CN100460172C - 高速铣刀和刀片 - Google Patents

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Abstract

高速铣刀(10)包括柄(12)、前部(14)以及柄(12)与前部(14)之间的过渡表面(16)。刀具(10)还包括具有底面(22)以及端面(24，26)的刀片槽(20)。底面(22)包括用于支撑切削刀片(30)的凸出轴套(28)。切削刀片(30)具有顶面(32)、底面(34)和端面(36，38，40，42)。切削刀片(30)包括在顶面(32)和两个端面(36，38，40，42)之间的交点处形成的主切削刃(44，46)。切削刀片(30)的顶面(32)包括设计用于金属工件的高速铣削操作的凹的或者盘形的表面形状。切削刀片(30)还包括底面(34)中的能够接收凸出轴套(28)的孔(76)，用于将切削刀片(30)牢固地保持在刀片槽(20)中，并且减少了高速铣削操作期间保持螺钉64上的弯矩。

Description

高速铣刀和刀片
发明背景
技术领域
本发明涉及高速铣刀和刀片。更特别地，本发明涉及用于铣削金属工件例如铝等的高速铣刀和刀片。
相关技术的说明
用于在金属工件上执行加工操作的铣刀在现有技术中是众所周知的。这种刀具通常包括圆柱形或盘形的主体，该主体能够可分离地连接至旋转的驱动轴。多个切削刀片绕着刀具主体的外圆周安装，用于在工件上产生一系列刮削金属的切削。在操作中，这种铣刀通常以每分钟几千转的速度旋转，同时金属工件与刀具主体中的刀片接合。
近来，对于能够在远远超过每分钟几千转的转速下操作的铣刀的需求加剧。与这种高速铣削有关的优点包括能够在工件上产生金属去除率较高的更快的切削操作，还包括工件施加到切削刀片上的切削力的减小以及更光滑的最终切削。这种减小的切削力延长了刀片的操作寿命，不仅减少了与替换刀片有关的成本，而且还使用于可转位的刀片重新定向所需的停机时间量减小。夹紧的成本和时间也减小了，原因是较高的切削力需要更精细并且更具有刚性的夹紧从而实现期望的精度。
由于这些优点，高速铣刀不仅能够在提高产率的同时降低加工成本，而且由于切削操作更光滑，还提高了最终加工的工件的质量，并且可以获得更好的精加工。应当理解，为了获得所有上述的优点，对所需旋转速度的相当大的提高还导致刀具主体中产生的离心力有相当大的提高。一般来说，离心力FC取决于支撑切削刀片的刀具主体的质量(m)、刀具主体的半径长度(r)和主体的角速度(Ω)的平方。这些参数之间的关系可以由等式FC＝(mΩ2)(r)来表示。直到现在，刀具主体上的离心力(以及因此张应力)随着角速度的平方而增大的事实对于能够在高于每分钟几千转的速度下操作的铣刀的开发设置了相当大的障碍。以10000rpm的速度旋转的铣刀沿着它的周边具有比以2000rpm的转速旋转的铣刀高25倍的离心感应张应力。如果相同的刀具在20000rpm的转速下旋转，那么它将具有超过100倍的离心感应张应力。
另外，为了获得所有上述的优点，对所需旋转速度的相当大的提高还导致刀具的刀片上产生的离心力有相当大的提高。特别地，在高速铣削操作期间，离心力趋于使刀片变成离开刀片槽。因此，就需要能够在高速例如大约20000rpm下操作的能够将切削刀片牢固并且主动地保持在刀具主体的刀片槽中的高速铣刀。理想的是，这种高速铣刀和切削刀片制造起来应该相对便宜，并且使用起来也应该便宜，切削刀片易于替换从而减小制造成本和装置的操作。
