CN110877116A - 切削工具组件 - Google Patents

Abstract

本发明为切削工具组件，解决传统组件使用寿命短，制造成本高，操作不方便的问题。包括凸台和凹座。所述凸台和凹座包含至少一组绕轴线1回转对称形式均匀分布的第1、2压力自锁面。在横截面中观察，压力自锁面呈螺旋线，在沿预定旋转方向的反方向延伸时，螺旋线半径逐渐减小。为了能够有效的形成自锁，螺旋线的螺旋升角θ应小于8°，且θ角可随α角变化，α每变化5°，θ角变化小于0.5°。这种结构能方便的实现装入，并以较小的过盈旋转角度实现较大角度范围的压力配合。用于在模块化旋转工具切削头与托架之间形成过盈可反复装取的过盈配合。与现有结构相比，大幅度提高了稳定性、导入性和耐用性。

Description

切削工具组件

技术领域

本发明与切削工具组件有关，尤其涉及旋转工具的切削头与托架之间的连接结构。

背景技术

专利号：“ZL 2016108513762”的专利公开了一种模块化钻头连接结构。该专利为了实现自锁，在切削头尾部凸台两侧设计了一对压力自锁面。在垂直于轴线的截面内观察，所述压力自锁面沿以中心点为圆心的圆弧延伸。凹座上设计有与凸台上相配合的压力自锁面，同样地，在横截面内沿圆弧延伸。相配合的压力自锁面之间存在一定的半径差值，一般为百分之几毫米，且凸台上的压力自锁面半径较大。因此在旋入以后，压力自锁面之间可形成过盈配合。

专利号：“ZL 201610910994X”的专利公开了一种主要针对模块化切削工具的两个连接部件之间的工具连接方法。这种方法相较于前一专利所述方法，将上述圆弧形的压力自锁面，替换为沿与预定旋转方向的反方向，直径依次减小的多个圆弧面。同样地、相配合的内、外圆弧存在半径差值，实现了在旋入后，压力自锁面之间可形成过盈配合。

以上两个专利在对应配合面之间均为具有半径差的两个同心圆弧来实现过盈配合。这种方法具有先天的不足：由于圆弧之间是过盈的，所以不能直接沿轴向插入到圆弧中。必须先到达指定圆弧相邻的位置，然后旋入。在旋入过程中，过盈区域是从最先接触的一点开始，然后慢慢向前推扩展，直至达到整个压力自锁面范围。这带来了几个问题：

1、圆弧上各点所经过的过盈滑动路程不同，最开始一点参与了整个过程，而最后一点几乎没有经过过盈滑动，这使得在反复拆装的过程中，各点的损耗是不同的，不均匀损耗会加速配合面的失效。

2、在手动旋入时，在刚开始进入的时刻，过盈配合只在很小范围内形成，此时，整个系统是不稳定的，容易因为微小的扰动造成压力自锁面不对称变形、歪斜等情况，影响装入的稳定性，也对装入操作提出了较高要求。

3、螺旋线上各点过盈开始的时间不同，整个压力自锁面的受力是一个阶梯状向前推进的过程，这对压力自锁面是有害的，影响配合面的寿命。

4、这种过盈装配，实际是将一个较大的物件装入一个较小的空间中，为了实现这个过程，一方面必须做到尺寸的精确控制，另一方面，还需在圆弧前端，增加导向结构。这些都增加了制造和使用的难度。

正是为了解决上述第1、2、3点问题，上述第二个专利才采用沿预定旋转方向的反方向直径逐渐缩小的多个圆弧面替代单个圆弧面，旨在形成相同过盈配合范围的情况下，减小过盈滑动的总路程。理论上，若阶梯形的圆弧面数量足够多，那么过盈滑动的总路程可以无限缩小，但实际上，该方案在阶梯圆弧之间还存在过度区域，而且数量的增加会大幅度增加制造的难度，鉴于此，单个圆弧必须覆盖一个不可忽视的角度范围。因此，第二种方法虽然相较于第一种方法有一定的优势，但本质上还是两个不同直径的同心圆弧之间的过盈配合，仍然存在以上所有问题。并且由于具有更多数量的圆弧面，上述第4点问题更为严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用寿命长，制造成本低，操作方便的切削工具组件。

