Настоящая заявка находится на рассмотрении одновременно с заявкой "Устройство для крепления хвостовика резцедержавки с использованием поворотного кулачка с целью минимизации отдачи" компании "Кеннаметал" номер к-1196, поданной 8 апреля 1994 г.
Настоящее изобретение относится к устройству для крепления резцедержавки (державки) в основании и, более конкретно, относится к использованию кулачкового механизма для манипулирования запорным стержнем для крепления державки в основании.
Как широко известно, операции металлообработки обычно осуществляются с использованием режущей пластины из твердого металла. Такую пластину крепят в державке. Державку или временно, или постоянно крепят к базовому элементу, который является деталью станка, такого как токарный или фрезерный станок.
В связи с предельно тяжелыми условиями, в которых они эксплуатируются, режущие пластинки необходимо регулярно заменять. Для этого необходимо извлекать режущую пластинку из державки. Более желательно использовать съемную державку, так чтобы можно было снять всю державку вместе с режущей пластинкой и заменить ее другой державкой с новой режущей пластиной, уже помещенной на державке.
С учетом всего сказанного ключевыми для обеспечения эффективности становятся легкость и быстрота, с которыми может быть заменена державка. Это является одним из мотивов создания различных конструкций быстро заменяемых державок.
Один из примеров таких конструкций можно найти в патенте США N 4747737, озаглавленном "Державка и способ ее сменного крепления", Эриксона и др. и выданном заявителю настоящей заявки и который, таким образом, включен в качестве аналога. В этом аналоге предлагается подпружиненный возвратно-поступательный запорный стержень, который под воздействием пружин отводится назад, перемещая фиксирующие элементы радиально в наружном направлении с тем, чтобы закрепить державку в элементе крепления державки. Для того чтобы освободить державку, запорный стержень необходимо сдвинуть вперед, преодолевая усилие пружины, так чтобы отвести фиксирующие элементы и, более того, чтобы державка выпала из элемента крепления. Описанный в этом патенте запорный механизм должен приводиться в действие в осевом направлении и не может приводиться в действие сбоку. В патенте США N 4981057, озаглавленном "Зажимное устройство для соединения головки и державки резца токарного станка", Фон Хааса и др. , описывается зажимное устройство с использованием поворотного запорного стержня, имеющего простирающиеся по спирали отверстия, так что вращения запорного стержня достаточно для радиального расширения фиксирующих элементов с целью крепления хвостовика державки. В то время как описанный в этом патенте фиксирующий механизм может приводиться в действие сбоку, особенностью этого изобретения являются исключительно отверстия, и это не относится к поставляемым промышленностью возвратно-поступательным запорным стержням.
Предметом изобретения является устройство для съемного крепления трубчатого хвостовика державки, содержащее базовый элемент с обращенной вперед поверхностью и канал, пересекающий обращенную вперед поверхность и простирающийся от нее назад, предназначенный для вмещения хвостовика державки. В базовом элементе имеется запорный стержень с передним и задним концами, выполняющий возвратно-поступательные движения вперед и назад для перемещения хвостовика державки в канале в положение фиксации и для высвобождения хвостовика державки из канала в свободное положение. На базовом элементе устанавливается поворотный кулачок, который может воздействовать на запорный стержень, придавая ему возвратно-поступательное движение назад и вперед. Кулачок содержит смещенный упор, имеющий продольную ось и соответствующую длину. Упор содержит первую криволинейную поверхность, предназначенную для перемещения запорного стержня назад в положение фиксации, и вторую криволинейную поверхность, предназначенную для положительного перемещения запорного стержня вперед в свободное положение. Кроме того, конструкция кулачка предусматривает перевод запорного стержня из свободного положения в положение фиксации при повороте менее чем на 150o.
Перечисленные и иные аспекты настоящего изобретения станут более очевидными после изучения следующего подробного описания на ряду с фигурами, кратко описанными ниже.
