Устройство для фиксируемого крепления инструментов на станке - RU2104828C1
Код документа: RU2104828C1
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится в целом к устройству крепления инструмента на станке и, более конкретно, к устройству съемного крепления инструмента к державкам в модульных инструментальных системах с помощью малогабаритного приспособления, обладающего большим удерживающим усилием и обеспечивающим точное и жесткое крепление инструмента во всех шести степенях свободы как при низких, так и при высоких оборотах.
Известно устройство для фиксируемого крепления инструментов на станке, содержащее внешний конус с гнездом, расположенным на его конце и ограниченным поверхностью заплечика, и внутренний конус, предназначенный для взаимодействия с упомянутым внешним конусом и расположенный в корпусе соосно с ним (патент США N 4615244, кл. B 23 B 29/00, 07.10.86 г.).
Однако, известное устройство не позволило оператору быстро менять инструмент в станке, так как его приводной механизм не имеет легкодоступного радиально ориентированного исполнительного механизма, и требовало больших выталкивающих усилий, прикладываемых к внешнему и внутреннему конусам. Кроме того, известное устройство не обладало приводным механизмом, который исключал бы концентрацию избыточного давления на каком-либо участке деталей, ведущую к ускоренному износу инструмента. Наконец, приводной механизм известного устройства не обеспечивал положительное и надежное "выбивание" внешнего конуса из внутреннего для быстрой смены инструмента.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства для фиксированного крепления инструментов на станке с таким приводным механизмом, который позволял бы быстро менять инструмент, был бы относительно прост и недорог в изготовлении и легок в сборке, разборке и ремонте.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для фиксируемого крепления инструментов на станке, содержащем внешний конус с гнездом, расположенным на его конце и ограниченным поверхностью заплечика, и внутренний конус, предназначенный для взаимодействия с упомянутым внешним конусом и расположенный в корпусе соосно с ним, в соответствии с изобретением в корпусе выполнены выступы, расположенные внутри отверстия конуса, при этом устройство снабжено кулачковыми элементами, предназначенными для стягивания внешнего и внутреннего конусов и подвижно установленными в отверстии корпуса и имеющими ножки, предназначенные для зацепления с упомянутыми выступами для ограничения осевого перемещения кулачковых элементов, при этом последние имеют также поверхности, предназначенные для взаимодействия с упомянутой поверхностью заплечика при разведении этих поверхностей радиально от оси внутреннего конуса и продольном смещении вдоль этой же оси, устройство снабжено также механизмом, предназначенным для перемещения указанных кулачковых элементов и содержащим перемещаемый вдоль оси приводной элемент, предназначенный для разведения кулачковых элементов, пару противолежащих клиновых элементов, расположенных с возможностью перемещения перпендикулярно оси корпуса и предназначенных для смещения приводного элемента в осевом направлении, упомянутый механизм содержит также винтовой элемент, предназначенный для сведения и разведения клиновых элементов перпендикулярно оси корпуса.
Клиновые элементы могут быть также предназначены для расклинивания и отвода конца внешнего конуса от отверстия внутреннего конуса при разведении их с помощью винтового элемента.
Угол клинового контакта между приводным элементом и кулачковыми элементами может быть выбран таким, что расстояние, на которое перемещается каждый из кулачковых элементов перпендикулярно оси корпуса, меньше, чем осевое расстояние, которое проходит приводной элемент, в результате чего может быть достигнут механический выигрыш в силе между приводным элементом и кулачковыми элементами.
Угол клинового контакта между клиновыми элементами и приводным элементом может быть выбран таким, что расстояние, на которое перпендикулярно оси корпуса перемещается каждый клиновый элемент, меньше, чем расстояние, на которое в осевом направлении перемещается приводной элемент, в результате чего достигается механический выигрыш в силе между парой клиновых элементов и приводным элементом.
Кулачковые элементы могут быть шарнирно установлены на одном конце внутреннего конуса, а приводной элемент может быть размещен с возможностью взаимодействия с кулачковыми элементами в точках на противоположных концах каждого кулачкового элемента, которые более удалены от упомянутых шарнирно установленных концов кулачковых элементов, чем поверхности последних, предназначенные для взаимодействия с поверхностью заплечика внешнего конуса.
Винтовой элемент может быть расположен перпендикулярно к оси корпуса и иметь головку, расположенную с возможностью доступа к ней через боковую стенку внутреннего конуса.
Кроме того, винтовой элемент может иметь правую и левую резьбы, предназначенные для взаимодействия с разными клиновыми элементами соответственно.
