带有扭矩限定装置和最 终上紧斜面的卡头 本发明涉及用于可松脱地卡持工具(比如钻头)的卡头，特别涉及那种可以简易地操作以便非常牢固地卡持一件工具而不需要一扳手来把卡头上紧在工具上。
带有用于施加最终上紧扭矩于卡头以牢固地卡持一工具的卡头是广为人知的。虽然这种卡头一直是很为成功的，但它们具有某些缺点。比如，扳手必须在卡头的高速转动(比如在钻削作业中)之前从卡头卸掉。没能拿掉扳手会在高速转动时使卡头失衡，或者导致扳手从卡头沿着一径向以一可能不安全的方式甩出。尽管扳手因而必须经常地从卡头卸掉，但扳手却又必须以某种方式与卡头保持在一起，不然它会遗失的。
由于带扳手卡头的这些缺点。近年来对于可以用手操作而不需要扳手的卡头的兴趣日益增加(请见比如Huff等人的美国专利5125673和Jordan等人的美国专利5215317)。某些这种无扳手卡头一直很为成功，但总还是具有进一步改进的余地。
一件卡头要为人们所接受，就必须能够非常牢固地夹住一工具。具有较细螺纹的卡头各夹爪适合于这一目的，因为细螺纹产生较大的机械效益。不过，细螺纹使得卡头动作较慢，从而使得这种卡头对某些使用者来说是存有异议的，甚至是不可接受的。一种卡头的操作还应当尽可能地简单易行。比如，操作工最好能够使用一种单一、简单类型地动作来上紧和松开卡头。卡头还应当在每次使用之后可以可靠地和自动地复位，以致不需要操作工从事另外的重新调定操作。
鉴于上述，本发明的一项目的是提供经过改进的卡头。
本发明的另一项目的是提供可手动操作的、无扳手卡头，不需要特别的细夹爪螺纹以非常牢固地夹持一工具，而实际却比传统带有细螺纹的无扳手卡头卡持得还要牢固。
本发明的再一项目的是提供可手动操作的、无扳手卡头，只要求操作工完成一种单一的易行的动作来上紧或松开卡头，而且在每次使用之后以非常可靠的方式自动地复位。
本发明的这些和其他目的是按照本发明的各项原理以下述方式予以实现的，即为卡头在(1)用手转动以使卡头上紧于一工具上的卡头部件(一般是一套筒)与由套筒使之转动以推进卡头各夹爪夹紧工具的卡头部件(一般是一螺母)之间配置一扭矩限定装置。当各夹爪已经在一工具上上紧到一预定程度时，进一步上紧的阻力就会使此扭矩限定装置松脱，这样可使套筒相对于螺母而转动。上述各夹爪在工具上的最初上紧也会压紧螺母的面向近侧的表面与一和套筒一起转动的面向远侧的表面之间的许多滚动凸轮随动件(比如滚珠轴承)。当套筒相对于螺母转动时，各凸轮随动件沿着各凸轮随动件被压紧于其间的各表面上的一些分段滚动。至少一个表面上的这些分段沿着各凸轮随动件滚动的方向朝另一表面倾斜，以致各凸轮随动件迫使螺母相对于卡头主体随着各凸轮随动件的滚动而沿轴向前行。螺母的这一前行运动迫使各夹爪进一步前行，从而使卡头各夹爪最终上紧于工具。套筒相对于螺母的转动，特别是在上述各凸轮随动件运作期间，最好是由卡头主体与在各凸轮随动件运作期间相对于螺母转动的部件之间的一些滚动轴承件予以协助。这些滚动轴承件可以是滚珠轴承，但在一特别可取的实施例中，它们是基本上圆柱形的滚柱轴承。
当卡头被再次松脱时，各凸轮随动件不再沿轴向被压紧在它们象上述那样沿之滚动的两个表面之间。一较为轻型的弹簧因而发挥作用以自动地把各凸轮随动件恢复到它们相对于它们沿之滚动的各倾斜表面分段的最初位置。
本发明的其他一些特性、其本质与各种各样的优点将从附图和各最佳实施例的以下详细说明中更加显而易见。
