具有扩口杯的管开槽装置的制作方法

具有扩口杯的管开槽装置
1.相关申请的交叉引用本技术基于2019年8月21日提交的美国临时申请no. 62/889,671并要求其优先权的权益，该申请据此以引用方式并入本文。
技术领域
2.本发明涉及使用凸轮来冷加工管元件的机器。


背景技术：

3.管元件的冷加工(例如，在管元件中压印周向凹槽以接受机械管联接器)有利地使用辊式开槽机来完成，该开槽机具有接合管元件的内表面的内辊和同时接合管元件的外表面的与内辊相对的外辊。随着管通常通过驱动内辊而围绕其纵向轴线旋转时，外辊被逐渐地推向内辊。辊具有表面轮廓，在管元件旋转时被压印到管元件圆周上从而形成周向凹槽。
4.如果要将管元件以所需公差冷加工到必要的精度，则这种技术面临各种挑战。最紧迫的是与在期望的公差范围内产生期望半径(从管元件孔的中心到凹槽的底部测量)的凹槽相关联的困难。此外，在管元件的端部附近压印周向凹槽通常导致管元件的端部区域在直径上扩大，这是一种称为“扩口”的现象。在机械联接器和密封件的设计中必须考虑扩口和管元件公差，并且这使得它们的设计和制造变得复杂。这些考虑导致了复杂的现有技术装置，其例如需要致动器来迫使辊与管元件接合，并且需要操作者调节辊行程以实现期望的凹槽半径。另外，现有技术的辊式开槽机对管元件施加显著的扭矩，并且具有较低的生产率，通常需要管元件旋转许多圈来获得完成的周向凹槽。显然需要这样的装置，其例如使用凸轮来准确地冷加工管元件，该装置是简单的，但产生更快的结果，并具有更少的操作者参与。


技术实现要素：

5.本发明涉及一种用于在管元件中形成周向凹槽的装置。在示例实施例中，该装置包括小齿轮，该小齿轮被固定，以防止围绕与小齿轮同轴地布置的小齿轮轴线旋转。托架围绕小齿轮。托架可围绕小齿轮轴线旋转，并且限定与小齿轮轴线同轴地布置的用于接纳管元件的开口。杯定位在小齿轮附近。该杯具有与小齿轮轴线同轴地布置并限定内部的侧壁。侧壁具有内表面。内表面具有位于远离小齿轮处的第一直径和位于靠近小齿轮处的第二直径。第一直径大于第二直径。在具体的示例实施例中，侧壁可以具有锥形内表面。在示例实施例中，锥形内表面可以限定从11
°
到16
°
的夹角。
6.内部面向用于接纳管元件的开口。杯可沿着小齿轮轴线朝向和远离小齿轮移动。管端部止挡定位在第一和第二直径之间的内部内。管端部止挡可相对于杯沿着小齿轮轴线朝向和远离小齿轮移动。杯弹簧可以作用在杯和小齿轮之间，以使杯偏置远离小齿轮。止动弹簧可以作用在管端部止挡上，并且以使管端部止挡偏置远离小齿轮。多个齿轮安装在托架上。每个齿轮可相对于托架围绕相应的齿轮轴线旋转。齿轮中的至少一个直接与小齿轮
接合。在示例实施例中，每个齿轮直接与小齿轮接合。多个凸轮主体安装在齿轮中的相应一个上。多个第一凸轮表面围绕凸轮主体中的相应一个延伸，并且可与接纳在开口内的管元件接合。第一凸轮表面中的每一个包括半径增加的区域。第一凸轮表面中的每一个包括第一凸轮表面的第一不连续部。
7.根据本发明的示例装置还可以包括小齿轮轴。小齿轮固定地安装在小齿轮轴上。托架可旋转地安装在小齿轮轴上。在示例实施例中，小齿轮轴限定与小齿轮轴线同轴对齐的孔。杯轴可以定位在孔内。杯轴可沿着小齿轮轴线在孔内移动。杯轴的第一端部从孔伸出。杯靠近杯轴的第一端部安装。在示例实施例中，杯包括同轴地接纳杯轴的毂。后壁从毂向外延伸。侧壁附接到后壁。
8.在根据本发明的示例装置中，管端部止挡包括固定地安装在杯轴上的套筒。安装在套筒上的板从套筒向外延伸。该板限定面向开口的管接合表面。例如，板还可以包括定位在管接合表面内的反向锥形表面。
9.在另一示例中，杯可以包括同轴地接纳套筒的毂。后壁从毂向外延伸。侧壁附接到后壁。一种示例装置还可以包括基部和安装在基部上的柱。小齿轮轴可以固定地安装在柱上。在示例实施例中，杯弹簧包括锥形弹簧。
10.另外，作为示例，每个齿轮具有相同的节圆直径。同样作为示例，第一凸轮表面中的每一个可以包括定位到第一不连续部中的相应一个附近的具有恒定半径的区域。在具体的示例实施例中，第二凸轮表面中的每一个包括定位到第二不连续部中的相应一个附近的具有恒定半径的区域。此外，作为示例，第二凸轮表面中的每一个可以具有恒定半径。
11.在示例实施例中，至少一个牵引表面围绕凸轮主体中的一个延伸。该至少一个牵引表面在其中具有间隙。该间隙与围绕一个凸轮主体的第一凸轮表面的第一不连续部轴向地对齐。在具体的示例实施例中，至少一个牵引表面包括从其向外延伸的多个突出部。作为另外的示例，至少一个牵引表面靠近围绕一个凸轮主体的第一凸轮表面定位。
12.在示例实施例中，小齿轮具有等于管元件的外径的节圆直径。在另一个示例实施例中，至少一个牵引表面具有等于齿轮中的一个的节圆直径的节圆直径。
13.根据本发明的示例装置还可以包括多个牵引表面。牵引表面中的每一个围绕凸轮主体中的相应一个延伸。牵引表面中的每一个在其中具有间隙。每个间隙与凸轮主体中的每一个上的第一凸轮表面的不连续部中的相应一个轴向地对齐。牵引表面中的每一个具有等于齿轮的节圆直径的节圆直径。在示例实施例中，至少一个牵引表面围绕凸轮主体中的一个延伸。该至少一个牵引表面在其中具有间隙。该间隙与围绕一个凸轮主体的第一凸轮表面的第一不连续部轴向地对齐。示例实施例可以具有第一凸轮表面，该第一凸轮表面定位在至少一个牵引表面和围绕一个凸轮主体的第二凸轮表面之间。此外，作为示例，第一和第二凸轮表面可以定位在至少一个牵引表面和其上安装有一个凸轮主体的齿轮之间。
