通过止动销1012分别实现气幕密封效果和高压旋转密封效果。刀柄本体102和上机体103为相对运动刀柄本体旋转运动、上机体静止状态，外接气管和水管与主轴抱紧环随主轴调整相应夹刀角度并保持静止状态。整个刀柄只需机械手拆卸刀，无需调整刀柄角度。

三、替换方案(参见图9-图13)

3.1锁紧螺帽1011可采用其他形式的螺母替代，如全圆外周螺帽、正六边形外周螺母或阶梯状螺帽(如图9所示)。

3.2端盖处采用接触式密封结构1020，密封效果优良，转速要求低，寿命受限，如图10所示。

3.3刀柄本体下段与外接触部采用静压支撑结构1030，避免产生的装配误差，同时提高产品的轴向和径向刚度，参见图11，此结构适用于加工要求高，加工工艺复杂的情况。

3.4止动销1012的形式替换，如图12所示，止动销1012可采用其他形式，考虑安装环境、外接气源和水源等，可降低相应加工成本，但应考虑刀柄自动换刀功能不受影响。

3.5刀柄接口可进行更换，参见图13，可提高应用范围，适应于不同类型的刀柄。

四、技术效果

该结构刀柄采用外接供水系统，保证刀柄内冷切削功能，打破了主轴必带中心出水功能的限制，密封效果更佳，使刀柄使用范围增广，从另一方面保证数控机床的使用性，从而节约了加工成本，提高了机加工质量和稳定性。

附图标号名称及作用说明如下：

101、拉钉：连接刀柄本体与数控主轴的连接件；

102、刀柄本体：数控主轴与夹头的连接件；

103、上机体：刀柄外壳支撑钢件；

104、旋转支撑体：支撑转动部件，保证刀柄高速旋转；

105、密封座：轴承内圈挤压预紧；

106、弹性密封圈：零件间隙配合的密封补偿结构；

107、旋转密封盖：轴承外环挤压预紧；

108、活动塞：活塞浮动保证上、下耐压垫块挤压形成密封水膜；

109、圆柱头螺钉：紧固上、下机体，便于结构装配及拆卸；

1010、出水环流盖：与刀柄本体形成高压水腔及溢流观测结构；

1011、锁紧螺帽：压紧夹头保证夹头与刀柄锥孔完全贴合以保证配合精度；

1012、止动销：刀柄与主轴的定位件；

1013、弹性圆柱销：保持活动塞方向性浮动；

1014、上耐压垫块：与刀柄本体安装且带动冷却液高速旋转；

1015、下耐压垫块：与上耐压垫块贴合形成密封水膜；

1016、下机体：刀柄外壳支撑刚件；

1017、调整螺钉：刀具悬伸位置调整件；

1018、密封环：零件旋转动密封结构；

1019、小孔节流器：节流调压；

1020、接触式密封结构；

1030、静压支撑结构。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上诉教导，可以进行很多改边及变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变，即根据以上描述的技术方案以及构思，本领域的技术人员能够做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种外转内冷刀柄装置，包括拉钉、刀柄本体、上机体、旋转支撑体、密封支撑机构、下机体和锁紧螺帽，其特征在于：在所述上机体上连接带有进气道和进水道的止动销，止动销的进水道与外接水泵高压水管连接，所述止动销的进水道与上机体上设置的水道连通，外接高压冷却液经过所述上机体上设置的水道、下机体的水道后进入刀柄本体的内孔；高速旋转的旋转支撑体为环状结构，旋转支撑体的内侧面与所述刀柄本体连接，旋转支撑体的外侧面与所述上机体的内表面滑动连接，所述旋转支撑体保证了上机体为静止以及所述刀柄本体的转动状态；所述密封支撑机构包括低压气幕密封结构和高压旋转密封结构，所述低压气幕密封结构用于保证旋转支撑体上端外环处的密封和清洁，所述高压旋转密封结构用于保证刀柄中心稳定出水和旋转支撑体的密封；所述高压旋转密封结构为水密封，外接水源通过从止动销的进水道与所述上机体和下机体内的机体水道连通；大部分高压水从下机体的机体水道进入刀柄本体的内水孔中，以此保证稳定的供水；部分高压水分流均匀流入并布满设置在下机体与旋转支撑体之间的环流腔内，环流腔内的高压水向上止推活动塞，活动塞连同下耐压垫块向上浮动与上耐压垫块平面贴合。

2.根据权利要求1所述的外转内冷刀柄装置，其特征在于：所述低压气幕密封结构为气密封，外接气源通过进气管与止动销上进气道连接，高压气体从止动销的进气道进入并与上机体内设置的机体气道连通，机体气道的气体进入旋转支撑体的上面和下面设置的气流环中。

3.根据权利要求2所述的外转内冷刀柄装置，其特征在于：所述上机体内的机体气道包括轴向气道和与所述轴向气道上部和下部连通的径向气道，所述径向气道的初期段与所述气流环连通，旋转支撑体上面的气流环与外界连通将气体吹出，与外界隔离保持清洁，旋转支撑体下面的气流环与旋转密封盖连通从而阻隔溢流出来的低压水，实现气压密封。

4.根据权利要求1所述的外转内冷刀柄装置，其特征在于：在所述下耐压垫块的平面上设置溢流孔，高速转动的上耐压垫块带动的冷却水从所述溢流孔中排水，高速转动的上耐压垫块与静止的下耐压垫块的贴合面间形成水膜，使得上耐压垫块和下耐压垫块紧紧粘合又保持相对转动状态。

5.根据权利要求4所述的外转内冷刀柄装置，其特征在于：装置还包括用于调节和保持上耐压垫块与下耐压垫块间的水膜形成的节流调压结构，所述节流调压结构包括设置于所述下机体内的小孔节流器，所述小孔节流器用于调节流向刀柄本体的内水孔的压力值，从而保证了上耐压垫块与下耐压垫块间的水膜厚度和平面贴合度。

6.根据权利要求1所述的外转内冷刀柄装置，其特征在于：所述活动塞的下方设置弹性圆柱销，所述弹性圆柱销用于保持活动塞的轴向浮动。

7.根据权利要求1所述的外转内冷刀柄装置，其特征在于：所述锁紧螺帽为全圆外周螺帽、正六边形外周螺母或阶梯状螺帽的一种。

8.根据权利要求1所述的外转内冷刀柄装置，其特征在于：所述旋转支撑体为轴承组件。

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