用於切削工具的聯接機構的製作方法

2023-06-25 19:10:51

本申請要求2014年5月8日提交的美國專利申請序列號No.14/273,456的優先權和權益，該美國專利申請是要求2013年7月25日提交的名稱為「COUPLING MECHANISM FOR CUTTING TOOL」(用於切削工具的聯接機構)的美國專利申請序列號No.13/950,407的優先權權益的部分繼續申請，這兩篇美國專利申請以引用方式併入本文。

技術領域

本發明涉及與旋轉切削工具一起使用的聯接機構，更具體地講，涉及包括此類聯接機構的旋轉切削工具。

背景技術：

傳統上，用於金屬切削機械的端銑刀被生產為單個單元，其包括帶凹槽的切削部分和大小適於裝配機器主軸的圓柱形或圓錐形的柄部部分。然而，隨著現代工具合金的全球定價不斷增加以及近年來複雜表面處理的不斷發展，這種單個單元的經濟性不斷降低，因為昂貴的柄部材料通常被浪費掉。因此，通常的做法是生產由高質量合金或燒結碳化物製成的單獨切削器，接著將該切削器同心附接到可重複使用的鋼質柄部的端部。

非常希望的是，可輕鬆替換磨損後的切削器，同時將柄部留在機器主軸中，使得在替換切削器後無需進一步調整。與此類精確銑削應用相關的主要要求在於，每個替換切削器能夠重複精確地以真實主軸旋轉軸線為中心並正確地軸向定位。

當前用於將切削器結合到柄部的一種基本方法在例如美國專利申請No.5,114,286中公開，該美國專利申請提出了一種可互換的切削工具對準和定位系統，其包括具有凸聯接器的第一工具節段和具有凹聯接器的第二工具節段。凸聯接器包括：呈第一圓柱形配合表面形式的導向器；與導向器隔開的呈第二圓柱形配合表面形式的同心對準器；在導向器與同心對準器之間延伸的外螺紋；以及呈平面表面形式的軸向止擋件。凹聯接器包括：與導向器的圓柱形配合表面相對應的呈互補圓柱形配合表面形式的導向孔；與同心對準器的圓柱形配合表面相對應的呈互補圓柱形配合表面形式的同心孔；在導向孔與同心孔之間延伸的內螺紋；呈互補平面表面形式的軸向止擋件。

所述導向器、同心對準器、導向孔和同心孔是必需的，因為螺紋聯接器本身對於這樣反覆替換切削器來說是不夠精確的。

對以上基本概念作出進一步的改進也是已知的。例如，美國專利申請No.6,485,220公開了一種代替圓柱形對準件的截頭圓錐形徑向對準件、以及加固的螺紋根部，並且美國專利申請No.7,329,073描述了相鄰的軸向和徑向止擋表面。

不過，所有上述解決方案都具有限制性生產要求。足以滿足可替換切削器重複落入所需同心和軸線位置範圍內這一需求的切削器和柄部上的圓柱形配合表面的典型生產公差小於5微米。此類緊公差需要另外的磨削工藝。

此外，燒結碳化物切削器本質上是極硬而且極脆的。將硬質切削器直接聯接到鋼質柄部這一過程在這兩種不同材料接合的聯接部分施加應力。更具體地講，在將碳化物切削器以螺紋方式擰進鋼質柄部的情況下，有可能在碳化物切削器的螺紋部分的基部處或附近出現連接故障，這通常還使鋼質柄部受損，從而使其不能適合重複使用。

因此，與旋轉切削工具一起使用的聯接機構以及包括此類聯接機構的旋轉切削工具仍有改進空間。

技術實現要素：

作為本發明的一個方面，提供了一種旋轉切削工具。該旋轉切削工具包括設置在中心縱向軸線周圍的大致呈圓柱形的切削器。切削器包括第一端和相對的第二端，第一端具有帶凹槽的有效作用部分，第二端具有設置在其自身周圍的外螺紋部分。該旋轉切削工具還包括設置在中心縱向軸線周圍的大致呈圓柱形的柄部，該柄部具有形成在第一端中的凹陷內螺紋部分。外螺紋部分包括以第一螺距設置的多個螺紋，並且內螺紋部分包括以不同於第一螺距的第二螺距設置的多個螺紋。切削器和柄部通過外螺紋部分和內螺紋部分的螺紋接合選擇性地聯接。