最后，加工材料例如铝的技术揭示的趋势是结合真空系统来使工作区在紧邻工具的区域中不出现切削材料(切屑)。如果切屑的形状和/或尺寸不控制在可控的水平上，这些系统很快就会发生堵塞。因此，成功的刀具是它的刀片表面形状能够产生受控制的切屑的刀具。
发明内容
本发明的发明者认识到了与高速铣刀和相关的切削刀片有关的这些和其它问题。简要地说，依照本发明，提供了一种高速铣刀，它包括具有带有凸出轴套的刀片槽的柄，和具有顶面、底面和端面的至少一个切削刀片。切削刀片具有在顶面和端面之一之间的交点处形成的主切削刃。切削刀片包括底面中的凹部，能够接收凸出轴套从而用于在高速铣削操作期间将切削刀片牢固地保持在刀片槽中。切削刀片包括几何尺寸适合于控制切削的工件材料的尺寸/形状的前刀面。
根据本发明，一种用于具有柄的高速铣刀的切削刀片，带有用于接收所述切削刀片的刀片槽，所述切削刀片包括：顶面、底面和端面；界定在顶面和两个端面之间的交点处的倒圆角的主切削刃；界定在顶面和端面之一之间的交点处的倒圆角的第二切削刃，所述倒圆角的第二切削刃沿所述切削刀片的轴向延伸；以及界定在顶面和所述的另一个端面之间的交点处的第三切削刃；界定在第三切削刃和所述倒圆角的第二切削刃交点处的过渡切削刃，其中所述第三切削刃在所述倒圆角的第一切削刃和所述过渡切削刃之间延伸，其中所述第三切削刃的长度短于所述倒圆角的第二切削刃的长度。
根据本发明，一种高速铣刀，包括：具有带有凸出轴套的刀片槽的柄；以及至少一个切削刀片，它具有顶面、底面和端面；界定在顶面和两个端面之间的交点处的倒圆角的主切削刃；界定在顶面和端面之一之间的交点处的倒圆角的第二切削刃，所述倒圆角的第二切削刃沿所述切削刀片纵向轴线延伸；界定在顶面和所述的另一个端面之间的交点处的第三切削刃；界定在第三切削刃和所述倒圆角的第二切削刃交点处的过渡切削刃；底面上的孔能够接收凸出轴套以使至少一个切削刀片安装在所述刀片槽中，其中所述第三切削刃在所述倒圆角的第一切削刃和所述过渡切削刃之间整个延伸，其中所述第三切削刃的长度短于所述倒圆角的第二切削刃的长度。
附图说明
通过如下参照附图进行的详细说明，由此得出的本发明的其它特征和优点会变得更清楚，其中：
图1显示了依照本发明的实施例的研磨刀具的透视图。
图2显示了当切削刀片移走时图1的铣刀的放大透视图。
图3显示了图1的铣刀的正视图。
图4显示了图1的铣刀的顶视图。
图5显示了依照本发明的实施例的切削刀片的透视图。
图6显示了图5的切削刀片的顶视图。
图7显示了图5的切削刀片的正视图。
图8显示了图5的切削刀片的底视图。
图9显示了依照本发明的可选实施例的铣刀。
具体实施方式
参见附图，其中类似的参考符号表示类似的元件，其中显示了依照本发明的实施例的铣刀10。如图1所示，铣刀10包括柄12、前部14和柄12与前部14之间的过渡表面16。刀具10优选由热处理的钢例如H13工具钢或者本领域的技术人员已知的其它材料制成。使用的具体材料可以随着刀具10的期望设计特征而改变。刀具10界定了旋转轴18，如图3所示。刀具10还包括刀片槽，总体上在20处显示，形成在刀具10的前端处前部14中。
如图2所示，刀片槽20包括底面22和一对端面24、26。本发明的一个方面是底面22包括凸起的轴套28，该轴套28的尺寸可以设计成任何希望的形状并且定位成可以接收和支撑切削刀片，总体显示在30处，并且在下面将进行更详细的描述。在所示实施例中，凸起的轴套28的形状有倒圆角。然而，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，凸起的轴套28可以具有任何希望的形状从而抑制切削刀片30的侧向运动。例如，凸起的轴套28的形状可以是正方形、矩形等。另外，可以代替如所示实施例中所示的单个凸起的轴套28，刀片槽20可以包括多个凸起的轴套28。
