CN1230275C - 采用冷缩配合连接的刀夹和刀片装置 - Google Patents

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Abstract

一种刀夹和刀片装置，它包括具有切削部分和位于所述切削部分的基底处的刀柄部分，还包括具有连接在一轴上的第一端部和具有刀柄安装孔的第二端部。在刀柄部分未置于刀柄安装孔中并且刀夹处于正常室温下时，刀柄安装孔小于刀柄部分，并且一旦将刀夹加热到正常室温以上且在正常工作温度以上的预定温度，则刀柄安装孔膨胀，以变得和刀柄部分一样大，并且一旦刀夹冷却到预定温度以下并且在刀柄部分插入在刀柄安装孔中之后，刀柄安装孔收缩，以大体上与刀柄部分的形状一致。

Description

采用冷缩配合连接的刀夹和刀片装置
技术领域
本发明涉及一种刀夹和刀片装置，更具体地说，涉及一种其中刀片是通过冷缩配合连接与刀夹连接的刀夹和刀片装置。
背景技术
刀夹和可替换的切削刀片一起使用是众所周知的。其中使用了刀夹和可替换切削刀片的刀具装置的实施例包括钻削、铣削、车削以及磨削操作。刀具例如球鼻形立铣刀、钻头和砂轮可以包括具有由非常硬的材料例如硬质合金制成的刀柄的切削刀片，而刀夹由更容易机加工的材料例如工具钢制成。硬质刀片比必须由适合于机加工的材料制成的类似整体工具可使用更长时间。而且，因为刀片是可替换的，所以即使定期更换刀片，刀夹也通常可以使用很长时间而不用更换。
刀片通常采用某些形式的机械连接而固定在刀夹上，例如穿过刀片的螺钉或者定位螺钉或其它夹紧装置。美国专利No.4,293,253和WO 96/06702披露了采用其中刀片被拧进刀夹中的机械连接方式的刀夹和刀片。这种传统刀夹和刀片装置的缺点在于，机械连接会失效并且损坏刀夹或刀片或者两个都被损坏。而且，当机械连接部件失效时，除非在备有刀夹和刀片之外还保持有机械连接部件的储备，否则该刀具必须停止运转直到能够获得新的连接部件。这会导致不必要的成本增加以及生产率的损失。此外，机械连接部件往往需要专门的工具来将切削刀片连接在刀夹上。
发明内容
因此，希望提供一种刀夹和刀片装置，该装置能够避免需要单独的机械连接部件来使刀片相对于刀夹固定，并且能够避免需要专门工具来使刀片相对于刀夹固定。
根据本发明的一个方面，提供一种刀夹和刀片，其包括：刀片，它具有切削部分和位于所述切削部分的基底处的刀柄部分；刀夹，它具有连接在一轴上的第一端部和具有刀柄安装孔的第二端部；其中，远离切削部分的刀柄部分的一端包括一沿着该刀柄部分的轴线方向延伸的啮合部分，且该刀柄安装孔包括沿着该刀柄安装孔的轴线延伸以接受该啮合部分的相应啮合部分，该啮合部分和相应啮合部分适于防止刀柄部分相对于刀柄安装孔的相对转动，在刀柄部分未置于刀柄安装孔中并且刀夹处于正常室温下时，刀柄安装孔小于刀柄部分，并且一旦将刀夹加热到正常室温以上以及正常工作温度以上的预定温度，则刀柄安装孔膨胀，以变得至少与刀柄部分一样大，以及一旦刀夹冷却到该预定温度以下并且在刀柄部分插入在刀柄安装孔中之后，刀柄安装孔收缩，以大体上与刀柄部分的形状一致。
附图说明
通过结合附图阅读下面的详细说明可以更清楚地理解本发明的特征和优点，在这些附图中相同的标号表示类似的元件，其中：
图1为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的局部剖视图；
图2为根据本发明另一个实施例的刀夹和刀片装置的局部剖视图；
图3A和3B为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的刀片的侧视图和顶视图；
图4A和4B为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的底部和侧面剖视图；
图5A和5B为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的刀片的侧视图和顶视图；
图6A和6B为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的底部和侧面剖视图；
图7A和7B为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的底部和侧面剖视图；
图8A为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图，并且图8B为图8A的刀片的顶视图；
图9A为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图，并且图9B为图9A的刀片的顶视图；
图10A为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图，并且图10B为图10A的刀片的顶视图；