第一螺距可小於第二螺距。

第一螺距可比第二螺距小約0.005mm。

第一螺距與第二螺距之間的差值可在約0.002mm至約0.010mm的範圍內。

切削器可由碳化物材料形成，並且柄部可由工具鋼形成。

切削器可包括沿中心縱向軸線延伸一定距離的面向外的周向表面，該面向外的周向表面設置在帶凹槽的有效作用部分與外螺紋部分之間，柄部可包括沿中心縱向軸線延伸一定距離的面向內的周向表面，該面向內的周向表面在內螺紋部分與柄部的第一端之間，並且當外螺紋部分和內螺紋部分以螺紋方式接合時，面向外的周向表面可設置成與面向內的周向表面相鄰並面向面向內的周向表面。

面向外的周向表面可大致呈相對於中心縱向軸線成第一角度設置的截頂圓錐的一部分形式，並且面向內的周向表面可大致呈相對於中心縱向軸線成第二角度設置的截頂圓錐的一部分形式。

第一角度可在約1°至約7°的範圍內。

第二角度可在約1°至約7°的範圍內。

面向外的周向表面可大致為平行於中心縱向軸線設置的圓柱形表面，並且面向內的周向表面可大致為平行於中心縱向軸線設置的圓柱形表面。

切削器可包括沿中心縱向軸線延伸一定距離的面向外的周向表面，該面向外的周向表面設置為與外螺紋部分相鄰且與帶凹槽的有效作用部分相對，柄部可包括沿中心縱向軸線延伸一定距離的面向內的周向表面，該面向內的周向表面設置在柄部的第一端對面與內螺紋部分相鄰，並且當外螺紋部分和內螺紋部分以螺紋方式接合時，面向外的周向表面可設置成與面向內的周向表面相鄰並面向面向內的周向表面。

面向外的周向表面可設置為相對於中心縱向軸線成0°至約6°範圍內的角度。

面向內的周向表面可設置為在面向外的周向表面的0°至約2°角度範圍內。

切削器可包括沿中心縱向軸線延伸一定距離的第一面向外的周向表面和沿中心縱向軸線延伸一定距離的第二面向外的周向表面，第一面向外的周向表面設置在帶凹槽的有效作用部分與外螺紋部分之間，第二面向外的周向表面設置為與外螺紋部分相鄰且與帶凹槽的有效作用部分相對，柄部可包括沿中心縱向軸線延伸一定距離的第一面向內的周向表面和沿中心縱向軸線延伸一定距離的第二面向內的周向表面，第一面向內的周向表面在內螺紋部分與柄部的第一端之間，第二面向內的周向表面設置在柄部的第一端對面與內螺紋部分相鄰，並且當外螺紋部分和內螺紋部分以螺紋方式接合時，第一面向外的周向表面可設置成與第一面向內的周向表面相鄰並面向第一面向內的周向表面，並且當外螺紋部分和內螺紋部分以螺紋方式接合時，第二面向外的周向表面可設置成與第二面向內的周向表面相鄰並面向第二面向內的周向表面。

作為本發明的另一方面，提供了一種旋轉切削工具。該旋轉切削工具包括：設置在中心縱向軸線周圍的大致呈圓柱形的切削器，該切削器具有第一端和相對的第二端，第一端具有帶凹槽的有效作用部分，第二端具有設置在其自身周圍的外螺紋部分；以及設置在中心縱向軸線周圍的大致呈圓柱形的柄部，該柄部具有形成在第一端中的凹陷內螺紋部分。外螺紋部分包括以第一螺距並成第一錐角設置的多個螺紋，內螺紋部分包括以第二螺距並成不同於第一錐角的第二錐角設置的多個螺紋，並且切削器和柄部通過外螺紋部分和內螺紋部分的螺紋接合選擇性地聯接。