На фиг.1 показан продольный разрез базы державки в свободном положении; на фиг.2 - продольный разрез базы державки в положении фиксации, при которой закреплена державка; на фиг.3 - поворотный кулачок, соприкасающийся с запорным стержнем при его крайнем переднем положении в прямоугольной изометрической проекции; на фиг.4 - поворотный кулачок, принимающий запорный стержень в его крайнем заднем положении в прямоугольной изометрической проекции; на фиг.5 - деталировка устройства, представляющего собой предмет настоящего изобретения в прямоугольной изометрической проекции; на фиг.6 - продольный разрез базы державки с поворотом на 90o относительно разреза, показанного на фиг. 1; на фиг.7 - продольный разрез базы державки с поворотом на 90o относительно разреза, показанного на фиг.2; на фиг.8 - относительные положения поворотного кулачка в положениях фиксации и в свободном положении; на фиг.9 - график, иллюстрирующий смещение пружины относительно поворотного кулачка, согласно настоящему изобретению; на фиг. 10 - поворотный кулачок, который, согласно второму варианту реализации настоящего изобретения, не имеет правильной круглой формы в прямоугольной изометрической проекции; на фиг. 11 - кулачок, изображенный на фиг.10 с выдвинутой по всей длине поверхностью, не являющийся круглой частью; на фиг.12 - вид сверху среза кулачка, показанного на фиг.10 в положении фиксации; на фиг.13 - вид сверху среза кулачка, показанного на фиг.10 в свободном положении; на фиг.14 - продольный разрез базы державки в свободном положении, в котором поворотный кулачок содержит упор, поперечное сечение которого подобно поперечному сечению упора, показанного на фиг.11; на фиг.15 - продольный разрез базы державки в положении фиксации, в котором поворотный кулачок содержит упор, поперечное сечение которого подобно поперечному сечению упора, показанного на фиг.11; на фиг.16 - продольный разрез базы державки в промежуточном положении, в котором поворотный кулачок содержит упор, поперечное сечение которого подобно поперечному сечению упора, показанного на фиг.11.
На фиг.1 показана державка 10 с передним концом 15, на котором крепится режущая пластинка 20. Режущая пластинка 20 может быть отделена от державки 10 прокладкой (не показана), и режущая пластинка 20, и прокладка 25 крепятся на державке 10 с помощью такого средства, как зажим 30, который закреплен на державке 10 штифтом 35. Державка 10 имеет обращенную назад опорную поверхность 40 и трубчатый хвостовик 45 со стенкой 50 хвостовика, простирающейся назад от переднего конца 15. Державка 10 может быть снабжена в стенке хвостовика 50 регулировочным пазом 53. В стенке хвостовика 50 имеются разнесенные одно относительно другого отверстия 55. Державка 10 может иметь в пределах отверстия 55 обращенные вперед вогнутые контактные поверхности 60.
Державка 10 располагается вдоль продольной оси 56. Эта продольная ось будет использоваться в описании в качестве начала отсчета. Как показано на фигурах, многие детали, рассматриваемые в описании, располагаются симметрично относительно продольной оси 56. По этой причине часто речь ведется только об одной детали, причем подразумевается, что все сказанное относится также и к другим дублирующим деталям.
Показанная на фиг.1 державка является обычной державкой, используемой в невращающихся инструментах, образующих оснастку товарных станков. Однако следует учитывать, что к державке может быть прикреплен любой из разнообразных инструментов, которые могут предусматривать как невращательное, так и вращательное применение. Кроме того, часть державки 10, прилегающая к переднему концу 15, обычно поворачивается относительно трубчатого хвостовика 45 на 90o относительно продольной оси 56. Однако в целях разъяснения настоящего изобретения используется демонстрируемая ориентация.
Кроме того, на фигурах хвостовик державки показан отделенным в радиальном направлении от приемного канала. Следует понимать, что изобретение касается в первую очередь кулачка и запорного стержня и что сопряжение державки и приемного канала может быть таким, как показано, или же предусматривать посадку с натягом.
Приемник 65 державки, имеющий обращенную вперед поверхность прилегания 67 и отверстие, содержащее канал 70 вдоль продольной оси 56, крепится к базовому элементу 75 и является его частью
Внутри прохода 80, проходящего сквозь базовой элемент 75, имеется короткий валик 85, выдвинутый в канал 70 приемника 65 державки. Через валик 85 проходит продольный канал 90, а внутри канала 90 подвижно вставлен запорный стержень 95.
Ближе к переднему концу 95 запорного стержня 95 имеются углубления 100, которые могут выравниваться с радиальными сквозными отверстиями 105 в валике 85. Запорный стержень 95 может двигаться вдоль продольной оси 56 путем протягивания или проталкивания запорного стержня в любом месте, но предпочтительно в основании 110, являющемся составной частью запорного стержня 95. Когда запорный стержень 95 вытягивают из державки 10, размещенные в отверстиях 105 валика 85 и в углублениях 100 запорного стержня 95 запорные элементы 115 выталкиваются в радиальном направлении и наружу.
На фиг.1 показана державка 10, излеченная из базы державки 75. Для того чтобы закрепить державку 10 в базе резцедержавки 75, запорный стержень 95 располагается таким образом, что запорные элементы 115 входят в углубления 100 и заглубляются в радиальных отверстиях 105. При такой ориентации можно вставлять трубчатый хвостовик 45 державки 10 в канал 70.
Как показано на фиг.2, в державке 10, расположенной в канале 70 запорный стержень 95 можно оттянуть в направлении, указанном стрелкой 117 из державки 10 так, что запорные элементы 115 смещаются в радиальном направлении наружу из углублений 100 на откосы 116, в результате чего запорные элементы 115 попадают в отверстия 55 и соприкасаются с обращенными вперед и вогнутыми контактными поверхностями 60 хвостовика 45 державки. Когда запорный стержень 95 оттягивают в направлении, указанном стрелкой 117, державка 10 втягивается в приемник 65 державки и обращенная назад поверхность 40 прилегания державки 10 соприкасается с обращенной вперед поверхностью 67 прилегания приемника 65 державки. Это действие запорного стержня 95 ведет к закреплению державки 10 в приемнике 65 державки.
