专利名称：可实现快速变换刀具的卡头装置的制作方法
技术领域：
本发明申请是于1997年9月3日提交的美国专利申请系列No.08/922411的部分继续申请。
本发明涉及一工具夹持装置，可安装在机器或动力工具的主驱动轴上，用于夹持机械或动力工具使用的工具刀头，具体说是一快速松开卡头装置，不必对卡头使用外部工具或扳手即可更换工具刀头。
任何用于将工具刀头安装在机械工具如特型铣的驱动轴上的夹头或卡头装置，必须相对主驱动轴在轴向和径向都锁定刀头。换言之，卡头必须同时防止工具刀头相对驱动轴旋转和在轴向移进或远离驱动轴。在高速机械工具上，例如，特型铣，叠层修木机(laminate trimmer)和清水墙切削机(dry wallcutter)等需同时考虑精确性和安全性时，该问题则特别重要。
对传统系统而言，一个相对简单的用于旋转固定工具刀头的机构包括，在工具刀头的端部加工成六边形或其它多边形的形状，并安装于在卡头装置上加工出的相应多边形凹槽中。使用该传统机构，操作者一般至少需要一个扳手和一个轴锁，或两个扳手，以更换工具刀头。
而另外的一个已知装置，筒夹夹头，利用具有可收缩结构的筒夹在轴向和旋转方向夹持工具刀头。筒夹夹头的实用性在于它们不依赖于工具刀头上的多边形结构。因此，任何形式的具有基本上是圆形的柄的动力刀头或工具刀头，都可被筒夹夹头所夹持。但是，筒夹夹头装置不具有在很多应用中所需要的快速更换或快速释放的能力。
对便携式工具，例如特型铣机或叠层修木机，十分需要使用快速松开卡头装置以便相对较快地、较容易地更换工具刀头。但是，使用传统快速释放装置，工具柄部分必须是多边形的，用以安装在快速更换卡头装置上的相应内孔中。而在该技术领域中，需要一种快速更换卡头装置，可以适用于任何形式的工具柄，包括工具柄大致是圆形的工具刀具，以提高使用该卡头装置的机械工具的通用性和操作简便性。
而且，对于任何类型的传统卡头，在夹紧或以其它方法操作卡头直至工具刀头被卡头牢固地固定时，必须将工具刀头保持在一个所需的高度。如果工具刀头在夹紧操作时不被握住，则工具刀头会从卡头中掉落，或其工作表面会掉到卡头中，这取决于动力工具的方向。当卡头和工具刀头区的空间很小时，例如在特型铣中，当导向件和卡头区的空间十分有限时，则操作起来十分困难。特别是，当操作者必须用两只手更换工具时，则更为不便。一只手必须握住工具刀头以保证它处在正确的高度，同时另一只手必须操作卡头。操作者必须抓住工具刀头上相对锋利的刃部，对其而言，这显然是一个不良位置。
许多传统类型卡头的附带问题是，污物、碎屑会侵入卡头体内，最终降低卡头的性能或引起卡头失效。在铣削中，卡头在离刀头很近的位置工作时，该问题则会特别突出。
本发明还涉及一卡头装置，带有一个无论卡头在何种工作位置，都将插入卡头的工具刀头或柄保持在一定高度的结构。工具刀头保持机构还可作为卡头的密封，以防止污物、碎屑等侵入卡头体内。
由此，本发明的主要目的是提供一种可快速更换刀头的卡头装置，用来将工具刀头或其工作部安装到机械或动力工具的主驱动轴上。
本发明的另一目的是提供一种通用的可快速更换卡头装置，可夹持具有多边形或圆形柄的工具刀头。
本发明的又一目的是提供一种快速的快速更换卡头，在其上可容易地插入或移出工具刀头，而无需将多边形的工具柄与卡头装置的多边形内孔对齐。
本发明的又一目的是提供一种快速更换卡头装置，可避免工具刀头锁死在卡头装置中。
本发明的再一主要的目的是提供一种改进的卡头装置，带有一个无论卡头在何种操作位置，都将工具刀头保持在特定高度的结构。
本发明的还一目的是提供一种用于卡头的密封装置，防止污物，碎屑等侵入卡头体内。
在下文中，将分开描述本发明的其他目的和优点，在说明书中，各个部分可能会非常显明，或者需通过实践本发明来进一步了解。通过所附权利要求所指出的方式及组合，可以认识到本发明的目的和先进性。
