Переходник концевой фрезы с поверхностью раздела стопорной гайки и цанги, понижающей крутящий момент - RU2106937C1
Код документа: RU2106937C1
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится в целом к инструментодержателям и, более конкретно, к переходнику концевых фрез, имеющих выполненную заодно цангу, который усовершенствован путем создания поверхности раздела стопорной гайки и цанги, понижающей крутящий момент.
Концевая фреза представляет собой в целом цилиндрический инструмент со множеством режущих кромок, расположенных по его внешней окружности. Концевая фреза обычно содержит цилиндрический хвостовик, который вставляется в осевое отверстие державки. Для прецизионных операций резания хвостовик концевой фрезы должен устанавливаться в отверстие державки прочно и соосно. Ранее были разработаны различные механизмы, предназначенные для предотвращения осевых перемещений и проворачивания концевой фрезы относительно державки. В одном из ранее предлагавшихся механизмов используется стопорной винт, ввинченный в стенку державки и прижимающийся к лыске, выполненной на хвостовике концевой фрезы. К сожалению, радиальный стопорный винт создает дисбаланс державки, который приводит к нежелательным вибрациям и эксцентричности вращения инструмента при работе, в частности, при высоких оборотах.
Другой известный механизм крепления представлял собой комбинацию цанги и патрона. Конусная цанга с осевым отверстием для приема хвостовика концевой фрезы радиально сжимается стопорной гайкой, которая навинчивается на корпус державки. В теории цанга сжимается равномерно по всей окружности так, что хвостовик инструмента точно позиционируется по центру державки. В комбинации с цангой для предотвращения осевого и вращательного перемещений хвостовика концевой фрезы относительно внутренней поверхности цанги можно использовать самостопорящийся клин. Цанга и патрон такого типа описаны в патенте США N 4341006, выданном Старну. Однако взаимодействующие поверхности цанги и корпуса патрона требуют значительных трудозатрат на точную обработку, что повышает себестоимость изделия. Кроме того, накопленные допуски различных сопрягающихся деталей ограничивают степень точности, которой можно добиться.
Для устранения недостатков механизмов, в которых используется стопорный винт и патрон с цангой, инженеры "Кеннаметал инк." разработали переходник для концевых фрез, имеющий выполненную заодно цангу, описанную в заявленную в патенте США N 5234296, выданном Пресби и Могильницкому. Сжимающиеся сегменты цанги, описанной в этом патенте, выполнены прорезанием продольных пазов в выполненной заодно юбке, имеющей форму усеченного конуса и отходящей вниз от конического хвостовика державки. Продольные пазы не доходят до концов сегментов цанги, в результате чего образовано непрерывное стяжное кольцо, которое соединяет удаленные концы всех сегментов цанги, так как выполнено заодно с ними. Затем в основании полученной цанги нарезают резьбу для взаимодействия с внутренней резьбой стопорной гайки. Такая цанга проста и недорога в изготовлении, а непрерывное стяжное кольцо, соединяющее удаленные концы сегментов обеспечивает повышенную жесткость наружного конца цанги, что повышает точность. В процессе работы на резьбу основания цанги навинчивается в целом трубчатая стопорная гайка с внутренней резьбой для отжимания сегментов цанги радиально внутрь, чтобы зажать хвостовик концевой фрезы или другого инструмента.
Несмотря на то, что переходник концевой фрезы, описанный в патенте США N 5234296, представляет собой существенное улучшение предшествующего уровня, изобретатели обнаружили несколько областей, в которых такую цангу можно улучшить. Например, несмотря на то, что повышенная жесткость сегментов цанги, определенных продольными пазами в корпусе цанги, имеющем форму усеченного конуса, действительно повышает точность зажимания и центрирования хвостовика концевой фрезы, такая повышенная жесткость сегмента цанги также требует увеличенного крутящего момента, необходимого для затягивания стопорной гайки для адекватного радиального отклонения сегментов, чтобы они вошли в прочное зацепление с хвостовиком инструмента. Кроме того, как и в предшествующих механизмах цангового патрона, имеется возможность попадания брызг смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в механизм цанги и затекания ее между хвостовиком фрезы и внутренней поверхностью цанги. Присутствие СОЖ между внутренней поверхностью цанги и закрепленными в ней хвостовиком фрезы нежелательно, поскольку может понизить силы трения, необходимые между этими двумя деталями.
Очевидно, что существует потребность в улучшенном переходнике для концевой фрезы, относящемся к типу, в котором используется выполненная заодно цанга, на которую с малым или умеренным крутящим моментом может навинчиваться стопорная гайка для радиального обжатия сегментов цанги, что обеспечивает быстроту и легкость смены инструмента в цанге. Идеально, такая улучшенная цанга дополнительно могла бы иметь средство для предотвращения нежелательного попадания потока СОЖ в пространство между хвостовиком инструмента и внутренней поверхностью цанги.