本发明是这样实现的：

一种切削工具组件，包括切削头2和托架3，所述切削头2和托架3组装在一起时具有公共轴线1、预定旋转方向4和互补周边连接表面，切削头2具有凸台5，凸台5的周边表面有至少一组绕公共轴线1回转对称的第1压力自锁面6a，所述托架3包含凹座7，凹座7的内表面包括与第1压力自锁面6a配合的第2压力自锁面6b，所述压力自锁面6a、6b为螺旋面，在垂直于轴线1的截面内观察，所述螺旋面为螺旋线,中心点13为公共轴线1与观察截面的交点，定义所述垂直于轴线1的截面上的所述螺旋线上一点到中心点13的距离为该点处螺旋线的半径，当一动点沿所述螺旋线向预定旋转方向4的反方向移动时，所述动点处螺旋线的半径逐渐减小，所述凸台5可沿轴向方向插入所述凹座7中，使所述凸台5上的第1压力自锁面6a与对应的第2压力自锁面6b处于相同的轴向位置，所述插入完成后，切削头2绕轴线1沿预定方向4的反方向旋转，所述第1、2压力自锁面6a、6b经过相互靠近、相互接触、相互挤压，最终在第1、2压力自锁面6a、6b之间形成过盈配合，

所述垂直于公共轴线1的截面上的螺旋线上选定参考点9处的螺旋线的切线10与过该参考点9且以中心点13为圆心的圆弧12的切线11的夹角为该点处所述螺旋线的螺旋升角θ，所述螺旋线上任意选定参考点处螺旋线的螺旋升角θ满足：1°≤θ≤8°。

在所述垂直于公共轴线1的截面上的螺旋线上选取两不同参考点，分别为A、B，设A、B两点分别与中心点的连线之间的角度为ω，当ω≤1°时，A点处的螺旋升角θ与B点处的螺旋升角θ的差值的绝对值小于等于0.1°。

在垂直于所述螺旋线的截面内观察,所述压力自锁面沿直线方向延伸，所述直线与公共轴线1所成夹角的角度在-5°到5°之间。

在托架3上具有传递扭矩的表面和传递轴向力的表面，所述切削头2用对应扭矩表面抵靠所述传递扭矩的表面，以传递扭矩，所述切削头用对应的轴向力表面抵靠所述传递轴向力的表面，以传递轴向力。

本发明具有以下特点：

1、压力自锁面上各点在发生过盈时，同时发生过盈，且受力均匀。

2、 压力自锁面上各点参与过盈滑动的距离基本相同。

3、 压力自锁面本身具有良好的旋入导向性。

利用本发明的结构，模块化旋转工具的切削头和托架可以彼此可靠的连接。

本发明中，压力自锁面在横截面中为螺旋线，在旋紧时，所述凸台上螺旋线的小端先进入凹座上螺旋线的大端。由于螺旋线上各点的螺旋升角θ很小（小于8°），所以在发生相对转动时，对应压力自锁面之间的距离变化是缓慢缩小的，螺旋线上先旋入的一点自然成为与之相邻的螺旋线上后旋入一点的导向，螺旋线的螺旋升角即为导向角，自然地形成了良好的导入性。

在本发明中，第一压力自锁面与第二压力自锁面具有相同的螺旋线形状，即在旋紧的过程中，必然存在一时刻，两螺旋线刚好对齐，也就是在较大范围内刚好接触或具有微小的过盈量，在此情况下继续旋紧时，所有接触点同时开始过盈。

由于过盈滑动是同时开始的，所以螺旋线上各点发生过盈滑动时，绕中心点转动的角度相同，而在本发明中，螺旋线的螺旋升角θ是很小的（1°到8°），因此各点的半径差异很小，过盈滑动的路程等于中心转角乘以半径，所以可认为各点过盈滑动的路程基本相同。