14.示例实施例还可以包括多个牵引表面。牵引表面中的每一个围绕凸轮主体中的相应一个延伸。牵引表面中的每一个在其中具有间隙。每个间隙与凸轮主体中的每一个上的第一凸轮表面的不连续部中的相应一个轴向地对齐。牵引表面中的每一个可以具有等于齿轮的节圆直径的节圆直径。此外，作为示例，第一凸轮表面中的每一个可以定位在牵引表面中的相应一个和每个凸轮主体上的第二凸轮表面中的相应一个之间。在另一个示例实施例中，第一和第二凸轮表面中的每一个可以定位在牵引表面中的相应一个和每个凸轮主体上
的齿轮中的相应一个之间。在具体示例中，第一凸轮表面中的每一个靠近每个凸轮主体上的牵引表面中的相应一个定位。根据本发明的装置的示例实施例可以包括至少三个齿轮或至少五个齿轮。
附图说明
15.图1是用于在管元件中形成周向凹槽的示例装置的纵向截面图；图1a是图1所示装置的一部分的放大比例的纵向截面图；图2是在管元件中形成周向凹槽的图1所示装置的纵向截面图；图2a是图2所示装置的一部分的放大比例的纵向截面图；图3和图3a是图1所示装置的所选部件的分解等距视图；图4是在图1所示装置中使用的示例凸轮的放大比例的等距视图；图5是在图1所示装置中使用的示例凸轮的放大比例的端视图；图6是在图1所示装置中使用的示例凸轮的放大比例的侧视图；图7是在图1所示装置中使用的齿轮减速组件的等距视图；图8是在图1所示装置中使用的所选部件的端视图；图9是用于在管元件中形成周向凹槽的示例装置的纵向截面图；图9a是图9所示装置的一部分的放大比例的纵向截面图；图10是在管元件中形成周向凹槽的图9所示装置的纵向截面图；图10a是图10所示装置的一部分的放大比例的纵向截面图；图11是图9所示装置的所选部件的分解等距视图；图12是在图9所示装置中使用的示例凸轮的放大比例的侧视图；图13是在图9所示装置中使用的示例凸轮的放大比例的端视图；图14是在图9所示装置中使用的所选部件的端视图；图15是根据本发明的用于在管元件中形成周向凹槽的装置的一部分的另一个示例实施例的分解等距视图；图16是图15所示装置的截面侧视图；图17至图19是图15所示装置的截面侧面图，图示了该装置的操作；和图20是图15所示装置的前视截面图。
具体实施方式
16.图1和图1a示出了用于在管元件中形成周向凹槽的示例装置10。装置10对于为具有1.25英寸或更大的标称直径的管元件开槽是有利的。装置10包括安装在中间轴14上的小齿轮12(也参见图3)。小齿轮12和中间轴14被固定地安装，以防止围绕与小齿轮和轴同轴地布置的小齿轮轴线16旋转。小齿轮12的旋转固定是通过在小齿轮和中间轴14之间的键18以及将中间轴14的部分14a与固定安装件20接合来实现的。固定安装件20固定地安装在基部22上。中间轴14的部分14a具有多边形横截面，该横截面接合延伸穿过固定安装件20的开口24。开口24的形状与中间轴14的部分14a的形状相匹配，并且因此将防止轴围绕小齿轮轴线16旋转，但允许轴的轴向运动。在该示例实施例中，部分14a具有正方形横截面，并且开口24具有基本上匹配的正方形形状。
17.托架26围绕小齿轮12。托架26安装在外轴30的凸缘28上。外轴30是中空的，围绕中间轴14并且与中间轴14同轴。定位在外轴30和中间轴14之间的轴承32允许外轴和因此附接到外轴的托架26相对于中间轴14围绕小齿轮轴线16旋转。托架26限定用于接纳管元件的开口34，在该管元件中将形成凹槽。开口34与小齿轮轴线16同轴地布置。止动板36经由小齿轮12安装在中间轴14上。止动板36可与中间轴14和小齿轮12一起沿着小齿轮轴线16轴向地移动。止动板36、中间轴14和小齿轮12由作用在小齿轮和外轴30之间的弹簧38经由轴凸缘28朝向开口34偏置。因为中间轴14相对于基部22旋转固定，所以可在小齿轮12和弹簧40之间使用推力轴承40来保护与凸缘28和外轴30一起旋转的弹簧38，并减小小齿轮12和凸缘28之间的摩擦。止动板36与小齿轮12和止推轴承40配合，以提供形锁合止挡，该止挡定位管元件，以实现凹槽的正确定位。
18.多个齿轮42安装在托架26上。在图1、图2和图3所示的示例实施例中，托架具有彼此以90
°
的角度间隔开的4个齿轮。每个齿轮42可围绕相应的齿轮轴线44旋转。在实际实施例中，每个齿轮安装在齿轮轴46上，齿轮轴46固定在构成托架26的前板48和后板50之间。定位在每个齿轮42与其相应的轴46之间的轴承52提供了齿轮在托架26内的低摩擦旋转。每个齿轮42与小齿轮12接合。
