具有快速推进的液压工具的制作方法

本申请要求2014年7月14日递交的美国临时申请第62/024,011号的优先权。

技术领域

本主题涉及具有快速柱塞推进特征的液压工具。本主题还涉及配备有快速柱塞推进特征的液压系统以及使用这种系统的相关方法。

背景技术：

液压工具通常包括能够伸出以执行诸如工件的压接之类的工作或其他功能的液压柱塞或活塞。通过在柱塞后面在压力下泵送液压流体来使柱塞移位，从而实现柱塞伸出。对于包括手动操作的泵(例如手泵)的液压工具，执行大量重复的压接或其他操作需要使用者的相应大量的泵送操作。这可能变得繁重并且显著减小使用者所执行的操作的速率。

在无负载条件期间或在待执行工作的柱塞位置之前提供快速柱塞伸出的液压系统是已知的。已经设计了各种策略来增加柱塞伸出的速度。然而，策略中若非全部也有许多涉及复杂的液压组件以及阀和密封件的复杂液压系统。如将领会的，这样的组件增加生产成本并且可能难以维护。因而，持续需要可靠、易于维护且不增加生产成本的新的液压系统、相关方法以及使用这种液压系统的工具。

技术实现要素：

在本主题中如下解决与先前已知的液压工具和系统相关联的困难和弊端。

一方面，本主题提供包括适用于容纳液压流体的储液器的液压系统。该系统还包括液压气缸，其限定中空的内部并且包括设置在其中的柱塞。柱塞限定第一面和相反定向的第二工作面。气缸的内部和柱塞的第一面限定主腔室。柱塞贯穿柱塞伸出第一阶段和柱塞伸出第二阶段是可定位的。该系统还包括推杆组件，其包括限定中空的内部的壳体和可定位地设置在其中的推杆。推杆限定第一端和相反定向的第二端。壳体的内部和推杆的第一端限定次腔室。推杆和柱塞至少周期性可操作地接合，使得推杆的伸出引起柱塞的伸出。推杆和壳体包括在推杆位于对应于柱塞伸出第一阶段的位置范围内时阻绝主腔室和次腔室之间的流体流和在推杆位于对应于柱塞伸出第二阶段的位置范围内时允许主腔室和次腔室之间的流体流的装置。

另一方面，本主题提供一种伸出液压柱塞的方法，其中柱塞以第一伸出速率伸出并且然后以第二伸出速率伸出。第一伸出速率大于第二伸出速率。该方法包括提供一种液压系统，其包括(i)容纳液压流体的储液器，(ii)液压气缸和可定位地设置在其中的柱塞，气缸和柱塞限定主腔室，(iii)具有壳体的推杆组件和可定位地设置在其中的推杆，壳体和推杆限定次腔室，推杆和柱塞至少周期性可操作地接合，使得推杆的伸出引起柱塞的伸出，以及(iv)用于在推杆的第一位置范围处阻绝主腔室和次腔室之间的流体流和在推杆相对于壳体的第二位置范围处允许主腔室和次腔室之间的流体流的装置。该方法还包括将液压流体引导到次腔室中，从而伸出推杆并且引起柱塞的伸出，借此柱塞伸出以第一伸出速率进行。该方法还包括将液压流体引导到主腔室中，从而使柱塞以第二伸出速率伸出。第一伸出速率大于第二伸出速率。

再一方面，本主题提供一种液压工具，其包括工具主体和固定于工具主体的工具头。工具头包括用于在工件上执行至少一个操作的可定位的工作构件。该工具还包括通常设置在工具主体内的液压系统。液压系统包括(i)适用于容纳液压流体的储液器，(ii)限定中空的内部并且包括设置在其中的柱塞的液压气缸，柱塞限定第一面和相反定向的第二工作面，气缸的内部和柱塞的第一面限定主腔室，柱塞贯穿柱塞伸出第一阶段和柱塞伸出第二阶段是可定位的，以及(iii)推杆组件，其包括限定中空的内部的壳体和可定位地设置在其中的推杆。推杆限定第一端和相反定向的第二端。壳体的内部和推杆的第一端限定次腔室。推杆和柱塞至少周期性可操作地接合，使得推杆的伸出引起柱塞的伸出。推杆和壳体包括在推杆位于对应于柱塞伸出第一阶段的位置范围内时阻绝主腔室和次腔室之间的流体流和在推杆位于对应于柱塞伸出第二阶段的位置范围内时允许主腔室和次腔室之间的流体流的装置。柱塞是可与工具头的工作构件接合的。

