鑽夾頭夾爪外螺紋的修形方法

2023-10-07 06:10:54 4

專利名稱：鑽夾頭夾爪外螺紋的修形方法
技術領域：
本發明涉及一種鑽夾頭夾爪外螺紋的修形方法。
背景技術：
鑽夾頭是各種鑽床和手工電鑽的主要部件，我國的鑽夾頭產品佔有世界上主要的市場份額。隨著電動工具的使用範圍不斷擴大，對高性能鑽夾頭的需求不斷增加，在精度、靈活性和外觀達到要求的前提下，對產品最重要的性能一夾緊力和抗衝擊力的要求越來越高。因此，要求鑽夾頭在滿足一定性能要求的前提下，結構儘可能簡單，成本降低。現在國內外鑽夾頭企業，都在進行增加鑽夾頭夾緊力、抗衝擊力方面的研究。由於高性能自鎖鑽夾頭具有高精度、高技術含量、高附加值和高效益等特點，能適應電動工具在震動、衝擊場合下可靠地進行鑽孔作業的要求；專業電動工具廣泛使用的重型扳手鑽夾頭，具有緊力大、精度準確等特點；因此，近年來國內外高性能自鎖鑽夾頭和重型扳手鑽夾頭需求量在不斷增加，國內外相關企事業單位，也已經把這方面的研究提上日程。
鑽夾頭工作時由錐形套筒的轉動來帶動3隻均布的夾爪的伸縮，鑽頭柄部主要是靠錐形螺紋傳動自鎖夾緊鑽頭杆部。套筒與夾爪的結合具有特殊性，兩者的螺紋型式不同，即套筒上的內螺紋為錐螺紋，其螺旋升角為變值；而夾爪上的外螺紋為圓柱螺紋，其螺旋升角為定值。因此，二者的螺旋線方程不一致，錐面與螺栓在旋合時，橫截面內將由兩不同曲率的阿基米德螺線相接觸，而在凹凸區內形成「幹涉效應」。也就是說錐形套筒的錐形螺紋同夾爪的柱形螺紋是無法做到像圓柱螺紋旋合時那樣的自由旋合的程度。為解決這一問題，我國的企業普遍採用的方法是(1)儘量減小錐螺紋的旋合扣(圈)數，(2)減薄夾爪螺紋牙齒的厚度。這樣做僅僅能解決自由旋合問題，也就是說夾爪可以自由伸縮運動，但損失了極為珍貴的產品性能使結合面的接觸面積大為減少，旋緊時只有很有限的齒面在接觸，大部分齒面處於「懸空」狀態。帶來的問題是(1)夾爪彈性大、剛度低，形成的夾緊力不夠；(2)較少的接觸面積使螺紋牙齒結合部分的抗剪強度參數指標下降，不能承受較大的衝擊力，容易產生「崩牙」的失效現象。
夾緊力和抗衝擊力是影響我國鑽夾頭在國際市場上產品檔次和售價的主要因素，由於這兩個指標的影響，我國大部分鑽夾頭只能處於國際市場的低端位置，而且容易受到國際採購商的挑剔，企業的經濟效益受到嚴重影響，只能靠增加產量實現利潤，而由此又增加了能源和資源的消耗指標。經過對目前國內數家鑽夾頭生產企業產品現狀進行分析，發現夾爪及其配合偶件的旋(結)合精度是影響上述兩個重要指標的根本因素。解決旋合精度問題必須從理論分析入手，尋找影響旋合精度的主要因素，根據理論分析結果製造特殊的刀具，加工出的夾爪能實現夾爪和套筒旋合時，牙面間達到最大接觸面積。再同鋼材的材質選擇相結合，就能生產出與國際上先進水平相符合的高質量的高端鑽夾頭產品，突破國外專利限制，改善國內鑽夾頭和電動工具等企業所面臨的微利、能耗高、原材料消耗大的狀況。

發明內容
本發明的目的是提供一種鑽夾頭夾爪外螺紋的修形方法，採用對鑽夾頭夾爪外螺紋的牙型面進行雙側螺旋面修形和(或)牙頂、牙底面邊緣螺旋線曲率修形，以提高普通鑽夾頭的夾緊力和抗衝擊能力指標。