19.如图4所示，凸轮主体54安装在每个齿轮42上。第一凸轮表面56围绕每个凸轮主体54延伸。第一凸轮表面56可与通过开口34接纳的管元件接合。如图5所示，第一凸轮表面56包括半径增加的区域58和凸轮表面的不连续部60。不连续部60是其中凸轮表面56不接触管元件的凸轮主体54上的位置。包括作为每个第一凸轮表面56的一部分的定位在不连续部60附近的恒定半径的区域62是进一步有利的。至少一个牵引表面64可以围绕凸轮主体54中的一个延伸。在图3所示的示例中，相应的牵引表面64围绕每个凸轮主体54延伸。牵引表面64也可与接纳在托架26内的管元件接合，但是每个牵引表面具有与每个凸轮主体54上的第一凸轮表面56中的不连续部60轴向地(即，在沿着齿轮轴线44的方向上)对齐的间隙66。如图4所示，牵引表面64可以包括从其向外延伸的多个突出部68。突出部在装置操作期间在管元件和牵引表面64之间提供抓持，并且可以例如通过对牵引表面进行压花来形成。牵引表面具有直径128的节圆。当突出部68存在于牵引表面64上时，牵引表面的节圆直径128将由突出部68与管元件79的相互作用(包括由突出部68在管元件79上进行的压印)确定。如果不存在突出部68，则牵引表面64的节圆直径127将等于该牵引表面的节圆直径。如图4进一步所示，第一凸轮表面56定位在齿轮42和牵引表面64之间，与牵引表面成间隔关系，但与齿轮相比更靠近牵引表面。
20.如图1和图4所示，第二凸轮表面70也定位在凸轮主体54上并围绕其延伸。第二凸轮表面70是受控扩口表面。扩口是管元件的端部的径向膨胀，当在该端部附近形成周向凹槽时，这种径向膨胀往往会发生。第二凸轮表面70(受控扩口表面)定位在齿轮42附近，使得它在其端部附近接触管元件，在该端部处，由于凹槽形成，扩口将最明显。如图4和图6所示，除了其不连续部70a之外，第二凸轮表面70具有恒定半径72，该半径尺寸设计成与管元件接合以控制扩口，并且例如在凹槽形成期间和之后将其端部保持在管元件的原始标称直径处。不连续部70a与第一凸轮表面56中的不连续部60对齐，并且是其中凸轮表面70不接触管元件的凸轮主体54上的位置。在备选实施例中，第二凸轮表面70可以具有半径增加的区域和半径恒定的精加工区域，或者第二凸轮表面70可以在其整个弧长上具有增加的半径。
21.如图1、图3和图3a所示，装置10还包括邻近小齿轮12定位的扩张模具74。在该示例中，模具74包括径向可滑动地安装在小齿轮12上并联接到致动器的四个区段76。在该示例中，致动器包括延伸穿过中间轴14的中空孔80的拉杆78。拉杆78具有锥形的带刻面端部82，其接合每个模具区段76上的配合刻面表面84。拉杆78相对于中间轴14在孔80内轴向地可移动，并且模具区段76相对于小齿轮12径向地朝向和远离小齿轮轴线16可移动。模具区段76的径向运动由拉杆78的轴向运动实现。图1和图1a图示了处于缩回位置的拉杆78和模具区段76，并且图2和图2a图示了处于扩张位置的拉杆和模具区段。当拉杆78朝向托架26的开口34延伸时(图1、图1a)，模具区段76定位在拉杆78的锥形端部82的较小部分上，并且模具区段处于其缩回位置中。模具74还包括圆形弹簧86(参见图3a)，其围绕模具区段76并将其偏置到缩回位置。当拉杆78从托架26的开口34拉离时(图2、图2a)，轴向地固定在小齿轮12上的模具区段76通过每个区段76上的刻面表面84和拉杆78的锥形带刻面端部82之间的相互作用而被径向地向外推动。当拉杆78朝向托架26的开口34返回时，模具区段76在圆形弹簧86的影响下径向地向内行进并返回到缩回位置。
22.如图1a和图3a中进一步所示，每个模具区段76具有模具面88，模具面88径向地背离小齿轮轴线16，以便接合接纳在托架26内的管元件的内表面。模具面88具有与凸轮主体54上的第一凸轮表面56的形状相协调的轮廓形状。如下所述，第一凸轮表面56和模具面88配合以在管元件中形成所需形状的周向凹槽(参见图2、图2a)。对于具有1.25英寸或更大的标称直径的管元件，可能有利的是将模具74与第一凸轮表面56结合使用，以更精确地控制管元件的最终凹槽形状和尺寸。与单独使用凸轮表面可能的情况相比，使用模具74预期产生更好的限定的周向凹槽。注意，模具面88具有锥形表面88a(图1a、图2a和图3a)，当管元件大于标称直径时，该锥形表面88a为第二(受控扩口)凸轮表面70提供自由空间以形成管元件的端部。当受控扩口表面70用来减小管元件的外径时，表面88a也是有用的。
23.如图1和图2所示，轴向地移动拉杆78以使模具74扩张和缩回的致动器还包括气缸和活塞90。在该示例实施例中，气缸和活塞90包括双作用气动气缸92，该双作用气动气缸92具有联接到拉杆78的活塞94。气动气缸92安装在框架96上，框架96附接到中间轴14，并可相对于基部22移动。因此，气动气缸92与中间轴14一起轴向地移动，但其活塞94可以相对于中间轴14移动拉杆78。位置传感器98用来检测包括拉杆78、模具74、小齿轮12、中间轴14和气动气缸92及其框架96的组件的位置。位置传感器98例如可以包括接近传感器或微动开关。压力传感器100用来检测气动气缸92的压力状态。位置传感器98和压力传感器100两者都与控制器102通信，控制器102可以包括例如可编程逻辑控制器或其他微处理器。控制器102使用来自位置传感器98和压力传感器100的信息来控制装置10的操作，如下所述。
