CN1154284A - 组合刀具 - Google Patents

Abstract

一种组合刀具，它包括以凹凸件连接一起的第一、二刀具组合件，各连接件包括有具有中部的一个扭矩传递件，以及至少一个自该中部朝相应连接件外周延伸的臂。该连接件的臂有与连接件接触的第一侧面和其间有间隙的第二侧面。第一侧面至少在接触区是大致按组合件的纵轴径向定向。至少是凸连接件上至少一臂上的第二侧面定位于离开纵轴距离不小于凸连接件中部内接圆半径的垂线上。

Description

组合刀具

本发明涉及一种组合式刀具，该刀具由多个组件活动连接而成。即将预制好的各旋转刀具组件经过组装连接成为组合式刀具，这种刀具能把旋转运动从一个组件传到另一个组件。

上述的这种旋转组合式刀具，一般至少包括一个预制刀体和一个与刀体一端相连接的刀杆，刀杆的另一端安装在机床的主轴中。当机床运转时，组合刀具也随之转动，扭矩通过刀杆传递给预制刀体。为了满足机床的强度要求，该刀具必须具备足够的刚性。此外，这种连接能使各组件之间精确地调整其同轴度，使得该组刀具有同一个旋转轴心。

上述的各种组件，例如，已知的榫头传动装置，其结构在1978年的英国标准122条第5部分已介绍过，该装置各元件的连接是通过榫槽来实现的。

加拿大分开的第2,103,071号组合式铣刀，其可换式端头及中间元件与基座的连接，各组件间的连接均是采用销钉结构，即利用元件上的销钉与基座上销孔的配合实现其连接。

可是，由于传递扭矩的销钉的截面积小，其承载能力有限，因此，这种结构的组件存在一定的缺陷。

美国专利第4,834,597号和第4,934,883号公开一种用于铣削和钻削的组合刀具，该刀具包括一个有圆锥形凸台的刀体和一个与之相应的有圆锥形凹槽的刀杆。所述的凸台与凹槽配合，其横截面形状为非圆形。因此，这种组件的各元件之间不会产生相对转动。在这种组件中，锥体配合面间的接触可以出现在沿其母线上的任何位置，也就是说各元件的配合面的实际接触部位是不定的。因此，不能精确的预测出作用于各接触部位的夹紧力，该力由机床运转时产生。然而，为了使各元件连接稳定，则必须沿轴向加长其接触面。可是，对于具有凹槽的旋转铣刀，采用这种方法延长凸台，则是很不可取的。因为，该铣刀的槽与凸台的配合空间是很有限的。而且，加工这些元件最常见的要求是高精度，由此生产成本也很高。

WO94/19132中披露了一种旋转组合刀具，该刀具克服了上述的许多缺点。它由第一和第二刀具组件沿轴向组装而成，且从第一元件传递扭矩给第二元件。这些元件间有凸凹形连接结构，它们包括沿径向和轴向延长的扭矩传递力臂、中心及定心连接装置，用连接装置依靠轴向夹紧力把各元件一个对一个的衔接起来。通常每一个力臂都是对称的，且力臂的两侧面成凹形曲面，这种结构使得连接元件的凸凹形力臂的两侧面之间的接触更密切。调整力臂的端点即从轴到力臂最远处，可以确定各元件相对轴向的转动位移。同时在接触面上的压力角与上述已知结构的压力角相比则大大减小。

由于这种力臂的特殊形状的侧面所具有的优越性，故可以设计出一种结构较简单、稳定可靠的连接装置。就是说，各元件间的连接接触面是确定的，且能传递较大的扭矩。而且压力角较小，传动效率比一般的高。

可是，这种对称的、侧面为凹形的、压力角较小的力臂，其侧面沿轴向越集中，该力臂的结构就越薄弱。

在此，本发明提供一种组合式刀具，该刀具的组件上设有扭矩传递装置，各组合元件的压力角较小，且各元件的结构强度较大，实际上，本发明所述的组合式刀具其主要优点在于结构紧凑，连接装置强度大，因而基本上用于小型旋转刀具。

本发明提供一种组合式刀具，它由第一和第二刀具组合单元组成，在每个单元里设置有凸形和凹形连接体，对应的连接各单元并使其同轴，则第一单元能够传递扭矩给第二单元；

每个连接体都包括一个扭矩传递元件，该元件有一个在径向上有一定尺寸的中心部分即内接圆，且至少有一个力臂从所述的中心部分延伸至相应的连接体的外缘；

凸形和凹形连接体的力臂均有第一、第二两个侧面，它们的第一侧面相互接触，而第二侧面之间有间隙，第一侧面能被定向，至少在它们的接触部位处，即在所述的纵向轴的径向方向；