Приводной элемент может быть свободно размещен в пространстве, образованном противолежащими углублениями в кулачковых элементах, и может быть выполнен в виде шара.
Кулачковые элементы и клиновые элементы могут иметь поверхности, предназначенные для взаимодействия с указанным шаром, в виде цилиндрических поверхностей, ответных по кривизне сферической наружной поверхности шара, при этом упомянутые поверхности кулачковых и клиновых элементов предназначены для обеспечения линзовидного контакта между ними и шаром.
Устройство может быть снабжено опорой, размещенной между винтовым элементом и корпусом и предназначенной для противодействия реактивному срезающему усилию, которое приложено от приводного элемента к клиновым элементам.
Винтовой элемент может быть размещен радиально относительно боковой стенки внутреннего конуса и имеет головку, предназначенную для обеспечения к нему радиального доступа, левую и правую резьбы, предназначенные для взаимодействия с клиновыми элементами.
Шар может быть предназначен для взаимодействия с кулачковыми элементами в точках, расположенных на концах кулачковых элементов, противоположных их ножкам, при этом указанные точки расположены дальше от ножек кулачковых элементов, чем поверхности последних, предназначенные для взаимодействия с поверхностью заплечика внешнего конуса, в результате чего может достигаться механический выигрыш в силе при разведении кулачковых элементов с помощью приводного элемента и взаимодействии поверхностей кулачковых элементов с поверхностью заплечика внешнего конуса.
На фиг.1 поясняется разнесенный вид в перспективе устройства для крепления инструментов по настоящему изобретению; на фиг.2 - поперечное сечение собранного устройства по фиг.1, по линии 2,3-2,3, где приводной шарик находится в нерабочем положении между кулачковыми элементами для облегчения установки внешнего и внутреннего конусов устройства; на фиг. 3 - также поперечное сечение собранного устройства по фиг.1, по линии 2,3-2,3, где кинематическая цепь переместила шарик в плотное взаимодействие с внутренними поверхностями кулачковых элементов для принудительного крепления совмещенных внутреннего и внешнего конусов друг с другом; на фиг.4 - поперечное сечение собранного устройства крепления по линии 4-4 на фиг.1; на фиг.5 - вид с торца только кулачковых элементов, приводного шарика и узла привода шарика по линии 5-5 на фиг.1, повернутых в собранном виде на 90o против часовой стрелки; на фиг.6 - увеличенный вид участка, показанного штрихпунктирной окружностью 6 на фиг.3, иллюстрирующий угол взаимодействия между приводным шариком и поверхностью взаимодействия 54b; на фиг.7 - увеличенный вид участка, показанного штрихпунктирным овалом 7 на фиг.4, иллюстрирующий угол взаимодействия между приводным шариком и внутренней поверхностью 68a клина и внешней выбивающей поверхностью 70a.
Как показано на фиг.1, где одинаковыми позициями обозначены одинаковые детали, устройство крепления 1 согласно настоящему изобретению содержит внешний конус 3, который является частью тела 5 инструмента, в котором может быть установлена, например, режущая пластинка 7, используемая для обработки металла резанием. Устройство 1 содержит внутренний конус 9, который является частью державки 11, которой может быть, например, шпиндель для вращения тела 5 инструмента, имеющего внешний конус 3. При определенных технологических операциях и внешний и внутренний конусы 3, 9 могут вращаться вокруг оси вращения для обработки неподвижной детали. Однако, при других технологических операциях и внешний, и внутренний конусы 3, 9 могут быть неподвижны, а деталь может вращаться. Как будет показано более подробно ниже внутренний конус 9 является по существу пустотелым и содержит внутри пару противолежащих кулачковых элементов 12a, 12b. Эти кулачковые элементы 12a, 12b выполнены с возможностью радиального раздвигания с помощью кинематической цепи 13, и принудительно вводить во взаимодействие и сцеплять внешний и внутренний конусы 3, 9 устройства 1.
Как показано на фиг. 2 и 3 внешний конус 3 содержит пустотелый хвостовик 15, имеющий внешнюю поверхность 16 в форме усеченного конуса и предпочтительно имеет конусность приблизительно 1:10 относительно продольной оси внешнего и внутреннего конусов 3 и 9. Ближний конец конического хвостовика 15, как показано на чертежах, выполнен заодно с телом 5 инструмента. Кольцевая посадочная поверхность 17 окружает место соединения хвостовика 15 и тела 5 инструмента. Хвостовик 15 имеет форму кольца, окружающего внутреннюю полость 19. Удаленный внутренний конец хвостовика 15 имеет кольцевую закраину 22, задняя грань которой определяет поверхность 24 заплечика, имеющую форму усеченного конуса. Как лучше всего видно на фиг.1, удаленный конец хвостовика 15 также содержит пару противолежащих установочных пазов 26a, 26b для нужной ориентации внешнего конуса 3 во внутреннем конусе 9 при операции крепления.