24.如图1和图7所示，减速齿轮系104用来使外轴30围绕小齿轮轴线16旋转。在该示例实施例中，减速齿轮系104包括通过由控制器102控制的伺服马达(未示出)驱动的蜗杆106。伺服马达用作分度驱动器，并且具有编码器，该编码器提供关于马达轴的位置的精确信息，从而允许精确控制蜗杆106的旋转。
25.蜗杆106与蜗轮108啮合。如图1和图7所示，蜗轮108安装在输出轴110上，该输出轴110被支撑在输出轴110和齿轮箱114之间的轴承112上以围绕小齿轮轴线16旋转，齿轮箱114固定到基部22。输出轴110通过键116联接到外轴30，因此当输出轴110由蜗杆106和蜗轮108旋转时确保外轴30的旋转。
26.装置10的操作始于如图8所示定位的凸轮主体54，在它们相应的第一凸轮表面56和第二凸轮表面70(不可见)中的不连续部60和70a面向小齿轮轴线16，并且在它们相应的牵引表面64(当存在时)中的间隙66也面向小齿轮轴线16。凸轮主体54的该取向在齿轮42与小齿轮12组装在托架26中时建立，并由控制器102(图1)和通过蜗杆106和蜗轮108作用的伺服马达(未示出)设置为开始位置。模具区段76处于其缩回位置(图1a)。
27.如图1和图1a所示，在凸轮主体54处于开始位置并且模具区段76缩回的情况下，待开槽的管元件118通过托架26中的开口34插入并抵靠止动板36。牵引表面64(当存在时)中的间隙66与第一凸轮表面56和第二凸轮表面70中的相应不连续部60、70a的对齐以及模具区段76的缩回位置为管插入提供了空隙。管元件118进一步压靠止动板36，压缩弹簧38，并使包括模具74、小齿轮12、拉杆78、止推轴承40和气动气缸92的组件相对于基部22和附接到基部22的固定安装件20轴向地移动，从而当止推轴承40抵接凸缘28时达到形锁合止动状态。组件的位置由位置传感器98感测，位置传感器98向控制器102发送指示组件位置的信号。在接收到位置信号时，控制器102命令气动气缸92将拉杆78从托架26的开口34拉离。这导致模具区段76径向地向外移动到扩张位置(图2、图2a)，并由此使模具面88与管元件118的内表面120接合。模具区段76的扩张位置将根据管元件的内径而变化。气动气缸92保持拉杆78上的力，从而将模具76抵靠管元件内表面锁定。当压力传感器100感测到指示拉杆78已被拉动的气动气缸92的缩回侧上的阈值较低压力时，它向控制器102发送指示模具区段76处于扩张状态的信号。在从压力传感器100接收到模具状态信号时，控制器102命令伺服马达转动蜗杆106，蜗杆106转动蜗轮108。在该示例中，蜗轮108的旋转使输出轴110逆时针(当在图8中观察时)旋转，这导致其键接(键116，参见图2a)的外轴30旋转。外轴30的旋转使托架26围绕小齿轮轴线16逆时针旋转。(托架26的旋转方向由第一凸轮表面56在凸轮主体54上的布置来预先确定。)这导致齿轮42和它们相关联的凸轮主体54围绕小齿轮轴线16绕转。然而，因为中间轴14通过中间轴部分14a和固定安装件的开口24之间的相互作用而被锁定到固定安装件20，所以小齿轮12被固定以防止旋转。因为齿轮42接合(固定)小齿轮12，所以托架26围绕小齿轮轴线16的相对旋转导致齿轮42和它们相关联的凸轮主体54围绕它们相应的齿轮轴线44旋转(参见图2、图2a和图8)。凸轮主体54的旋转使牵引表面64和第一凸轮表面56与管元件118的外表面124接触。当每个第一凸轮表面56的半径增加区域58和恒定半径区域62横穿管元件118时，牵引表面64夹持管元件，而第一凸轮表面56将凹槽压印到管元件外表面124中。模具区段76接合并支撑管元件118的内表面120，并且模具面88与第一凸轮表面56配合以形成周向凹槽。
28.凸轮主体54上的第一凸轮表面56和第二(受控扩口)凸轮表面70的位置与接纳在托架26内的管元件118的位置相协调，使得凹槽形成在距管元件118的端部期望的距离处，并且在管元件的端部处的扩口被控制，即限制或减小到大约其标称直径或更小。控制器102使托架26旋转经过必要的转数(取决于齿轮42和小齿轮12之间的传动比)，以形成对于具有均匀壁厚的管元件来说具有基本上恒定的深度的周向凹槽。在该示例实施例中，仅需要托架旋转一圈来形成恒定深度的完整周向凹槽。在凹槽形成完成时，通过伺服马达和齿轮系104作用，控制器102使托架26返回到其中牵引表面64中的间隙66与第一凸轮表面56中的不连续部60和第二凸轮表面70中的不连续部70a再次面向小齿轮轴线16的位置(图8)。然后，控制器102命令气动气缸92将拉杆78朝向开口34移动，并允许模具区段76在圆形弹簧86的
偏置力下径向地向内移动到它们的缩回位置并与管元件118脱离(图1和图3a)。凸轮主体54和模具74的该位置允许管元件118从托架26中撤出。当管元件118撤出时，弹簧38将包括拉杆78、小齿轮12、止推轴承40、中间轴14、气动气缸92和模具74的组件推回到其初始位置，并且装置10再次准备好对另一管元件开槽。
