专利名称：钻夹头夹爪外螺纹的修形方法
技术领域：
本发明涉及一种钻夹头夹爪外螺纹的修形方法。
背景技术：
钻夹头是各种钻床和手工电钻的主要部件，我国的钻夹头产品占有世界上主要的市场份额。随着电动工具的使用范围不断扩大，对高性能钻夹头的需求不断增加，在精度、灵活性和外观达到要求的前提下，对产品最重要的性能一夹紧力和抗冲击力的要求越来越高。因此，要求钻夹头在满足一定性能要求的前提下，结构尽可能简单，成本降低。现在国内外钻夹头企业，都在进行增加钻夹头夹紧力、抗冲击力方面的研究。由于高性能自锁钻夹头具有高精度、高技术含量、高附加值和高效益等特点，能适应电动工具在震动、冲击场合下可靠地进行钻孔作业的要求；专业电动工具广泛使用的重型扳手钻夹头，具有紧力大、精度准确等特点；因此，近年来国内外高性能自锁钻夹头和重型扳手钻夹头需求量在不断增加，国内外相关企事业单位，也已经把这方面的研究提上日程。
钻夹头工作时由锥形套筒的转动来带动3只均布的夹爪的伸缩，钻头柄部主要是靠锥形螺纹传动自锁夹紧钻头杆部。套筒与夹爪的结合具有特殊性，两者的螺纹型式不同，即套筒上的内螺纹为锥螺纹，其螺旋升角为变值；而夹爪上的外螺纹为圆柱螺纹，其螺旋升角为定值。因此，二者的螺旋线方程不一致，锥面与螺栓在旋合时，横截面内将由两不同曲率的阿基米德螺线相接触，而在凹凸区内形成“干涉效应”。也就是说锥形套筒的锥形螺纹同夹爪的柱形螺纹是无法做到像圆柱螺纹旋合时那样的自由旋合的程度。为解决这一问题，我国的企业普遍采用的方法是(1)尽量减小锥螺纹的旋合扣(圈)数，(2)减薄夹爪螺纹牙齿的厚度。这样做仅仅能解决自由旋合问题，也就是说夹爪可以自由伸缩运动，但损失了极为珍贵的产品性能使结合面的接触面积大为减少，旋紧时只有很有限的齿面在接触，大部分齿面处于“悬空”状态。带来的问题是(1)夹爪弹性大、刚度低，形成的夹紧力不够；(2)较少的接触面积使螺纹牙齿结合部分的抗剪强度参数指标下降，不能承受较大的冲击力，容易产生“崩牙”的失效现象。
夹紧力和抗冲击力是影响我国钻夹头在国际市场上产品档次和售价的主要因素，由于这两个指标的影响，我国大部分钻夹头只能处于国际市场的低端位置，而且容易受到国际采购商的挑剔，企业的经济效益受到严重影响，只能靠增加产量实现利润，而由此又增加了能源和资源的消耗指标。经过对目前国内数家钻夹头生产企业产品现状进行分析，发现夹爪及其配合偶件的旋(结)合精度是影响上述两个重要指标的根本因素。解决旋合精度问题必须从理论分析入手，寻找影响旋合精度的主要因素，根据理论分析结果制造特殊的刀具，加工出的夹爪能实现夹爪和套筒旋合时，牙面间达到最大接触面积。再同钢材的材质选择相结合，就能生产出与国际上先进水平相符合的高质量的高端钻夹头产品，突破国外专利限制，改善国内钻夹头和电动工具等企业所面临的微利、能耗高、原材料消耗大的状况。
发明内容
本发明的目的是提供一种钻夹头夹爪外螺纹的修形方法，采用对钻夹头夹爪外螺纹的牙型面进行双侧螺旋面修形和(或)牙顶、牙底面边缘螺旋线曲率修形，以提高普通钻夹头的夹紧力和抗冲击能力指标。