Для того чтобы освободить державку 10 из приемника державки 65, запорный стержень 95 продвигают к державке 10 в направлении, указанном стрелкой 119. Благодаря этому запорные элементы 115 возвращаются в радиальное отверстие 105 и углубление 100 с образованием остаточного зазора, а державка 10 может быть извлечена из приемника 65 державки, как показано на фиг.1.
При фиксации державки 10 в базе 75 возможно возникновение упругой деформации приемника 65 державки, в результате чего возникают большие фрикционные силы, удерживающие державку 10 в приемнике 65 державки. Для освобождения державки 10 запорный стержень 95 продвигают в переднем конце приемника 65 державки так, что запорный стержень 95 выдвигается из валика 80 и упирается в контактную поверхность 120 в трубчатом хвостовике 45 державки 10. Таким образом, продолжение проталкивания запорного стержня 95 в направлении державки 10 прижмет запорный стержень 95 к контактной поверхности 120, выталкивая таким образом державку 10 из базы 75 державки. Таким образом, за счет перемещения запорного стержня 95 возможно закрепление или освобождение державки 10 из базового элемента 75, позволяя таким образом быстро менять державку 10.
Сущность настоящего изобретения заключается в механизме, применяемом для продвижения запорного стержня 95 в направлении, указанном стрелкой 119 в положении освобождения, как показано на фиг.1, и для оттягивания запорного стержня 95 в направлении стрелки 117 для закрепления в положении фиксации, как показано на фиг.2.
Ключевые элементы этого механизма, показанного на фиг.1 и 2, наглядно изображены на фиг. 3 и 4. В частности, на фиг.3 показан запорный стержень 95 в своем крайнем переднем положении, сходном с показанным на фиг.1. Поворотный кулачок 150 с продольной осью 155, проходящий сквозь него, содержит упор 160 кулачка, который может иметь цилиндрическую форму. Продольная ось 165 упора 160 кулачка смещена относительно продольной оси 155 кулачка 150. Упор 160 кулачка имеет по меньшей мере одну криволинейную поверхность 170. Поворотный кулачок 150 устанавливается в сквозном отверстии 180, проходящем через запорный стрежень 95, создавая таким образом на запорном стержне 95, на передней части стенки отверстия 180, ведомую поверхность 185, работающую по кулачку. Кулачок 150 крепится сбоку в базовом элементе 75 (фиг.1) таким образом, что допускается только вращение вокруг продольной оси 155 кулачка. С другой стороны, допускается осевое перемещение запорного стержня 95 вдоль продольной оси 56. таким образом, как показано на фиг.1 и 3, при одном положении кулачка 150 криволинейная поверхность 170 упора 160 кулачка соприкасается с ведомой поверхностью 185 запорного стержня 95, поджимая запорный стержень 95 в направлении стрелки 119 в положении расфиксации. При втором положении кулачка 150, показанном на фиг. 2 и 4, криволинейная поверхность 170 упора 160 кулачка поджимает запорный стержень 95 в направлении, указанном стрелкой 117, заставляя таким образом запорные элементы 115 покинуть углубление 100 и переместиться на откосы 116 так, как показано на фиг.2 и 4, запирая державку в базовом элементе 75. Следует отметить, что на фиг.4 показана криволинейная поверхность 170, находящаяся в непосредственном контакте с запорным стержнем 95. Хотя это должно сместить запорный стержень 75 в нужном направлении, предпочтительный вариант конструкции, подлежащий обсуждению, показан на фиг.2, на которой кулачок 150 поджимает стержень 95 в положение фиксации с использованием для этого промежуточного узла из втулки и пружины, когда столбец 160 кулачка воздействует на втулку 195, снимая пружину 200, соединенную с задним концом 205 запорного стержня и поджимая таким образом запорный стержень в направлении, указанном стрелкой 117.
На данных фиг. 1-4 можно видеть, что поворот кулачка 150 из крайнего переднего положения, показанного на фиг.1 и 3, в крайнее заднее положение, показанное на фиг.2 и 4, приводит к переводу запорного стрежня из положения расфиксации в положение фиксации с целью скрепления державки 10 с базой 75 державки.