29.利用装置10实现了显著的优点，因为它在开槽过程期间对管元件施加最小的扭矩，同时将凹槽形成到固定直径。如图8和图5所示，在以下情况下达到该条件：1)小齿轮12的节圆直径126基本上等于管元件的外径(图8)；以及2)牵引表面64的节圆直径128基本上等于齿轮42的节圆直径130(图5)。当满足这两个条件时，牵引表面64被限制为横穿管元件的外表面，而导致管旋转的趋势很小或没有，并且因此仅向管元件施加最小的扭矩。如本文中用来指小齿轮、齿轮和牵引表面的节圆直径与管元件的外径之间的关系的术语“相等”和“基本上相等”意味着小齿轮的节圆直径足够接近管元件的外径，并且牵引表面的节圆直径足够接近齿轮的节圆直径，使得最小的扭矩被施加到管元件。为了实际目的，如果这些值之间的差值在百分之一英寸的量级上，则小齿轮的节圆直径可以被认为“等于”或“基本上等于”管元件的外径。因为实际管具有相对于标称值显著的直径公差，所以预计牵引表面的节圆直径和管元件的外径之间的关系可能受到管直径偏差的影响，使得扭矩将被施加到管元件，从而在这些情况下使用外部夹具是有利的。在装置10中，当模具74安装在旋转固定的小齿轮12上时，模具74可以充当夹具。
30.在实际的示例设计中，适用于对具有2.5英寸标称管尺寸的管元件开槽的装置10使用四个齿轮42和凸轮主体54，如图所示。2.5英寸标称管的外径为2.875英寸。具有36个齿和72mm(2.835英寸)的节圆直径的小齿轮12足够接近(具有0.040英寸的差值)，使得当齿轮的节圆直径和牵引表面的节圆直径也基本上彼此相等时施加最小的扭矩。该示例实施例使用节圆直径为72mm(2.835英寸)的具有36个齿的齿轮42。当被压花或以其他方式制备时，牵引表面64尽管不是齿轮，但具有基本上等同的节圆直径(即，提供与实际齿轮相同运动的圆柱体的直径)，该节圆直径在管被牵引表面穿过时被压印到管中。牵引表面的节圆直径和齿轮节圆直径之间的百分之一英寸量级的差值在实际应用中满足了“相等”或“等同”的这种限定。考虑到小齿轮12和齿轮42之间的传动比在该示例中相等，很明显，托架26将旋转一圈以围绕管元件形成完整的周向凹槽。
31.在适合于具有4.5英寸的外径的4英寸标称尺寸管的另一示例设计中，具有72个齿的节圆直径为4.5英寸的小齿轮是可行的。这种设计使用4个齿轮，每个齿轮具有72个齿和4.5英寸的节圆直径。小齿轮和齿轮之间的1:1的比率表明，需要托架的单圈旋转来形成完整的凹槽。小齿轮和齿轮之间的其他比率将导致托架的多圈或部分圈旋转，以形成完整的凹槽。
32.装置10被设计成使得托架26及其相关联的齿轮42、凸轮主体54、小齿轮12、外轴30、中间轴14和模具74与其他相关部件一起构成可与齿轮系104互换的组件132，以允许装置容易地适合于对具有不同直径和壁厚的一系列管进行开槽。通过使用将外轴30固连到齿轮箱114的可移除的夹子134和在外轴30与蜗轮108的输出轴110之间的键116以及通过将气动气缸92的框架96与中间轴14中的狭槽136接合而将中间轴附接到该框架和还使用相互接合的狭槽和肩部138将活塞94附接到拉杆78来提供可互换性。组件132可以通过以下方式移除：提升气动气缸92，使得框架96与中间轴14脱离并且活塞94与拉杆78脱离，并且然后移除
保持夹子34(由此允许外轴30与蜗轮108脱离)并沿着小齿轮轴线16滑动组件。然后，可以替换适合于对不同管元件开槽的不同托架组件。
33.根据本发明的装置10预计将提高管开槽操作的效率，因为它们将在宽范围的管元件尺寸和时间表上快速且准确地操作，而不需要支架来支撑管元件和适应其旋转并确保对齐。装置10还将允许对弯曲的管元件和具有弯管接头的管组件进行开槽，而不涉及横向管元件的旋转运动。
34.图9示出用于在管元件中形成周向凹槽的另一装置11。装置11包括小齿轮13，小齿轮13被固定地安装以防止围绕与小齿轮同轴地布置的小齿轮轴线15旋转。小齿轮13的旋转固定通过将其安装在小齿轮轴19的一个端部17上来实现，小齿轮轴的相对端部21通过键25固定到柱23。柱安装在基部27上。
35.托架29围绕小齿轮13。托架29安装在驱动轴33的凸缘31上。驱动轴33是中空的，围绕小齿轮轴19并且与小齿轮轴19同轴。定位在驱动轴33和小齿轮轴19之间的轴承35允许驱动轴和因此附接到驱动轴的托架29围绕小齿轮轴线15旋转。托架29限定用于接纳管元件的开口37，在该管元件中将形成凹槽。开口37与小齿轮轴线15同轴地布置。如图9和图11所示，杯39与小齿轮13同轴地安装。管元件抵接杯39，并且在该示例中安装在杯轴41上，杯轴41同轴地延伸穿过中空小齿轮轴19中的孔43。杯轴41可沿着小齿轮轴线15轴向地移动，并由作用在小齿轮轴19和杯39之间的弹簧45朝向开口37偏置。与杯39相对的杯轴41的端部47与安装在柱23附近的开关49结合使用，以激活装置，如下所述。在该示例实施例中，开关包括接近传感器，但也可以是诸如微动开关的接触开关。
36.多个齿轮51安装在托架29上。在图9和图11所示的示例实施例中，托架具有彼此以120
°