本發明採用的技術方案是對鑽夾頭夾爪外螺紋進行雙側螺旋面修形，即四角修形法所謂四角修形法就是將夾爪螺紋凸起的雙側螺旋面能與內螺紋發生旋合幹涉的四個角切除掉，使得螺紋旋合時不發生螺牙側面的幹涉現象；依據幹涉現象發生區域，把夾爪螺牙的每側螺旋面方程分成三部分，採用數學手段建立這三段螺旋面可平滑連接的曲面方程，計算出理想旋合範圍內實際螺旋角與展角之間的精確函數關係，根據此函數計算出修形處理時所要修掉的部分，並以此為依據確定切削刀具的切削麵形狀、規劃切削刀具的運動軌跡以實現對螺旋面進行精密修形處理的技術目標；或者對鑽夾頭夾爪外螺紋牙頂和牙底面邊緣螺旋線曲率進行修形，即六弧修形法所謂六弧修形法就是將牙頂面和牙底面的中部和兩側間的部分材料切除掉，使得螺紋旋合時不再發生牙頂和牙底的幹涉現象；依據幹涉現象發生區域，把牙頂和牙底的弧分別分成三段不同曲率的弧段，分別建立起新的牙頂面和牙底面平滑連接的弧面方程，並以此為依據確定切削刀具的切削麵形狀、規劃切削刀具的運動軌跡以實現對牙頂和牙底進行修形處理的技術目標。
對鑽夾頭夾爪外螺紋進行雙側螺旋面修形，即四角修形法，同時又對鑽夾頭夾爪外螺紋牙頂和牙底面邊緣螺旋線曲率進行修形，即六弧修形法。
本發明具有的有益效果是對鑽夾頭夾爪外螺紋進行修形，就是要切除夾爪螺紋牙型面上在與相旋合的內錐螺紋旋合時發生幹涉的那部分多餘的材料，使夾爪既可以自由伸縮又能與內螺紋有儘可能多的接觸面積。因此，被切掉的部分應能精確控制，避免出現因切除過多而影響結合強度、切除過少又消除不了幹涉現象的問題。通過對螺紋進行修形，解決鑽夾頭套筒內螺紋與夾爪外螺紋旋合時，旋合面積小的問題。本發明在對影響旋合的「幹涉效應」進行詳細分析的基礎上，提出「四角六弧」修形方法，建立相應的數學模型，最後通過特殊的工藝方法實現夾爪螺紋的修形，徹底解決鑽夾頭套筒內螺紋與夾爪外螺紋旋合時，旋合面積小的問題。通過修形處理，使普通鑽夾頭抗衝擊力和最大夾緊力提高一倍以上。


圖1是相旋合螺紋副在旋合範圍中內外螺旋線展開後螺旋角比較圖；I、III處是指螺紋形成點接觸的區域；在I處夾爪螺紋的螺旋角大於套筒錐螺紋的螺旋角，幹涉發生在右上和左下部分；在III處夾爪螺紋的螺旋角小於套筒螺紋的螺旋角，幹涉發生在左上和右下部分；II是指螺紋處於懸空狀態的區域。
圖2是螺旋線幹涉圖解法；(a)是指未修形圖；(b)是指圖1中所示III處的幹涉；(c)是指圖1中所示I處的幹涉，陰影部分為幹涉區域。
圖3是圓柱螺紋示意圖。
圖4是四角修形法；(a)圖描述了四角修形法的修形區域，其中1是指螺紋；2是指修形區域；(b)圖描述了採用四角修形法後，螺旋面在中徑面上螺旋線的投影，其中n1、n2、n3是指螺紋修形以後的三段螺旋面的外邊緣螺旋線在中徑面上的投影。
圖5是曲率幹涉現象的圖解法及解決方案；(a)是I處的幹涉；(b)是III處的幹涉，圖中陰影部分為牙頂和牙底的幹涉區域；(c)是六弧修形以後的牙頂邊緣弧線在底面的投影；h1、h2、h3為修行後的牙頂邊緣三弧段在底面的投影；h4、h5、h6為修行後的牙底邊緣三弧段在底面的投影。
具體實施例方式
