快速松脱卡头装置 本申请是申请号为08/456,184悬而未决申请的部分继续申请，所述悬而未决申请于1995年5月31日提交并在此引作参考。
本发明涉及一种快速松脱卡头装置，用于把动力刀头或工具夹持在工具机上，更为具体地说，涉及这样一种快速松脱卡头装置，它可以与一驱动主轴相配接并包含一弹簧加载装置用于沿径向和沿轴向锁定一工具柄部。
在本技术领域中，已知有各种各样的装置用在轻便的固定式特形铣、层板修边机、无浆砌墙切割机等等上面，以便把动力工具或动力刀头固紧或夹持于工具机的主轴。比如，在本技术领域中已知有各种各样筒夹式工具夹持装置和快速松脱转接器。Wozar的美国专利No.5301961描述了这样一种光盘。同样，Martindell的美国专利No.4692073公开了一种动力刀头卡头装置，采用一种围绕驱动主轴设置的弹簧推压式套筒，用于沿轴向把动力刀头固紧于卡头装置。
任何用以把一种动力刀头，比如特形铣刀头，夹持于一驱动主轴的筒夹或卡头装置必须相对于驱动主轴能在沿轴向和沿径向两方面锁定动力刀头。换言之，动力刀头相对于驱动主轴不能转动或者相对于它不能沿轴向移出移进。从精度与安全方面考虑，对于高速工具机来说，这种关注尤其重要。在传统的装置中，一种比较简单的用于在转动方面固紧刀具的装置包括在工具的端部上形成一六角形或其它多边状外形，此端部配装到一制成在卡头装置之中的相应多边状深孔中去。另一解决办法是，筒夹式卡头采用一种可压紧的筒夹，用于沿轴向和在转动方面夹持刀具。筒夹式卡头有用之处在于，它们不依靠刀具中的一多边状结构来夹持工具。因而，任何形式的具有基本上圆形柄部的动力刀头或工具可以由一筒夹式卡头予以夹持。不过，筒夹式卡头不具有在许多应用场合中所需要的快速更换或快速松脱功能。例如，人们希望诸如特形铣、层板修边机等轻便工具机配备有快速松脱卡头装置，以便更为快速和方便地更换刀具。然而，使用传统的快速松脱装置时，工具柄部必须是多边状地，以配装在形成于快速更换卡头装置之中的相应孔眼里面。在本技术领域中可能希望具有一种能够用于任何形式刀具的快速更换卡头装置，包括具有基本上圆形工具柄部的刀具，用于增大采用这种卡头装置的工具机的通用性和操作简易程度。
因此，本发明的一项主要目的是提供一种快速更换卡头装置，用于把一刀具或加工器具固紧于工具机的驱动主轴。
本发明的再一项目的是提供一种通用型快速更换卡头装置，能够夹持具有圆形工具柄部的刀具。
本发明的又一项目的是提供一种快速动作、快速更换卡头装置，其中，一刀具可以方便地插进和撤出，不必把工具的一个多边状外形对正于装置中的一个多边状孔眼。
本发明的另一项目的是提供一种可克服刀具锁住在卡头装置里面这一难题的快速更换卡头装置。
本发明的再一项目的是提供一种快速更换卡头装置，可形成对于包括工具柄部和卡头装置各夹紧部件的应力水平的控制。
本发明再有另一项目的是提供一种快速更换卡头装置，可保证卡头装置操作简易和重量减小。
本发明还有另一项目的是提供一种通用的快速更换卡头装置，可对卡头装置的滑脱扭矩(slip torque)作更好的控制。
本发明的其它一些目的和优点部分地叙述在以下的说明之中，部分地将从说明显然可见，或者可从本发明的实施中获知。本发明的各项目的和优点可以借助于在所附各项权利要求中所具体指出的各种手段和组合而予以实现和获取。
为达到这些目的并按照本发明的用途，提供了一种快速更换卡头装置，包括一主体件，它具有一形成于其中的深孔，用于容纳一圆形工具柄部。主体件还包括多个形成于其上的、与深孔连通的带锥度槽。一外部套筒件围绕主体同轴设置并可相对于主体件沿轴向移动。外套筒件还包括一匹配每一带锥度槽的带锥度内直径销柱靠合表面。一轴向弹簧装置相对于套筒件和主体件设置以便相对于主体件沿纵向把套筒件偏置于一偏压位置。套筒件可以克服弹性装置的偏置力沿轴向被推移到一松脱位置。此快速更换卡头装置还包括有带锥度销柱，座放在形成于主体件上的各带锥度槽里面。在外套筒的偏压位置，各带锥度销柱接触外部套筒销柱靠合表面并在各槽里面沿径向向内受压，以致伸进深孔并以线接触方式靠合插进深孔的圆形工具柄部。当外部套筒被推向其松脱位置时，各销柱可沿径向向外移动。