的角度间隔开的3个齿轮51。每个齿轮51可围绕相应的齿轮轴线53旋转。在实际实施例中，每个齿轮安装在齿轮轴55上，齿轮轴55固定在构成托架29的前板57和后板59之间。定位在每个齿轮51与其相应的轴55之间的轴承61提供了齿轮在托架29内的低摩擦旋转。每个齿轮51与小齿轮13接合。
37.如图12所示，相应的凸轮主体63安装在每个齿轮51上。相应的凸轮表面65围绕每个凸轮主体63延伸。凸轮表面65可与通过开口37接纳并抵接杯39的管元件接合。如图13所示，每个凸轮表面65包括凸轮表面的半径增加的区域67和不连续部69。不连续部69是其中凸轮表面65不接触管元件的凸轮主体63上的位置。包括作为每个凸轮表面65的一部分的定位在不连续部69附近的恒定半径的区域71是进一步有利的。牵引表面73(参见图12)围绕凸轮主体63中的至少一个延伸。在图11所示的示例中，相应的牵引表面73围绕每个凸轮主体63延伸。牵引表面73也可与接纳在托架29内的管元件接合，但是每个牵引表面具有与每个凸轮主体63上的凸轮表面65中的不连续部69轴向地(即，在沿着齿轮轴线53的方向上)对齐的间隙75。如图12所示，牵引表面73可以包括从其向外延伸的多个突出部77。突出部在装置操作期间在管元件和牵引表面73之间提供额外的抓持，并且可以例如通过对牵引表面压花来形成。牵引表面具有直径87的节圆。当突出部68存在于牵引表面64上时，牵引表面的节圆直径87将由突出部87与管元件79的相互作用(包括由突出部87在管元件79上进行的压印)确定。如果不存在突出部68，则牵引表面64的节圆直径87将等于该牵引表面的节圆直径。如图12进一步所示，凸轮表面65定位在齿轮51和牵引表面73之间，与牵引表面成间隔关系，但与齿轮相比更靠近牵引表面。
38.如图9和图7所示，减速齿轮系104用来使驱动轴33围绕小齿轮轴线15旋转。在该示例实施例中，减速齿轮系104包括由伺服马达(未示出)驱动的蜗杆106，该伺服马达由诸如可编程逻辑控制器(未示出)的微处理器控制。伺服马达用作分度驱动器，并且具有编码器，该编码器提供关于马达轴的位置的精确信息，从而允许精确控制蜗杆106的旋转。
39.蜗杆106与蜗轮108啮合。蜗轮108安装在中空输出轴110上，该中空输出轴110被支撑在输出轴110和齿轮箱114之间的轴承112上以围绕小齿轮轴线15旋转。输出轴110通过键95联接到驱动轴33，因此当输出轴110由蜗杆106和蜗轮108旋转时确保驱动轴33的旋转。
40.装置11的操作始于如图14所示定位的凸轮主体63，其它们相应的凸轮表面65中的不连续部69面向小齿轮轴线15，并且在它们相应的牵引表面73中的间隙75(参见图11)也面向小齿轮轴线15。凸轮主体63的该取向在齿轮51与小齿轮13组装在托架29中时建立，并由控制系统和通过蜗杆106和蜗轮108作用的伺服马达(未示出)设置为开始位置。
41.当凸轮主体63处于图14所示的开始位置时，将被开槽的管元件79插入穿过托架29中的开口37并抵接杯39(参见图9)。牵引表面73中的间隙75与凸轮表面63中的不连续部69的对齐(参见图11)为管插入提供了空隙。管元件进一步压靠杯39，压缩弹簧45并使杯39抵靠形锁合止挡(在该示例中为小齿轮轴19的面)移动，使得杯轴41的端部47与开关49(在该示例中为接近开关)相互作用。关闭开关49向控制系统发送信号，控制系统命令伺服马达转动蜗杆106，蜗杆106转动蜗轮108。在该示例中，蜗轮108的旋转使输出轴110逆时针(当在图14中观察时)旋转，这导致其键接(键95)的驱动轴33旋转。驱动轴33的旋转使托架29围绕小齿轮轴线15逆时针旋转。(托架29的旋转方向由凸轮主体63上的凸轮表面65的布置决定。)这导致齿轮51和它们相关联的凸轮主体63围绕小齿轮轴线15绕转。然而，因为小齿轮轴19通过键25键接到柱23，所以小齿轮13被固定以防止旋转。因为齿轮51接合小齿轮13，托架29围绕小齿轮轴线15的相对旋转导致齿轮51和它们相关联的凸轮主体63围绕它们相应的齿轮轴线53旋转。凸轮主体63的旋转使牵引表面73和凸轮表面65与管元件79的外表面83接触。当每个凸轮表面65的半径增加区域67和恒定半径区域71横穿管元件时，牵引表面73夹持管元件79，而凸轮表面65将凹槽压印到其外表面83中。当管元件被插入到足以到达形锁合止挡的位置并触发开关49时，凸轮主体63上的凸轮表面65的位置与管元件的位置相协调，使得在距管元件的端部的期望距离处形成凹槽。控制器使托架29旋转经过必要的转数(取决于齿轮51和小齿轮13之间的传动比)，以在管元件中形成具有基本上恒定的深度的周向凹槽。在凹槽形成完成时，控制器将托架29返回到其中牵引表面73中的间隙75和凸轮表面65中的不连续部69再次面向小齿轮轴线15的位置(参见图14)。凸轮主体63的该位置允许管元件79从托架29中撤出，并且装置11准备好对另一管元件进行开槽。