На фиг.5 показано перспективное изображение устройства, являющегося предметом настоящего изобретения, с пространственным разделением деталей. Базовый элемент 75 наряду с приемником 65 державки показаны разделенными с целью продемонстрировать канал 70 приемника 65 державки, полость 210 запорного стержня и полость 215 пружины, расположенные вдоль продольной оси 56 и разделенные между собой поперечным круговым каналом 220 и направляющей 225 запорного стержня. Валик 85, вставленные в канал 70, сам имеет сквозной канал 90, через который пропущен запорный стержень 95, выравнивая запорные элементы 115 с углублениями 100 запорного стержня 95. Кулачок 150 со столбцом 160 кулачка вставлен в сквозное отверстие 180 запорного стержня 95 таким образом, что криволинейная поверхность 170 кулачка может соприкасаться с ведомой поверхностью 185 запорного стержня 95, работающей по кулачку. Возможность смещения кулачка 150 в боковом направлении ограничивается поперечным круглым каналом 220.
Втулка 195 имеет отверстие 235, которое надевается на задний конец 205 запорного стержня, надвигая его до соприкосновения с фланцем 240 запорного стержня, охватывая таким образом упор 160 кулачка 150. Втулка 195 прижимается к фланцу 240 запорного стержня пружиной 200, которая скреплена с задним концом 205 запорного стержня крышкой 245. Крышка соединяется с задним концом 205 запорного стержня болтом 250, находящимся в резьбовом соединении с задним концом 205 запорного стержня. В то время как на фиг.5 в качестве детали 200 показана цилиндрическая пружина, это сделано только для наглядности, и предпочтительным вариантом является использование группы тарельчатых пружин. Пружину сжимает система крышки и болта.
С другой стороны, сегмент запорного стержня 95 может быть сделан более гибким с целью достижения упругости, позволяющей обойтись без пружины 200. В качестве примера можно указать возможность уменьшения поперечного сечения запорного стержня 95, касающегося сквозного отверстия 180. При такой системе можно отказаться от втулки 195 в пользу непосредственного контакта столбца 160 кулачка с запорным стержнем 95 с целью перемещения запорного стержня 95 между положениями фиксации и расфиксации. Однако при такой системе размеры отверстия 180 нужно уменьшить, чтобы дать возможность столбцу 160 кулачка придавать запорному стержню 95 возвратно-поступательные движения.
Фланец 240 запорного стержня входит в полость 210 запорного стержня и обеспечивает запорному стержню 95 боковую опору, допуская одновременно перемещение запорного стержня 95 вдоль продольной оси 56. При таком решении кулачок 150 можно поворачивать, предпочтительно инструментом, который можно вставлять в полость 255, переводя запорный стержень 95 из положения расфикации в положение фиксации.
Изучение фиг. 1 показывает, что при отсутствии в канале 70 державки 10 вращение кулачка вызовет возвратно-поступательное движение запорного стержня 95 вдоль продольной оси 56 как единого целого, без перемещения относительно втулки 195. При таких условиях запорный стержень 95 будет перемещаться в канале 90 приемника 65 державки и запорные элементы 115 будут свободно двигаться вперед и назад в радиальных отверстиях 105.
Однако, когда в канал 70 помещают державку 10, запорный стержень 95 отводится назад, как показано на фиг.2, за счет воздействия столбца 160 кулачка на ведомую поверхность 197 втулки 195. Тогда запорные элементы 115 выдвигаются наружу из углублений 100 на откосы 116 и соприкасаются с обращенной вперед вогнутой поверхностью 60 хвостовика 45 державки для взаимодействия с державкой 10. В этот момент продолжение вращения кулачка 150 приведет к отделению втулки 195 от фланца 240 запорного стержня и к ее скольжению вдоль запорного стержня 95 в направлении от фланца 240 запорного стержня, сжимая таким образом пружину 200, причем полученное усилие пружины передается на запорный стержень 95 через болт 250, которым пружина 200 крепится, как показано на фиг.2, к запорному стержню 95. Зазор 257 подчеркивает это разделение между втулкой 195 и фланцем 240 запорного стержня.
Следует отметить, что пружину 200 предварительно сжимают, прижав к втулка 195. Запорный стержень 95 можно отвести без взаимодействия с пружиной 200, если втулки 195 не смещается относительно запорного стержня 95. Однако, когда запорные элементы 115 взаимодействуют с трубчатым хвостовиком 45, возможность перемещения запорного стержня 95 становится ограниченной и дальнейшее движение втулки 195 в направлении, указанном стрелкой 117, вызовет движение втулки 195 относительно запорного стержня 95. Это, в свою очередь, приведет к сжатию пружины 200 и передаст все усилие предварительной нагрузки на запорные элементы 115 с целью закрепления трубчатого хвостовика 45.
Втулка 195 и запорный стержень 95 будут двигаться в направлении, указанном стрелкой 117, до тех пор пока запорные элементы 115 не выдвинутся из углублений 100 на откосы 116, где запорные элементы 115 входят в зацепление с трубчатым хвостовиком 45. Это расстояние называют запорным шагом. Точное расположение откосов 116, в которых запорные элементы 115 входят в зацепление с трубчатым хвостовиком 45, зависит от производственных допусков. По этой причине это расстояние фиксации обозначается как средний запорный шаг.