本发明采用的技术方案是对钻夹头夹爪外螺纹进行双侧螺旋面修形，即四角修形法所谓四角修形法就是将夹爪螺纹凸起的双侧螺旋面能与内螺纹发生旋合干涉的四个角切除掉，使得螺纹旋合时不发生螺牙侧面的干涉现象；依据干涉现象发生区域，把夹爪螺牙的每侧螺旋面方程分成三部分，采用数学手段建立这三段螺旋面可平滑连接的曲面方程，计算出理想旋合范围内实际螺旋角与展角之间的精确函数关系，根据此函数计算出修形处理时所要修掉的部分，并以此为依据确定切削刀具的切削面形状、规划切削刀具的运动轨迹以实现对螺旋面进行精密修形处理的技术目标；或者对钻夹头夹爪外螺纹牙顶和牙底面边缘螺旋线曲率进行修形，即六弧修形法所谓六弧修形法就是将牙顶面和牙底面的中部和两侧间的部分材料切除掉，使得螺纹旋合时不再发生牙顶和牙底的干涉现象；依据干涉现象发生区域，把牙顶和牙底的弧分别分成三段不同曲率的弧段，分别建立起新的牙顶面和牙底面平滑连接的弧面方程，并以此为依据确定切削刀具的切削面形状、规划切削刀具的运动轨迹以实现对牙顶和牙底进行修形处理的技术目标。
对钻夹头夹爪外螺纹进行双侧螺旋面修形，即四角修形法，同时又对钻夹头夹爪外螺纹牙顶和牙底面边缘螺旋线曲率进行修形，即六弧修形法。
本发明具有的有益效果是对钻夹头夹爪外螺纹进行修形，就是要切除夹爪螺纹牙型面上在与相旋合的内锥螺纹旋合时发生干涉的那部分多余的材料，使夹爪既可以自由伸缩又能与内螺纹有尽可能多的接触面积。因此，被切掉的部分应能精确控制，避免出现因切除过多而影响结合强度、切除过少又消除不了干涉现象的问题。通过对螺纹进行修形，解决钻夹头套筒内螺纹与夹爪外螺纹旋合时，旋合面积小的问题。本发明在对影响旋合的“干涉效应”进行详细分析的基础上，提出“四角六弧”修形方法，建立相应的数学模型，最后通过特殊的工艺方法实现夹爪螺纹的修形，彻底解决钻夹头套筒内螺纹与夹爪外螺纹旋合时，旋合面积小的问题。通过修形处理，使普通钻夹头抗冲击力和最大夹紧力提高一倍以上。
图1是相旋合螺纹副在旋合范围中内外螺旋线展开后螺旋角比较图；I、III处是指螺纹形成点接触的区域；在I处夹爪螺纹的螺旋角大于套筒锥螺纹的螺旋角，干涉发生在右上和左下部分；在III处夹爪螺纹的螺旋角小于套筒螺纹的螺旋角，干涉发生在左上和右下部分；II是指螺纹处于悬空状态的区域。
图2是螺旋线干涉图解法；(a)是指未修形图；(b)是指图1中所示III处的干涉；(c)是指图1中所示I处的干涉，阴影部分为干涉区域。
图3是圆柱螺纹示意图。
图4是四角修形法；(a)图描述了四角修形法的修形区域，其中1是指螺纹；2是指修形区域；(b)图描述了采用四角修形法后，螺旋面在中径面上螺旋线的投影，其中n1、n2、n3是指螺纹修形以后的三段螺旋面的外边缘螺旋线在中径面上的投影。
图5是曲率干涉现象的图解法及解决方案；(a)是I处的干涉；(b)是III处的干涉，图中阴影部分为牙顶和牙底的干涉区域；(c)是六弧修形以后的牙顶边缘弧线在底面的投影；h1、h2、h3为修行后的牙顶边缘三弧段在底面的投影；h4、h5、h6为修行后的牙底边缘三弧段在底面的投影。
具体实施例方式
一、四角修形法钻夹头的夹爪为圆柱螺纹(无法采用圆锥螺纹)，其牙型面与中径面的交线为螺旋角为定值的螺旋线，而套筒的锥螺纹的螺纹展开线为曲线，其螺旋角为变值。要求螺纹副传动时两个展开线应重合，否则就不能进行正确旋合，甚至容易发生干涉现象。把相旋合的螺纹副内外螺旋线展开并放在一个坐标系中进行比较，见图1所示，可以发现旋合时出现问题的区域I、III是指螺纹形成点接触的区域；II是指螺纹处于悬空状态的区域。螺旋面在中径面上的投影见图2所示，(b)、(c)所示为旋合时螺旋面上出现干涉现象的III、I所在的具体位置。由图2可以看出，要消除干涉现象就应该从分析干涉区域入手，求出该区域所需套筒和夹爪螺旋角的大小。