一、四角修形法鑽夾頭的夾爪為圓柱螺紋(無法採用圓錐螺紋)，其牙型面與中徑面的交線為螺旋角為定值的螺旋線，而套筒的錐螺紋的螺紋展開線為曲線，其螺旋角為變值。要求螺紋副傳動時兩個展開線應重合，否則就不能進行正確旋合，甚至容易發生幹涉現象。把相旋合的螺紋副內外螺旋線展開並放在一個坐標系中進行比較，見圖1所示，可以發現旋合時出現問題的區域I、III是指螺紋形成點接觸的區域；II是指螺紋處於懸空狀態的區域。螺旋面在中徑面上的投影見圖2所示，(b)、(c)所示為旋合時螺旋面上出現幹涉現象的III、I所在的具體位置。由圖2可以看出，要消除幹涉現象就應該從分析幹涉區域入手，求出該區域所需套筒和夾爪螺旋角的大小。
為了更好的分析和求出旋合時圓錐螺紋與圓柱螺紋相互作用的情況，首先建立套筒圓錐內螺紋螺線的參數方程。已知一圓錐，中心軸線在z軸上，錐頂點在坐標原點O，建立坐標系。設A是圓錐表面的一個質點，將A沿著與它所在的圓錐母線，自錐頂點向上做等速直線運動，同時這條母線在圓錐面上過圓錐的頂點繞圓錐的軸，即繞z軸旋轉，這樣就形成了套筒內螺紋圓錐螺線。設母線從投影在x軸的位置開始逆時針旋轉，圓錐的半頂角為θ，直線運動速度為v1，轉動角速度為ω1，則該螺線的參數方程為x=lsincos1ty=lsinsin1t t0,0lr/sinz=lcos]]>方程(1)式中，l是t時刻A點到錐頂點的距離，l＝v1t。
對夾爪圓柱外螺紋進行分析，以完整的圓柱螺旋面為研究對象，豎直放置夾爪，以中心軸線為z軸，底面圓所在平面為xoy平面，直線l1、l2選圓柱外表面上的相互直交的直線，其中l1繞l2做螺旋運動，即l1一方面繞l2做等速轉動，另一方面又沿著l2做等速直線運動，在運動中l1永遠保持與l2直交，這樣由l1所畫出的曲面叫做正螺旋面，即圓柱螺旋面。取l2作為坐標z軸，且l1的運動方向為z軸正向，l1所在的平面為xoy平面，l1與l2的交點為坐標原點O，建立坐標系。同時設等速運動速度為v2，等速轉動角速度為ω2，且由x軸開始向y軸運動，則可得該圓柱螺旋面，見圖3所示。該圓柱螺旋面的參數方程為x=dcos2ty=dsin2t t0,-d+z=v2t]]>方程(2)其中，d是t時刻l1上某一點在xoy平面上的投影到坐標原點o的距離。
夾爪上面的螺紋為圓柱螺紋的一部分，在鑽夾頭內部，夾爪與套筒內螺紋旋合時，夾爪會傾斜一個角度α，即原來的坐標系進行旋轉、傾斜變換，按照坐標變換公式，可得傾斜之後的新的螺旋面的方程。
以上方程組為基礎，根據旋合時夾爪傾斜以後其上的螺旋面方程應與套筒內部螺旋面方程相符合的要求，求出每個夾爪上的圓柱螺紋兩側螺旋角的大小，並建立數學模型，作為四角修形法的理論基礎，然後採用四角修形法，見圖4所示，對螺紋進行修形。四角修形法就是將夾爪螺紋凸起的雙側螺旋面能與內螺紋發生旋合幹涉的四個角切除掉，即對圖4中2所指的修形區域內的螺旋面進行處理，使得螺紋旋合時不發生螺牙側面的幹涉現象。這需要再把夾爪螺牙的每側螺旋面方程分成三部分，採用數學手段建立這三段螺旋面可平滑連接的曲面方程，要建立與兩側螺旋面對應的兩個新的螺旋面方程，由此計算出理想旋合範圍內實際螺旋角與展角之間的精確函數關係，根據此函數計算出修形處理時所要修掉的部分，以實現定量修形，並以此為依據確定切削刀具的切削麵形狀、規劃切削刀具的運動軌跡以實現對螺旋面進行精密修形處理的技術目標。修形以後的螺旋面在中徑面上的螺旋線投影如圖4中(b)所示，其中n1、n2、n3是指螺紋修形以後的三段螺旋面的外邊緣螺旋線在中徑面上的投影，可以看出螺旋面得到了處理，使得螺紋旋合面積增大，旋合緊密，增大了抗衝擊能力。