Это вновь проиллюстрировано на фиг.6 и 7, на которых показано изображение сбоку и в разрезе устройства в положении фиксации и в свободном положении. В свободном положении (фиг.6) криволинейная поверхность 170 соприкасается с ведомой поверхностью 185 запорного стержня 95. В этом положении запорный элемент 115 (показан пунктиром) располагается в углублении 100 запорного стержня 95. Для наглядности этого изображения приемник 65 державки (фиг.5) спущен. Как показано на фиг.6, толщина или диаметр упора 160 кулачка равна или несколько меньше расстояния между ведомой поверхностью 185 запорного стержня 95 и ведомой поверхностью 197 втулки 195. Втулка 195 опирается на фланец 240 (не показан) запорного стержня 95 для создания такого зазора.
Однако в положении фиксации (фиг.7) запорные элементы 115 (показаны пунктиром) перемещаются на откосе 116 до достижения контакта с хвостовиком державки (не показана). Для наглядности на этом рисунке опущены приемник 65 державки и державка 10. В этом положении дальнейшее вращение кулачка 150 приведет к перемещению втулки 195 вдоль запорного стержня 95 для сжатия пружины 200, обеспечивая таким образом дальнейший отвод запорного стержня 95.
На фиг.6 и 7 можно отметить два важных отличительных признака. На фиг.6 показана криволинейная поверхность 170, соприкасающаяся с ведомой, работающей по кулачку поверхностью 185 запорного стержня в средней части столбца 160 кулачка на криволинейной поверхности 170a для положения расфиксации. На фиг. 7 показана криволинейная поверхность 170, соприкасающаяся с ведомой поверхностью 197 втулки 195 верхней и нижней частями 170b, 170c криволинейной поверхности 170, поскольку втулка 195 имеет отверстие 235, как показано на фиг.5. Это важно по двум причинам.
Во-первых, симметричный контакт между криволинейной поверхностью 170 и ведомыми поверхностями 185 и 197 сводит к минимуму вероятность заклинивания запорного стержня 95 в базе 75 державки в результате воздействия асимметричных усилий на запорный стержень 95 или втулку 195. Например, если столбец 160 кулачка соприкасается с втулкой 195 только в верхней части криволинейной поверхности 170, возможна тенденция к заеданию втулки 195 в базе 75 державки, что затрудняет продольное перемещение втулки 195.
Во-вторых, для фиксации и освобождения запорного стержня 95 применяются разные участки по длине криволинейной поверхности 170. Как можно видеть на фиг. 6, средний участок 170a криволинейной поверхности 170 соприкасается с ведомой поверхностью 185 запорного стержня 95, а верхний 170b и нижний 170c участки криволинейной поверхности 170 соприкасаются со втулкой 195. Таким образом, поверхности износа между упором 160 кулачка и ведомыми поверхностями 185 и 197 распределяются таким образом, чтобы свести к минимум износ. Как будет показано далее, контакт втулки 195 и запорного стержня 95 с упором 160 кулачка может происходит в различных в радиальном отношении местах.
Вернувшись на короткое время к фиг.1 и 2, укажем, что поворотный кулачок 150 и упор 160 кулачка показаны пунктиром. Эти положения показаны также на фиг.8, однако для демонстрационных целей диаметр упора 160 кулачка уменьшен. В качестве места отсчета при обозначении положения кулачка поворот кулачка 150, при котором упор 160 кулачка оказывается дальше всего от державки 10 (не показана), будет обозначен как 0o, а положительным направлением вращения будет считываться вращение против часовой стрелки.
Из фиг.8 и 1 можно видеть, что в расфиксированном положении кулачок 150 ориентирован под углом приблизительно 135o. Хотя совершенно очевидна возможность поворота кулачка до положения, обозначенного как 180o, поворот преднамеренно ограничивается величиной, меньшей чем 180o, чтобы уменьшить диапазон вращения кулачка между положениями фиксации и расфиксации. Это желательно в тех случаях, когда база 75 державки размещается в замкнутом пространстве и у инструмента, применяемого для поворота кулачка, такого как гаечный ключ, может быть ограничена возможность хода. Диапазон вращения кулачка 150 ограничивается установочным винтом 260 (фиг.5), ввинченным в отверстие 265 в базе 74 державки для взаимодействия с пазом 270, идущим вокруг кулачка 150 по дуге, простирающейся приблизительно на 115o в соответствии с желательным поворотом кулачка.
Переход из положения расфиксации, показанного как B на фиг.8 и представленного на фиг. 1, в положение фиксации, показанное как A на фиг.8 и представленное на фиг.2, когда кулачок 150 поворачивается по часовой стрелке из свободного положения, запорный стержень передвигается в направлении, указанном стрелкой 117. Запорные элементы 115 вытесняются из углубления 100 наружу, где при нахождении державки 10 в канале 70 запорные элементы 115 взаимодействуют с обращенным вперед вогнутыми поверхностями 60 державки 10. В этой точке продольное перемещение запорного стержня 95 ограничивается. Однако продолжающееся вращение по часовой стрелке поворотного кулачка 150 ведет к тому, что криволинейная поверхность 170 поджимает втулку 195 в направлении пружины, сжимая таким образом пружину и увеличивая направленное в обратную сторону усилие, переводящее запорный стержень 95 в положение фиксации.