为了更好的分析和求出旋合时圆锥螺纹与圆柱螺纹相互作用的情况，首先建立套筒圆锥内螺纹螺线的参数方程。已知一圆锥，中心轴线在z轴上，锥顶点在坐标原点O，建立坐标系。设A是圆锥表面的一个质点，将A沿着与它所在的圆锥母线，自锥顶点向上做等速直线运动，同时这条母线在圆锥面上过圆锥的顶点绕圆锥的轴，即绕z轴旋转，这样就形成了套筒内螺纹圆锥螺线。设母线从投影在x轴的位置开始逆时针旋转，圆锥的半顶角为θ，直线运动速度为v1，转动角速度为ω1，则该螺线的参数方程为x=lsinθcosω1ty=lsinθsinω1t t≥0,0<l≤r/sinθz=lcosθ]]>方程(1)式中，l是t时刻A点到锥顶点的距离，l＝v1t。
对夹爪圆柱外螺纹进行分析，以完整的圆柱螺旋面为研究对象，竖直放置夹爪，以中心轴线为z轴，底面圆所在平面为xoy平面，直线l1、l2选圆柱外表面上的相互直交的直线，其中l1绕l2做螺旋运动，即l1一方面绕l2做等速转动，另一方面又沿着l2做等速直线运动，在运动中l1永远保持与l2直交，这样由l1所画出的曲面叫做正螺旋面，即圆柱螺旋面。取l2作为坐标z轴，且l1的运动方向为z轴正向，l1所在的平面为xoy平面，l1与l2的交点为坐标原点O，建立坐标系。同时设等速运动速度为v2，等速转动角速度为ω2，且由x轴开始向y轴运动，则可得该圆柱螺旋面，见图3所示。该圆柱螺旋面的参数方程为x=dcosω2ty=dsinω2t t≥0,-∞<d<+∞z=v2t]]>方程(2)其中，d是t时刻l1上某一点在xoy平面上的投影到坐标原点o的距离。
夹爪上面的螺纹为圆柱螺纹的一部分，在钻夹头内部，夹爪与套筒内螺纹旋合时，夹爪会倾斜一个角度α，即原来的坐标系进行旋转、倾斜变换，按照坐标变换公式，可得倾斜之后的新的螺旋面的方程。
以上方程组为基础，根据旋合时夹爪倾斜以后其上的螺旋面方程应与套筒内部螺旋面方程相符合的要求，求出每个夹爪上的圆柱螺纹两侧螺旋角的大小，并建立数学模型，作为四角修形法的理论基础，然后采用四角修形法，见图4所示，对螺纹进行修形。四角修形法就是将夹爪螺纹凸起的双侧螺旋面能与内螺纹发生旋合干涉的四个角切除掉，即对图4中2所指的修形区域内的螺旋面进行处理，使得螺纹旋合时不发生螺牙侧面的干涉现象。这需要再把夹爪螺牙的每侧螺旋面方程分成三部分，采用数学手段建立这三段螺旋面可平滑连接的曲面方程，要建立与两侧螺旋面对应的两个新的螺旋面方程，由此计算出理想旋合范围内实际螺旋角与展角之间的精确函数关系，根据此函数计算出修形处理时所要修掉的部分，以实现定量修形，并以此为依据确定切削刀具的切削面形状、规划切削刀具的运动轨迹以实现对螺旋面进行精密修形处理的技术目标。修形以后的螺旋面在中径面上的螺旋线投影如图4中(b)所示，其中n1、n2、n3是指螺纹修形以后的三段螺旋面的外边缘螺旋线在中径面上的投影，可以看出螺旋面得到了处理，使得螺纹旋合面积增大，旋合紧密，增大了抗冲击能力。