本发明为模块化的连接的旋转工具。模块化的旋转工具如模块化钻头、模块化铰刀、模块化铣刀等，一般由切削头和托架通过一定的连接方法组合而成。切削头使用后可更换，托架重复使用。一般来说，切削头为较硬且较贵的刀具材料（如硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等）。这种组合式结构的意义在于，相比与整体式工具而言，模块化切削工具消耗更少的刀具材料，亦能耗用更少的涂层体积（与成本呈正相关），可极大程度的降低刀具成本。通常，模块化旋转工具具有预定的旋转方向4，至使其在工作时，切削头的受力方向是确定的。本发明采用自锁式结构，是依靠配合面之间的静摩擦力防止所述切削头在使用时松脱。因此，所述切削头安装时的旋入方向，设计为与切削工具的旋转方向4相反，以防止使用时切削力使连接结构松脱。

自锁式的结构可以方便的更换切削头，不存在螺钉这种细小的零件，甚至可在不从主轴（或刀柄上）上卸下刀具托架的情况下更换切削头，不装卸托架不仅是在操作上节约了时间，而且不会因为改变托架高度而需要重新对刀，这在实际应用中具有很重要的积极意义。α

所谓自锁，即不需要提供另外的紧固原件（诸如螺钉的），就可以进行使用。在本发明中，压力自锁面的横截面为螺旋线，在装配完成时，压力自锁面之间存在过盈。如图13，在切削头一侧的螺旋线上任意选定一点A，A点的受力情况如下：如图13所示，A受来自于对应压力自锁面的正压力N，N垂直于螺旋线，以及静摩擦力f。将N进行分解，得到径向力Nr和周向力Nq。由于压力自锁面绕中轴线回转对称均匀分布，所有径向力（正压力N在径向的分量和静摩擦力f在径向的分量）相互平衡。在圆周方向上，有如下关系：N μ cosθ≥ N sinθ。即压力自锁面的自锁条件为μ≥ tanθ，μ为压力自锁面之间的静摩擦系数，不同的材料和不同的表面状态μ会有所不同，通常可认为μ=0.17，对应的θ为9.64°。鉴于此，本发明中选定θ小于等于8°。另外，当θ=0°时，螺旋线变为一圆弧，为保证区别，优选θ大于等于1°。

按照本发明的方案，首先将切削头2沿预定方向4与托架3错开一定的角度，再沿轴向插入，插入后的状态见图10所示，此时在对应压力自锁面6a、6b之间存在间隙；接着，将切削头2沿预定方向4的反方向旋转，直到对应压力自锁面6a、6b之间相互接触，此刻的状态见图11所示；继续让切削头2旋转，此时对应压力自锁面6a、6b之间发生过盈滑动，直至达到预定的最终位置（可通过其他定位结构准确控制），此刻状态见图12所示，图11中的β为过盈滑动的旋转角度。

在本发明中，第一压力自锁面6a与第二压力自锁面6b在过盈时，两者位置的对应关系会发生一定角度的变化，所述角度变化量为两者发生相对过盈滑动的旋转角度β，β通常在3°到10°之间（与θ、过盈量的选取、螺旋线直径相关）。在本发明中，第1、2压力自锁面具有基本相同的形状，在发生对应关系的角度变化以后，在某一配合位置处两螺旋线的法向会存在角度，即不平行，所述角度为在此处6a与6b上θ的差值，这种不平行会由压力面的弹性变形来填补。但过大的角度差异会带来不利的影响，因此需要限定在螺旋线上角位置差异ω的两点之间θ的差异。在此优选为ω≤1°，θ的差异小于0.1°。

在垂直于螺旋线的截面内观察，压力自锁面沿直线方向延伸，所述直线大致平行于轴线1，所述直线与轴线存在较小的夹角并不影响本发明所述方案的实施，优选所述夹角在±5°范围内。

对于完成诸如钻头、铣刀的切削功能来说，除了保证自锁和保证同轴的压力自锁面结构以外，还需要有配合其它传递扭矩的面和其他传递轴向力的面。能实现上述功能有很多常见结构，可根据需要进行组合优选。