42.利用装置11实现了显著的优点，因为它在开槽过程期间对管元件施加最小的扭矩，同时将凹槽形成到固定直径。在以下情况下达到该条件：1)小齿轮13的节圆直径85(图11)等于管元件79的外径；以及2)牵引表面73的节圆直径87等于齿轮51的节圆直径89(图12)。当满足这两个条件时，牵引表面73被限制为横穿管元件的外表面，且导致管旋转的趋势很小或没有，并且因此仅向管元件施加最小的扭矩。如本文中用来指小齿轮的节圆直径与管的外径之间的关系的术语“相等”意味着节圆直径足够接近外径，使得最小的扭矩被施加到管元件。节圆直径和管元件的外径之间的百分之一英寸量级的差值在实际应用中满足了“相等”的这种限定。因为实际管元件具有相对于标称值显著的直径公差，所以预计牵引
表面的节圆直径和管元件的外径之间的关系可能受到管直径偏差的影响，使得扭矩将被施加到管元件，从而在这些情况下使用外部夹具99是有利的(参见图9)。
43.在实际的示例设计中，适于对1英寸标称直径管开槽的装置11使用如图所示的三个齿轮51和凸轮主体63。1英寸标称管的外径为1.315英寸。具有21个齿和1 5/16英寸(1.3125英寸)的节圆直径的小齿轮13足够接近(具有0.0025英寸的差值)，使得当齿轮和牵引表面的节圆直径也彼此相等时施加最小的扭矩。该示例实施例使用节圆直径为2 5/8英寸的具有42个齿的齿轮51。当被压花或以其他方式制备时，牵引表面73尽管不是齿轮，但具有等同的节圆直径(即，提供与实际齿轮相同运动的圆柱体的直径)，该节圆直径在管被牵引表面穿过时被压印到管中。牵引表面的节圆直径和齿轮节圆直径之间的百分之一英寸量级的差值在实际应用中满足了“相等”或“等同”的这种限定。考虑在该示例中的小齿轮13和齿轮51之间的传动比，很明显，托架29将旋转两圈以围绕管元件形成完整的周向凹槽。
44.在适合于具有2 3/8英寸(2.375英寸)的外径的2英寸标称管的另一示例设计中，节圆直径为2.362英寸的具有30个齿的小齿轮是可行的(具有0.013英寸的差值)。这种设计使用5个齿轮，每个齿轮具有30个齿和2.362英寸的节圆直径。小齿轮和齿轮之间的1:1的比率表明，需要托架的单圈旋转来形成完整的凹槽。当具有薄壁或较大直径的管元件正被开槽时，具有多于三个的齿轮的设计是有利的，因为当在彼此相隔120
°
的三个凸轮表面之间压缩时，这样的管具有在凸轮之间的区域上弹性地胀形的趋势。这种弹性行为导致管元件向其标称形状更大的回弹，并抑制凹槽形成。然而，更多的齿轮意味着更多的凸轮在管元件周围的更多点处施加力，以更好地支撑管元件，半圈因此显著地减少弹性胀形。管元件周围的更紧密间隔的更多约束迫使变形很大程度上进入塑性区，在塑性区中，回弹减少并被补偿。
45.另一个示例设计为具有1.25和1.5英寸标称直径的管元件使用4个齿轮和凸轮。1.5:1和1:1的齿轮与小齿轮比率对于该设计也是可行的。
46.装置11被设计成使得托架29及其相关联的齿轮51、凸轮主体63、小齿轮13、杯轴41、杯39、弹簧45、驱动轴33和小齿轮轴19构成可与齿轮系104互换的组件91，以允许装置容易地适合于对具有不同直径和壁厚的一系列管进行开槽。通过使用在小齿轮轴19和柱23之间的键25以及在驱动轴33和输出轴110之间的键95，与螺纹连接驱动轴33的保持螺母97联接并抵靠输出轴110作用，赋予了可互换性。当保持螺母97脱离与驱动轴33的螺纹接合时，组件91可以通过使其沿着小齿轮轴线15滑动来移除。然后，可以替换适合于对不同管元件开槽的不同托架组件。
47.根据本发明的装置11预计将提高管开槽操作的效率，因为它们将在宽范围的管元件尺寸和时间表上快速、准确地且安全地操作，而不需要支架来支撑管元件和适应其旋转并确保对齐。装置11还将允许对具有弯管接头的管组件进行开槽，而不涉及横向管元件的旋转运动。
48.图15至图20图示了根据本发明的开槽装置140的另一示例实施例。类似于上述装置11，装置140包括多个齿轮51，图15所示的实施例140具有五个齿轮。如图12和图13所示，每个齿轮51包括凸轮主体63，凸轮主体63支撑凸轮表面65和可选的牵引表面73。上面描述了齿轮、凸轮表面和牵引表面的各种特征。如图15所示，齿轮51可旋转地安装在托架29上，托架29本身围绕小齿轮轴线15旋转，与装置11相同。如上所述，托架29包括前板57和后板
59，前板57限定开口37，用于接纳待开槽的管元件。如图16所示，齿轮51中的至少一个与小齿轮13啮合(直接接合)，小齿轮13同轴地安装在小齿轮轴19上。(在所示的示例实施例中，所有齿轮直接接合小齿轮13。)小齿轮13和小齿轮轴19两者都相对于小齿轮轴线15同轴地布置(参见图16)，并且两者都相对于托架29旋转固定。对于开槽装置140的操作，托架29可以代替装置11安装在图9所示的驱动轴33上，并且如上文针对装置11所述，当托架围绕小齿轮轴线15旋转时，齿轮51围绕其相应的齿轮轴线53旋转，凸轮表面65在管元件中形成周向凹槽。