二、六弧修形法夹爪牙顶和牙底面的边缘螺旋线曲率修形，夹爪螺旋线的法曲率为定值，而套筒螺纹的法曲率为变值，越靠近锥顶，曲率越大，夹爪同样要适应曲率的变化，否则，无法正常旋合。研究螺纹的边缘螺线，即以圆锥螺线和圆柱螺线为研究对象。取等距圆锥螺线，设螺距是P1，圆锥半顶角为θ，底面半径为r，则母线长为l＝r/sinθ，高h＝r.ctgθ，则同一条母线上各处螺旋线与母线的交点到轴的距离(牙顶边缘螺旋线则为大径，牙底则为小径)依次为R1＝(h-P1-v1t)tgθ，R2＝(h-2P1-v1t)tgθ，...Rn＝(h-nP1-v1t)tgθ，之间的差值为P1tgθ。取底面半径为R，螺距为P2的圆柱螺线，正常放置时螺旋线在底面上的投影为一个圆，由于旋合时夹爪外螺纹与套筒结合，只关心螺线倾斜外侧的一部分。当倾斜放置时该部分在底面的投影是间距为P2sinλ的一系列半椭圆，且参数是长半轴为R、短半轴为Rcosλ。把圆锥螺线和圆柱螺线放在同一个坐标系中比较，并结合旋合时套筒与夹爪的相对位置关系，可得曲率干涉现象如图5中(a)、(b)所示，可以看出牙顶和牙底边缘弧线被分别分成三段不同高度、不同曲率的弧段，这样就需要对六段弧进行处理，即六弧修形法。所谓六弧修形法就是将牙顶面和牙底面的中部和两侧间的部分材料切除掉，使得螺纹旋合时不再发生牙顶和牙底的干涉现象，把牙顶和牙底边缘弧线分别分成三段不同曲率的弧段，见图5(c)中h1、h2、h3、h4、h5、h6所示，建立各弧段的方程，并且由大径(小径)间距与半椭圆间距之间的相对关系，求出各弧段的方程，并以此为依据确定切削刀具的切削面形状、规划切削刀具的运动轨迹以实现对牙顶和牙底进行修形处理的技术目标。圆锥螺纹在底面的投影为阿基米德螺旋线，小弧段范围内可以近似为圆弧，对发生曲率干涉的牙顶面和牙底面边缘螺旋线进行研究，以柱螺纹底面圆心为原点，以一个夹爪牙顶(牙底)面边缘螺旋线在底面上投影弧线的后法线为y轴，过原点与之垂直的直线为x轴，建立坐标系，见图5中所示，则曲率修形时牙顶和牙底边缘螺旋线在底面的投影方程，就是以下方程组。
(1)牙顶面边缘螺旋线在底面投影方程x2+(y-y1)2=rI2x2+(y-y2)2=rII2x2+(y-y3)2=rIII2]]>方程(3)(2)牙底面边缘螺旋线在底面投影方程x2+(y-y1′)2=rI′2x2+(y-y2′)2=rII′2x2+(y-y3′)2=rIII′2]]>方程(4)式中y1、y2、y3为牙顶面边缘不同高度、不同曲率的三段弧线h1、h2、h3的曲率中心在y轴上的位置；y1′、y2′、y3′为牙底面边缘不同高度、不同曲率的三段弧线h4、h5、h6的曲率中心在y轴上的位置；rI、rII、rIII、rI′2、rII′2、rIII′2为h1、h2、h3、h4、h5、h6各处牙顶、牙底面边缘螺旋线的曲率半径。实际中，牙顶弧段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。
依据旋合时夹爪倾斜以后的螺旋面曲率半径应与套筒的螺旋面曲率半径相符合，继续推导并计算，建立数学模型，算出螺纹旋合时对牙顶和牙底面螺旋线曲率的要求，计算出要处理的曲率半径的大小，确定干涉区内螺旋线的方程，改变螺旋线上h1、h2、h3各段的曲率方程，使得在旋合范围内，所有的曲率半径都符合旋合要求。修形以后牙顶三段新的边缘螺旋线在中径面上的投影见图5(c)中弧线h1、h2、h3所示，修形以后牙底三段新的边缘螺旋线在中径面上的投影见图5(c)中h4、h5、h6所示。