图1是一按照本发明的各项原理制作的示例性卡头的立面视图，部分剖视；
图2是沿着图1中直线2-2剖取的局部剖面图；
图3是沿着图1中箭头3的方向所取的图1卡头一部件的立面图；
图4是沿着图1中直线4-4剖取的局部剖面图；
图5是类似于图1的视图，表明本发明的另一示例性实施例；
图6是示于图5中的装置的某些零件的立面图；
图7是沿着图6中直线7-7所取的剖面图；
图8是沿着图7中直线8-8所取的剖面图。
如图1所示，按照本发明各项原理制作的一种卡头10具有一主体20，带有一个中心纵向孔眼22和三个围绕卡头纵向中心轴12彼此等距离间隔开来的辅助孔眼24(在图1中只看得见一个孔眼24)。孔眼22的近侧(最右)端适合于配装一卡头驱动器(比如一手钻或机钻的轴端)。各孔眼24沿远侧方向(朝向左方)彼此趋近地发生倾斜并连通于孔眼22的远侧段。
一纵向夹爪30设置在每一孔眼24之中。每一夹爪30可沿其纵轴32往复移动。各夹爪30由螺母40使之往复运动。螺母40可转动地装在与轴线12同轴的主体20上并与每一夹爪30以螺纹方式相啮合。因此，螺母40相对于主体20的转动可使各夹爪30一致地移动，或是朝向轴线12或是离开轴线12，这取决于螺母转动方向。螺母40是由环形前部套筒50的转动而使之转动的，套筒50(类似于螺母40)可转动地装在与轴线12同轴的主体20上。一般，扭矩是由圆环60从套筒50传给螺母40的，圆环60设置在与轴线12同轴的部件40与50之间。圆环60的结构和操作下面要详细说明。
在螺母40后面(沿近侧方向)是多个滚珠轴承70，通过设置在以类似方式间隔开来的隔圈72(同样见图4)上的各小孔之中而在一与轴线12同心的环形序列中彼此间隔开来。在示于附图中的特定实施例中，有围绕轴线12彼此等距间隔开来的四个滚珠70。在滚珠轴承70后面(还是沿近侧方向)是一环形凸轮圈80，与轴线12同轴。凸轮圈80，是另一个在下面要详细说明的零件，借助于套筒50上沿径向向内突出而进入凸轮圈80各配接切口82(图3)的各凸耳52而被强迫始终与套筒50一起转动。
凸轮圈80的后面(沿近侧方向)是另一滚珠轴承装置，包括多个借助于隔圈92而在一与轴线12同心的环形序列中彼此间隔开来的滚珠轴承90(隔圈92是选择性的，需要时可以免去)。沿近侧方向，各滚珠轴承90压在主件20上的环形轴承座圈100上。一后套筒110固定于主体20的后部。前端体120压紧到主体20的远侧端并因而把零件40、50和60等卡持在主体20上。不过，允许螺母40平行于轴线12作有限的移动。
圆环60和相关各零件的结构较为详细地示在图2。圆环60具有一对在直径方向上对置的、沿径向和轴向延伸的凸耳62，各自沿径向向内突出而进入螺母40上的沿轴向延伸的配接槽道42之中。螺母40和圆环60因而被迫始终彼此一起转动。圆环60还具有一对在直径方向上对置的、沿径向和轴向延伸的凸耳64，沿径向从其外表面向外突出。每一凸耳64具有一基本上径向的端面64b以及一大致上对置的倾斜端面64a。在每一凸耳64的径向内侧，圆环60具有一沿周向和径向延伸的孔口66，它可使相邻的凸耳64在如下所述的某些条件下沿径向向内移动。