图11A为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图，并且图11B为图11A的刀片的顶视图；
图12A为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图，并且图12B为图12A的刀片的顶视图；
图13A为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图，并且图13B为图13A的刀片的顶视图；
图14为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图；
图15为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图；并且
图16为根据本发明一个实施例的刀夹和刀片装置的侧面剖视图。
具体实施方式
在图1和2中以剖视图的形式显示出根据本发明一个实施例的刀夹21和刀片23的实施方案，这两个图分别显示出基本上为截头圆锥形的刀夹和基本上为圆柱形的刀夹。刀夹21的精确的外部形状当然可以是任何合适的形状，并且不限于截头圆锥形或圆柱形。刀片23包括切削部分25和位于切削部分的基底29处的刀柄部分27。根据本发明的当前实施例，刀片23的切削部分25为球鼻形立铣刀部分，但是必要时可以是任何其它的旋转刀具例如钻头、砂轮等。
刀夹21优选具有连接在传统轴上的第一端部31和具有刀柄安装孔35的第二端部33。当刀柄部分27未置于刀柄安装孔35中并且刀夹21处于正常室温下时，刀柄安装孔小于刀柄部分。一旦将刀夹21或者其至少一部分加热到正常室温以上并且在刀夹的正常工作温度以上的预定温度，则该刀柄安装孔35膨胀，从而变得与刀柄部分27一样大，并且允许刀柄部分插入刀柄安装孔中或允许从刀柄安装孔中拆除该刀柄部分。
一旦将刀夹21冷却到低于预定温度的温度并且在将刀柄部分27插入在刀柄安装孔35中之后，该刀柄安装孔收缩成大体上与刀柄部分的形状一致。优选的是，刀柄安装孔35的内径ID相对于刀柄部分的外径OD是这样选择的，即在该刀夹处于正常室温下并且在刀柄安装孔中没有安装任何刀柄时，刀柄安装孔的内径要小于刀柄部分的外径，以及在刀夹处于正常操作温度下并且在刀柄安装孔中未安装刀柄部分时，刀柄安装孔的内径小于刀柄部分的外径。当前人们认为，假设刀柄27的正常室温大约为20℃，则由例如工具钢制成的刀夹所可以加热到的预定温度应该大约为300℃，也可能在250℃和350℃之间。
优选的是，在刀夹21处于正常室温下时，刀柄安装孔35的内径ID相对于刀柄部分27的外径OD是这样选择的，即在刀柄部分安装在刀柄安装孔中而且刀柄安装孔已经收缩成大体上与刀柄部分的形状一致并处于正常工作温度或以下时，刀夹在刀柄上所施加的力足以抵抗在刀柄上的一般操作扭力和转动力矩M。通常，直径相对较小的刀夹21和由与较小刀夹具有同样热膨胀系数的材料制成的直径相对较大的刀夹被以同样的量加热时，即使前者会与后者按照大致一样的膨胀率膨胀，由于较小刀夹中膨胀的材料更少，因此较小的刀夹的总体膨胀量会比较大的刀夹更小。结果是在加热后收缩时，较小的刀夹不会以和较大的刀夹同样大小的力抓紧刀柄部分。
但是，因为较小刀具通常应用于需要比较大刀夹具有更少能耗的场合，这通常不应该有问题。当然必要时，如果必须用比可以通过本发明的冷缩配合连接实现的更大的力来将刀柄夹在刀夹的刀柄安装孔35中的话，则可以将另外公知的机械连接件例如液压连接件、压缩连接件、定位螺钉、销和销安装孔等添加在刀夹21和/或刀柄27上。
在根据本发明的刀夹21和刀片23中，其中：
Dy为刀夹的外径；
d为冷缩配合的标称直径(即没有公差的直径)；
d/Dy＝Xy＝直径的比值(标称直径与刀夹的外径之比)；
G为间隙(刀柄OD和刀夹ID的差)；
Ey为刀夹的弹性模量；
Ei为刀柄的弹性模量；
my为刀夹的泊松比；并且
mi为刀柄的泊松比，
要理解的是，在安装在刀夹的刀柄安装孔中时，刀柄上的压力可以由下式表示：
Figure C0081755600111
刀夹和刀片装置在滑动之前可以承受的最大转动惯量M被认为有下式表示：
Mv＝pπdlCfd/2
其中：
Cf为刀柄和刀柄安装孔之间的摩擦系数；并且
1为插入的刀柄长度。
采用上述公式，在刀夹和刀柄所用的材料特性都是已知的时，可以针对特定的工作条件来适当地设定刀夹和刀柄的尺寸。
图3A-11B显示出另一个优选机械机构，用于帮助转递由刀夹21和刀片23之间的收缩配合连接所单独获得的转矩之外的额外转矩。例如，图3A-3B中所示的实施例涉及提供具有啮合部分39并且远离切削部分35的刀柄部分的端部37，并且如在图4A和4B中可以看出，提供具有其中安装有啮合部分39的相应啮合部分41的刀柄安装孔35。啮合部分39和相应啮合部分41优选采用能够从刀夹21将转动力矩传递给刀柄部分27的形状，例如非圆形部分和偏置销以及销安装孔。