本发明的优点：

1、由于本发明采取螺旋线结构，在插入完成后，可将切削头旋转，在未发生过盈的情况下，使压力自锁面上几乎整个覆盖范围相互接触，见图11。然后，同时开始发生过盈。

2、在接触以后，继续旋转切削头，经过很小的过盈旋转角度β（从图11的状态到图12的状态的过程）就能形成整个压力自锁面覆盖角度γ的过盈配合。过盈滑动各点转动的角度均为β，且由于螺旋升角θ较小，因此各点半径差异不大，所以过盈滑动路程基本相同。相比较之下，本发明在螺旋线上80%以上的区域过盈滑动的相对差异仅为10%-20%，而背景专利中，80%的区域过盈滑动路程相对差异可达400%以上。

3、在压力自锁面上的点发生过盈滑动的路程基本相同，在产生过盈时，各点同时受力，同时压缩，既避免了现有技术在非均匀过盈滑动时卡死、损坏刀体、非均匀磨损等问题，又提高了在装入时的稳定性、可靠性和定位精度。

综上所述，本发明在实现以上优点时，并没有增加压力自锁面结构的复杂性。且由于螺旋面自身的循环特性，在制造时一定范围内的尺寸误差（直径大小误差），只会造成过盈旋转角度的差异，不至于影响本发明的实施，即对尺寸有较强的容错性，这对制造是有利的。本发明使用寿命长，制造成本低，操作方便。

附图说明

图1是本发明实施例装配后的立体结构示意图。

图2是本发明实施例的切削头立体结构示意图。

图3是本发明实施例的托架立体结构示意图。

图4是本发明实施例的切削头正视图。

图5是图4中的截面图。

图6是图5中的压力自锁面放大图。

图7是本发明实施例托架的正视图。

图8是图7中的截面图。

图9是本发明实施例装配后的正视图。

图10是图9中的截面图，插入后的时刻。

图11是图9中的截面图，压力自锁面刚接触时刻。

图12是图9中的截面图，装配完成的时刻。

图13是螺旋线自锁的受力分析图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：一种模块化钻头

图1至图12示出了一种应用本发明所述切削工具连接结构的实施例。该实施例为一种模块化钻削刀具，包括模块化切削头2及托架3。图1是其装配完成状态的立体图，切削头2和托架3共同形成螺旋槽14和导向带15，在切削头顶端还包括主切削刃、横刃等一些用于完成钻削的结构。该切削工具在使用时，按预定的旋转方向4旋转。并沿轴向方向进给。模块化切削头受来自工件的沿预定旋转方向相反的扭矩以及沿轴向向下的轴向力，同时还可能具有垂直于轴线方向的各种力。为顺利的完成钻削操作，模块化切削头2必须牢靠的固定在托架3上。

模块化切削头2包含具有所述压力自锁面组的凸台5。托架3包括具有所述压力自锁面组的凹座7。在装入时，将切削头相对于图1所示位置沿预定方向4旋转一定角度，沿轴向将所述凸台5，插入所述凹座7中，轴向定位平面16a、16b相互贴合，实现轴向定位。此刻，在横截面中的位置关系见图10，对应的压力自锁面6a、6b之间存在一定间隙。在本实施例中，为了避免人工装入时较大的位置误差所带来的不确定影响，在所述切削头2尾部中心位置增设一个圆柱形的定位销17，同时在所述托架3上所述凹座7底部中心位置增加一个与定位销配合的销孔（图中未示出），在轴向插入时，所述定位销17也同时插入所述销孔中，并形成较小的间隙配合。

接着，然后利用扳手（扳手槽未画出），对所述切削头2施加外力，迫使其沿预定方向4的反方向旋转，对应的压力配合面6a、6b之间间隙逐渐缩小，并相互接触，此刻的横截面状态见图11。继续旋转切削头2，压力配合面6a、6b发生过盈，直到扭矩平面18a、18b相互贴合，此时横截面状态见图12。扭矩平面18a、18b在钻削时对平衡切削扭矩起主要作用。在本实施例中，扭矩平面被设计为与竖直方向有10°前倾角的斜面（向下倾斜），其目的是利用钻削时的主切削力，使钻头更稳固的轴向压紧。