其特征在于

所述的凸形连接体的至少一个力臂，其第二侧面的方向由法线确定，该法线延至纵向轴，它的长度不小于凸形连接体的中心部分的内切圆的半径。

更确切地说，所述的力臂的第二侧面实际上是延伸至相应的中心部分并与之相切，即所述的第二侧面与所述的中心部分平滑过渡。

于是，凸形连接体上的力臂的第一侧面所确定的方向基本上是朝着纵向轴，而第二侧面的方向却不是，这有利于增强力臂的结构强度。

如上所述，凸形和凹形连接体的力臂的第一侧面的方向已确定，故凸凹形两个侧面的接触部位也是确定的，它基本上是在径向方向，并向外延伸到接触部分的极限接触点(以下称为“极限点”)。和所述的接触部分相切并通过极限点的平面与通过极限点及纵向轴的径向平面之间的夹角称为压力角，第一侧面的方向一确定，则压力角基本上是在-10°-+10°范围内。更进一步时压力角等于0°。

力臂的第一侧面，特别是接触部分可以是平面或是曲面。这时在接触部分，第一侧面是同平面或有相同的曲率，故负载触沿整个相关的大面积分布。

在最佳实施例中，凸形连接体上有一个中心旋转凸台，该凸台与凹形连接体上的中心孔相应并滑动连接，从而使凸形和凹形连接体能进行同轴调节。

确切地说，每个连接体至少有两个相对设置的力臂。

在最佳实施例中，组合刀具是一个旋转组件，它的纵向轴也就是该刀具的旋转轴，各刀具单元被同轴连接，因此，转动力矩的传递是从第一单元到第二单元，这种非对称式结构的力臂能被调整，以致于与组合刀具的转动方向相一致。

在此，本发明涉及的就是一种非对称性的力臂，这种结构的力臂压力角几乎为0°，在扭矩传递中，接触压力能最大的发挥作用，因此，用这种连接装置的组合刀具具有最大的负荷传递能力。由于力矩的传递是有限的，这就要求连接组件更加小型和紧凑，预制的刀具的直径才能更小。在另一方面，在刀具的固定尺寸受到限制时，采用本发明所述的连接组件所传递的扭矩将远大于同样尺寸的已知的连接组件所传递的扭矩。

为了更好的理解和实现本发明，下面将对各附图予以说明：

图1a和图1b是本发明的透视图；

图2是图1a、1b的组合刀具局部剖视图，其中刀杆为整体结构；

图3是图2的III：III截面剖视图；

图4是图3的另一实施例的结构示意图。

图1a、图1b及图2所示附图是旋转铣刀1沿纵向轴A的结构图，其中包括相互连接的预制铣刀体2a、2b以及与刀杆4前端为一体的铣刀连接单元3，刀杆4的另一端与机床主轴孔连接(图中未画出)。

由图可见，铣刀体2a，2b及连接体3上有螺旋向凹槽5a、5b及5c，连接这三个元件，则形成一个连续延长的螺旋凹槽5。如图2所示，该铣刀有两个延长的螺旋凹槽5；为了简化附图，图1a、1b中只显示了一个凹槽。

在铣刀体2a、2b及连接体3上均有凹槽，故在其凹处均嵌接有刀片6，且是沿轴向依次排列，当各单元体相互连接时，刀片沿螺旋凹槽5连接排列。各刀片嵌接在凹处，致使这些刀片的切削刃被设置在一个圆柱形包络面上。

前端刀体2b与中间刀体2a的连接方法与中间刀体2a与连接体3的连接方法相同。故在图中，将只对后者的连接装置进行描述。

如图1b图2所示，中间刀体2a有一凸形连接元件7，元件7是底面8中心上的一个凸台。该凸形连接元件7是台阶形结构，即它包括一个凸形的扭矩传递元件9以及圆柱形凸台10，该凸台10位于中心处。所述的凸形扭矩传递元件有一中心部分11和两个相对力臂12，两个力臂12与中心部分11相汇合，并延伸至刀体2a的外缘上的端点13。

如图1a和图2所示，所述的连接体3有一个凹形的连接槽17，它是由连接体3上端面18下凹形成的，该凹槽的形状与凸形连接元件7相对应，起连接作用。该凹形体由一个凹形扭矩传递元件19和圆柱形中心孔20组成。所述的凹形扭矩传递元件19有一个中心部分11′和两个相对的凹槽力臂12′，力臂12′与中心部分11′相汇合，并延伸至连接体3的外圆的端点13′。