刀片30优选由硬质合金或者本领域的技术人员已知的用于铣削金属工件(未显示)例如铝等的其他材料制成。参见图3和4，切削刀片30安装在刀片槽20中，其轴向前角A大约在十五(15)至二十五(25)度之间，其径向前角B足以允许在第二切削刃46下方具有适当的间隙，且基于刀具直径而在正十(10)至负二十(20)度之间。
参见图5-8，切削刀片30总体上包括顶面32、底面34和端面36、38、40、42。倒圆角的主切削刃44、52分别界定在第三切削刃48、52和倒圆角的第二切削刃46、54的交点处。倒圆角的第二切削刃46、54大体上分别界定在顶面32和端面36、40之间的交点处。第三切削刃48、56大体上界定在顶面32和端面38、42之间的交点处。更具体地，倒圆角的第二切削刃46、54由倒圆角的上部刃70、72和第三切削刃48、56的交点形成。当切削刀片30执行向下修整斜坡的操作时，即定义为随着刀具沿着工件(未显示)行进而增大的轴向切削深度，就使用第三切削刃48最接近倒圆角的主切削刃44的一部分。然而，第三切削刃48、56远离主切削刃44、52的剩余部分是不参与切割工件的后刃部。第三切削刃48与第二切削刃46形成小于九十(90)度的角度，例如，在大约四十五(45)度至大约八十五(85)度的范围内。切削刀片30的剩余刃定义为过渡刃49、57，过渡刃在本说明中是圆角的，但是也可以是类似地符合概念的能够制造的所希望的形状例如倒角、尖角等，注意应包含径向后刀面50、前刀面58。总体上，过渡刃49、57分别界定在顶面32和端面40、42之间的拐角交点处。径向后刀面50、前刀面58用于有效地排空在铣削操作期间形成的切屑，如下面关于顶面32所讨论的一样。
如图5-8所示，切削刀片30在对角处优选而不是必须地包括上述切削刃、径向后刀面和其它特征。因此，切削刀片30沿着经过主切削刃44、52的线或者经过径向后刀面50、前刀面58的线呈镜面对称。切削刀片30的镜面对称允许切削刀片30在被处置之前可以使用两次。例如，当主切削刃44在一个角落处无法使用时，就从刀片槽20中移走切削刀片30，旋转180度并且重新放置在刀片槽20中使用第二主切削刃52来执行铣削操作。
参见图5和6，为了便于在刀片槽20中插入和移走切削刀片30，在切削刀片30中设置了埋头孔60。凸起的轴套28包括与刀片槽20连通的螺纹孔62(图2)。当切削刀片30适当地安装在刀片槽20中时候，螺纹孔62大体上与切削刀片30的埋头孔60对齐。螺纹孔62尺寸和位置设计成通过螺纹接收带螺纹的紧固件64例如置于埋头孔60中的保持螺钉等，藉此刀片30可以牢固地但是可松开地安装在刀片槽20中。因为凸起的轴套28从刀片槽20的底面22向外延伸，所以与传统的刀片槽相比，保持螺钉64的长度可以通过凸起的轴套28的高度而缩短。由于凸出高度缩短，所以与传统的铣刀相比，在高速铣削操作期间保持螺钉64可以在更小的弯矩下操作。
如图5和6所示，切削刀片30的顶面32包括凹入的表面形状，这种设计适合于对金属工件例如铝等进行高速铣削操作。当安装在刀片槽20中时，顶面32的表面形状能够使切削刀片30提供有效的正的径向前角，大约在十五(15)度和三十五(35)度之间。特别地，切削刀片30的顶面或者倾斜表面32包括向下倾斜的主倾斜表面32a，它自主切削刃44、第二切削刃46和第三切削刃48延伸。主倾斜表面32a与过渡至向上倾斜的第二倾斜表面32c的较大的半径过渡接合部32b相交。