如将了解的，本文中描述的主题能够具有其他不同的实施例，并且其若干细节在全部不偏离所要求保护的主题的情况下能够在各方面进行修改。因而，附图和说明书将被视为说明性的而非限制性的。

附图说明

图1是本主题的、与快速柱塞特征结合使用的液压系统的一个实施例的示意图。

图2是根据本主题的、包括推杆的液压组件的一个实施例的示意性横截面视图。

图3是根据本主题的推杆的一个实施例的立体图。

图4是根据本主题的、包括液压组件的一个实施例的液压工具的示意性横截面视图，该工具示出为处于柱塞缩回状态。

图5是图4的工具的细节示意性截面视图，其示出当该工具处于柱塞缩回状态时的液压组件和推杆。

图6是图4中所绘的液压工具的示意性横截面视图，但该工具示出为处于柱塞伸出状态。

图7是图6的工具的细节示意性截面视图，其示出当该工具处于柱塞伸出状态时的液压组件和推杆。

图8是推杆后部的另一细节示意图，其示出当该工具处于柱塞伸出状态时的液压流体流。

图9是液压工具的典型压接头的侧立面视图，其示出当该工具处于柱塞伸出状态时压接模的代表性位置。

图10是根据本主题的另一种液压工具的侧立面视图，其中该工具包括配置用于与一个或更多个可分离的工作头(未示出)一起使用的头端。

图11是图10中所绘示的液压工具的侧立面视图，其具有接合于该工具的头端处的工作头。

具体实施方式

本主题涉及用于快速推进液压活塞的系统。该系统包括主腔室、可定位在其中的液压柱塞或活塞、通常比液压柱塞的面更小并沿所述液压柱塞的面设置的次腔室、设置在次腔室内的推杆以及每个都具有流量阀的两个液压流体线，所述液压流体线将液压流体从泵递送到一个或两个腔室，从而推进柱塞或使其伸出。

更具体地，在本主题的某些实施例中，推杆和柱塞被如此配置和布置，使得推杆的伸出引起柱塞的伸出。在柱塞伸出的初始或第一阶段中，液压流体被引导到次腔室中，从而引起推杆的伸出。由于次腔室的配置，推杆伸出的速率是相对高的。推杆的线性位移引起柱塞的线性位移并因而引起柱塞的伸出，这也以相对高的速率进行。

推杆和柱塞的伸出持续进行，直至在推杆相对于次腔室的特定位置处液压流体被允许从次腔室流到主腔室。这开启柱塞伸出的第二阶段，该阶段的特征在于比柱塞伸出第一阶段更低的伸出速率。如本文中更详细描述的，在柱塞伸出第二阶段期间，柱塞能够传递较大的力。

在本主题的具体实施例中，如本文更详细描述的，推杆如此配置，使得当推杆处于对应于柱塞伸出的第一阶段的位置范围内时，主腔室和次腔室之间的流体连通被阻绝或至少基本上被阻绝。并且，当推杆处于对应于柱塞伸出的第二阶段的位置范围内时，主腔室和次腔室之间的流体连通被允许。如所指出的，在具体实施例中，推杆被配置为阻绝或至少基本上阻绝腔室之间的流体连通。虽然非常少量的流体潜在地可能在推杆和次腔室的内壁之间通过，但流体的量和/或流动范围不足以产生次腔室中的显著压力损失，从而允许如本文所述的推杆的快速推进。因此，本文所使用的术语“阻绝流体流(preclude fluid flow)”和“阻绝流体流(precluding fluid flow)”指主腔室和次腔室之间没有流体流或者只有相当少的流体流，其中在推杆和次腔室的内壁之间通过的流体最大体积少于由单次泵送动作、即一次完整的柱塞伸出所移位的流体总体积的16％。在许多实施例中，流体最大体积少于由单次泵送动作所移位的流体总体积的10％，更特别地少于5％，并且在某些实施例中仅为约1.5％。