圆环60上的各凸耳64与套筒50上沿径向和轴向延伸的各凸耳54成交指关系。各凸耳54在直径方向上彼此对置并从套筒沿径向向内突出。象各凸耳64那样，每一凸耳54具有一基本上径向的端面54b和一大致上对置的倾斜端面54a。当套筒50沿着图2中箭头56所示方向(即把各夹爪30上紧于一工具所需的套筒转动方向)转动时，套筒50可以相对于螺母40转动，直至各凸耳54的倾斜端面54a接触各凸耳64的倾斜端面64a。这之后，套筒50在方向56上的继续转动会使圆环60从而螺母40在方向56上转动。这样就导致各夹爪30沿远侧方向移动，直至工具被各夹爪夹紧。
当各夹爪接触到工具时，随着各夹爪所施加的工具夹紧力的增加，在方向56上继续转动螺母40就变得越来越困难了。还应当指出，由各夹爪30施加在工具上的夹紧力的另一后果是，出现一种反作用力，促使螺母40沿近侧方向而移动并施加一压力于各滚珠70、凸轮圈80和滚珠90。当必须施加于套筒50以继续在方向56上转动螺母40的手加扭矩达到一预定的门槛扭矩时，圆环60在各凸耳64和各孔口66附近向内挠曲，从而允许每一凸耳54越过它先前与之接触的凸耳64。这种如此说明的结构因而起着一种棘爪式扭矩限定装置的作用。当这种扭矩限定装置的棘爪松脱时，套筒50可以继续在方向56上转动而不再转动圆环60或螺母40。不过，凸轮圈80继续在方向56上转动。由于各滚珠70已经被压紧在螺母40与凸轮圈80之间，所以，各滚珠70开始沿着不转动的螺母40和转动的凸轮圈80二者的相互对置的端面作滚动。随着各滚珠70如此地滚动，它们拖带着隔圈72与它们一起。特别要指出的是，在此操作阶段期间，隔圈72围绕轴线12在方向56上转动，其速度是套筒50和凸轮圈80转动速度的一半。各弹簧130，在图4上最清楚地看到是延伸在套筒50与隔圈72之间的，由于套筒50相对于隔圈72的这种转动而伸展(能处于张力增大的情况之下)。
如图3所示，各滚珠70如上所述沿之滚动的、凸轮圈80的表面具有四条弧形槽道84，环绕凸轮圈彼此间隔开来。每一滚珠70滚动在各自的一条槽道84之中。这些槽道具有凹形横截面以互补各滚珠70凸形的外表面。每一槽道84沿着与方向56相反的方向上逐渐变浅。因此，随着凸轮圈80相对于螺母40在方向56上转动，每一滚珠70从相关槽道较深一端84a朝向该槽道较浅一端84b滚动。凸轮圈80从而迫使各滚珠70沿远侧方向而移动。各滚珠70本身又迫使螺母40和各夹爪30沿远侧方向移动，从而牢固地上紧各夹爪30在由卡头卡持的工具上的抓握。每一槽道84的最浅端84b可以稍深于该槽道的紧邻部分，以致相关的滚珠70具有一种滞留在槽道浅端处的趋势，直到如下所述通过反向于方向56转动套筒50而有意地松开卡头为止。
从以上所述可以看出，每一槽道84的底部是一斜坡、倾斜平面，即凸轮表面，而相关的滚珠70作为一滚动随动件，用于把它作为随动件的轴向移动传递给螺母40从而各夹爪30。每一槽道84的坡度是极为平缓的，从而从套筒50在凸轮圈80以刚才说明的方式操作期间相对于螺母40的转动会产生很大的机械效益。应当指出的是，每一槽道84面对大约70度的弧角。因而套筒50要在方向56上转过大约140度的角度以便使各滚珠70从各槽道84的较深端84a滚动到各槽道的较浅端84b。因为各凸耳54在套筒50上相距大约180度以及各凸耳64在圆环60上相距大约180度，所以在各凸耳54和64彼此越过以起始各滚珠70的滚动之后，各滚珠70在各凸耳54重新接合各凸耳64之前到达各槽道84的浅端84b。