根据本发明的目的，正如下文所具体和展开描述的那样，一种根据本发明的卡头装置，用于接合轴向延伸的工具柄，包括一个卡头体，限定了纵向中心轴，且其中有轴向延伸的内孔，用来接合工具柄。内孔至少有一部分是由多个径向可压缩且轴向伸展的夹持部界定的，该夹持部内包括有下凹部。该夹持部被从卡头体的前面延伸向其后部的均匀分布的轴向狭缝分开。每个夹持部上至少有两个位于其外圆周表面的轴向伸展且轴向排列的凹槽。一个操作件与卡头体的夹持部同轴，且至少环绕住它。操作件与凹槽一起形成了轴向延伸且轴向排列的通道。该通道沿其轴向长度上具有变化的径向宽度。操作件还可在轴向相对所述卡头体运动。驱动元件，最好为滚动球，被放置在通道中。驱动元件可随操作件的轴向运动在通道内从夹持位置移动，在该夹持位置驱动元件位于通道的径向宽度减小部分。在这个位置，驱动元件或球使夹持部沿径向向内压缩并夹持住插入内孔中的工具柄。驱动元件或球可移向释放位置，此时驱动元件移到了通道的径向宽度较大的部分。在这个位置，驱动元件不压缩夹持部，并允许夹持部沿径向膨胀，释放内孔中的工具柄。
在优选实施例中，凹槽具有在纵向朝向卡头体的纵向中心线倾斜的倾斜表面。倾斜表面形成了通道的变化的径向宽度。在另一实施例中，倾斜表面可能会形成在操作件上。例如，操作件可包括一个套件，该套件上与凹槽平直表面相对的位置包括一轴向倾斜的内圆周表面。该倾斜的表面则形成了通道的变化的径向宽度。
每个夹持部的通道最好通过从卡头体径向伸展的环形凸起分隔开。较优选的是，在每个夹持部上，有两个轴向排列的凹槽。凹槽与相邻夹持部的相邻凹槽相对齐，由此在卡头体的外圆周表面上基本上形成了两个环形的凹入带。
由于在每个夹持部上都至少有两个轴向排列的通道，所以沿夹持部的长度方向，大致相对每个通道的径向宽度减小区，至少可在设置好的两点对夹持部施加径向的压缩力。申请人认为，通过沿夹持部的长度方向在设置好的点上施加压缩力，且在夹持部的内圆周表面上还加工出下凹部，由此可以获得较大的夹持力和滑动扭矩。
虽然本发明中描述了仅两个轴向排列的凹槽，但应该理解的是，更多数目的凹槽以及相应的驱动元件也包括在本发明的精神和范围内。
本发明还可对每个轴向排列的通道施加不同的压缩力。例如，轴向排列各通道的变化的径向宽度可以不相同。在一个优选实施例中，离卡头体前面较近的通道的宽度减小部分的宽度，比位于第一通道的轴向后部的第二通道的宽度减小部分的宽度要窄。由此在该实施例中，只要驱动元件具有相同尺寸，则在第一通道的径向宽度减小部分施加的压缩力就较大。
在另一实施例中，轴向排列的通道可包括一致的变化宽度，而每个通道中的驱动元件则可具有不同的尺寸。例如，为了在离卡头体前面较近的第一通道内施加较大的压缩力，其驱动元件的滚动体的直径比轴向后部通道内的滚动体的直径大。
通过与驱动元件摩擦接合，使驱动元件在通道内运动。在这里，操作件可包括一套件，且套件内圆周表面与驱动元件或滚动体摩擦滚动接合。套件还可包括坚硬的插入件，限定了接合的圆周表面。
卡头装置最好还带有锁定机构，将操作件或套件强制锁定在其轴向位置。该锁定机构可具有多个结构，包括在操作件和驱动件之间的摩擦锁定。锁定机构还包括一球和制动部，或其它合适的强制锁定机构。
申请人还确信，当卡头体的内孔加工成锥形，孔前面具有较大的直径而在孔的后端具有较小的直径时，根据本发明的卡头装置的夹持强度会显著增大。例如，一个具有0.500英寸容量的卡头，申请人发现，从卡头体前面到内孔后端的锥形在0.002到0.004英寸之间时，会使夹持强度或滑动扭矩显著增大。在该锥形孔的实施例中，较优选的是，在轴向通道的最前部施加一增大的径向压缩力。
在本发明的另一优选实施例中，套件可包括前盖部，其上有一个与卡头体内孔基本对齐的孔。前盖部包括位于前盖部的孔中的工具刀头保持件，并且无论套件在夹持位置和释放位置之间如何运动，该工具刀头保持件都与工具柄接合并将其保持在所需位置。工具刀具保持件可包括弹性环，其内径比插入卡头装置的工具柄小。前盖部可包括环槽，其大致界定了穿过前盖部的孔，且弹性环被置于该环孔内。
前盖部可由套件上移去，从而提供了对夹头装置的维修通路。在该实施例中，前盖部以咬合安装或其它任何传统方式的安装结构安装在套件上。
除了作为工具刀具保持件，该弹性环还可作为环绕工具柄的密封。在这里，弹性环和前盖部一起对卡头的前端形成了有效密封，防止碎屑侵入卡头体内。
较优选的是，工具柄保持件还可使工具柄在卡头体内对中，并当套件在释放和夹持位置之间运动时，工具柄在卡头体内保持轴向对齐。
应该理解的是，根据本发明的带有前盖部和工具柄保持件的新型套件，可适用于带有可动套件的任何形式的卡头。本发明的特征并非仅限于卡头的任何具体操作结构。
下面结合附图详细描述本发明。附图中