主体件最好是包括一凸缘表面，同时外部套筒包括一与之面对的座台。弹簧装置设置在凸缘与座台之间。外部套筒件最好由弹簧装置相对于主体件沿轴向向后偏置，并包括一外部周向表面，该外部周向表面可由操作者抓推以便把外部套筒件沿轴向向前推移到其松脱位置。在一另外的实施例中，外部套筒件可以相对于主体件沿轴向向前偏置且可通过操作者抓握住外套筒件并沿轴向向后推移而移置其松脱位置。
形成在主体上的各带锥度槽在纵向上带有锥度，并且还形成一沿纵向延伸的通向深孔的开孔。这一开孔的尺寸定得，每一带锥度销柱的一部分沿着销柱的整个长度伸进所述深孔，从而在销柱与插进深孔的工具柄部之间形成线接触。开孔的尺寸定得各带锥度销柱的前端或狭窄部分不会通过开孔而落入深孔中并因而阻止工具柄部插进深孔。外部套筒销柱靠合表面沿纵向倾斜的程度可在外部套筒移向其偏压位置时均匀地径向向内迫压各带锥度销柱，以致各销柱的形成线接触的部分基本上平行于一穿过深孔的中心线移动。各带锥度的销柱靠合表面最好是在外部套筒内直径表面上形成的沿径向延伸的各径向沟槽。这些沟槽的半径沿着各销柱的长度均匀地大于各带锥度销柱的半径，以致沿着各带锥度销柱的每一侧形成了一个斜坡部分。
在一另外的实施例中，设置有邻近并与外部套筒件的各内直径销柱靠合表面间隔开的沿轴向延伸的长槽缝。其次，每一这种槽缝可以制成得穿过一圆筒形钢制嵌套，该嵌套被压配到围绕嵌套同轴设置的一聚合物套筒里面。圆筒形嵌套围绕主体件同轴设置，并可相对于主体件沿轴向移动。圆筒形嵌套形成有多个独立的销柱靠合表面，各自设置得面对单独一个形成在主体件上的带锥度槽。每一销柱靠合表面沿纵向带有锥度，而每两个销柱靠合表面由前述的一条长槽缝隔开，此槽缝沿轴向向前延伸并终结于一应力缓减开孔。嵌套的柔性由嵌套的径向厚度、槽缝的宽度、槽缝的长度和制成嵌套的钢材类型特别是其硬度来控制，此硬度受热处理质量影响。当卡头夹住一工具的柄部且操作者使外部套筒和嵌套相对于主体件沿轴向移动时，压靠嵌套的各销柱靠合表面的各销柱使各槽缝在周向上扩展，从而协助工具柄部的松脱。
最好是，装置还包括一接合装置，用于把快速更换卡头装置操作连接于一驱动主轴。此接合装置可包括在主体件一端处的一阴螺纹装放部分，用于以螺纹方式接合一阳螺纹驱动主轴。另外，主体件可包括在其一端处的一阳螺纹接合部分，用于以螺纹方式接合一驱动主轴的阴螺纹装放部分。在又一项实施例中，主体可以是一工具机的驱动主轴。而在再一项实施例中，接合装置可以包括一锁定装置，用于把主体件锁定在一驱动主轴的装放座孔里面。
本发明还包括一种工具机，设计得用于驱动一刀具。这种工具机包括一可驱动的主轴和一种有如上述配接于主轴的快速更换卡头装置。此工具机可以是比如一特形铣或层板修边机，此快速松脱卡头可以以螺纹方式接合工具机的主轴，或者可松脱地配装到主轴的座孔里面，或者与主轴制成一体。
图1是本发明快速更换卡头装置的一列式透视图；
图2是沿着所示直线所取的示于图1的装置的侧视剖视图；
图3是本发明装置的一列式部件视图；
图4A是形成在快速更换卡头装置的主体件之中的带锥度沟槽以及配装的锥形销柱的分解视图；
图4B是一类似于图4A的分解视图，并特别表明形成在外部套筒中的相应于各锥形销柱和锥形沟槽的锥形销柱接合表面；
图4C是由一工具柄部施加于各销柱上的转动力所造成的、各锥形销柱在相应各沟槽里面的移动的透视图；
图5是本发明快速更换卡头装置的局部切除透视图，此装置配有一驱动主轴；
图6是将快速更换卡头装置接合于一驱动主轴的另一装置的局部切除透视图；
图7A和7B是一装有本发明快速更换卡头装置的一工具机，比如一特形铣床(router)的示意图；
图8是本发明套筒件的另一实施例的立面透视图；
图9是图8开缝式套筒实施例部分以剖面形式和部分以断开形式表示的立面透视组装图；