Настоящее изобретение в общем представляет собой переходник для концевой фрезы, относящийся к типу с интегральной цангой, включающей усовершенствование, поверхность раздела стопорной гайки и цанги, понижающую крутящий момент, а также уплотнительные кольца для предотвращения попадания жидкостей и стружки. В снижающем крутящий момент соприкосновении одна из двух поверхностей - либо внутренняя поверхность стопорной гайки, либо наружные поверхности сегментов цанги - содержит и взаимодействующий участок для отклинивания сегментов вовнутрь при затягивании стопорной гайки, и невзаимодействующий участок, на котором сегменты цанги и стопорная гайка не контактируют друг с другом для снижения сил сцепления, которые по наблюдению заявителей играют основную роль в необходимости большого крутящегося момента при затягивании стопорной гайки. Невзаимодействующий участок расположен между взаимодействующим участком и концами сегментов, закрепленными на хвостовике, и предотвращает возникновение сцепления между внешними поверхностями закрепленных на хвостовике сегментов цанги и внутренней поверхностью гайки.
В одном варианте настоящего изобретения взаимодействующий участок сформирован на внешней поверхности сегментов цанги центрально расположенным участком, который приподнят относительно внутренней поверхности гайки, а невзаимодействующий участок может быть сформирован не приподнятыми поверхностями усеченного конуса, образованными по обе стороны от приподнятого участка. Центрально расположенный приподнятый участок может представлять собой поверхность усеченного конуса, наклоненную под тем же углом, что и коническая внутренняя поверхность гайки, тогда как невзаимодействующие участки могут быть коническими поверхностями, наклоненными под углом большим и меньшим, чем наклон поверхности стопорной гайки. Предпочтительно, центральный взаимодействующий участок каждого сегмента цанги наклонен под углом приблизительно 4o относительно оси вращения, который равен углу наклона внутренней поверхности стопорной гайки, а взаимодействующие участки наклонены под углом 4,5o и 3,5o соответственно.
В другом варианте настоящего изобретения наружная поверхность каждого сегмента цанги выполнена дугообразной в сечении так, что средняя часть дугообразного участка образует взаимодействующий участок, а скругленные концы образуют невзаимодействующие участки.
В третьем варианте настоящего изобретения взаимодействующий и невзаимодействующий участки образованы на внутренней поверхности стопорной гайки, а не на внешней поверхности сегментов цанги. В этом варианте и внутренние поверхности стопорной гайки, и внешние поверхности сегментов цанги выполнены коническими и наклонены под одним углом, а взаимодействующие и невзаимодействующие участки определены множеством широких канавок, выполненных на внутреннем диаметре гайки. Канавки определяют два центрально расположенных выступа, которые образуют взаимодействующие участки интерфейса, а также три взаимодействующих участка, один из которых расположен между выступами и концами сегментов, закрепленными на хвостовике.
Во всех трех вариантах наличие невзаимодействующего участка в области между внешними поверхностями концов сегментов, закрепленных на хвостовике, и внутренней поверхностью гайки приводит к уменьшению крутящего момента, необходимого для затягивания стопорной гайки в положение, где сегменты отжимаются радиально внутрь и обжигают хвостовик инструмента, за счет устранения сил трения, которые в противном случае возникали бы в этой области.
Для дополнительного уменьшения крутящего момента, необходимого для затягивания стопорной гайки, изобретение может также содержать две пары канавок, выполненных как на концах сегментов, закрепленных на хвостовике, так и на противоположных концах этих сегментов. Наличие этих канавок уменьшает усилие, необходимое для радиального отклонения сегментов внутрь.
Наконец, для предотвращения попадания СОЖ между внутренними поверхностями сегментов цанги и хвостовиком инструмента в канавки, расположенные на внутреннем диаметре цанги на обоих концах сегментов, можно установить два уплотнительных элемента. Канавки, в которых устанавливаются кольцевые прокладки, могут быть теми же канавками, которые используются для уменьшения усилия, необходимого для радиального отклонения сегментов внутрь.
На фиг. 1 представлено схематическое перспективное изображение переходника концевой фрезы по настоящему изобретению; фиг.2 - продольное сечение переходника концевой фрезы, иллюстрирующее работу стопорной гайки, радиально обжимающей сегменты цанги вокруг хвостовика концевой фрезы; фиг.3 - увеличенный вид поверхности раздела между стопорной гайкой и сегментами цанги, показанный в пунктирном овале на фиг.2, для упрощения показанный без хвостовика инструмента и без самостопорящегося клина; фиг.4 - увеличенный вид поверхности раздела между стопорной гайкой и сегментами цанги по второму варианту настоящего изобретения; фиг.5 - увеличенный вид поверхности раздела между стопорной гайкой и сегментами цанги по третьему варианту настоящего изобретения.