图1a和1b是根据本发明的卡头装置的原理图，该卡头装置安装在图示虚线内的动力工具的驱动轴上；图2是根据本发明的卡头装置的剖面图；图3是位于未锁紧或释放位置的卡头装置的工作状态的剖面图；图4是卡头装置的锁定机构的一个实施例的放大剖面图；图5是卡头装置前端的又一实施例的放大剖面图；图6是卡头装置的又一实施例的放大剖面图；图7是根据卡头装置的卡头体的放大剖面图，图中特别示出了锥形孔；图8是根据图2所示卡头装置的顺序装配图；图9是根据本发明又一实施例的卡头装置的剖面图；图10是根据图9所示卡头装置的顺序装配图；下面结合附图详细描述本发明。以下提出的每个例子只是对本发明的解释，而并非是对本发明的限定。实际上，对本发明的各种不同的修改和改变并不超出本发明的精神和范围，这对本领域的技术人员来说是很明显的。例如，在一个实施例中所描述的或图示的特征，可以用于另一个实施例，从而产生更进一步的实施例。由此，本发明可覆盖包括在所附权利要求及其等价物中的那些修改和变化。在所有附图和说明书中，相同的构件被指定用相同的代号。
本发明涉及一工件夹持装置或卡头，通常如附图中代号10所示。卡头最好包括一传统的机械结构或装置，用于将卡头10安装到动力工具(例如图1a和图1b所示的特型铣94)的动力旋转轴96上。应该理解的是，图1a和图1b仅起说明的作用，并非对本发明的应用进行了限制。根据本发明的卡头装置10适用于需要将工具刀头柄夹持在动力工具上的任何应用情况和环境。本发明特别适于在高速场合应用，例如在起槽机、叠层修木机和清水墙切削机等上使用。本卡头10的任一和所有使用及应用都包括在本发明的精神和范围内。
图示卡头10具有加工了外螺纹的伸出部92，该伸出部与动力工具的转轴上的内螺纹部接合。应该理解的是，用于将卡头安装在机器或动力工具上的具体机构对本发明不是至关重要。例如，可在驱动轴上加工外螺纹部而相应在卡头装置10上加工内螺纹部。用另一种方法，卡头装置可具有一种插入结构，可插入驱动轴的接收套中。在另一实施例中，卡头装置可具由传统固定螺钉，或是带螺纹的固定螺钉固定。用另一种方法，正如该领域的技术人员所普遍理解的，也可使用锥形安装和螺纹安装。在更进一步的实施例中，卡头装置10可以与驱动轴作成一体。卡头装置还可按照目前受让人所持有的美国专利No.5193824来安装。应该理解的是，任何传统的安装机构或方法都可适用于本发明的卡头装置。
参考附图，卡头装置10包括限定了纵向中心轴线的卡头体14，其中有轴向伸展的内孔18，用于接收圆形工具柄。卡头体14包括多个轴向伸展的被轴向狭缝22分开的夹持部20，轴向狭缝从卡头体14的前面24一直延伸向后面或后端26。在图示的实施例中，示出了四个夹持部20。但是，可采用更多或更少的夹持部件。
内孔18至少有一部分是由夹持部20的内圆周表面形成的。在操作中，一工具柄穿过卡头体14的前面24被插入内孔18中。通过使用施加在夹持部20上的径向压缩力，工具柄被夹持在内孔中。由于有狭缝22，夹持部20可在径向被向内压缩，这在下文中将被详细描述。本发明也可夹持多边形的工具柄，只要内孔18加工成相应的形状即可。在本实施例中，夹持部提供了一轴向的夹持力。
在每个夹持部20的外圆周表面上至少有两个轴向伸展的且轴向排列的凹槽28。这些凹槽被环形凸起50分隔开。凹槽28是轴向排列的，即沿卡头装置10的纵向，一个凹槽直接位于另一个凹槽的后方。尽管附图中示出了两个这样的凹槽，但是应该理解的是，可使用更多数目的凹槽。凹槽28由一底面界定，该底面具有一大致平直的部分29和一倾斜部分30，该倾斜部分在纵向朝内孔18的纵向中心线倾斜，正如在图2，3和7所特别示出的那样。
一个操作件，例如图中所示的套件44，与至少卡头体14的夹持部20同轴，且环绕住它。套件44的内圆周表面在径向与凹槽28相对且与平直表面29和倾斜表面30一起形成了轴向伸展的通道34。换言之，通道34在其径向外侧由操作件或套件44界定，而在其径向内侧则由平直表面29和倾斜表面30界定。在本实施例中，特别是当套件44用塑料材料加工时，套件44可具有一个用坚硬金属或钢加工的插入部48。插入部48可与套件44一体形成或压配入套件之中。
应该理解的是，轴向伸展的通道34从通道纵向一端到另一端具有变化的径向宽度。在倾斜表面30的对应区域具有较大的径向宽度部分42(图7)。在被平直表面29界定的通道的轴向后部上具有较小的径向宽度部分40。