如图2所示，刀体2a和连接体3的同心度、同轴度可以调整，因为借助于圆柱体的中心，即凸形连接元件7上的定心元件10和凹形连接元件17上的定心孔20。刀体2a上有一个同心孔23，连接夹紧螺杆24穿过该孔(只显示一部分)，螺杆的底端与连接体3上的螺孔23′对应连接。

如剖视图图3所示，凸形和凹形的连接元件7和17以及它们的力臂12、12′当通过通过连接螺杆24将刀体2a和连接体3固定连接在一起时，是相互贴合的。

由图可见，凸形连接元件9上的中心部分11和凹形连接元件19上相应的中心部分11′均对称于轴A，且二者都与假设的圆C、C′内切，其圆心在所述组件的轴心A处。

所述凸形元件9的力臂12与凹形元件19的凹形力臂12′在组合刀具的旋转方向上具有一种不对称的形状。力臂12和12′构成以沿其作接触的对应的第一侧面25和25′，以及其间有间隙的第二侧面26和26′。这些臂的端部13和13′之间也设置有间隙。

该第一侧面25和25′，总的来说对应于纵轴A作经向的定位，并通过凹入的过渡部分28和28′平滑地汇交于相应的中部11和11′。第二侧面26和26′，一般是离开纵轴A一段距离作定位，并通过该中部11和11′的中间凸部29和29′与凹入的过渡部分28和28′相交汇。

该第二侧面26和26′设置成这样，即从轴线A至该侧面的垂线N和N′不短于相应中部11和11′该内接圆半径R和R′。因此该第二侧面就得到了实质性的增强。该第二侧面最好是能大体沿其对应的内接圆C和C′的切向定向，这可以避免在过渡区处的应力集中。

所述力臂12、12′的第一和第二侧面通过中心部分的圆弧段与相应的端点13、13′相连。圆倒角27、27′与第一侧面25、25′相邻，且这两个圆倒角半径不同，故二者间有间隙，在第一侧面的极限接触段上的线接触点称为极限点30(以下称为“极限点30”)。

第一侧面25、25′上的接触段35基本为一平面，该平面与平面T重合，径向平面D是通过轴A和极限点30的平面，平面T与径向平面D之间的夹角为压力角μ。如果我们要确定作用力的分布，即垂直于平面T，并通过接触段35的极限点30的压力矢量P，以及垂直于径向平面D的力矢量F，这就很清楚了，因为压力角μ为0°，所以矢量F和矢量P最终是重叠的，因此径向分力V变为很小以致于不起作用，最终增大了由力F产生的扭矩以及从轴A到极限点30的距离。由此，压力角μ的范围为-10°-+10°。

为了使压力角μ在这个范围内，而且连接装置又能达到要求的承载能力，最好的办法是大大的缩小力臂12、12′的高度h(见图2)。尤其是对于小型的组合刀具，这种缩小是非常必要的。例如，承受同样的力F，在1978年的英国标准第122条第五部分规定，对于榫头传动装置，要求标准的中心孔直径为22mm，压力角μ＝16°，力臂高度h＝6mm，对于组合刀具，本发明则能使压力角μ＝6°，中心孔直径与上述相同，其力臂高度h＝4mm。此外，当压力角μ＝6°时，其径向分力V仅是压力角μ＝16°时的三分之一。

更确切地说，除了减小压力角μ以外，还应根据本发明的结构避免出现接触死区，即距离转动轴最远的极限处，实际上增加力臂的长度，也能使传递的扭矩大大增加。

在结构图1、2、3中，所述的凸形和凹形连接元件都有两个力臂，同样，本发明也适用于另一种情况，即由多个力臂的各个面传递扭矩，如两个以上的力臂或者是一个力臂，如图4所示，后一结构更适合于小尺寸的旋转组合刀具。

更确切地说，在这种特殊结构中，凸形和凹形连接元件的第一侧面25、25′至少在其接触区域内基本为一平面，第一侧面25、25′是由曲面连续连接的，其曲率半径或是相同，或是不同，所以第一侧面的接触也是有一种或两种。在图4中，有凸形和凹形连接元件7和17a，其扭矩传递力臂12a、12a′的弧形第一侧面25a和25a′，两侧面互配。