二、六弧修形法夾爪牙頂和牙底面的邊緣螺旋線曲率修形，夾爪螺旋線的法曲率為定值，而套筒螺紋的法曲率為變值，越靠近錐頂，曲率越大，夾爪同樣要適應曲率的變化，否則，無法正常旋合。研究螺紋的邊緣螺線，即以圓錐螺線和圓柱螺線為研究對象。取等距圓錐螺線，設螺距是P1，圓錐半頂角為θ，底面半徑為r，則母線長為l＝r/sinθ，高h＝r.ctgθ，則同一條母線上各處螺旋線與母線的交點到軸的距離(牙頂邊緣螺旋線則為大徑，牙底則為小徑)依次為R1＝(h-P1-v1t)tgθ，R2＝(h-2P1-v1t)tgθ，...Rn＝(h-nP1-v1t)tgθ，之間的差值為P1tgθ。取底面半徑為R，螺距為P2的圓柱螺線，正常放置時螺旋線在底面上的投影為一個圓，由於旋合時夾爪外螺紋與套筒結合，只關心螺線傾斜外側的一部分。當傾斜放置時該部分在底面的投影是間距為P2sinλ的一系列半橢圓，且參數是長半軸為R、短半軸為Rcosλ。把圓錐螺線和圓柱螺線放在同一個坐標系中比較，並結合旋合時套筒與夾爪的相對位置關係，可得曲率幹涉現象如圖5中(a)、(b)所示，可以看出牙頂和牙底邊緣弧線被分別分成三段不同高度、不同曲率的弧段，這樣就需要對六段弧進行處理，即六弧修形法。所謂六弧修形法就是將牙頂面和牙底面的中部和兩側間的部分材料切除掉，使得螺紋旋合時不再發生牙頂和牙底的幹涉現象，把牙頂和牙底邊緣弧線分別分成三段不同曲率的弧段，見圖5(c)中h1、h2、h3、h4、h5、h6所示，建立各弧段的方程，並且由大徑(小徑)間距與半橢圓間距之間的相對關係，求出各弧段的方程，並以此為依據確定切削刀具的切削麵形狀、規劃切削刀具的運動軌跡以實現對牙頂和牙底進行修形處理的技術目標。圓錐螺紋在底面的投影為阿基米德螺旋線，小弧段範圍內可以近似為圓弧，對發生曲率幹涉的牙頂面和牙底面邊緣螺旋線進行研究，以柱螺紋底面圓心為原點，以一個夾爪牙頂(牙底)面邊緣螺旋線在底面上投影弧線的後法線為y軸，過原點與之垂直的直線為x軸，建立坐標系，見圖5中所示，則曲率修形時牙頂和牙底邊緣螺旋線在底面的投影方程，就是以下方程組。
(1)牙頂面邊緣螺旋線在底面投影方程x2+(y-y1)2=rI2x2+(y-y2)2=rII2x2+(y-y3)2=rIII2]]>方程(3)(2)牙底面邊緣螺旋線在底面投影方程x2+(y-y1)2=rI2x2+(y-y2)2=rII2x2+(y-y3)2=rIII2]]>方程(4)式中y1、y2、y3為牙頂面邊緣不同高度、不同曲率的三段弧線h1、h2、h3的曲率中心在y軸上的位置；y1′、y2′、y3′為牙底面邊緣不同高度、不同曲率的三段弧線h4、h5、h6的曲率中心在y軸上的位置；rI、rII、rIII、rI′2、rII′2、rIII′2為h1、h2、h3、h4、h5、h6各處牙頂、牙底面邊緣螺旋線的曲率半徑。實際中，牙頂弧段h1、h3的方程有可能是相同的；牙底弧段h4、h6的方程也有可能是相同的。
依據旋合時夾爪傾斜以後的螺旋面曲率半徑應與套筒的螺旋面曲率半徑相符合，繼續推導並計算，建立數學模型，算出螺紋旋合時對牙頂和牙底面螺旋線曲率的要求，計算出要處理的曲率半徑的大小，確定幹涉區內螺旋線的方程，改變螺旋線上h1、h2、h3各段的曲率方程，使得在旋合範圍內，所有的曲率半徑都符合旋合要求。修形以後牙頂三段新的邊緣螺旋線在中徑面上的投影見圖5(c)中弧線h1、h2、h3所示，修形以後牙底三段新的邊緣螺旋線在中徑面上的投影見圖5(c)中h4、h5、h6所示。