Как показано на фиг.3 и 4, внутренний конус 9 имеет в целом цилиндрический корпус 30 с внутренней полостью 31 (фиг.1), которая определяется внутренней конической стенкой 32, которая имеет форму, ответную форме внешней поверхности 16 хвостовика 15 внешнего конуса 3. Пара противолежащих дугообразных выступа 33a, 33b частично окружают внутреннюю стенку 32 цилиндрического корпуса 30 у его ближнего конца. Эти выступы 33a, 33b определяют пару противолежащих пазов 35a, 35b у ближайшего конца внутренней полости 31. Как видно на фиг.1 и 4 в цилиндрическом корпусе 30 внутреннего конуса 9 рядом с его ближним концом также выполнена пара противолежащих круглых отверстий 37a, 37b (отверстие 37b не показано) для целей, которые будут описаны ниже.
Как показано на фиг.1, 3 и 5 каждый кулачковый элемент 12a, 12b содержит удлиненное тело 40a, 40b. Следует учесть, что вид на фиг.5 развернут на 90o против часовой стрелки. Удаленный конец каждого удлиненного тела 40a, 40b содержит дугообразный выступ 42a, 42b. Каждый из этих выступов имеет конусную направляющую поверхность 43a, 43b для облегчения введения кулачков в неразжатом состоянии, показанном на фиг.2, во внутреннюю полость 19 внешнего конуса 3. Каждый из выступов 42a, 42b далее содержит кулачковые поверхности 44a, 44b, которые имеют форму, ответных по конической поверхности 24 заплечика на кольцевом, направленном внутрь выступе 22 на удаленном конце внешнего конуса 3. Ближний конец каждого удлиненного тела 40a, 40b кулачкового элемента 12a, 12b содержит ножку 46a, 46b с конической боковой поверхностью 48a, 48b. Ножки 46a, 46b каждого кулачкового элемента 12a, 12b вставляются в пазы 35a, 35b и выполнены с возможностью поворотного перемещения на ближней поверхности каждого из дугообразных выступов 33a, 33b. Конические боковые поверхности 48a, 48b каждой ножки 46a, 46b позволяют ножкам качаться, не цепляясь за внутреннюю поверхность внутреннего конуса 9. На внутренней поверхности каждого кулачкового элемента 12a, 12b выполнено вогнутое углубление 50a, 50b, как показано на чертежах.
Как показано на фиг. 1, 2 и 3, кинематическая цепь 13 устройство 1 в целом содержит приводной шарик 52, заключенный внутри противолежащих вогнутых углублений 50a, 50b кулачковых элементов 12a, 12b, и узел 56 привода шарика для принудительного перевода шарика из положения, показанного на фиг.2, в положение, показанное на фиг.3. В предпочтительном варианте настоящего изобретения приводной шарик 52 выполнен полированным из подшипниковой стали с твердостью по Роквеллу 58-60. Помимо вогнутых углублений 50a, 50b для захвата и удержания шарика 52, когда он находится в положении, показанном на фиг.2, каждый кулачковый элемент 12a, 12b далее содержит поверхность взаимодействия 54a, 54b, расположенную на ближних концах углублений 50a, 50b для приема приводного шарика, когда узел привода 56 вталкивает его в положение, показанное на фиг.3. Контур каждой из поверхностей 54a, 54b является цилиндрическим, так что, благодаря упругой деформации деталей между поверхностью шарика 52 и поверхностями 54a, 54b, возникает линзообразный контакт.
Узел 56 привода шарика содержит пару противолежащих клиновых элементов 58a, 58b, в каждом из которых выполнено резьбовое отверстие 60a, 60b для приема резьбовых противолежащих концов 62a, 62b винта 64 с двойной резьбой. Верхний конец 62a винта 64 (показанный на фиг.1) содержит внутренний шестигранник 66 для приема конца шестигранного ключа (не показан). Резьба на противолежащих концах 62a, 62b имеет противоположное направление, так же, как внутренняя резьба в отверстиях 60a, 60b клиновых элементов 58a, 58b. Такая противоположная направленность резьбы позволяет клиновым элементам 58a, 58b сходиться и расходиться при вращении винта 64 шестигранным ключом в том или другом направлении.