在所述的扭矩传递元件9、19中，中心部分11、11′是不完整的圆柱体，实际上，中心部分可以是相应于本发明目的的任何一种的其它形状。

在具体的实施例中，本发明提供的组合式刀具采用的是螺旋上升的凹槽，对于没有凹槽的组件同样适用于本发明。类似的，本发明也适用于组合刀具为静止的情况，比如用于本削加工。

本发明提供的扭矩传递元件上的凸台，其作用是定心和调整中心。可是，在某些情况下，该凸台元件可以废除，因为用一种加工精密的凸形连接插销和表面精密的轴孔配合的扭矩传递接合件能够实现对中心的调整。

此外，旋转组合式刀具和固定式组合刀具都有非圆柱形的切削轮廓，例如，一个有任意形状的切削轮廓的预制铣刀组件与任何一个普通型的刀杆连接，这种结构也仍然适用于本发明。

最后，本发明就使用两种结构的组合式刀具进行了特别的描述，例如，在允许的情况下，为了延长组合刀具的长度，必须使多个预制单元同轴连接，这同样也适用于本发明。就以上所述的刀具元件装置，在所有情况下，每个单元都能提供基本相似的扭矩传递连接装置。

参考数据

1.旋转铣刀

2a、2b铣刀单元

3.铣刀连接体

4.刀杆

5a、5b、5c沟槽

5.螺旋沟槽

6.刀片

7.凸形连接元件

8.单元2a的底面

9.凸形扭矩传递元件

10.中心凸台

11.元件9的中心部分

12.元件9的力臂

13.力臂12的端部

17.凹形连接元件

18.单元3的上表面

19.凹形扭矩传递元件

20.中心孔

11′.元件19的中心部分

12′.元件19的凹形力臂

13′.力臂12′的端点

23.凸形连接元件7的孔

23′.凹形连接元件17的螺纹孔

24.夹紧螺杆

25、25′力臂12、12′的第一侧面

26、26′力臂12、12′的第二侧面

27、27′第一侧面25、25′的圆倒角

28、28′过渡段

29、29′中心部分11、11′的圆弧段

30接触段的极限点

35第一侧面的接触段

7a、7a′图4中的扭矩传递元件

12a、12a′元件7a、7a′的力臂

25a、25a′力臂12a、12a′的第一侧面

Claims (10)

1.一种组合式刀具，包括第一和第二刀具组件单元，每个单元里设置有凸形和凹形连接体，对应的同轴连接各单元，则第一单元能够传递扭矩给第二单元；

每个连接体都包括一个扭矩传递元件，该元件有一个由其中一个内接圆所确定的径向尺寸的中心部分，并至少有一个力臂从所述的中心部分延伸至相应的连接体的外缘；

凸形和凹形连接体的力臂均有第一、第二两个侧面，它们的第一侧面相互接触，第二侧面之间有间隙，第一侧面至少在它们的接触部位大体上能在相对纵向轴的径向定位；

其特征在于

所述的凸形连接体的至少一个力臂的第二侧面的方向能由一根垂线确定，该垂线从纵向轴至第二侧面的距离不小于凸形连接元件的中心部分的内接圆的半径。

2.根据权利要求1的组合式刀具，其特征为，所述力臂的第二侧面大致延相应的中心部分的切向延伸。

3.根据权利要求1的组合式刀具，其特征为所述第一侧面的方向是由一个压力角确定的，该压力角的取值范围是约-10°-+10°，所述的压力角是指过极限点并和接触部分相切的平面与过极限点和纵向轴的径向平面之间的夹角。

4.根据权利要求1的组合刀具，其特征为所述第一侧面的接触面为平面。

5.根据权利要求4的组合式刀具，其特征为所述第一侧面的接触面与过纵向轴的径向平面相重叠，其压力角等于0°。

6.根据权利要求1的组合式刀具，其特征为所述第一侧面中至少有一个是连续曲面。

7.根据权利要求6的组合式刀具，其特征为其中两个第一侧面均为连续曲面，且在接触处内其曲率半径大致相同。

8.根据权利要求1的组合式刀具，其特征为其中凸形连接元件上有一个中心旋转凸台，凹形连接元件上有一个与之相应的中心孔，凸台与中心孔滑动配合，由此，凸形和凹形连接元件能进行同轴调整。

9.根据权利要求1的组合式刀具，其特征为其中每个连接元件至少有两个相对的力臂。

10.根据权利要求1的组合式刀具，其特征为其中组合刀具是旋转组件，它的共有纵向轴也就是其旋转轴，轴向连接各刀具单元，故转动扭矩能从第一单元传递到第二单元，非对称形力臂的定向是按组合刀具的转动方向决定的。

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