图10是快速松脱卡头装置另一实施例的前视平面图，包括有图8和9的开缝式套筒件实施例并以虚线表明工具柄部和套筒件细节；以及
图11是沿着图10直线11-11所取的剖面视图，但以虚线表明各个销柱和开缝的未受力状态并略去主体件以便更为清晰地表明开缝式外部套筒件的细节。
现在详细说明本发明当前的各最佳实施例，其一或多个范例示于附图之中。所提供的每一范例在于解释本发明，而不在于限制本发明。事实上，对于本技术领域的熟练人员来说，显而易见的是，在本发明中可以作出各种各样的修改和变更而不偏离本发明的范围和精神。比如，作为一项实施例的一部分所图示和说明的一些特征可以用在另一项实施例上面而产生又一项实施例。因而，企望的是，本发明概括了处于所附各项权利要求及其对等表述的范围之内的这些修改和变更。各图中的零部件标号遍及申请书各处都是一贯的，即同样的零部件在每一附图中具有同样的标号。
具体参见图1至4，它们提供了一种快速更换卡头装置10。装置10包括一主体件12。主体件12设计得可由一驱动主轴36带动，具体地见于图5和6。因此，可以采用多种多样的结构以使装置10配接主轴36。比方如图5所示，主体12可以包括一形成于其端部的阴螺纹安装段或部分38，用于接合驱动主轴36的一阳螺纹部分40，具体地示于图2和5。另外，主体件12可以包括一阳螺纹部分，用于接合成形于一驱动主轴上的一阴螺纹安装部分(未画出)。在又一另外的最佳实施例中，装置10可以设计成一种嵌套装置，可以插进一驱动主轴36的一安装座孔44之中，比如具体地示于图6那样。在此实施例中，装置10可以由任何传统的装置固定在座孔44之中，诸如一固定螺钉42接合形成于主体件12上的一凹槽43。装置10可以借助于任何适当的定位装置固定在驱动主轴上面。
在本发明又一另外的实施例中，主体件12可以形成于驱动主轴本身上。换言之，驱动主轴36和主体12可构成一整体结构。
装置10还包括一外套筒件。此外套筒件的一项实施例由标号20标示并示于图1-6。此外套筒件的另一实施例由标号120标示并示于图8-11。两项实施例具有共同的特征，它们将在其各个图中以相差100的编号予以指明。
外部套筒20、120围绕主体件12的前段共轴设置。如图2和9所示，外部套筒20、120最好是包括一个操作者容易抓持的突出外周部分33、133。就此而言，部分33、133还分别包括一握力增强表面32、132。外部套筒20、120可以相对于主体件12沿轴向在示于图2中的一偏压或锁定位置与一松脱位置(未画出)之间移动。为此，一轴向弹簧装置24，诸如一弹簧垫圈，可操作设置在主体件12与外部套筒20、120(未画出)之间，以便把套筒20、120偏置于其偏压位置，如针对外部套筒20的图2所示。
如图2所示，主体12可以包括一前部凸缘28。一座台表面30、130制成在外部套筒20、120上并成形和设置得面对主体件12的前部凸缘28。轴向弹簧装置24设置在座台30、130与凸缘28之间并沿轴向迫使套筒件20、120向后。一固定卡或固定件46装在一形成在主体件12上的一相应槽47(图3)之中以限制套筒20、120的向后轴向移动。
操作者抓握外周部分33、133并克服弹簧24把外部套筒20、120向前拉拽可使套筒20、120克服弹簧24的偏置作用而沿轴向向前移动。
在示于各图的实施例中，所示外部套筒20、120沿轴向向后受偏压并且可由操作者使之在向前方向上移动。尽管在各图中没有示出，但是，在本发明中可以预期的是，外部套筒20、120可由弹簧装置24沿轴向向前受偏压并由操作者抓握外部套筒20、120的表面32、132并在向后方向上拉拽套筒20、120而使之移动到其松脱位置。
比方如图3所示，主体件12还包括在其上形成的多个带锥度的槽18。各槽18通向一穿过主体件12而形成的深孔或内部通路。深孔或通路14的尺寸定得以便容放一有待插进装置10的一刀具的圆形工具柄部16(图1和2)，如图中一般所示。各槽18通过一纵向开孔48通向深孔14，如图4A中具体所示。