在一个实施例中，推杆具有沿其长度的一部分的“自由流”配置，其当推杆处于对应于柱塞伸出的第二阶段的位置范围内时允许这样的流体连通。自由流配置包括从推杆的一端向另一端延伸但终止于推杆上的、通常构成柱塞伸出的第一阶段和第二阶段之间的过渡的位置处的平坦表面区域。平坦区域使得当推杆处于对应于柱塞伸出的第二阶段的位置范围内时，液压流体能够在推杆的平坦区域旁通过。

自由流配置还可以包括在所指出的过渡位置处绕推杆周缘的至少大部分延伸的凹陷通道。该凹陷通道能够是以凹陷的周向带的形式。凹陷带绕推杆周缘的至少一部分延伸。在本主题的某些实施例中，凹陷带绕推杆的整个周缘或外周延伸。沿推杆长度的一部分限定的平坦区域在推杆的端部和所述带或周向通道之间延伸。如本文所更详细描述的，凹陷的周向通道促进对推杆的定位并且特别将推杆保持在其壳体和/或次腔室内的中心位置中。由于凹陷通道，受到压力的液压流体被引导到此通道中和推杆的周缘周围，从而将推杆定位于其壳体和/或次腔室内的中心位置处。

在某些实施例中，使用如本文所述的推杆并且特别是具有所指出的自由流特征的那些推杆的液压系统不具有绕推杆的密封件或其他流体密封部件。因此，在本主题的这种型式中，推杆或推杆组件不具有液压密封。

本主题还涉及使液压柱塞伸出的方法，其中在所指出的柱塞伸出的第一阶段期间的伸出速率大于在所指出的柱塞伸出的第二阶段期间的伸出速率。所述方法包括使用如本文所述的液压系统以及包括用于在对应于柱塞伸出的第一阶段的推杆位置处阻绝主腔室和次腔室之间的流体流的装置的液压系统。所述装置还在对应于柱塞伸出的第二阶段的推杆位置处允许主腔室和次腔室之间的流体流。

所述方法还包括将液压流体从泵或其他压力源引导到次腔室中，从而使推杆伸出并且引起柱塞的伸出。如所指出的，在该柱塞伸出的第一阶段期间，柱塞伸出的速率是较高的。推杆的伸出持续进行直至到达推杆相对于次腔室的特定位置，然后自由流特征允许次腔室和主腔室之间的流体连通。当推杆从先前指出的过渡位置移位并且位于对应于柱塞伸出的第二阶段的位置范围内时，柱塞伸出的速率小于第一阶段的柱塞伸出速率。

所述方法还包括将液压流体从泵或其他压力源引导到主腔室中以使柱塞进一步伸出。通常，液压流体流入主腔室由如本文中更详细描述的一个或更多个阀来管控。在该柱塞伸出的第二阶段期间，液压流体可以是并且在许多情况下也是同时引导到次腔室中的。并且，如先前所指出的，在柱塞伸出的第二阶段期间，自由流配置允许主腔室和次腔室之间的流体连通。

面下提出的表1总结了在本主题的某些实施例中与较快的柱塞伸出的第一阶段和较慢的柱塞伸出的第二阶段相关联的各种关系和状态。

表1：柱塞伸出第一和第二阶段

本主题还涉及包括本文所述的液压系统的工具。通常地，该工具包括工具主体或框架和对工件执行一个或更多个操作的工具头。工具头通常包括可以是多种不同形式的一个或更多个工作构件。这些工作构件的非限制性示例包括例如压接模的模具、钳、成型或成形构件等。工作构件中的至少一个与如本文所述的液压系统的柱塞接合或可与其接合。