多个驱动元件被放置在通道34中。在图示实施例中，驱动元件包括装在球保持架90上的滚动体或球38。球保持架90包括其上切削或加工出的多个径向向内伸出的翼片99。翼片99与轴向伸展的狭缝22对齐成一条直线，以保证球保持架90不相对夹持部20转动，防止球38掉到狭缝22中。正如下文所描述的，将球38保持在位于夹持部20和套件44之间的通道34中是非常重要的。应该理解的是，可以采用任何传统的机械结构将球保持架90相对夹持部20保持在一定位置，包括销，固定螺钉等。
滚动体或球38用作驱动元件，通过套件44从图2所示的夹持位置到图3所示的释放位置的轴向移动，滚动体或球38可在通道34内轴向移动。在图2所示的夹持位置，球38保持在通道34的较小径向宽度部40内。由于球基本上是不可压缩的，它们对可变形的夹持部20施加了压缩径向力，使夹持部20被向内径向压缩，并夹持位于内孔18中的工具柄。申请人发现，在两个截然不同的纵向位置对夹持部20施加压缩径向力可产生较大的夹持力或滑动扭矩。由此，提供了轴向排列的多个通道34。参照图2和3，可以发现，当球38保持在通道34的轴向后部，即在通道具有最小的径向直径的位置时，施加了压缩径向力。
特别参考图7，申请人还确定，在内孔18中最好加工下凹部78，下凹部78由纵向的凹槽形成，而凹槽是由界定内孔18的夹持部20的内圆周表面所界定的。申请人认为，下凹部78使径向压缩力集中在内孔18的平面部79(图7)上，这种沿轴向在比较有限的轴向前后区域上的集中作用力提高了系统的刚度、减小了夹持部中工具刀头的振动。
参考附图7，内孔18被示为一锥形孔，其前直径86大于后直径88。对具有0.500英寸容量的卡头装置，内孔的前端直径约为0.503英寸，后直径88因锥形而约为0.500英寸。在内孔的轴向长度上，优选的锥形范围是从0.002左右到0.004英寸左右。但是，应该理解的是，相关锥形的任何范围都应包括在本发明的精神和范围内，并且根据卡头的大小或容量可改变该锥度。不需要引用任何特殊的理论，申请人确信锥形可使在内孔轴向后部位置的夹持或径向压缩力增强。例如，参考图7，由球38施加的径向压缩的加力点位于凹槽28的平直表面29上。当径向力在这些位置被施加在夹持部20上时，夹持20部则会绕后端面26的轴向后部一点摆动或弯曲，而夹持部在该处与卡头体14成为一体。但是，内孔18在位置31处具有最小直径，该位置31位于在轴向最后方的一组球38所施加压缩力的一点的轴向后方，正如图7所示。在位置31，内孔18具有与工具柄大致相等的直径，从而最初接触点或近-接触点会位于点31。申请人认为，锥形在施加径向力A,B的位置和摆动或弯曲点C之间产生了一杠杆或力臂，而该力臂显著增加了在内孔18的直径最小处的压缩力。换言之，产生了两个力臂；从每个轴向通道34内的径向压缩点有一力臂。申请人还对带有或不带有锥形孔的附图所示的0.500英寸容量的卡头装置进行了测试，且如图7所示的带有锥形孔的实施例具有显著增加的夹持力或滑动扭矩。
本领域的技术人员应该理解的是，内孔18的锥度将取决于卡头10的大小和容量。
如图3所示的卡头10，其中驱动元件或套件44已被沿轴向向前移动至释放位置。当套件44沿轴向被前移，在套件44，或插入部48，和球38之间的摩擦接合使球38沿轴向向前运动到通道34较大的径向宽度部分42。在该位置，球38不对夹持部20施加径向压缩力且夹持部20在径向自由地向外膨胀，由此释放保持在内孔18中的工具柄。在图2和图3所示的实施例中，套件44包括一环形凸缘45，它位于套件的后部。图6示出了一实施例，其中环形凸缘位于套件44的前端。
附图还大致示出了一装置，其中沿轴向向前移动驱动元件或套件44以释放卡头。但是，应该理解的是，卡头装置10也可具有相应结构，以使滚动体38沿轴向向后运动而到达到释放位置。在该实施例中，倾斜部30将被加工在凹槽28的轴向后部。
图2和图3所示的卡头10有一个与套件44分离的盖板件80，该盖板件被压装在套件的前端上。图5示出了一装置，其中套件44包括与其作成一体的前盖部82。应该理解的是，本发明可采用套件和盖板件的任何结构。例如，盖板件可包括伸到狭缝22中的指状件，以防止灰尘或污物积聚在狭缝中。