第一錐角可小於第二錐角。

第一螺距可等於第二螺距，或者第一螺距可小於第二螺距。

附圖說明

現將參考以下例示性附圖並結合某些非限制實施例描述本發明的概念，以便可更全面地理解本發明。

現將詳細參考具體附圖，需要強調的是，所示的具體內容僅僅是以舉例的方式並出於例示性論述本發明的優選實施例的目的，並且是為了提供被認為對本發明的原理和概念方面最有用且最容易理解的描述而呈現。就這一點而言，除了基本理解本發明所需的內容之外，並未嘗試更詳細地展示本發明的結構細節，其中結合附圖進行的描述使得本領域技術人員清楚如何在實踐中體現本發明的多種形式。

圖1示出了根據本發明的模塊化旋轉切削工具的示例性實施例的等軸視圖。

圖1B示出了圖1的模塊化切削工具的側視圖，其中柄部部分以橫截面示出。

圖2示出了圖1的模塊化切削工具的分解等軸視圖。

圖3示出了圖1的模塊化切削工具的分解側視圖，其中柄部部分以橫截面示出，以便示出內部細節。

圖4示出了圖1的旋轉切削工具的切削器部分的詳細側視圖。

圖5示出了圖1的旋轉切削工具的柄部部分的一部分的詳細剖視圖。

圖6示出了根據本發明的聯接機構的另一示例性實施例的側視圖，其中該聯接機構部分以橫截面示出，以便示出內部細節。

圖7示出了根據本發明的模塊化切削工具的另一示例性實施例的分解側視圖，其中柄部部分以橫截面示出，以便示出內部細節。

在附圖中，等同部分提供有相同參考標記。

具體實施方式

如本文所用，術語「數目」應指任何非零數量(即，一或任何大於一的數量)。

如本文所用，術語「選擇性地聯接」應指兩個或更多個部件以可以選擇性地解開(即，脫離)而不損壞任一部件的方式聯接或結合在一起。

如本文所用，術語「螺距」應指在同一軸向平面中和在軸線的同一側上的相鄰螺紋形式上的對應點之間的距離，其平行於螺紋構件的中心軸線來測量。

圖1至圖5示出了根據本發明的第一示例性實施例的設置在中心縱向軸線A周圍的模塊化旋轉切削工具10。切削工具10包括可重複使用的柄部12和可替換的切削器14，這兩者通過由柄部12和切削器14中每一者的配合部分形成的聯接機構(未編號)選擇性地聯接在一起，這將在下文中詳細論述。在圖1至圖5所示的示例性實施例中，切削器14呈由碳化物材料形成的端銑刀形式，但應當理解，在不背離本發明的範圍的情況下，也可使用由碳化物材料或一種或多種其他合適材料形成的另一種旋轉切削工具(例如，但不限於面切削器、圓頭切削器、切割切削器、鑽頭、鉸刀，或用於銑削、鑽挖、鉸孔或其他金屬切削應用的任何其他可替換的刀頭)。柄部12可由形成為大致呈圓柱形且具有略呈階梯形部分的鋼、碳化物或其他合適的材料形成，但應當理解，在不背離本發明的範圍的情況下，也可使用其他橫截面、形狀和材料。還應當理解，柄部12可形成為大致實心的構件，如圖1至圖5所示的實施例所示，或者可包括一個或多個內部通道，冷卻劑和/或潤滑劑流可通過該內部通道提供到切削器14。

繼續參考圖1，切削器14(當安裝在柄部12中時)的暴露部分可以包括帶凹槽的有效作用部分16以及其後的較短圓柱形部分18，該帶凹槽的有效作用部分被結構化用於對工件(未示出)執行切削操作。圓柱形部分18優選地配備有形成在其中/其上的至少兩個相對平行的平面20(在圖1中僅一個可見)，標準活動扳手(未示出)可接合在該平面上用於安裝切削器14或從柄部12將切削器移除，如下文中進一步論述。