在本实施例中，所述螺旋线的夹角θ应小于等于8°以实现自锁，此处优选为4°。这个角度可以保证压力自锁面产生足够的摩擦力并且给予扭矩平面的位置较大的制造公差。在垂直于所述螺旋线的截面中，压力自锁面为与中轴线平行的直线。如图6所示，选择螺旋线起点与中心连线为Y轴，Y轴垂直方向为X轴，中心点为原点建立直角坐标系，选取Y轴为旋转参考，α角为从Y轴绕预定方向4的反方向旋转到选定参考点9的角度，半径为在参考点9处螺旋线的半径，θ为参考点处的螺旋升角，根据以上参数描述，该实施例中的螺旋线具体参数如下表，表中描述了从起始点开始，α扩展120°范围的螺旋线参数：

在该实施例中，还设计有用于平衡横向力保持平面19a，19b，保持平面平行于轴线，在垂直于轴线的截面内观察，保持平面沿预定旋转方向4直线延伸，其起点为中心点到该直线的垂足，此处所述延伸长度为1mm，且19a的直径略大于19b的直径。这样做的目的是：在旋紧过程中，让保持平面在先发生接触的情况下还可以继续旋转一段距离，在此期间扭矩平面18a、18b才发生接触。

在本实施例图中，省略了部分细节特征的描述和绘制，但不影响理解本实施例的意图。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.切削工具组件，包括切削头（2）和托架（3），所述切削头和托架组装在一起时具有公共轴线（1）、预定旋转方向（4）和互补周边连接表面，其特征在于，切削头（2）具有凸台（5），凸台的周边表面有至少一组绕公共轴线回转对称的第1压力自锁面（6a），所述托架包含凹座（7），凹座的内表面包括与第1压力自锁面配合的第2压力自锁面（6b），所述第1、2压力自锁面为螺旋面，在垂直于公共轴线（1）的截面内观察，所述螺旋面为螺旋线,中心点（13）为公共轴线与观察截面的交点，定义所述垂直于公共轴线的截面上的所述螺旋线上一点到中心点的距离为该点处螺旋线的半径，当一动点沿所述螺旋线向预定旋转方向（4）的反方向移动时，所述动点处螺旋线的半径逐渐减小，所述凸台可沿轴向方向插入所述凹座中，使所述凸台上的第1压力自锁面与凹座对应的第2压力自锁面处于相同的轴向位置，所述插入完成后，切削头绕公共轴线沿预定方向（4）的反方向旋转，所述第1、2压力自锁面经过相互靠近、相互接触、相互挤压，最终在第1、2压力自锁面之间形成过盈配合。

2.根据权利要求1述的切削工具组件，其特征在于，垂直于公共轴线的截面上的螺旋线上选定参考点（9）处的螺旋线的切线（10）与过该参考点且以中心点（13）为圆心的圆弧（12）的切线（11）的夹角为该点处所述螺旋线的螺旋升角θ，所述螺旋线上任意选定参考点处螺旋线的螺旋升角θ满足：1°≤θ≤8°。

3.根据权利要求1所述螺旋线，其特征在于，在所述垂直于公共轴线(1)的截面上的螺旋线上选取两不同参考点，分别为A、B，设A、B两点分别与中心点的连线之间的角度为ω，当ω≤1°时，A点处的螺旋升角θ与B点处的螺旋升角θ的差值的绝对值小于等于0.1°。

4.根据权利要求1所述的切削工具组件，其特征在于，在垂直于所述螺旋线的截面内观察,所述1、2压力自锁面沿直线方向延伸，所述直线与公共轴线1所成夹角的角度在-5°到5°之间。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的切削工具组件，其特征在于，在托架（3）上具有传递扭矩的表面和传递轴向力的表面，所述切削头（2）用对应扭矩表面抵靠所述传递扭矩的表面，以传递扭矩，所述切削头用对应的轴向力表面抵靠所述传递轴向力的表面，以传递轴向力。

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