49.如图16所示，装置140与装置11不同，因为它具有邻近小齿轮13定位并围绕管端部止挡144的扩口杯142。管端部止挡144包括限定管接合表面148的板146。板146安装在套筒150上并从套筒150向外延伸，套筒150固定地安装在杯轴152上。杯轴152被接纳在与小齿轮轴线15同轴对齐的小齿轮轴19的孔154内。杯轴152的第一端部159从孔154伸出，并且杯142和管端部止挡144两者都靠近杯轴152的伸出的第一端部159安装。杯轴152相对于小齿轮轴19在沿着小齿轮轴线15的方向上可移动，并且通过止动弹簧156朝向凸轮主体63的凸轮表面65偏置，在该示例中，止动弹簧156是围绕小齿轮轴线15同轴地布置并作用在小齿轮轴19和套筒150的肩部158之间的螺旋弹簧。杯轴152通过杯轴的扩大的第二端部160和小齿轮轴孔154中的底切162之间的接合，抵抗弹簧156的偏置力而保持在小齿轮轴孔154内。在该示例中，带螺纹的螺母164接合杯轴152的第一端部159，以将管端部止挡144保持到杯轴。
50.杯142包括与小齿轮轴线15同轴地布置的侧壁166。侧壁166限定内部167并围绕管端部止挡144的板146。径向延伸的后壁168将侧壁166连接到轴向延伸的毂170。毂170通过接合管端部止挡144的套筒150而接纳杯轴152，并且可沿着小齿轮轴线15相对于杯轴152移动。杯弹簧172可以作用在杯142和小齿轮13之间，以偏置杯142远离小齿轮13。在该示例中，弹簧172是锥形弹簧，与使用直压缩螺旋弹簧可能的情况相比，该锥形弹簧压缩得更扁平，以允许到杯142的更大范围的轴向运动。因此，杯142相对于管端部止挡144“浮动”(独立地移动)。侧壁166限定内表面174，内表面174接合管元件，如下所述。内表面174具有位于远离小齿轮13处的第一直径174a和位于靠近小齿轮处的第二直径174b。第一直径174a大于第二直径174b，产生扩口杯142。管端部止挡144定位在第一直径174a和第二直径174b之间的内部167内。在一个示例实施例中，内表面174有利地是锥形的。在实际设计中，内表面174限定夹角176，夹角176的范围可以在约11
°
(对于1.25英寸直径的管)到约12
°
(对于1.5英寸直径的管)和高达约16
°
(对于2英寸直径的管)之间。锥形表面174的锥度设计成使得杯142在管端部止挡144之前接合管元件，如下所述。
51.参照图17至图19描述了扩口杯142和管端部止挡144的操作。如图17所示，在凸轮表面65和牵引表面73以它们相应的不连续部69和间隙75面向小齿轮轴线15定向的情况下，管元件178被插入托架29中并接纳在杯142内。在管元件插入时，管元件178的端部的外圆周首先接合内表面174(注意管元件和管端部止挡144的管接合表面148之间的间隙180)。内表面174的锥度被设计成适应管元件直径上的尺寸公差，使得间隙180最初存在，而与特定管元件的实际直径无关。在图17所示的示例中，管元件178处于直径公差范围的较小端，并且管元件相对较深地接合到杯内部167中。如图18所示，管元件178被进一步插入托架29中。作为响应，杯142相对于管端部止挡144和杯轴152沿着套筒150轴向地移动，压缩小齿轮13和杯142之间的杯弹簧172。杯142独立于管端部止挡144的轴向运动继续，直到间隙180闭合并
且管元件178的端部接合板146的管接合表面148。如图19所示，管元件178的继续插入使管端部止挡144相对于小齿轮13移动，从而压缩弹簧172和螺旋弹簧156两者。当管端部止挡的套筒150接合小齿轮轴19的孔154内的内肩部181时，管元件178、杯142和管端部止挡144的轴向运动停止(比较图18和图19)。套筒150和内肩部181尺寸设计成实现两个效果：1)将管元件178相对于凸轮表面65定位，使得当托架29旋转时在管元件中形成的周向凹槽将在距管元件的端部期望的距离处；以及2)将杯轴152的扩大端部160定位成触发启动装置140的开关，当管元件178处于正确位置时旋转托架29以形成周向凹槽。类似于装置11，开关可以是接近传感器49，如图10所示。如图16所示，带螺纹螺钉182可以定位在杯轴152的扩大端部160中，以提供杯轴152的表观长度的可调性，用于微调开关投掷（switch throw）。如图16和图20所示，在某些情况下，通过在板146的管接合表面148中使用反向锥形表面184，可以提供管元件178上的周向凹槽的位置的增加的精度。当由辊式切割机切割的管元件正被开槽时，该特征是有利的。辊式切割机不是通过移除材料(切口切割)而工作，而是通过使用楔形刀片在切割平面处分离材料来工作。因此，管元件的切割端部将具有锥形的外表面。反向锥形表面184被设计成适应该锥形外表面，并确保周向凹槽被定位在从管元件处于其全外径处的点开始测量的距管元件178的端部的期望距离处，而不是在锥形表面的端部处。在反向锥形表面184的实际设计中可以使用高达约5
°
的反向锥角。
52.使用根据本发明的浮动杯142提供以下优点：1)杯适应管元件外径的尺寸公差；2)杯在开槽期间限制管元件的端部的径向扩张，并且因此减少扩口(永久径向变形)；以及3)杯限制管元件在多个凸轮主体63的凸轮表面65之间的区域中的局部向外胀形，并且因此有助于防止管元件的端部“不圆”。预期根据本发明的示例装置140将能够比根据现有技术的开槽装置更快速和更准确地对管元件进行开槽。