圖2和圖3的分解視圖以及圖4和圖5的詳細視圖示出了柄部12和切削器14形成切削器14與柄部12之間的聯接機構的部分的細節。更具體地講，作為切削器14的一部分，聯接機構包括：向外突出的外螺紋部分22，其在帶凹槽的有效作用部分16對面延伸；徑向對準器部分28，其與縱向軸線A同心設置並且在較短圓柱形部分18與螺紋部分22之間延伸；以及平坦的軸向止擋肩部30，其橋接直徑較小的徑向對準器28與直徑較大的較短圓柱形部分18之間的徑向縫隙。如所示的示例性實施例所示，肩部30可設置為垂直於縱向軸線A。在其他實施例中，肩部30可相對於垂直於縱向軸線A繪製的參照略微傾斜(至多+/-3°)。

作為柄部12的一部分，聯接機構還包括：大致平滑的對準孔24，其設置為與縱向軸線A同心；內螺紋孔32，其從對準孔24延伸；以及軸向止擋表面34，其設置在柄部12鄰近對準孔24的端部垂直於縱向軸線A。

參考圖4所示切削器14的詳細視圖，徑向對準器部分28大致形成為截頂圓錐的一部分並且包括面向外的周向表面29，該周向表面被設置為相對於縱向軸線A成角度δ1。在本發明的示例性實施例中，角度δ1大致在約1°至約7°的範圍內。或者，徑向對準器部分28可大致呈圓柱形(即，δ1＝0度)。一般來說，當切削器14與鋼質柄部聯接時，截頂圓錐被認為是優選的，而當切削器14與碳化物柄部聯接時，圓柱形被認為是優選的。

參考圖5所示柄部12的端部的詳細剖視圖，對準孔24以大致對應於對準器部分28的形狀形成。一般來說，對準器部分28的直徑可略大於(對鋼質柄部而言是優選的)或等於(對碳化物柄部而言是優選的)對準孔24的直徑。

由於對準孔24以大致對應於對準器部分28的形狀形成，所以在所示實施例中，對準孔24也大致形成為截頂圓錐的一部分並且包括面向內的周向表面25，該周向表面設置為相對於縱向軸線A成角度δ2。由於柄部12的面向內的周向表面25一般與切削器14的面向外的周向表面29配合，所以在本發明的示例性實施例中，角度δ2大致在約0°至約7°的範圍內，具體取決於面向外的周向表面29的角度δ1。

參考圖4和圖5，切削器14的螺紋部分22包括多個螺紋22a，優選至少4個(但也可採用其他數量)，這些螺紋以第一螺距P1設置在縱向軸線A周圍，並且螺紋孔32包括至少對應數量的內螺紋32a，這些內螺紋以不同於P1的第二螺距P2設置在縱向軸線A周圍。在圖1至圖5所示的示例性實施例中，第二螺距P2比第一螺距P1大約0.005mm。通過在柄部12的螺紋孔34中使用較大螺距P2並且因而在切削器14中使用較小螺距P1，與其中利用螺距大致相同的配合螺紋的實施例相比，當與柄部12聯接時在切削器14的螺紋部分22上所得的應力更均勻地分散在螺紋22a之中。在本發明的示例性實施例中，在柄部12和切削器14的相應螺紋之間採用了約0.002mm至0.010mm的螺距。與本發明的實施例相比，在利用螺距大致相同的配合螺紋的情況下，由於碳化物或鋼質切削器14一般無彈性，所以應力大致集中在最靠近軸向止擋肩部30的螺紋處。通過將應力更均勻地分散在螺紋部分22的螺紋22a之中，本發明實施例允許更高的負載被施加到連接部分而不出現故障。