半径过渡接合部32d过渡到与底面34总体上平行的第三倾斜表面32e。工件材料的去除效果根据由切削刃44、46、48约束的倾斜表面32a、32c、32e和过渡接合部32b、32d的相对位置而变化。例如，在较浅的切割(较浅的轴向切削深度)中，切屑载荷往往较高，并且更深程度的主倾斜表面32a易于连续的剪切操作。随着切割深度的增加，切屑载荷的趋势减少。主倾斜表面32a的减小的深度使材料继续受到正剪力，并且第二倾斜表面32c和第三倾斜表面32e使切割材料从刀片槽20的区域中退出。因此，对于较深的切割(较高的轴向切削深度)，在降低的进给速度(每个齿的切屑载荷)下，几何尺寸对于切屑流是足够的，但是刀片的横截面厚度却并不会不利地减小。径向后刀面50与主倾斜面32a类似之处在于它也是向下倾斜的。然而，因为顶面32的组合设计，需要后刀面50在由第二倒圆角切削刃46、过渡刃49和第三切削刃48形成的边界的过渡很大。？由于从工件上去除的材料在极端的纵向切削深度的状态下经过主倾斜面32a，所以认为材料会趋于聚集在所述区域中并且生成不可接受的工件切屑形式，和/或迫使第三切削刃48和过渡刃49的非切削段产生灾难性变形。因为切削刀片30的底面34大体上为平面，所以切削刀片30在倒圆角的主切削刃44和倒圆角的第二切削刃46处具有最大的厚度(和最高的高度)，而这最适合于抵抗高速铣削操作期间切削刀片30上的诱导应力。
优选而不是必需地，端面36、40分别包括由底面34延伸的倾斜平面66、68，如图7和图8中所见的一样。每个倾斜平面66、68都分别包括倒圆角的上部刃70、72。平面66、68充当分别通过沿着槽端面26、24的第二触点和第三触点使刀片30坐在槽20中的主刀面。倒圆角的上部刃70、72便于在工件上形成九十(90)度的圆柱形壁，这一点在本领域中是通用的。
如图8所示，与埋头孔60相对的是由底面34伸进切削刀片30中的孔76，并且在边缘上具有比凸出的轴套28(图2)的埋头孔60大的直径。孔76优选具有的深度略微大于凸出轴套28的高度。这样，切削刀片30能够安装在刀片槽20中，以便凸出轴套28布置在切削刀片30的孔76内，同时切削刀片30的底面34与刀片槽20的底面22接合。另外，切削刀片30的端面38、68分别与刀片槽20的端面24、26接合，从而当在铣削操作期间使用切削刃44、46、48时紧密地将切削刀片30固定在刀片槽20中。类似地，切削刀片30的端面42、66分别与刀片槽20的端面24、26接合，从而当在铣削操作期间使用切削刃52、54、56时紧密地将切削刀片30固定在刀片槽20中。
在图1-8显示的铣刀10的所示实施例中，铣刀10能够将相对于彼此定向成大约180度的两个切削刀片30安装在各自的刀片槽20中。然而，应当理解，本发明的铣刀并不限于可以安装在刀片槽20中的切削刀片30的数目，而且本发明可以使用任何期望数目的切削刀片来实行，其中仅仅受到铣刀的材料性能的物理局限的限制。如图9所示，例如，铣刀100包括前部114和过渡表面116，与铣刀10类似。然而，不同于铣刀10，铣刀100设计成用于在各自的刀片槽120中安装三个(3)切削刀片130。
如上所述，本发明的铣刀10、100提供的辅助安全特征包括与切削刀片30的孔76结合的凸出轴套28，这样就能够使切削刀片30用于高速铣削操作。另外，与传统的铣刀相比，本发明的铣刀10、100提供的保持螺钉64具有与其它材料(即轴套28)不接合的并且不由它包住的较短的凸出长度，这样就能够使保持螺钉64在高速铣削操作期间使用更小的弯矩来操作。
在此引用的文献、专利和专利申请包含在此作为参考。