Максимальное перемещение пружины 200 будет иметь место при повороте поворотного кулачка 150 на 0o. Однако для того чтобы увлечь поворотный кулачок 150 в положение, сводящее к минимуму вероятность внезапного возвращения кулачка в свободное положение под действием силы пружины, кулачок дополнительно поворачивают до положения -5o, и вращение кулачка ограничивается установочным винтом 260 (фиг.5) и пазом 270 кулачка 150. Хотя этот дополнительный поворот жертвует частью силы пружины, воздействующей на запорный стержень 95, минимальная утеря силы оправдывается положительной возможностью фиксации, которую она обеспечивает.
На фиг. 8 совместно с фиг.1 и 2 показано также, что поворот кулачка из положения фиксации в свободное положение составляет менее 180o. Из положения фиксации, когда кулачок 150 поворачивается против часовой стрелки, упор 160 кулачка движется в направлении державки 10, позволяя расширяться пружине 200, когда втулка 195 движется в направлении фланца 240 запорного стержня. Когда втулка 195 соприкасается с фланцем 240, дальнейшее вращение кулачка ведет к контакту упора 160 кулачка с ведомой поверхностью 185 запорного стержня 95. После этого запорный стрежень 95 продвигается в направлении, указанном стрелкой 119, пока передний конец 97 запорного стержня не достигнет контактной поверхности 120 державки 10. В этой точке дальнейшее вращение кулачка ведет к положительному действию выталкивания державки 10 из базового элемента 75. Устройство сконструировано таким образом, что диапазон вращения, имеющийся для этого положительного действия, составляет приблизительно 45o.
Как было показано, контакт вдоль упора кулачка симметричен и имеет место на различных участках при положении фиксации и свободном положении запорного стержня.
Показанная на фиг. 1 и 2 конструкция имеет дополнительную особенность. Даже если контакт упора кулачка происходит на одном отрезке упора, вращение кулачка ограничивается таким образом, что для поджимания запорного стержня в положения фиксации и свободном положении используются различные радиальные участки упора. Как показано на фиг.8, упор 160 кулачка соприкасается со втулкой для оттягивания запорного стержня участком поверхности 272, показанным сплошной линией. Упор 160 кулачка соприкасается со втулкой для расфиксации запорного стержня участком поверхности 274, показанным сплошной линией. Поскольку эти участки имеют различное радиальное положение на упоре 160 кулачка, износ упора 160 кулачка сводится к минимуму.
При помещенной в канале державке поворот кулачка 150 по часовой стрелке, показанный на фиг. 8, вызывает движение упора 160 кулачка, который смещает втулку и передает усилие на запорный стержень. Когда втулка сжимает пружину, это усилие также передается запорному стержню. Для того чтобы добиться правильной фиксации запорного стержня, нередко усилия пружины превышают 1000 фунтов (4482 H). Это усилие передается через кулачок в форме крутящего момента, когда запорный стержень 95 перемещается между положением фиксации и свободным положением. В целом поворотный кулачок вращают с помощью ручного инструмента, такого как гаечный ключ, и большое развивающееся усилие пружины передается через кулачок на гаечный ключ в форме большого крутящего момента. В результате при переходе из положения фиксации в свободное положение возможна нежелательная отдача.
На фиг.9 показаны перемещение упора кулачка и пружины из положения фиксации A запорного стержня, соответствующего повороту на 0o в свободное положение B, соответствующее повороту кулачка на 135o. Линия 280 отображает перемещение упора 160 кулачка в точке соприкосновения со втулкой 195 при повороте кулачка из положения фиксации в свободное положение. Как уже упоминалось ранее, положение фиксации кулачка 150 в действительности соответствует повороту на -5o, однако для данного случая это не будет показано на фиг.9. Излучение линии 280, показанной на фиг.9, показывает, что уклон постепенно становится круче по мере приближения кулачка к положению расфиксации. Эта же линия показывает профиль перемещения пружины до того момента, когда втулка 195 коснется фланца 240 запорного стержня, что может произойти при повороте приблизительно на 40o. Это будет положением запорного стержня 95 между положениями, показанными на фиг.1 и 2. В этой точке, при дальнейшем вращении кулачка пружина больше не разжимается, во запорный стержень перемещается в направлении, указанном стрелкой 119 для освобождения державки 10. Однако в то время, когда вращение кулачка влияет на смещение пружины, к столбцу кулачка прикладывается значительное усилие, которое создает большой крутящий момент. Когда при наличии типичной группы пружин усилие сжатия превышает 1000 фунтов (4482 H), усилие и соответствующий крутящий момент, передаваемый кулачком и требующийся для фиксации и расфиксации запорного стержня 95, становятся значительными при возрастании важности возможной отдачи.