四角六弧修形钻夹头夹爪外螺纹的轮廓表面进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，都可以实现对钻夹头夹爪外螺纹的修形。同时把它们结合起来，从螺旋角和曲率半径两个角度考虑会达到更好的效果，也就是四角六弧修形法。具体实施过程与以上提到的四角、六弧实施过程相同，就是把二者结合起来。
本发明的实施工艺购买传统钻夹头，具体工艺通过切削刀具和磨具来实现。依据建立的数学模型，确定四种切削刀具的切削面的形状，即双侧螺旋面刀具、牙顶面刀具及牙底面刀具，规划出所对应的四条刀具运动轨迹，即双侧螺旋面修形刀具的运动轨迹、牙顶面和牙底面修形刀具的运动轨迹，采用刀具、磨具进行修形的螺纹，可用切、削或磨去多余的螺纹部分，修成需要的形状即可。修形处理后的螺纹，与套筒内螺纹旋合会更紧密，消除干涉现象。
权利要求
1.一种钻夹头夹爪外螺纹的修形方法，其特征在于对钻夹头夹爪外螺纹进行双侧螺旋面修形，即四角修形法所谓四角修形法就是将夹爪螺纹凸起的双侧螺旋面能与内螺纹发生旋合干涉的四个角切除掉，使得螺纹旋合时不发生螺牙侧面的干涉现象；依据干涉现象发生区域，把夹爪螺牙的每侧螺旋面方程分成三部分，采用数学手段建立这三段螺旋面可平滑连接的曲面方程，计算出理想旋合范围内实际螺旋角与展角之间的精确函数关系，根据此函数计算出修形处理时所要修掉的部分，并以此为依据确定切削刀具的切削面形状、规划切削刀具的运动轨迹以实现对螺旋面进行精密修形处理的技术目标；或者对钻夹头夹爪外螺纹牙顶和牙底面边缘螺旋线曲率进行修形，即六弧修形法所谓六弧修形法就是将牙顶面和牙底面的中部和两侧间的部分材料切除掉，使得螺纹旋合时不再发生牙顶和牙底的干涉现象；依据干涉现象发生区域，把牙顶和牙底的弧分别分成三段不同曲率的弧段，分别建立起新的牙顶面和牙底面平滑连接的弧面方程，并以此为依据确定切削刀具的切削面形状、规划切削刀具的运动轨迹以实现对牙顶和牙底进行修形处理的技术目标。
2.根据权利要求1所述的一种钻夹头夹爪外螺纹的修形方法，其特征在于对钻夹头夹爪外螺纹进行双侧螺旋面修形，即四角修形法，同时又对钻夹头夹爪外螺纹牙顶和牙底面边缘螺旋线曲率进行修形，即六弧修形法。
全文摘要
本发明公开了一种钻夹头夹爪外螺纹的修形方法。对钻夹头夹爪外螺纹进行双侧螺旋面修形，即四角修形法；或/和对钻夹头夹爪外螺纹牙顶和牙底面边缘螺旋线曲率进行修形即六弧修形法；对钻夹头夹爪外螺纹的轮廓表面进行四角六弧修形；切除夹爪螺纹牙型面上能与相旋合的内锥螺纹发生干涉的多余材料，使夹爪既可以自由伸缩，又能与内螺纹有尽可能多的接触面积。本发明在对影响旋合的“干涉效应”进行详细分析的基础上，提出“四角六弧”修形方法，建立相应的数学模型，最后通过特殊的工艺方法实现夹爪螺纹的修形，彻底解决钻夹头套筒内螺纹与夹爪外螺纹旋合时，旋合面积小的问题。通过修形处理，使普通钻夹头抗冲击力和最大夹紧力提高一倍以上。
文档编号B23B31/165GK101028677SQ20071006787
公开日2007年9月5日 申请日期2007年4月6日 优先权日2007年4月6日
发明者李东升, 徐志玲, 何满喜, 王子谦, 王强, 宋军兰, 吴剑进 申请人:中国计量学院