图1是根据本主题的液压系统10的示意图。系统10包括用于使液压流体移位的泵20。该泵包括如本领域已知的用于使泵活塞21移位的柄22。系统10还包括具有柱塞40的液压气缸30，该柱塞40可移动地设置在液压气缸30的中空的内部中。柱塞限定第一面42和与第一面42相反朝向的第二面44。气缸30的内部和柱塞40的第一面42限定主腔室50。系统10还包括如本文中更详细描述的推杆组件60，并且推杆组件60提供次腔室70。系统10还包括储存液压流体的储液器80。

系统10还包括各种流体流线和阀。例如，系统10包括提供储液器80和泵20之间的流体连通的泵入口线24。诸如单向阀25之类的一个或更多个阀能够包括在入口线24中，其阻绝从泵到储液器80的流动。系统10还包括泵出口线26、分离器或分流器26a、提供泵20和主腔室50之间的流体连通的第一流体流线31以及提供泵20和次腔室70之间的流体连通的第二流体流线32。在本主题的许多型式中，流线31和流线32彼此平行配置。诸如单向阀27之类的一个或更多个阀可以包括在线31中，其阻绝从主腔室50到泵20的流。并且，诸如单向阀28之类的一个或更多个阀可以包括在线32中，其阻绝从次腔室70到泵20的流。在本主题的某些实施例中，阀27允许流体仅以某些指定的流体压力或以超出阀偏置压力的压力从泵20流到主腔室50。并且，阀28允许流体仅以某些指定的流体压力从泵20流到次腔室70，所述指定的流体压力通常小于与阀27相关联的那些流体压力。

系统10还可以包括储液器返回线82，其提供主腔室50和储液器80之间的流体连通，并且特别是在柱塞缩回期间发生的从主腔室到储液器的流体连通。并且，系统10还可以包括储液器吸入线84，其提供主腔室50和储液器80之间的流体连通。诸如单向阀85之类的一个或更多个阀能够包括在流线84中，其允许流体从储液器80到气缸30的主腔室50，但阻绝相反方向的流动。液压系统10能够包括一系列的另外的部件和/或利用多种液压回路，例如美国专利4,206,603、5,836,400、6,718,870和7,124,608中所述的那些。

图2是实施图1的液压系统10的液压组件的示意性横截面视图，其更详细地示出了推杆组件60和次腔室70。推杆组件60包括具有中空的内部的壳体62和可移动地设置在其中的推杆64。推杆64限定第一端66和相反朝向的第二端68。壳体62的内部和推杆64的第一端66限定次腔室70。次腔室入口线32提供泵20和次腔室70之间的流体连通。图2还示出一个或更多个偏置构件，例如将柱塞40偏置至期望位置、例如朝向完全缩回位置偏置的弹簧46。

图3是根据本主题的推杆64的具体型式的立体图。推杆64限定先前指出的第一端66和相反的第二端68。推杆64还包括绕推杆64的周缘或外周延伸的凹陷带72。在某些型式中，推杆可以具有非圆形的横截面形状。在这样的型式中，凹陷带72绕推杆的外周延伸。如前所述，凹陷带或通道72促使推杆64定位于其壳体62内的中心位置处。带72位于端66和端68之间。如前所述，凹陷带或通道72能够促使推杆64定位于其壳体62内的中心位置处。例如，如果壳体62限定柱形的内部中空区域并且在其中设置具有凹陷带的、适当尺寸和柱形的推杆，那么液压流体保持在凹陷之内，并且如果受到压力，那么流体将推杆推动到壳体的中空区域内的轴向定位的最中心位置处。推杆64还包括在第一端66和凹陷带72之间延伸的平坦的外表面区域74。该平坦区域74产生与壳体62的内表面的扩宽的交界面，液压流体沿该扩宽的交界面聚集并且在推杆的某些位置处沿推杆64的长度的一部分流动。在推杆64的某些型式中，第二端68具有锥形的、尖的或半球形的配置。这样的几何结构减少了推杆64的第二端68和柱塞40之间的接触量。