四角六弧修形鑽夾頭夾爪外螺紋的輪廓表面進行四角六弧精密修形，以上提到的四角修形法和六弧修形法，都可以實現對鑽夾頭夾爪外螺紋的修形。同時把它們結合起來，從螺旋角和曲率半徑兩個角度考慮會達到更好的效果，也就是四角六弧修形法。具體實施過程與以上提到的四角、六弧實施過程相同，就是把二者結合起來。
本發明的實施工藝購買傳統鑽夾頭，具體工藝通過切削刀具和磨具來實現。依據建立的數學模型，確定四種切削刀具的切削麵的形狀，即雙側螺旋面刀具、牙頂面刀具及牙底面刀具，規劃出所對應的四條刀具運動軌跡，即雙側螺旋面修形刀具的運動軌跡、牙頂面和牙底面修形刀具的運動軌跡，採用刀具、磨具進行修形的螺紋，可用切、削或磨去多餘的螺紋部分，修成需要的形狀即可。修形處理後的螺紋，與套筒內螺紋旋合會更緊密，消除幹涉現象。
權利要求
1.一種鑽夾頭夾爪外螺紋的修形方法，其特徵在於對鑽夾頭夾爪外螺紋進行雙側螺旋面修形，即四角修形法所謂四角修形法就是將夾爪螺紋凸起的雙側螺旋面能與內螺紋發生旋合幹涉的四個角切除掉，使得螺紋旋合時不發生螺牙側面的幹涉現象；依據幹涉現象發生區域，把夾爪螺牙的每側螺旋面方程分成三部分，採用數學手段建立這三段螺旋面可平滑連接的曲面方程，計算出理想旋合範圍內實際螺旋角與展角之間的精確函數關係，根據此函數計算出修形處理時所要修掉的部分，並以此為依據確定切削刀具的切削麵形狀、規劃切削刀具的運動軌跡以實現對螺旋面進行精密修形處理的技術目標；或者對鑽夾頭夾爪外螺紋牙頂和牙底面邊緣螺旋線曲率進行修形，即六弧修形法所謂六弧修形法就是將牙頂面和牙底面的中部和兩側間的部分材料切除掉，使得螺紋旋合時不再發生牙頂和牙底的幹涉現象；依據幹涉現象發生區域，把牙頂和牙底的弧分別分成三段不同曲率的弧段，分別建立起新的牙頂面和牙底面平滑連接的弧面方程，並以此為依據確定切削刀具的切削麵形狀、規劃切削刀具的運動軌跡以實現對牙頂和牙底進行修形處理的技術目標。
2.根據權利要求1所述的一種鑽夾頭夾爪外螺紋的修形方法，其特徵在於對鑽夾頭夾爪外螺紋進行雙側螺旋面修形，即四角修形法，同時又對鑽夾頭夾爪外螺紋牙頂和牙底面邊緣螺旋線曲率進行修形，即六弧修形法。
全文摘要
本發明公開了一種鑽夾頭夾爪外螺紋的修形方法。對鑽夾頭夾爪外螺紋進行雙側螺旋面修形，即四角修形法；或/和對鑽夾頭夾爪外螺紋牙頂和牙底面邊緣螺旋線曲率進行修形即六弧修形法；對鑽夾頭夾爪外螺紋的輪廓表面進行四角六弧修形；切除夾爪螺紋牙型面上能與相旋合的內錐螺紋發生幹涉的多餘材料，使夾爪既可以自由伸縮，又能與內螺紋有儘可能多的接觸面積。本發明在對影響旋合的「幹涉效應」進行詳細分析的基礎上，提出「四角六弧」修形方法，建立相應的數學模型，最後通過特殊的工藝方法實現夾爪螺紋的修形，徹底解決鑽夾頭套筒內螺紋與夾爪外螺紋旋合時，旋合面積小的問題。通過修形處理，使普通鑽夾頭抗衝擊力和最大夾緊力提高一倍以上。
文檔編號B23B31/165GK101028677SQ20071006787
公開日2007年9月5日 申請日期2007年4月6日 優先權日2007年4月6日
發明者李東升, 徐志玲, 何滿喜, 王子謙, 王強, 宋軍蘭, 吳劍進 申請人:中國計量學院