Как лучше всего видно на фиг.4, 5 и 7, каждый из клиновых элементов 58a, 58b содержит внутреннюю поверхность 68a, 68b для взаимодействия и выклинивания шарика 52 к удаленным концам кулачковых элементов 12a, 12b, когда клиновые элементы 58a, 58b сводятся винтом 64. На каждом из клиновых элементов 58a, 58b также имеются внешние выбивающие поверхности 70a, 70b для выталкивания наружного конца внешнего конуса 3 из внутреннего конуса 9, когда клиновые элементы разводятся винтом 64. Наконец, каждый из клиновых элементов 58a, 58b на внешнем конце содержит круговой элемент крышки 71a, 71b, который скользит в противолежащих круглых отверстиях 37a, 37b, выполненных в цилиндрическом корпусе 30 внутреннего конуса 9.
Между центральным участком винта 64 и дном внутренней полости 31 внутреннего конуса 9 расположена опора 72. Опора 72 крепится на месте винтом 74, установленным в резьбовом отверстии 76, и поддерживает центральный участок винта, противодействуя реактивным силам, воздействующим на винт от приводного шарика 52.
Работа устройства крепления 1 будет наиболее понятна из фиг.2, 3, 6 и 7. Первоначально клиновые элементы 58a, 58b разведены в положение, где только внутренние кромки внутренних клиновых поверхностей 68a, 68b контактируют с приводным шариком 52. Когда клиновые элементы 58a, 58b находятся в этом положении, приводный шарик 52 свободно расположен между вогнутыми углублениями 50a, 50b, выполненными во внутренней поверхности кулачковых элементов 12a, 12b. При таком положении приводного шарика 52 удаленные концы кулачковых элементов могут сходиться радиально вовнутрь в положение, показанное на фиг. 2, что позволяет легко вставлять кулачковые элементы 12a, 12b во внутреннюю полость 19 внешнего конуса 3 с помощью конусных направляющих поверхностей 43a, 43b. Затем оператор системы, совместив ориентирующие пазы 26a, 26b с винтом 64 с противоположно направленными резьбами, вручную вталкивает внешний конус 3 во внутренний конус 9, пока кулачковые поверхности 44a, 44b кулачковых элементов 12a, 12b не лягут на поверхность 24 заплечика, расположенную на кольцевой закраине 22. На следующем этапе операции крепления оператор вращает винт 64 с противоположно направленными резьбами шестигранным ключом (не показан), вставленным во внутренний шестигранник 66 винта 64 в направлении сведения клиновых элементов 58a, 58b. Поскольку внутренняя поверхность клина 68 наклонена под углом C, равным 30o, относительно линии О, расположенной под прямым углом к продольной оси А, между приводным шариком 52 и каждой из внутренних клиновых поверхностей 68a, 68b возникает механическое усилие. Более конкретно, на каждый миллиметр хода клиновых элементов 58a, 58b вдоль ортогональной линии О, шарик 52 смещается только на 0,5 мм, что дает выигрыш в силе в пропорции 2:1.
По мере того, как приводной шарик 52 принудительно смещается клиновыми элементами 58a, 58b к удаленным концам кулачковых элементов 12a, 12b, этот шарик 52 выходит из углублений 50a, 50b и вступает во взаимодействие с поверхностями 54a, 54b, лучше всего показанными на фиг.6. Поскольку кривизна поверхностей 54a, 54b по форме является ответной по кривизне сферической поверхности шарика 52, шарик 52 вновь входит в линзообразный контакт, благодаря упругой деформации этих поверхностей по мере его выклинивания вперед. Поскольку каждая из скругленных поверхностей 54a, 54b наклонена под углом B, приблизительно равным 30o, к линии A, параллельной оси вращения конусов 3, 9, достигается еще один выигрыш в силе в пропорции 2:1. Другими словами, на каждый миллиметр хода приводного шарика 52 вдоль линии А, удаленные концы кулачковых элементов 12a, 12b расходятся радиально наружу на 0,5 мм.