当需要松脱卡头而卸掉由各夹爪30卡持的工具时，要反向于方向56而转动套筒50。这样导致各滚珠70从各槽道84的浅端84b滚回到这些槽道的深端84a，从而减轻了各夹爪30作用在工具上的一些压力。在各滚珠70接近各槽道84的较深端时，各凸耳54的径向端面54b接触各凸耳64的径向端面65b。这种接触的结果是，套筒50反向于方向56的继续转动会使圆环60和螺母40反向于方向56而转动。这样可缩进各夹爪30并从卡头上松开工具。当各夹爪作用在工具上的压力充分减轻时，零件70、80，以及90就不再被压紧在螺母40与轴承座圈100之间。这样使得各弹簧130(在套筒50与滚珠隔圈72之间沿周向以拉力起作用)自动地相对于零件50和80转动滚珠隔圈72(需要时)，以致各滚珠70返回到各槽道84的较深端部84a。卡头因而就在每次使用之后完全地和可靠地重新调定，以致它总是准备好以供下次使用。因为各弹簧130只需要在各滚珠70上基本上没有压力时转动隔圈72，所以各弹簧130的力可以较小，以致即使在它们完全伸张时，它们也不会通过强有力地推动各滚珠70从各槽道84的浅端84b滚动到这些槽道的深端而显著地趋向于松解已上紧的卡头。
当接着需要把一件工具夹持在卡头中时，套筒50再次转动在方向56上。这种转动的起初大约180度用来使各凸耳54的倾斜表面54a重新靠合各凸耳64的倾斜表面64a(各滚珠70在套筒50与螺母40之间的这一相对转动期间不滚动，因为各滚珠70此时未被压紧在螺母40与圆圈80之间)。这之后，套筒50在方向56上的继续转动可使圆环60和螺母40在同一方向上转动，从而使各夹爪30沿远侧方向朝有待夹持的工具移动。卡头的操作然后就象以上最初所述那样继续下去。
在卡头10的各项优点之中，有一点是，在卡头上紧于一工具上时，套筒50基本上是从螺母40上解脱的。螺线40的惯性从而就减小了。这样会增强卡头通过阻抗纵向和周向的振动和加速度而保持紧密的能力。
虽然卡头10的各种部件可以用许多适当材料中的任何材料制成，用于套筒50和圆环60的特别可取的材料分别是尼龙和乙缩醛。
应当理解，前述只是为了说明本发明的各项原理，而在不偏离本发明的范畴和精神的情况下可以由那些本领域中的熟练人员作出各种各样的改变。比如，诸如各凸耳54、各凸耳64、各滚珠70以及各槽道84这种零件的数目可以随意改变。如果卡头装在一具有一心轴锁具的工具上，套筒50就可以进一步延伸到后部，而单独的后套筒110可以免掉。作为各种可能的改型的另一实例，各槽道84可以从圆圈80的远侧面挪到相对的螺母40的近侧表面，或者这种倾斜的槽道可以设置在这两者表面上。一些沿径向延伸的滚柱轴承可以用来代替各滚珠70，而各槽道84的形状进行适当的修改以容放这种滚柱而非滚珠。代替各凸耳64向内挠曲以使各凸耳54越过，各凸耳54可以向外挠曲而允许这样的越过。不是具有一些设置得在套筒50一沿转动而返回到相关各倾斜表面54a和64a彼此面对的位置之前彼此接合的各止挡表面54b和64b，各凸耳54和64可以成形得当套筒50在松脱方向上转动时它们很容易彼此越过，然后其他各止动表面(类似于表面54b和64b，但具有至少是不同的各角度位置，以及可能不同的各轴向位置)则可彼此接合以防止套筒50反向于方向56的不带有圆环60和螺母40的类似的卡头-松脱转动的进一步转动。事实上，这些另外的止动表面在需要时可以设置在50和60以外的零件上。作为各可能改型的又一项实例，形成于套筒50与圆环60之间的扭矩限定动作可以另外形成于圆环60与螺母40之间。代替那种示于附图中的可解脱的棘爪式扭矩限定装置，扭矩限定装置可以是摩擦式的。这样一种摩擦式扭矩限定装置利用了以下事实：在其它条件都相同的条件下两个表面之间的静摩擦大于这两个表面间的滑动摩擦。这样，零件50与60之间的静摩擦就可以用来把扭矩从套筒50传输给圆环60直至达到一门槛扭矩，此时减小了的滑动摩擦允许套筒50相对于圆环60转动。