图4是根据本主题的液压工具110的示意性横截面视图。工具110包括具有泵柄122的工具主体120和固定或附接于主体120的工具头130。工具头130包括可定位的工作构件140。工具110还包括通常设置在工具主体120中的、先前指出的液压系统10。工具头130可以可释放地附接于工具主体120上。

液压柱塞40与工作构件140接合或可与工作构件140接合，使得柱塞40的伸出或缩回能够导致工作构件140的伸出和/或缩回。工具110被示出为处于柱塞40和工作构件140的缩回状态。

图5是图4的工具110的细节示意图，其示出当柱塞40完全缩回时的液压系统10。图5还示出了设置在推杆壳体62中的推杆64和推杆64的、暴露在次腔室70内的第一面66。流体流线32提供泵20(未示出)和次腔室70之间的流体连通。

图6是图4到图5中示出的液压工具110的示意性横截面视图，其中该工具处于柱塞伸出的状态。具体地，柱塞40和工作构件140示出为处于完全伸出的位置处。主腔室50由气缸30的内部和柱塞40的第一面42限定。次腔室70由壳体62的内部和推杆64的第一面66限定。如将领会的，主腔室50和次腔室70中的每个分别根据柱塞40和推杆64的位置而改变容积。

图7是图6中示出的、处于完全伸出状态的工具110的细节示意性截面视图，其示出与推杆64相关联的自由流特征。具体地，推杆64包括先前所述的凹陷带72以及在推杆64的第一面66和带72之间延伸的平坦面74。如图7中可见，由于柱塞40完全伸出，主腔室50的容积达到其最大容积。类似地，由于推杆64完全伸出，次腔室70的容积达到其最大容积。

图8是示出本主题的自由流特征的另一细节示意图。推杆64伸出超过相对于壳体62的过渡位置，使得由流体流线A绘示的、来自次腔室70的液压流体能够沿示出为交界面71的平坦面区域74通过，并且如流体流线B绘示地流入到主腔室50。

图9是压接头形式的工具头130的侧立面视图。工具头130包括附接装置132，其用于将工具头130附接或固定于工具主体，例如图4、图6和图7中所示的工具主体或框架120。附接装置132能够包括螺纹区域或利用其它组件固定地附接工作头。工作头130还包括一个或更多个工作构件，例如可移动的模具构件140a和固定的模具构件140b。图9还示出通常设置在构件140a、140b之间的代表性工件150。

使用液压系统10和/或工具110的各种方法如下。参照图1、图4和图5，由于偏置弹簧46或其他构件将柱塞40和推杆64推动到完全缩回位置，操作者或使用者通常获得处于柱塞缩回状态的工具110。当工件放置在工具头130中时，操作者开始泵压或使泵柄122移位，从而使泵20驱动液压流体从储液器80通过泵入口线24、通过泵，然后经由泵出口线26离开泵。随后液压流体被引导到分别针对主腔室和次腔室的入口线31和入口线32中。如前所述，阀27和阀28以及与其相关联的、促使阀闭合的弹簧或偏置部件为如此的，使得阀28以比与阀27相关联的阀打开压力小的压力打开。因此，到次腔室70的入口线32首先打开，从而允许从泵20到次腔室70的液压流体流。

对阀20的持续操作使得另外的流体被引导到次腔室70中，从而引起推杆64的伸出。参照图4和图5，推杆64的伸出导致推杆64在向右方向上的移动。如前所述，推杆64的伸出导致柱塞40的伸出。在某些实施例中，推杆64的第二端68、特别是表面积减小的端部接触柱塞40的第一面42。然而，将理解的是，本主题包括能够被用于传递推杆的位移以引起柱塞的位移的多种组件和另外的部件。