Когда приводной шарик в итоге приходит в положение, показанное на фиг.3, кулачковые поверхности 44a, 44b на концах кулачковых элементов 12a, 12b вступают в клиновое взаимодействие с конической поверхностью 24 заплечика на кольцевой закраине 22 внешнего конуса 3 в такой степени, что внешняя поверхность 16 хвостовика 15 прочно садится в натяг с внутренней стенкой 32 внутреннего конуса 9, а удаленный конец цилиндрического корпуса 30 внутреннего конуса 9 вступает во взаимодействие с базовой поверхностью 19 на внешнем конусе 3. В таком положении обеспечивается прочное и надежное крепление внутреннего и внешнего конусов 9 и 3. Помимо выигрыша в силе, обеспечиваемого шагом винта 64 при сведении клиновых элементов, и выигрышей в силе в пропорции 2:1, возникающего между приводным шариком 52 и внутренними клиновыми поверхностями 68a, 68b, а также между поверхностями 54a, 54b кулачковых элементов 12a, 12b (что дает общий выигрыш в силе на этих деталях в пропорции 4: 1), имеется еще одна силовая составляющая, возникающая за счет эффекта рычага между приводным шариком 52 и кулачковыми элементами 12a, 12b.
Более конкретно, как лучше всего показано на фиг.3, поскольку взаимодействующие поверхности 54a, 54b на кулачковых элементах 12a, 12b выступают по длине за кулачковые поверхности 44a, 44 с этих элементов, создается рычаг между приводным шариком 52 и удаленными концами кулачковых элементов 12a, 12b, когда шар 52 радиально раздвигает кулачковые элементы 12a, 12b в положение, показанное на фиг.3. Общий выигрыш в силе, возникающий на шаре 52, винте 64, клиновых элементах 58a, 58b и кулачковых элементах 12a, 12b позволяет устройству 1 генерировать очень большие усилия крепления между внешним и внутренним конусами 3 и 9 в очень компактном узле.
Для расцепления внешнего и внутреннего конусов 3 и 9 винт 64 вращают в противоположную сторону для принудительного разведения клиновых элементов 58a, 58b. Приводной шарик 52 отводится обратно в углубления 50a, 50b, а внешние выбивающие поверхности 70a, 70b вступают в клиновое взаимодействие с внешней кромкой внешнего конуса 3. Такое выклинивание принудительно и надежно выталкивает внешний конус 3 из внутренней полости внутреннего конуса 9.
Конфигурация различных компонентов устройства 1 обеспечивает очень легкую и удобную сборку, как видно на фиг.1. На первом этапе сборки на крепежном винте 74 устанавливается опора 72. Далее, каждая ножка 46a, 46b каждого кулачкового элемента 12a, 12b подвешивается на соответствующий выступ 38a, 38b, расположенный во внутренней полости 31 внутреннего конуса 9. Затем сквозь одно из сквозных отверстий 37a, 37b опускают приводной шарик и заводят его в углубления 50a, 50b противолежащих кулачковых элементов 12a,b. Затем один конец 62a винта 64 на пару витков ввинчивают в резьбовое отверстие 60a одного клинового элемента 58a. Свободный конец винта 64 вставляют в одно из круглых отверстий 37a, 37b. В этом положении резьбовое отверстие 60b второго клинового элемента 58b навинчивается на свободный конец винта 64. Затем винт 64 вращают до тех пор, пока крышки 71a, 71b каждого клинового элемента 58a, 58b не встанут заподлицо с внешней поверхностью внутреннего конуса 9.
Хотя устройство фиксированного крепления 1 по настоящему изобретению было описано со ссылками на предпочтительный вариант реализации, лицам, имеющим обычный опыт в данной области, будут очевидны различные возможные изменения, модификации и дополнения. Такие изменения, модификации и дополнения входят в объем притязаний, определяемый формулой изобретения.
Реферат
Использование: крепление инструмента к державкам в модульных инструментальных системах с помощью малогабаритного приспособления. Сущность изобретения: устройство содержит внешний конус с гнездом, расположенным на его конце и ограниченным поверхностью заплечика, и внутренний конус, предназначенный для взаимодействия с внешним конусом и расположенный в корпусе соосно с ним. В корпусе выполнены выступы, расположенные внутри отверстия конуса. При этом устройство снабжено кулачковыми элементами, предназначенными для стягивания внешнего и внутреннего конусов и подвижно установленными в отверстии корпуса и имеющими ножки, предназначенные для зацепления с упомянутыми выступами. Кулачковые элементы имеют также поверхности, предназначенные для взаимодействия с упомянутой поверхностью заплечика при разведении этих поверхностей радиально от оси внутреннего конуса и продольном смещении вдоль этой же оси. Устройство снабжено также механизмом для перемещения кулачковых элементов, содержащим винтовой и два клиновых элемента. 12 з.п. ф-лы, 7 ил.