轴向排列的通道34具有不同的变化的径向宽度的情况仍属于本发明的范围之内。换言之，靠近前面24的通道34中的较小径向宽度40部分所具有的径向宽度有可能比轴向后部通道的较小径向宽度40部分的径向宽度小。应该理解的是，在该实施例中，只要在每个通道中的驱动元件或球38具有相同的直径，在轴向前部通道中就会产生较大的压缩力。由此，在每个轴向排列的通道中，会产生大小变化的压缩力。在卡头装置10具有锥形孔时，正如图7所示和上文所述，该实施例则是特别优选的实施例。因为锥形孔在装置的前部具有较大的直径，较大的压缩力是必要的，用以足够地压缩夹持部20的前端。
通过改变滚动球38的直径也可使不同的通道具有大小变化的压缩力。例如，轴向排列的通道可具有相同的变化径向宽度的外形，但前通道内的驱动元件或球38可具有较大的直径。这种安排也可使在轴向位于前部的通道内产生较大的压缩力。
由此，应该理解的是，通过组合各种因素，可以改变每个通道内产生的径向压缩力的大小。径向宽度变化的通道不一定是由夹持部20的外圆周表面界定的，也可以是由套件44或其它可移动的驱动件的倾斜部界定的，这也应包括在本发明的范围之内。换言之，在夹持部20的外表面上凹槽28的底面可具有一致的平直外形，而套件44的内圆周表面包含与凹槽28径向相对的倾斜表面。而且，两个表面都具有倾斜部也是可能的。换言之，驱动件或套件44与凹槽28的相对表面可在轴向形成锥形通道。
根据本发明的卡头装置10还包括锁定机构，一般为52，以保证装置处于图2所示的锁紧位置或夹持位置。在一个实施例中，如图2所示，锁定机构包括在球38和套件44或插入部48之间的纯摩擦锁定。在这些元件之间的摩擦足以使套件保持不动，除非在套件上施加了较大的力。但是，最好采用一主动锁定机构，如图4和图6所示。在图4所示的实施例中，锁定机构52包括一球和制动部。球56被置于凸缘45内的开口58中。在锁紧位置，球56保持在位于卡头体14上的制动部54内。这些球被弹簧60沿径向向内偏压。设置有固定螺钉62，以保持并调节弹簧。为了将卡头装置移向释放位置，操作者必须用足够大的力向前移动套件44，以克服弹簧60的弹力将球56从制动部54中脱离出来。应该理解的是，球和制动部可直接位于夹持部的倾斜或平直的部分上。
图6示出了卡头装置10的另一实施例。在该实施例中，一中间套件84设置在球38和套件44之间。中间套件84具有相对较硬的插入部48。在中间套件84的肩部85和套件44的肩部43之间有一偏压弹簧98。在套件44的后端有插入件68。插入件68包括平面部70，凹入部76和肩部72。凹入区64由肩部66界定，位于卡头体14中与插入件68径向相对的位置。球65被置于一孔或开口67中，该开口67由中间套件84界定。在图6所示的锁紧位置，偏压弹簧98沿轴向向后偏压套件44，以使插入件68的平面部70强制球65径向向内位于卡头体14的凹入区64中。由于肩66而使球65不能沿轴向向前移动。
将装置从图6所示的锁紧位置或夹持位置移至释放位置对，操作者需抓紧套件44的环形凸缘47并克服弹簧98的力沿轴向向前推动套件44。通过该轴向向前运动，插入件68沿轴向向前运动直到凹入部76在径向与球65相对。同时，插入件68的肩部72与中间套件84的肩部74相接触，套件44沿轴向向前的进一步运动引起球65径向向外运动进入由凹入部界定的空间。该动作进一步使中间套件84通过套件44进一步的向前移动而沿轴向前移。中间套件84的该轴向向前移动使滚动体38运动到释放位置。为了插入工具柄并将其锁紧，操作者只需沿轴向向后推动套件44，直到球65运动到卡头体14上的凹入区64中。当该情况发生时，弹簧98将使套件44回到如图6所示的锁紧位置。
一个与图6所示实施例相似的又一优选实施例如图9和10所示。在该实施例中，卡头体14包括与驱动轴端部的外螺纹相接合的内螺纹孔128，正如图9所示。卡头体14还包括基本上界定了夹持部20的轴向后部位置的环槽124。环槽124使夹持部20可在轴向狭缝22的轴向后部的预选位置弯曲。在该实施例中，在夹持部20的前端不必有环形凸缘，这在下面将详细描述。球38和套件44的操作与图6实施例对应的描述大致相同，只是构件的结构有所改变。例如，在图9和图10的实施例中，中间套件84同时形成锁定机构球65的保持架85。如图9所示卡头的锁紧或夹持位置，球65被置于中间套件84的部件85界定的孔内，且球65沿径向向内被压入卡头体14的凹入部64中。正如下文所描述的，直到凹入区122被带到与球65径向对齐的位置，球65才可沿轴向向前或沿径向向外运动。