持续泵压柄122，并且液压流体被持续引导通过入口线32进入到次腔室70，从而引起推杆64和柱塞40的伸出。推杆64的线性移位继续经过相对于壳体62的、对应于柱塞伸出的第一阶段的位置范围。如先前指出的，推杆和柱塞的伸出速率是较快的。当推杆64位于对应于第一阶段的该位置范围内时，主腔室50和次腔室70之间的流体连通被阻绝。这通过将推杆64的平坦区域72与壳体62的、可通入主腔室50的端部充分间隔开而实现。因此，推杆的位置使得交界面71不伸出到壳体的端部。对于具有凹陷带72的推杆64的型式，带与壳体62的、可通入主腔室50的端部间隔开。

持续的泵送使得另外液压流体进入次腔室70，并且使推杆64伸出直至次腔室70和主腔室50之间能够发生流体连通为止。这通常发生在柱塞的较为接近完全伸出位置的位置处，例如柱塞完全伸出的至少80％，在某些实施例中为柱塞完全伸出的至少90％，并且在另外的实施例中为柱塞完全伸出的至少95％。对于在柱塞上没有施加负载或施加最小负载的应用，当推杆到达该过渡位置、即柱塞伸出的第一和第二阶段之间的推杆位置时，操作者可以感受到柄122处的泵送压力的减小。这是由于液压流体进入了主腔室50而不引起柱塞伸出。

最终，随着泵送的持续，柱塞推进直至遇到阻力，即工作或压接操作开始。持续的泵送导致流体压力的增加，直到最终阀27处的压力超出偏置压力以打开该阀并且允许流体流经由入口线31进入到主腔室50中。另外的流体被引导到主腔室50中，并且由于柱塞40的面42的较大表面积，柱塞40可以通过持续伸出传递较高的压力。通过入口线32的流体流可以继续进入到次腔室70中。在该柱塞伸出的第二阶段期间可以执行工作，例如压接。

本主题的液压系统特别适合并入手持液压工具中，例如图10所绘示的工具210那样的手动液压工具。工具210包括具有泵柄222的工具主体220以及工具头端215。工具210还包括先前指出的、通常设置在工具主体220中的液压系统10。一个或更多个工具或者工作头(未示出)可以与工具主体220并且特别是在工具头端215处可释放地接合。

图11是图10中所绘示的液压工具210的侧立面视图，其具有接合于工具210的头端215处的工作头230。工作头230的尺寸被确定为并且成形为与头端215接合和从其移除。工作头230通常限定近侧端232和相反朝向的远侧端234。虽然工作头230能够具有多种形状和配置，但在许多型式中，近侧端232是柱形的并且限定柱形的孔或内部区域，该柱形的孔或内部区域尺寸被确定为并且成形为容纳在许多型式中通常为柱形的工具头端215。工具头端215和近侧端232中都能够设置有相应的孔洞，在对准时，所述相应的孔洞能够容纳将工作头230选择性地接合于工具210的头端215的接合销(未示出)。

应理解的是，工具210能够结合各种各样的不同工作头来使用。例如，工具210能够潜在地与适用于执行压接、挤压、成形、切削或其他操作的工作头一起使用。能够接合在工具210的头端215处的具体类型的工作头的非限制性示例是如US7,979,980中所述的压机框架。

从对该技术的未来应用和发展中，许多其他益处无疑将变得明显。

本文中指出的所有专利、公开的申请、标准和文章通过引用全部并入本文。

应理解的是，本文所述的一个实施例的任何一个或更多个特征或部件可以与另一实施例的一个或更多个特征或部件结合。因此，本发明包括本文所述实施例的部件或特征的任何和全部组合。

如上文所述，本主题解决了与先前策略、系统和/或装置相关联的许多问题。然而，应领会的是，在不脱离如所附权利要求书中所表达的要求保护的主题的原则和范围的情况下，本领域技术人员可以对本文中已经描述和示出以解释本主题的本质的细节、材料和部件的布置做出各种改变。