Желательно создание конструкции, в которой устранена возможность отдачи, и на это нацелен второй вариант реализации настоящего изобретения. За счет изменения формы столбца кулачка за счет отхода от цилиндричности можно изменить смещение пружины по всему диапазону хода. Вновь обратившись к системе, показанной на фиг.1, можно указать, что если в канале 70 не размещена державка 10, то при повороте цилиндрического кулачка 150 из свободного положения в положение фиксации весь узел, состоящий из запорного стержня 75, втулки 195, пружины 200 и торцовой крышки 205, перемещается как единое целое, так как смещается упором 160 кулачка. При такой компоновке отсутствует относительное перемещение между втулкой 195 и запорным стержнем 95. Только когда движение запорного стержня 95 ограничивается державкой 10, движение кулачка 150 воздействует на втулку 195 и сжимает пружину 200. Именно это движение ведет к появлению кривой 280, обнаруженной на фиг.9.
Обнаружено, что за счет изменения профиля упора кулачка можно оказать благоприятное воздействие на смещение пружины с целью увеличения диапазоне поворота, в течение которого происходит ее разжимание (или сжатие), и дополнительно создания силы трения на упоре кулачка с целью устранения усилия отдачи, возникающего при использовании строго цилиндрического упора. За счет размещения по длине упора кулачка эксцентричного выступа можно свести к минимуму смещения пружины, непосредственно воздействующее на вращение кулачка. В частности, упор кулачка может препятствовать разжиманию (или сжатия) пружины, так что можно уменьшить крутящий момент кулачка. Кроме того, смещение пружины можно распределить для разжимания (или сжатия) пружины по более широкому диапазону вращения кулачка, сведя за счет этого к минимуму большое усилие, передающееся при коротком повороте путем замены его меньшим усилием, переданным при более длинном повороте.
Кроме того, за счет распространения вращения кулачка на разжимание (или сжатие) пружины усилие распределяется на столбец кулачка во вращательном положении столбца, предлагающем меньший рычаг передачи момента, что способствует дальнейшему уменьшению крутящего момента.
На фиг.10 показан кулачок 150, имеющий упор 160 кулачка с тремя отдельными сегментами 161, 162 и 163. Сегменты 161 и 162 имеют профили, идентичные ранее рассмотренной форме; однако сегмент 163 включает дополнительный выступ 290. На фиг.11 показан кулачок 150 с упором 160 кулачка, имеющим один сегмент 164, профиль которого идентичен профилю сегмента 163 на фиг.10. На фиг. 12 показано поперечное сечение упора 160 кулачка, выполненное через сегмент 163 с фиг.10 или сегмент 164 с фиг.1. При радиусе r1 упора кулачка по сегментам 161 и 162 сегмент 163 включает дополнительный выступ с радиусом r2, который сливается с радиусом r1, образуя непрерывную поверхность. Используя в качестве базы линию 167, пересекающую осевую линию 165 упора 160 кулачка и осевую линию 155 кулачка 150, получаем, что максимальное отклонение от радиуса r1 будет иметь место под углом отклонения от базы приблизительно 65o. Это приходится приблизительно на середину хода поворотного кулачка. Величина радиуса r2 приблизительно равна расстоянию, которое проходит запорный элемент 115 от основания откоса 116 до той части откоса 116, в которой запорный элемент вступает во взаимодействие с трубчатым хвостовиком. Это расстояние называют средним запорным шагом.
Напомним, что на фиг.1 показано, что вращение кулачка 150 при отсутствии на месте державки 10 вызывает перемещение запорного стержня 75, втулки 195, пружины 200 и торцовой крышки 205 как единого узла без смещения отдельных элементов относительно друг друга. Кроме того, цилиндрический столбец 160 кулачка будет свободно поворачиваться в сквозном отверстии 180 запорного стержня между ведомой поверхностью 185 запорного стержня 95 и ведомой поверхностью 197 втулки 195. Модифицированный кулачок приведет к получению иного результата. В частности, как показано на фиг.14-16 и как будет более подробно объяснено далее, модифицированный кулачок 150 будет действовать как клин между ведомой поверхностью 185 запорного стержня 95 и ведомой поверхностью 197 втулки 195, раздвигая их во время вращения. Даже при отсутствии запорного стержня 95 в канале 70 поворот кулачка 150 вызовет сжатие пружины до максимальной величины, равной разности между r2 и r1.