模塊化切削工具組件10的組裝通過以下方式進行：將切削器14的螺紋部分22與柄部12的螺紋孔32接合，隨後旋轉切削器14和/或柄部12中的一者或兩者，直到切削器14的徑向對準器部分28坐置在柄部12的對準孔24內並且切削器14的軸向止擋肩部30鄰接柄部12的軸向止擋表面34。切削器14相對於柄部12的軸向位置得自切削器14的止擋肩部30與柄部12的軸向止擋表面34的直接接觸。止擋肩部30與止擋表面34接合之後，優選使用扭矩限制扳手進一步緊固聯接，使其達到所指定的扭矩，從而避免切削器14過度拉伸。

圖6示出了模塊化切削工具10'的柄部12'(以橫截面示出)與切削器14'之間的聯接機構的另一個實施例的詳細視圖。切削工具10'可呈與先前所述的切削工具10類似的外觀，並且切削器14'和柄部12'以與切削器14和柄部12類似的方式相互作用，不同的是切削工具10'包括第二徑向對準器部分40，其設置在徑向對準器部分28對面鄰近螺紋部分22。當切削器14'與柄部12'聯接時，諸如圖6所示，第二徑向對準器部分40的面向外的周向表面(未編號)接合第二對準孔42的面向內的周向表面(未編號)，該第二對準孔在第一對準孔24對面鄰近螺紋孔32形成在柄部12'中。在本發明的示例性實施例中，徑向對準器部分40具有與第二對準孔42的直徑大致相同或比其略小的直徑。另外，第二徑向對準器部分40的表面(未編號)可設置為相對於中心縱向軸線A成0°至約6°範圍內的角度，而第二對準孔42的表面(未編號)可設置成相同角度或在第二徑向對準器部分40的表面的1°至2°角度範圍內。雖然所示的實施例除了包括徑向對準器部分28之外還包括第二徑向對準器部分40，但應當理解，本發明的實施例可僅包括第二徑向對準器部分40，而不包括徑向對準器部分28。

圖7示出了根據本發明的模塊化切削工具50的另一示例性實施例的分解側視圖，該模塊化切削工具包括通過根據本發明的另一聯接機構聯接的柄部52和切削器54。柄部52和切削器54可呈與先前所述的柄部12,12'和切削器14,14'大致類似的構造，並且分別包括內螺紋孔58(包括內螺紋58a、58b)和外螺紋部分60(包括外螺紋60a、60b)。然而，不同於先前論述的實施例(其中當將外螺紋部分和內螺紋部分通過螺紋方式緊緊聯接在一起時，利用這兩個部件上的不同螺距將應力更均勻地分布在整個螺紋中)，圖7所示的實施例通過使外螺紋部分和內螺紋部分相對於彼此成不同角度取向得到類似的結果。例如，在圖7所示的實施例中，外螺紋部分60的螺紋60a、60b成第一錐角αc(相對於平行於中心縱向軸線A設置的參照測量)設置，而內螺紋孔58的螺紋58a、58b成第二錐角αs(相對於平行於中心縱向軸線A設置的參照測量)設置。更具體地講，通過成大於外螺紋60a、60b的第一錐角αc的第二錐角αs設置內螺紋58a、58b，即使在螺距Ps和Pc相同時也形成外螺紋部分60和內螺紋部分58之間類似於如先前所述使用不同螺距形成的空間關係。應當理解，作為使用具有相同螺距的部分的替代方式，此類實施例還可以不同螺距Ps和Pc來運用。

雖然在本文所述的具體實施例中，柄部設有用於接合切削器上的互補外螺紋的螺紋孔，但相反情況也是可能的，其中柄部設有突出的外螺紋部分，並且切削器設有內部螺紋孔。

對於本領域的技術人員顯而易見的是，在不脫離本發明的精神和本質屬性的情況下，本發明不限於以上所示實施例的細節，並且本發明可以其他特定形式體現。因此，本發明的實施例將在各方面被視為例示性而非限制性，本發明的範圍由所附權利要求而非以上描述指明，因此權利要求的等同物的含義和範圍內的所有改變旨在涵蓋在其中。