装置10还包括一带锥度的销柱26，座放在每一带锥度的槽18之内，如图中一般所示。如图2和4A-4C具体所示，各销柱26座放在各槽18之中，从而销柱26的一部分通过开孔48沿着销柱26的整个长度伸进深孔14。不过，在一另外的实施例中，各槽18可以成形得只允许销柱26的部分长度伸进深孔14。其次，应当理解，开孔48的尺寸定得可使各销柱26的一周向部分伸进深孔14而不让各销柱26的较小或锥端27(图4A)落进或坠入深孔14。换言之，开孔48宽到足以使各销柱26的一部分沿着销柱的整个长度伸进深孔14，但又窄到足以把整个销柱26夹持在槽18之内。还应当理解，尽管各销柱26带有圆锥意义上的锥度，但是槽18在槽18的开孔48形成其上的底部形成了一个比较平的或水平的座放表面，从而销柱26的伸过开孔48的那一部分处于基本上平行于穿过主体件12的一条中心轴线19(图3)的平面之内。
套筒件20、120还包括各带锥度的销柱靠合表面，用于在套筒20、120的偏置位置上接触并沿径向向内迫压各销柱26，比方如图2、4B和10所示。各带锥度的销柱靠合表面最好是形成为形成在套筒件20、120内直径表面上的辐射式(radiused)沟槽22、122。沟槽22、122的半径沿其整个长度成比例地大于销柱26的半径，从而分别沿着各沟槽22、122的两则基本上形成“斜坡”部分23、123。这样，各沟槽22、122在套筒件20、120偏压位置上不会把各销柱26锁定在各槽18里面，而允许各销柱26在各槽里面移动，以下将更加完整地予以说明。
在图2所示的位置上，工具柄部16已经插进深孔14。套筒20已经由操作工松脱并且已经由轴向弹簧装置24迫使其轴向向后抵住固定卡46。套筒20的各带锥度的靠合沟槽22靠合销柱26的带锥度表面并均匀地迫使销柱26沿径向向内。销柱26的一部分因而被迫通过纵向开孔48沿着销柱26的整个长度以水平或平行接触线靠合工具柄部16。为了从装置10上松脱工具柄部16，操作工只须抓握住套筒20(或120)并沿轴向向前克服弹簧24的作用力拉拽套筒。这样，带锥度的靠合表面22(或122)被沿轴向前移，并从而允许各销柱26在槽18里面沿径向向外移动。操作工随后可抓握住工具柄部16并把柄部拉出装置10。
各带锥度的销柱26与相应的各带锥度的靠合沟槽22、122的关系使工具柄部16在轴向和径向上锁定在装置10里面。在图2所示的实施例中，工具柄部16沿轴向座靠于深孔14的后部端面17，并因而防止了工具柄部16朝向装置10的轴向移动。在一另外的未作图示的实施例中，深孔14可以不具有后部端面17，而可以直接与螺纹孔38连通。各销柱26和各沟槽22、122的锥度或“夹”角一般小于8度，而最好是在2至6度之间，以便使各锥度表面之间的夹紧力最大。申请人发现，在2至6度之间的锥度范围在装置10的高转速应用场合中可提供充分的夹紧力，比如与特形铣的配用场合。此外，趋向于把工具柄部16拉出装置10的任何移动或力量一般地都趋向于迫使各带锥度的销柱26抵靠靠合表面22、122，从而使各销柱26进一步“楔”紧柄部16。这样，柄部16的向前轴向移动得以防止。
据认为，柄部16相对于装置10的转动运动由于各销柱26、各沟槽22(或122)以及各槽18的独特结构而得以防止。工具柄部16的转动而施加于座放在槽18里面的各带锥度的销柱26上面的转动力可分别使各销柱26趋向于沿周向围绕工具柄部16在各槽18里面作轻微移动或“滚动”并抵靠各沟槽22、122的斜坡部分23、123而楔紧和锁定。此外，特别参见图4C，由于各销柱26抵靠柄部16的接触线基本上平行于穿过装置10的纵向中心线，所以，各销柱26并非可绕其轴线自由转动，而从工具柄部16加于各销柱26的转动运动都使各销柱趋向于在它们转动的同时又在各槽18里面作枢转，类似于一圆锥在平面上的滚动。这种枢转运动趋向于使各销柱26在各槽18里面呈倾斜状态，以致各销柱26的对置端部边沿分别楔紧各沟槽22、122的斜坡部分23、123，进一步防止各销柱26的转动运动，如图4C中具体所示。