На фиг. 12 показан кулачок в положении фиксации, соответствующем А на фиг.8. На фиг.13 показан кулачок в свободном положении, соответствующем B на фиг. 8. Кроме того, на фиг.14 и 15 показаны база 75 державки и державки 10, идентичные рассмотренным ранее и показанным на фиг.1 и 2, за исключением того, что теперь кулачок 150 имеет упор 160, сходный с показанным на фиг.10 или 11. При повороте кулачка 150 из положения фиксации в положение расфиксации втулки 195 будет следовать по первому сегменту 161 и второму 162 упора 160 кулачка (или упора 164 кулачка) аналогично описанному ранее. Однако, при внесении в конструкцию корпуса 290, когда запорный стержень 95 перемещается из положения фиксации в положение расфиксации, причем общим результатом этого поворота является предоставление пружине возможности разжимания при одновременном возникновении тенденции к созданию усилия отдачи, выступ 290 будет воздействовать на ведомую поверхность 185 запорного стержня 95, слегка разделяя таким образом фланец 240 запорного стержня и втулку 195. Это в свою очередь приведет к сжатию пружины, заставляя ведомые поверхности 185 и 197 запорного стержня 95 и втулки 195 соответственно зажать столбец 160 кулачка. Линия 282, показанная на фиг.9, представляет смещение пружины, вызванное этим относительным перемещением между запорным стержнем и втулкой. В середине поворота кулачка под углом приблизительно 65o смещение пружины достигает максимума.
При использовании чисел, которые, как можно полагать, являются представительными для данного изобретения, максимальное смещение запорным стержнем 95 и втулкой 195 происходит при повороте приблизительно на 65o и равняется примерно 0,05 дюйма (1,27 мм), как показано линией 282. Эта величина 0,05 дюйма (1,27 мм) соответствует максимальному смещению пружины, необходимому для получения средних запирающих усилий. Как показано линией 282, при использовании кругового кулачка, рассмотренного на фиг.1 - 8, смещение пружины на 0,05 дюйма (1,27 мм) должно произойти при повороте на 40o. При модифицированной форме выступа, показанной на фиг.10 и 11, отклонение пружины согласно линии 280 допускается только до тех пор, пока кулачок мешает такому отклонению, как показано линией 282.
Для наглядности линия 280 наложена на линию 282 с целью показать действительное отклонение пружины модифицированным выступом. Фактическое отклонение пружины показано верхними сегментами пересекающихся линий 280 и 282. Величина отклонения пружины под воздействием выступа располагается в диапазоне от 70o до 135o, превышая 60o, в отличие от конструкции, в которой на кулачке отсутствует выступ, где все отклонение происходит в диапазоне поворота от 0o до 40o, или 40o.
На фиг.14 показан кулачок с модифицированным выступом, помещенный в базе державки 75. Выступ 290 виден в положении прилегания к ведомой поверхности 185 запорного стержня 95. Когда кулачок 150 поворачивается по часовой стрелке в положение фиксации, выступ будет действовать в качестве клина на ведомую поверхность запорного стержня, увеличивая таким образом сжатие пружины до степени, превышающей достигаемую при первоначальном профиле кулачка в начале поворота, но одновременно внося трение, мешающее вращению. Это показано промежуточным положением, изображенным на фиг.16.
Дальнейшее вращение выводит выступ 290 из контакта с ведомой поверхностью 185 запорного стержня, так что в конечном счете с ведомой поверхностью 185 соприкасаются только круговые части кулачка (161, 162 с фиг.10 или 164 с фиг.11). На фиг.15 показан кулачок 150 в положении фиксации.
Эффект, создающийся смещеным выступом 290 на центральном участке 163 упора 160 кулачка, может быть удвоен, если центральный участок 163 сохранит цилиндрический профиль, а верхний участок 161 и 162 будут каждый иметь выступы, подобные выступу 290. Желательный эффект достигается в течение того времени, когда разжимание (или сжатие) пружины распространяется на более широкий диапазон вращения по сравнению с достижимым с помощью круглого кулачка, рассмотренного на фиг.1-8.
В заключение следует отметить, что ориентация выступа 290 может быть сдвинута на 180o, так что контакт вместе запорного стержня 95 имеет место со втулкой 195. Однако, как можно видеть из фиг.10, при таких обстоятельствах может оказаться необходимым заменить сегмент 161 и 162 на сегмент 163.
Описан кулачковый механизм, который может использоваться для придания возвратно-поступательного движения запорному стержню для быстрой замены разцедержавки с целью закрепления державки в базе державки или извлечения державки из базы державки.
Изменения в описанные конкретные варианты реализации изобретения можно внести, не отступая от объема изобретения, который может быть ограничен только объемом прилагаемой формулы изобретения.
Изобретение относится к области металлообработки и предназначено для быстрой замены инструментальной головки при ее извлечении из базы державки или закреплении на базе державки. Закрепление и раскрепление инструментальной головки в базе державки производится с помощью запорного стержня, совершающего возвратно-поступательные перемещения под действием поворотного кулачка, который взаимодействует также с пружиной, установленной на запорном стержне. 2 с. и 25 з.п.ф-лы, 16 ил.
| SU патент N 4747735, B 23 C 5/26, 1988. |