要理解的是，可以形成各种形状来实现防止刀柄部分27相对于刀柄安装孔转动的目的。实际上，虽然整个刀柄27和刀柄安装孔35在所有实施例中被示为圆形，但是它们可以专门成形为例如非圆形，用来使整个刀柄与刀夹21中的孔啮合。但是，优选的是，过分偏离圆形是不理想的，主要是因为这种偏差会使得部件的机加工更加困难，并且因为刀夹的不同部分在受热时不会与其它部分膨胀相同的量，这会导致在将刀片23的刀柄安装进刀柄安装孔35方面出现困难。
如在图3A和3B中所看出的一样，刀柄部分27的啮合部分39优选具有半圆形形状。在相应啮合部分的前面部分转动并接触刀柄27的啮合部分的后面部分时，啮合部分39的半圆形形状允许传递来自相应啮合部分41(图4A-4B)的转动力。啮合部分39的半圆形形状有利于简化制造方法。
相应啮合部分的半圆形形状可以通过机加工或者例如通过例如采用硬焊、软焊、焊接、机械紧固、粘合剂等将半圆形部件安装在刀柄安装孔内进行来形成。半圆形相应啮合部分中的机加工或焊接之外，可以使用如图4A和4B中所示的销41。销41优选安装进形成在刀柄安装孔35的底壁中的销安装孔41o中。在操作中，当切削部分25上的力超过刀柄27和刀夹21之间的冷缩配合连接所用的力，并且使得刀柄27能够相对于刀夹转动时，销41接触啮合部分39的半圆形平滑壁，并且允许传递额外的力矩。
如从图5A和5B中可以看出，啮合部分39’的另一个实施例可以包括一个或多个(优选为两个)半圆形部件。相应啮合部分优选成形为与这些半圆形相配。如在图6A和6B中所示一样，在具有一部分圆形的形状之外，供在图5A-5B中所示的刀片使用的相应啮合部分可以呈销41p的形式，该销基本上垂直于刀柄27和刀柄安装孔35的轴线延伸，并且邻接半圆形部分或在两个半圆形部分之间，以有效地与形成销安装孔的半圆形部件配合。必要时，在如图6A和6B所示，与刀柄27和刀柄安装孔35的轴线基本上垂直地延伸之外，销可以与所述刀柄和刀柄安装孔平行地延伸，或者设置成以在平行和垂直之间的某个角度延伸。必要时平行、垂直或倾斜的销可以安装在刀夹21和/或刀柄27上或者可以从中拆除，并且必要时可以设置一个以上的销。在图7A和7B中显示出作为刀柄27的整体部分并且安装在刀夹21中的销安装孔141o中的销139p，其中销139p是偏心的，从而有助于传递力矩。
要理解的是，啮合部分和相应啮合部分在必要时可以与所示的方式相反地设置。例如，供在图5A和5B中所示的刀柄27使用的相应啮合部分可以代替在刀柄27上的啮合部分39’，并且啮合部分可以代替在刀夹21的刀柄安装孔35中的相应啮合部分。
图8A-11B显示出刀夹21和刀片23装置的另一个实施例，其中刀柄27部分设有非圆形啮合部分，并且刀柄安装孔35设有相应啮合部分，其显示出了非圆形啮合部分的几种可能的形状。图8A显示出刀夹21和刀片23装置。图8B单独地显示出刀片，其中刀柄27设有三角形啮合部分239和设置在刀柄安装孔中的相应三角形啮合部分241。图9A显示出刀夹21和刀片23装置，并且图9B只显示出刀片，其中刀柄27设有星形啮合部分339和设置在刀柄安装孔中的相应星形啮合部分341。图10A显示出刀夹21和刀片23装置，并且图10B只显示出刀片，其中刀柄27设有方形或矩形啮合部分439和设置在刀柄安装孔中的相应方形或矩形啮合部分441。图11A显示出刀夹21和刀片23装置，并且图11B只显示出刀片，其中刀柄27设有六边形啮合部分539和设置在刀柄安装孔中的相应六边形啮合部分541。要理解的是，必要时，啮合部分和相应啮合部分可以形成为任意的非圆形形状。可以通过任何合适的技术来形成在这里所披露的实施例中的非圆形相应啮合部分。例如，可以通过焊接在刀柄安装孔中的元件来形成非圆形形状或者通过机加工所述刀柄安装孔来形成非圆形相应啮合部分。
如在图1-7B的所有实施例中可以看出的一样，切削部分25的直径优选大于刀柄部分27的直径，并且靠近刀柄部分的切削部分的基底29包括径向台肩43。同样，刀夹21的端部优选包括有径向台肩45，其上邻接有切削部分25的径向台肩43。优选地，刀夹21的径向台肩45和切削部分25的径向台肩43尺寸基本上彼此相同。在切削部分25上的台肩43有助于避免将刀柄部分27插入在刀柄安装孔35内太深。必要时，切削部分25可以具有与刀柄部分27基本上相同的直径。
刀夹21可以是任意合适的形状。如在图1中所看到的一样，例如，刀夹可以呈截头圆锥形形式，或者如在图2中所看见的一样，刀夹可以基本上呈圆柱形。
如在图1-11B中看出的一样，刀柄部分27和刀柄安装孔35在它们的至少一部分长度上优选基本上为圆柱形。如在图12A-12B中所看出的一样，刀柄部分127可以具有截头圆锥形形状，并且刀柄安装孔135可以具有与刀柄部分的形状相对应的形状。即使刀夹21没有完全被加热，刀柄部分127的截头圆锥形形状也有助于将刀柄部分插入进刀柄安装孔135中。优选的是，刀柄部分127的侧面相对于位于切削部分的基底29处的刀柄部分的基底形成的角度θ小于2°。