На всех чертежах одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями. Как описано на фиг.1 и 2, переходник 1 содержит конический хвостовик 3, расположенный сверху, и цангу 5, расположенную снизу. Конусный хвостовик 3 может устанавливаться либо во вращающийся шпиндель фрезерного или сверлильного станка, либо в невращающуюся револьверную головку токарного станка (не показаны). Фланец 6 отделяет конический хвостовик 3 от цанги 5. Верхний конец цанги 5 выполнен заодно с нижним концом фланца 6. В целом трубчатая гайка 7 охватывает по окружности внешнюю поверхность цанги 5.
При работе хвостовик 9 инструмента, например концевой фрезы, размещают внутри цанги 5, а стопорную гайку навинчивают на цангу 5 переходника 1 для того, чтобы радиально обжать сегменты цанги и ввести их плотное фрикционное взаимодействие с хвостовиком 9 инструмента. В нижеследующем описании все упоминания хвостовика будут относиться к коническому хвостовику 3 переходника, если не будет специально указано, что это хвостовик 9 инструмента. Кроме того, хотя ниже описывается переходник концевой фрезы, следует понимать, что узел цанги может применяться с любой державкой, используемой для крепления хвостовика инструмента.
Цанга 5 имеет корпус 13 в форме конической юбки со множеством продольных пазов 15, равномерно распределенных по его внешней поверхности. Эти пазы 15 образуют упругие сегменты 17 цанги, которые выполнены с возможностью упругого радиального перемещения относительно оси вращения переходника 1. Как показано на чертежах, на концах упругих сегментов 17, закрепленных на хвостовике, выполнена наружная резьба 19. Противоположные концы сегментов 17 цанги соединены выполненным заодно непрерывным стяжным кольцом 21, образованным в результате того, что пазы 15 не доходят до удаленного конца корпуса 13 цанги. Внутренняя поверхность 23 цанги имеет ту же цилиндрическую форму, что и хвостовик инструмента 9, который в нее вставляется, а ее наружная поверхность 25 имеет форму усеченного конуса, который по форме является частично ответным относительно внутренней поверхности стопорной гайки 7.
Как показано на фиг.2, переходник концевой фрезы далее содержит самостопорящийся клин 27, который входит в паз 29, имеющий ответную конфигурацию и выполненный в хвостовике торцевой фрезы. Сквозь пару смежных сегментов 17 цанги проходит отверстие 31 для клина, которое позволяет вставлять клин 27 сквозь корпус 13 цанги для контакта с хвостовиком 9 инструмента. По наружным поверхностям сегментов цанги проходит канавка 33a, расположенная на той же высоте, что и отверстие 31 под клин. На наружной поверхности отверстия 31 также выполнена канавка 33b, которая совмещена с канавкой 33a, когда клин вставляется в отверстие 31 и в паз 29 в хвостовике 9 инструмента. В канавках 33a, 33b размещено упругое кольцевое уплотнение 35, которое удерживает клин 27 на месте при навинчивании гайки 7 на цангу 5 после операции смены инструмента.
Стопорная гайка 7 имеет в целом трубчатый корпус 40 с внутренней конической поверхностью 42. Ближний конец внутренней поверхности 42 имеет множество ниток резьбы 44, которые выполнены с возможностью взаимодействия с резьбой 19 на концах сегментов 17, закрепленных на хвостовике. Наружная поверхность 46 стопорной гайки 7 имеет предпочтительно форму усеченного конуса. Несмотря на то, что наружная поверхность 46 вполне может быть выполнена цилиндрической, ее коническая форма дает экономию материала и снижает общую массу гайки 7. В предпочтительном варианте изобретения на наружную поверхность 46 нанесена насечка 48 облегчения ручного затягивания гайки оператором станка.
Поверхность раздела между цангой 5 и гайкой 7 в первом варианте изобретения показана на фиг. 3. В ней по этому варианту каждый сегмент 17 имеет ступенчатую наружную поверхность 49, включающую ближнюю наклонную поверхность 50, центральную наклонную поверхность 52 и удаленную наклонную поверхность 54. Каждый наклонный участок 50, 52 и 54 имеет форму усеченного конуса. Поверхности участков 50, 52, 54 наклонены приблизительно под 4,5o, 4o и 3,5o соответственно к оси вращения переходника 1. Центральный наклонный участок 52 образует взаимодействующий участок 56 между цангой 5 и гайкой 7, и ближний и удаленный наклонные участки 50 и 54 образуют ближний, и удаленный невзаимодействующие участки 58 и 60, которые не контактируют с конической внутренней поверхностью 42 гайки 7. Ближний невзаимодействующий участок 58, расположенный между взаимодействующим участком 56 и ближними концами сегментов 17, закрепленными на хвостовике, предотвращает возникновение в этой области сил сцепления, которые значительно увеличивают крутящий момент, необходимый для затягивания гайки 7, чтобы радиально обжать упругие сегменты 17 вокруг хвостовика. Предпочтительно, взаимодействующий участок 56 цанги 5 проходит через средний участок 52 каждого сегмента 17 цанги на длину, составляющую от 20 до 85% общей длины наружной поверхности цанги, включающей участки 50, 52, 54.