该实施例中的套件44包括轴向后部的套件100和轴向前部的套件102。套件102最好是可从套件100上移开并且可通过任何传统的方法安装在套件100上。在所示的实施例中，套件102以咬合安装方式安装在套件100上，即利用唇部106与套件100的轴向伸展部108上的槽104的相接合来安装。应该理解的是，在该处可使用任何传统的安装方式。
后套件100包括位于其中的插入件68。较好的是，插入件68直接模制在套件100中。插入件68界定了一个环形凹入部120，在套件的夹持或锁紧位置，球65保存在凹入部120中。插入件68还界定了肩部116。肩部116与位于中间套件84上的肩部118相隔开。在本实施例中，偏压弹簧98被置于肩部116和肩部118之间。
操作图9和图10所示的实施例，操作者握住后套件100上的握持部126并沿轴向向前拉套件。克服弹簧98的力的作用而下拉套件，直到套件100的后部中的凹入区122被带到与球65径向对齐的位置。一旦该情况发生，球65则可以自由地沿径向向外移动且中间套件84会因套件的进一步运动而自由地沿轴向向前移动。由于套件沿轴向前移，坚硬的插入部48与球38接触且使球38沿轴向向前运动到通道34的较大径向宽度部。当球38相对夹持部凹入倾斜部30运动时，夹持部20则自由地径向向外运动且由此释放了插入卡头装置的工具柄。
一旦替换了工具刀头，则需要将卡头装置移到夹持位置，操作者只需握住后套件100的握持部126且沿轴向向后推套件。由此，球38则被迫运动到通道34的较小径向宽度部，从而使夹持部沿径向向内压缩在插入卡头中的工具柄上。当套件沿轴向被向后牵引，球65将移至卡头体14的凹入区64中且当凹入部120轴向移动到超过球65的位置，套件则被锁定。如图9所示，卡头将处在该锁紧或夹持位置。
在图9和图10所示的实施例中，轴向前部套件102作为前盖，通过其前轴面110大致将卡头的前端封闭。在前面110上加工了孔117，该孔与卡头体接收工具柄的孔对齐。在前套102中，安装了一工具刀头保持件。在图示实施例中，工具刀头保持件包括一放置在环槽112中的弹性环114。弹性环114可由任何传统材料加工且最好具有比穿过前部套件102的前面110的孔117稍小的直径。弹性环114具有足够的弹性夹持在插入卡头装置的工具刀头上，当卡头在释放位置和夹持或锁紧位置之间运动时，将工具刀头相对卡头被保持在所需的高度或轴向位置。由此，在操作卡头时，不需要操作者用手将工具刀头保持在一定位置。在操作卡头时，弹性工具保持件还可使卡头内的工具对准中心。
应该理解的是，工具刀头保持件可由任何类型的安装在套件102的前端内的弹性装置构成，而并不局限于图中所示的环114。例如，工具刀头保持件可包括弹簧装置、摩擦配合等。任何传统的装置或系统，用于对工具柄施加初始的夹持力从而在操作卡头时将工具刀具保持在相对卡头体一定的位置上，是包含在本发明的精神和范围内的。
前部套件102的前面110和环114还可作为对卡头的有效密封，以防止污物或碎屑侵入卡头的内部工作区。环114还可作为擦拭器或擦拭机构，在工具柄插入卡头体时可对工具柄进行清洁。
在卡头确实需要清洁或维护的情况下，通过使用工具插入握持部126的槽130中以从槽104中橇起或释放唇部106，从而移去前部套件102，这是一个相对简单的过程。这样，前部套件102则被很简单地从后部套件100中拉出，且卡头的内部操作机构相应暴露出来，可进行所需的清理或维护。
应该理解的是，关于图9和10所示的工具刀头保持件，包括两件套件结构，可被用于此处描述的卡头的任何实施例中。关于这一点，任何实施例所描述的任何结构，都可被用于另外的任何实施例，以产生许多附加实施例。
本发明适用于任何样式的机械工具，只要其工具刀头是被旋转驱动的。该装置特别适用于下述应用上，如特型铣、叠层修木机和清水墙切削机等，其中，需要有相对较高的转速。但是，这并非意味着限定本发明。实际上，对本发明构件的进行不同的修改与改变并不超出本发明的精神与范围，这对于该领域的技术人员来说是很明显的。因此，本发明覆盖了包括在权利要求及其等价物之中的修改和改变。
权利要求