如在显示出刀夹21和刀片23的图13A和只显示出刀片的图13B中所看出的一样，切削部分25的径向台肩43和刀夹21的径向台肩45可以分别设有相互啮合的部件47和49。相互啮合的部件47和29可以呈例如至少一个脊部和至少一个脊部安装凹槽的形式。必要时，可以设置多个相互啮合部件例如呈齿形图案。相互啮合部件47和49可以帮助从刀夹21将力矩传递给切削部分25，反之亦然。
如上所述，刀片23优选包括位于切削部分25的基底29处的台肩43，以帮助使刀片相对于刀夹21定位。如在图14和15中所看出的一样，最好提供没有台肩的刀片123和223以通过刀柄安装孔35邻接在刀夹21的壁的前面上。图14显示出与砂轮123一起使用的刀夹21，并且图15显示出与直钻头或铣削刀片223一起使用的刀夹。要理解的是，通过设置从工具的工件接触部分延伸出的刀柄部分27，从而各种其它工具可以与本发明一起使用。
图16显示出本发明的另一个方面。图16中的刀夹121设有一个或多个可以优选通过管道装置与液压流体源的出口103连接的内部通道101。通道101的一部分围绕着刀柄安装孔35，并且在刀片23的刀柄部分27设置在刀柄安装孔中之后，液压流体在通道101中受到压力，以使得刀柄安装孔和通道之间的刀夹较薄壁部分向内偏转并且固定刀柄部分。通道101优选至少部分由套筒限定，该套筒形成有刀柄安装孔35，并且插入在刀夹的主要部分中的更大的孔中，例如在美国专利No.5,030,048中所披露的一样，该文献的内容在这里被引用作为参考。必要时，如在美国专利No.5,030,048中所披露的一样，可以采用提供在固化时膨胀的加热液体的技术来代替提供加压液压流体的技术。与在这里所披露的刀夹的其它实施例一样，图16的刀夹121也可以被加热，从而使得刀柄部分27能够插入在刀柄安装孔中，并且由在图16中所示的液压装置和所接触的刀夹材料产生的组合夹紧效果用来夹紧刀片的刀柄。
虽然已经根据优选实施例对本发明进行了描述和说明，但是要认识到的是，在不脱离权利要求所述的本发明的情况下可以作出许多改变和变化。

Claims (24)

1.一种刀夹(21)和刀片(23)，包括：
刀片(23)，它具有切削部分(25)和位于所述切削部分(25)的基底处的刀柄部分(27)；
刀夹(21)，它具有连接在一轴上的第一端部(31)和具有刀柄安装孔(35)的第二端部(33)；
其中，远离切削部分(25)的刀柄部分(27)的一端包括一沿着该刀柄部分(27)的轴线方向延伸的啮合部分(39，39’，139p，239，339，439，539)，且该刀柄安装孔(35)包括沿着该刀柄安装孔(35)的轴线延伸以接受该啮合部分(39，39’，139p，239，339，439，539)的相应啮合部分(41，140o，241，341，441，541)，该啮合部分和相应啮合部分适于防止刀柄部分相对于刀柄安装孔的相对转动，在刀柄部分(27)未置于刀柄安装孔(35)中并且刀夹(21)处于正常室温下时，刀柄安装孔(35)小于刀柄部分(27)，并且一旦将刀夹(21)加热到正常室温以上以及正常工作温度以上的预定温度，则刀柄安装孔(35)膨胀，以变得至少与刀柄部分(27)一样大，以及一旦刀夹(21)冷却到该预定温度以下并且在刀柄部分(27)插入在刀柄安装孔(35)中之后，刀柄安装孔(35)收缩，以与刀柄部分(27)的形状一致。
2.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，刀柄安装孔(35)的内径相对于刀柄部分(27)的外径是这样选择的，即在刀夹(21)处于正常室温下并且在刀柄安装孔(35)中未安装任何刀柄时，刀柄安装孔(35)的内径小于刀柄部分(27)的外径，并且在刀夹(21)处于正常工作温度且在刀柄安装孔(35)中没有刀柄部分(27)时，刀柄安装孔(35)的内径小于刀柄部分(27)的外径。
3.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，在刀夹(21)处于正常室温下时，刀柄安装孔(35)的内径相对于刀柄部分(27)的外径是这样选择的，即当刀柄部分(27)安装在刀柄安装孔(35)中并且刀柄安装孔(35)已经收缩成与刀柄部分(27)的形状一致并处于等于或低于正常工作温度下时，刀夹(21)施加在刀柄上的力足以抵抗在刀柄上的操作扭力。
4.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，该啮合部分(39)呈半圆形。
5.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，该啮合部分(39，39’)包括一个或多个半圆形部件。