虽然本发明已经结合它的不同实施例进行了特别的描述，但是应当理解这只是用于说明而非限制，并且所附权利要求书的范围应该广义地解释为现有技术所允许的范围。

Claims (14)

1.一种用于具有柄的高速铣刀的切削刀片，带有用于接收所述切削刀片的刀片槽，所述切削刀片包括：
顶面、底面和端面；
界定在顶面和两个端面之间的交点处的倒圆角的主切削刃；
界定在顶面和端面之一之间的交点处的倒圆角的第二切削刃，所述倒圆角的第二切削刃沿所述切削刀片的轴向延伸；以及
界定在顶面和所述的另一个端面之间的交点处的第三切削刃；
界定在第三切削刃和所述倒圆角的第二切削刃交点处的过渡切削刃，其中所述第三切削刃在所述倒圆角的第一切削刃和所述过渡切削刃之间延伸，其中所述第三切削刃的长度短于所述倒圆角的第二切削刃的长度。
2.如权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，当安装在所述刀片槽中时，所述切削刀片的顶面能够提供一个大约十五和大约三十五度之间的正的径向前角。
3.如权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，所述顶面包括从所述倒圆角的主切削刃、所述倒圆角的第二切削刃和所述第三切削刃延伸的向下倾斜的主倾斜面。
4.如权利要求3所述的切削刀片，其特征在于，所述顶面包括从与所述倒圆角的主切削刃邻接的半径过渡接合部延伸的向上倾斜的第二倾斜面。
5.如权利要求3所述的切削刀片，其特征在于，所述向下倾斜的主倾斜面便于进行剪切操作，并且便于从所述刀片槽移走切屑。
6.如权利要求4所述的切削刀片，其特征在于，所述第二倾斜面过渡至大体上平行于所述底面的所述第三倾斜面。
7.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，至少一个所述端面包括倾斜平面，该倾斜平面包括倒圆角的上部的刀刃。
8.如权利要求1所述的切削刀片，还包括所述顶面中的埋头孔以及所述底面中与所述埋头孔相对的相对更大的孔。
9.如权利要求8所述的切削刀片，其特征在于，所述相对更大的孔能够接收位于所述刀片槽上的凸出轴套。
10.一种高速铣刀，包括：
具有带有凸出轴套的刀片槽的柄；以及
至少一个切削刀片，它具有顶面、底面和端面；
界定在顶面和两个端面之间的交点处的倒圆角的主切削刃；
界定在顶面和端面之一之间的交点处的倒圆角的第二切削刃，所述倒圆角的第二切削刃沿所述切削刀片纵向轴线延伸；
界定在顶面和所述的另一个端面之间的交点处的第三切削刃；
界定在第三切削刃和所述倒圆角的第二切削刃交点处的过渡切削刃；底面上的孔能够接收凸出轴套以使至少一个切削刀片安装在所述刀片槽中，其中所述第三切削刃在所述倒圆角的第一切削刃和所述过渡切削刃之间整个延伸，其中所述第三切削刃的长度短于所述倒圆角的第二切削刃的长度。
11.如权利要求10所述的铣刀，其特征在于，所述凸出轴套具有基本上圆形的形状。
12.如权利要求10所述的铣刀，其特征在于，所述凸出轴套还包括能够接收保持螺钉的螺纹孔，其中，在高速铣削操作期间，所述凸出轴套减小了所述保持螺钉上的弯矩。
13.如权利要求10所述的铣刀，其特征在于，当安装在所述刀片槽中时，所述至少一个切削刀片形成了大约十五和二十五度之间的轴向前角。
14.如权利要求10所述的铣刀，其特征在于，当安装在所述刀片槽中时，所述至少一个切削刀片形成了大约十五和大约三十五度之间的径向前角。
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