На наружной поверхности удаленного интегрального конца имеется кольцевое углубление 62. Это углубление 62 входит в кольцевой выступ 64, выполненный на внутреннем диаметре удаленного конца гайки 7, когда гайка навинчивается на хвостовик 3 переходника 1. Для того, чтобы предотвратить попадание СОЖ и стружки в пространство между внутренней поверхностью 42 гайки 7 и ступенчатой наружной поверхностью 49 сегментов 17 цанги 5, имеется кольцевое уплотнение 66. Кольцо 66 установлено в кольцевой канавке 68, выполненной в выступе 64. Несмотря на то, что когда гайка 7 находится в положении, показанном на фиг.3, уплотнительное кольцо 66 не взаимодействует с поверхностью кольцевого углубления 62, при навинчивании гайки 7 по направлению к хвостовику 3 в такой степени, чтобы плотно прижать сегменты 17 к хвостовику инструмента, эти два компонента прижимаются друг к другу.
На фиг. 4 показана поверхность раздела между цангой 5 и гайкой 7 по второму варианту настоящего изобретения. На поверхности раздела по этому варианту каждый из сегментов 17 имеет криволинейную наружную поверхность 85 с дугообразным профилем. Криволинейная наружная поверхность 85 содержит ближний невзаимодействующий участок 87, центральный взаимодействующий участок 89 и удаленный невзаимодействующий участок 91. Как и в первом варианте, криволинейная поверхность 85 определяет взаимодействующий участок 56, который расположен между ближним невзаимодействующим участком 58 и дальним невзаимодействующим участком 60. Профиль этой поверхности 85 должен быть искривлен лишь настолько, чтобы обеспечить поверхностный чечевицеобразный контакт между центральным взаимодействующим участком 89 каждого сегмента 17 и внутренней поверхностью 42 гайки 7.
На фиг. 5 показана поверхность раздела между цангой 5 и модифицированной гайкой 95 по третьему варианту настоящего изобретения. В этом варианте взаимодействующие и невзаимодействующие участки между смежными поверхностями модифицированной гайки 95 и сегментами 17 цанги образованы на внутренней поверхности гайки 95, а не на наружной поверхности каждого сегмента 17. Более конкретно, на внутреннем диаметре гайки 95 в показанных положениях выполнены ближняя, центральная и удаленная канавки 100, 102 и 104. Эти канавки в свою очередь определяют ближний, центральный и удаленный выступы 106, 108 и 110 соответственно.
Предпочтительно, ширина ближней кольцевой канавки 100 составляет по меньшей мере 5% осевой длины гайки 95 для того, чтобы предотвратить возникновение вышеописанных сил сцепления между ближними концами сегментов 17 и внутренней поверхностью гайки 95 при ее навинчивании по направлению к хвостовику 3 переходника 1. Канавки и выступы определяют ближний невзаимодействующий участок 112, ближний взаимодействующий участок 113, центральный невзаимодействующий участок 114, центральный взаимодействующий участок 115, удаленный невзаимодействующий участок 116 и удаленный взаимодействующий участок 117. Заявители обнаружили, что расположение взаимодействующих и невзаимодействующих участков, показанное на фиг. 5, существенно снижает крутящий момент, необходимый для затягивания модифицированной стопорной гайки 95 в положение, при котором сегменты 17 цанги прочно обжимают хвостовик концевой фрезы или другого инструмента.
Специалистам будут очевидны некоторые модификации, изменения и дополнения к настоящему изобретению. Все такие модификации, добавления и изменения подпадают под объем притязаний, определенный прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Переходник концевой фрезы предназначен для ее удержания и содержит хвостовик, предназначенный для установки концевой фрезы в металлорежущий станок, цангу, имеющую множество упругих сегментов, каждый из которых имеет один конец, выполненный заодно с хвостовиком, и противоположный конец, наружную и внутреннюю поверхность, предназначенную для захвата инструмента. Переходник содержит также стопорную гайку, имеющую внутреннюю поверхность, охватывающую наружные поверхности сегментов цанги. Для уменьшения крутящего момента на поверхности раздела гайки и сегментов цанги выполняются взаимодействующий и невзаимодействующий участки, расположенные либо на гайке, либо на сегментах. 4 с. и 18 з.п.ф-лы, 5 ил.