在示于图8-11的外部套筒件120的另外一项实施例中，与外套筒件120的每一内直径销柱靠合表面122相靠近并相隔开，设置了一沿轴向延伸的长槽缝130。此外，每一这样的槽缝135可以穿透一圆筒形钢制嵌套121形成，嵌套121压配到一围绕嵌套121同轴设置的聚合物套筒125之中。聚合物套筒125的质量小于同样尺寸的金属套筒并比较容易用手抓握。此外，聚合物套筒125比带有各长槽缝的金属套筒美观。圆筒形嵌套121围绕主体件12同轴设置，而嵌套121和聚合物套筒125相对于主体件12可一起沿轴向移动。
按照本发明的这一槽缝式套筒实施例-它特别适于控制各销柱26、工具柄部16和外部套筒之间的应力水平，把聚合物套筒125与一具有至少一条长的沿轴向延伸的槽缝135的较薄钢制嵌套121结合起来而形成的外部套筒具有较大的挠性。比方如图10所示，圆筒形嵌套121的内表面设置有多条带锥度沟槽122形式的分离的销柱靠合表面，各自设置得面对形成在主体件12上的一条带锥度的槽18。每一销柱靠合表面122是沿纵向带锥度的，且每两个销柱靠合表面122由一条长槽缝135(图10中以虚线画出)隔开，槽缝135沿轴向向前延伸并终止于一应力缓减开孔137。
在涉及锁定刀具柄部的应用场合，从卡头中撤除工具可能是困难的。据认为，各销柱26和刀具柄部16可能产生相互的弹性变形。一当它们如此一起变形，就很难为了从卡头中松脱柄部并撤出刀具而从柄部16上解脱各销柱26。
按照本发明，外部套筒120具有足够的挠性，在操作者希望从卡头中撤出工具时操作者能使外部套筒稍微扩张而松脱柄部。嵌套121从而外部套筒120的柔性由嵌套121的径向厚度、槽缝135的周向宽度、槽缝135的长度和形成嵌套121的钢材类型包括钢材硬度在内来控制。这一硬度受钢制嵌套121的热处理质量的影响，嵌套121必须成形和热处理得能够保持足够的刚性，以便在卡头装置使用期间夹持工具柄部。当卡头夹持一工具的柄部16且操作者使聚合物套筒125和嵌套121相对于主体件12轴向移动时，压靠嵌套121各销柱靠合表面122的各带锥度销柱会使嵌套121的直径在与各销柱26接触区域附近有所增大。各槽缝135通过在周向有所扩大而适应直径的这种局部增大，借此协助工具柄部16的松脱。如图11简略所示，每一槽缝135的周向宽度从标示为160、161的点划线位置扩展到标示为170、171的实线位置。此外，比方如图8、9和11所示，由于形成一设置得与每一沿轴向延伸的长槽缝135的前端连通的应力缓减开孔137，各槽缝135的有效性进一步得到提高。
尽管未示于各图之中，但最好是提供一种转动位置锁定或对正装置，比如一种传统的锁定键和键槽，于套筒件20、120与主体件12之间，以便当工具柄部未被夹持在装置10之内时保持各沟槽22、122正对各槽18。另外，一种标记系统可以用来使操作者在把工具插进装置之前使各沟槽22、122与各槽18对正。
本发明还涉及任何一种设计得采用上述快速更换卡头装置的用以驱动一刀具的工具机。比如，参见图7A和7B，其中以示意方式表明一传统的工具机50。工具机50可以包括一如图所示的特形铣，或者诸如层板修边机(laminate trimmer)等任何形式的工具机，或者任何其中需要采用一如上述的一种快速更换卡头装置10的工具机。在图7A的实施例中，装置10通过一适当的锁定装置42，诸如上述的螺纹接合装置或插座装置，配接于工具机50的驱动主轴36。在图7B的实施例中，装置10与驱动主轴36制成一体。
本发明适合于任何形式的、其中刀具必须转动驱动的工具机。这种装置特别适合于诸如特形铣或者层板修边机等需要较大转动速度的应用场合。不过，这决不意味着是对本发明的一种限制。事实上，对于本技术领域中的熟练人员来说，显而易见的是，在本发明的装置中可以作出各种各样的修改和变更而不偏离本发明的范畴或精神。因而，企望的是，本发明概括了本发明的各项修改和变更，倘若它们都处于所附各项权利要求及其对等表述的范围之内。