6.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，该啮合部分(39’)包括两个半圆形部件。
7.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，远离切削部分(25)的刀柄部分(27)的一端和在刀柄安装孔(35)中的刀夹(21)的一表面包括有配合结构(47，49)。
8.如权利要求7所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，该配合结构包括销(139p，41)和销安装孔(41o，141o)。
9.如权利要求8所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，该销(139p)与刀柄部分(27)成一体。
10.如权利要求8所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀柄部分(27)和刀柄安装孔(35)中的刀夹(21)的表面中的每一个包括有销安装孔(39，41o)，所述销可安装在刀柄部分(27)和刀柄安装孔(35)中的刀夹(21)的表面中的每一个中的销安装孔中。
11.如权利要求8所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述销(139p)和销安装孔(141o)沿着刀夹(21)和刀片(23)的轴向方向延伸。
12.如权利要求8所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述销(41)和销安装孔(141o)与刀夹(21)和刀片(23)的半径平行地延伸。
13.如权利要求8所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述销(139p)和销安装孔(141o)偏离刀柄和刀柄安装孔(35)的轴线。
14.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述切削部分(25)的直径大于刀柄部分(27)的直径，并且靠近刀柄部分(27)的切削部分(25)的基底包括有径向台肩。
15.如权利要求14所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀夹(21)的一个端部包括有径向台肩(45)，其与切削部分(25)的径向台肩邻接。
16.如权利要求15所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀夹(21)的径向台肩(45)和切削部分(25)的径向台肩(43)包括有相互啮合部件(47，49)。
17.如权利要求16所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述相互啮合部件(47，49)包括至少一个脊部和至少一个脊部安装凹槽。
18.如权利要求17所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀夹(21)的径向台肩(45)和切削部分(25)的径向台肩(43)的尺寸彼此相同。
19.如权利要求18所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀夹(21)为圆柱形。
20.如权利要求18所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀夹(21)的形状为截头圆锥形。
21.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀柄部分(27)和所述刀柄安装孔(35)在所述刀柄部分(27)和刀柄安装孔(35)的至少一部分长度上为圆柱形。
22.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀柄部分(27)具有截头圆锥形形状，并且刀柄安装孔(35)具有与刀柄部分(27)的形状相对应的形状。
23.如权利要求1所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述刀夹(21)包括至少一个内部通道(101)，该内部通道包括沿着刀柄安装孔(35)的至少一部分长度延伸的部分，并且包括可与液压流体源连接的出(103)。
24.如权利要求23所述的刀夹(21)和刀片(23)，其特征在于，所述内部通道(101)包括多个沿着刀柄安装孔(35)的至少一部分长度延伸并且通过管道装置与出口连接的部分。
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