应当指出，本发明所采用的扭矩限定装置最好是“被动的”，意思是，它们不在较大程度上存储能量。所述的可解脱的棘爪式扭矩限定装置和另一种在上面刚刚说明过的摩擦式扭矩限定装置二者都是这样的。这些被动的扭矩限定装置传递施加给它们的扭矩，但不象弹簧，比如，它们不会显著地储存可能导致卡头在它已经上紧于工具之后和在工具正在使用时松脱开来的能量。
本发明的另一实施例示于图5～8。示于这些图中的卡头10′的结构和操作类似于卡头10。因此，同样的一些附图标记用于图5-8中那些与示于图1-4中的各零件相同或类似的各零件。一般说来，没有必要再参照图5-8说明这些零件及其操作，因为结合图1-4已经作了充分说明。
图1-4的卡头10与图5-8的卡头10′之间的主要区别是，基本上圆柱形的各滚柱轴承90′(而非各滚珠轴承90)用于圆圈80与轴承座圈100之间。滚柱轴承90′(有时称作滚针轴承)在此情况下具有许多超过滚珠轴承的优点。比如，因为滚柱轴承比起同样直径的滚珠要具有大得多的支承表面面积，所以各滚柱90′的直径，对于同样或甚至更大的支承能力来说，可以做得比各滚珠90的直径小得多。能够使用较小直径的各滚柱90′会有助于缩短卡头的轴向长度。这在卡头设计中是尤其重要的，不然由于与扭矩限定装置、凸轮和凸轮随动装置等相关的轴向一连串部件而趋向于轴向很长。
图6表明，多个滚柱轴承90′设置成一基本上与卡头的中心纵向轴线12同轴的环形序列。每一滚柱轴承90′的纵向轴线沿径向从轴线12向外延伸。各滚柱90′可转动地设置在一环形隔圈92′(见图6-8)上的各孔口94′之中。各滚柱90′可以由钢材制成，而隔圈92可以由尼龙制成。每一孔口94′的平行于设置在该孔口之中的滚柱90′纵向轴线的每一侧都具有两个向内突出的隆起96′，用于把滚柱卡持在孔口之中。各孔中的所有隆起均平行于该孔中的滚柱的纵向轴线。一个孔口同一侧上的两个隆起沿侧向彼此间隔开来，这两个隆起中的每一个均靠近隔圈92′的两个基本上平面端面中的相应一个。
卡头10与卡头10′之间的另一区别是，卡头10′在卡头前端120内具有一可卸除的装置200。装置200包括一与轴线12同轴的塑料外圈210，以及一与外圈210一体并同轴的橡胶内圈220。外圈210可松脱地卡合于卡头的一般是金属的前端件120之中。内圈220具有一中心孔口222，一诸如钻头的工具的柄部可以穿过此孔口塞进卡头。如果工具柄部大于孔口222，橡胶内圈220可以变形而允许工具柄部进入。假定工具柄部至少与孔口222一般大，内圈220就在卡头各夹爪上紧于工具之前和在工具从各夹爪松脱之后卡持和对中工具。还有，在使用一充分大的工具期间，内圈220可以防止工具柄部周围的碎屑进入夹盘。如果装置200磨坏或损坏了，它可以从前端件120撬出而更换为一类似的新装置200。
将会理解，示于图5-8的实施例仍然只是本发明各项原理的例证。上面在讨论过图1-4之后所提到的各类改型依然可用于图5-8所示的实施例。