1．一种接收轴向延伸的工具柄的卡头装置，包括一个卡头体，其限定了纵向中心轴，且其中有轴向延伸的内孔，用来接收工具柄，所述内孔至少有一部分是由多个径向可压缩的轴向伸展的夹持部界定的，该夹持部被从所述卡头体的前面向其后部延伸的轴向狭缝均匀地分开；至少有两个轴向伸展的且轴向排列的凹槽，位于各所述夹持部上，每个所述的凹槽包括一个向所述纵轴倾斜的倾斜表面；一个操作件，与所述卡头体的所述夹持部同轴，且至少环绕住它，所述操作件与所述凹槽一起形成了具有变化径向宽度的轴向延伸的通道，所述操作件可在轴向相对所述卡头体运动；驱动元件，被放置在所述通道中，所述驱动元件可随操作件的轴向运动于所述通道内在夹持位置和释放位置之间轴向移动，在夹持位置，所述驱动元件位于所述通道的径向宽度减小部分，使所述夹持部沿径向向内压缩，而在释放位置，驱动元件移动到所述通道的径向宽度较大的部分，使所述夹持部可沿径向膨胀。
2．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，所述操作件包括一具有轴向平直的内圆周表面的套件，位于与所述凹槽径向相对的位置，所述轴向平直表面与所述驱动元件摩擦接合，并在所述套件运动时带动驱动元件在所述通道内运动。
3．根据权利要求2所述的卡头装置，还可包括一插入件，装在所述套件中，并界定了所述轴向平直表面。
4．根据权利要求3所述的卡头装置，其中，所述套件可选用塑料材料加工。
5．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，所述驱动元件包括滚动体。
6．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，所述凹槽可被所述卡头体上的环形凸起分隔开。
7．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，每个所述夹持部的所述通道具有大致相同的可变径向宽度。
8．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，每个所述夹持部的所述通道具有不同的可变径向宽度。
9．根据权利要求8所述的卡头装置，其中，对应每个所述夹持部，离所述前面较近的第一所述通道的所述径向宽度较小部分的径向宽度，比在轴向位于所述第一通道后部的第二所述通道的所述径向宽度较小部分的径向宽度要小。
10．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，所述驱动元件包括滚动球，每个所述夹持部的所述通道内的所述滚动球具有大致相同的直径。
11．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，所述驱动元件包括滚动球，每个所述夹持部的所述通道内的所述滚动球具有不同的直径。
12．根据权利要求11所述的卡头装置，其中，靠近所述前表面的每个所述夹持部的所述第一通道内的所述滚动球的直径，比位于所述第一通道的轴向后部的第二所述通道内的所述滚动球的直径要大。
13．根据权利要求1所述的卡头装置，还包括所述操作件上具有的锁定机构，该锁定机构至少在所述夹持位置锁定所述操作件。
14．根据权利要求13所述的卡头装置，其中，所述锁定机构包括了位于所述操作件和所述驱动元件之间的摩擦锁定。
15．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，各所述夹持部的所述轴向排列的凹槽与相邻所述夹持部的所述凹槽对齐，由此在所述卡头体上形成了环形的凹入带。
16．根据权利要求1所述的卡头装置，其中，所述内孔是锥形的，在所述卡头体的所述前面直径较大，而在其所述后端直径较小。
17．根据权利要求1所述的卡头装置，在所述内孔中还包括至少一个环形下凹部。
18．一种接收轴向延伸的工具柄的卡头装置，包括一个卡头体，限定了纵向中心轴，且其中有轴向延伸的内孔，用来接收工具柄，所述内孔至少有一部分是由多个径向可压缩的轴向伸展的夹持部形成的，该夹持部被从所述卡头体的前面向其后部延伸的轴向狭缝均匀地分开；至少有两个轴向伸展的且轴向排列的凹槽，位于每个所述的夹持部上；一个操作件，与所述卡头体的所述夹持部同轴，且至少环绕住它，所述操作件与所述凹槽一起形成了轴向延伸的且轴向排列的具有变化径向宽度的通道，所述操作件可在轴向相对所述卡头体运动；驱动元件，被放置在所述通道中，所述驱动元件可随操作件的轴向运动于所述通道内在夹持位置和释放位置之间轴向移动，在夹持位置，所述驱动元件位于所述通道的径向宽度减小部分，使所述夹持部沿径向向内压缩，而在释放位置，驱动元件移动到所述通道的径向宽度较大的部分，允许所述夹持部沿径向膨胀。
19．根据权利要求18所述的卡头装置，其中，所述具有变化径向宽度的通道包括一沿纵向倾斜的倾斜表面，至少位于所述凹槽或所述操作件上与凹槽径向相对的表面上。
20．根据权利要求19所述的卡头装置，其中，所述倾斜表面位于所述凹槽中，且所述操作件包括了与所述凹槽径向相对的一大致平直的表面。
21．根据权利要求20所述的卡头装置，其中，所述操作件包括了一轴向可移动的套件，所述平直表面位于所述套件的内圆周表面上。
22．根据权利要求18所述的卡头装置，其中，所述操作件包括一轴向可移动的套件，该套件在径向相对所述凹槽的位置具有倾斜的内圆周表面，为所述通道形成了所述变化的径向宽度。
23．根据权利要求18所述的卡头装置，其中，每个所述夹持部的所述通道的变化的径向宽度互不相同。
24．根据权利要求18所述的卡头装置，其中，所述驱动元件包括位于所述通道内的滚动体。
25．根据权利要求18所述的卡头装置，其中，还包括所述操作件和由所述卡头体可操作地带有的一锁定机构，在相对所述卡头体的一定位置轴向锁定所述操作件。
26．根据权利要求18所述的卡头装置，其中，所述内孔从所述卡头体的所述前面到所述后端是锥形的。
27．一种接收轴向延伸的工具柄的卡头装置，包括一个卡头体，限定了纵向中心轴，且其中有轴向延伸的内孔，用来接收工具柄，所述内孔至少有一部分是由多个径向可压缩的轴向伸展的夹持部形成的，该夹持部被从所述卡头体的前面向其后部延伸的轴向狭缝均匀地分开；一轴向伸展的位于每个所述夹持部上的凹槽；一个操作件，与所述卡头体的所述夹持部同轴，且至少环绕住它，所述操作件与所述凹槽一起形成了轴向延伸的且轴向排列的具有变化径向宽度的通道，所述操作件可在轴向相对所述卡头体运动；驱动元件，被放置在所述通道中，所述驱动元件可随操作件的轴向运动于所述通道内在夹持位置和释放位置之间轴向移动，在夹持位置，所述驱动元件位于所述通道的径向宽度减小部分，而在释放位置，驱动元件移动到所述通道的径向宽度较大的部分；和一可动的外套件与所述操作件形成在一起，所述外套件包括前盖部分，该前盖部分包括穿过其中的一个孔，该孔与所述卡头体的内孔对齐，所述前盖部分还包括一工具刀头保持件，位于所述孔中，与所述工具柄接合，并且当在所述夹持位置和释放位置之间移动所述操作件时，将其保持在一个所需的高度。
28．根据权利要求27所述的卡头装置，其中，所述工具刀头保持件包括一弹性环，具有与所述工具柄相配合的内径，同时允许所述工具柄从其中滑入。
29．根据权利要求28所述的卡头装置，其中，所述弹性环被放置在所述前盖部中的槽中，而所述槽大致界定了所述前盖部分中的内孔。
30．根据权利要求27所述的卡头装置，其中，所述前盖部分可从所述外套件上移走，从而提供了维修通路。
31．根据权利要求30所述的卡头装置，其中，所述前盖部分是咬合安装在所述套件上的。
32．根据权利要求28所述的卡头装置，其中，所述弹性环形成了一个环绕所述工具柄的密封，由此所述前盖部分和所述弹性环基本上封闭了所述卡头装置的前端，以防止碎屑侵入所述卡头装置。
33．根据权利要求27所述的卡头装置，其中，将所述操作件在所述释放和夹持位置之间移动时，所述工具刀头保持件使所述工具柄在所述卡头体内孔中保持中心对准且轴向对齐。
34．根据权利要求27所述的卡头装置，其中，所述外套件包括轴向伸展的部分，其上形成有握持部。
全文摘要
可实现快速更换刀具的卡头装置具有一卡头体,界定了用于接收工具柄的轴向伸展的内孔。内孔至少有一部分是由多个径向可压缩的轴向伸展的夹持部形成的。该夹持部被从卡头体前面延伸向后的轴向狭缝均匀地分开。驱动元件,例如球,被放置在具有可变径向宽度的通道中,驱动元件可随操作件的轴向运动于通道内在夹持位置和释放位置之间轴向移动。
文档编号B23B31/20GK1210053SQ9811855
公开日1999年3月10日 申请日期1998年9月3日 优先权日1997年9月3日
发明者肯尼恩·M·蒙塔乔伊, 马克·S·哈金斯 申请人:动力工具霍德尔斯公司