CN101376180B - 以高进给量和低走刀深度进行机加工的立铣刀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以高进给量和低走刀深度进行机加工的立铣刀，所述立铣刀，其包括一个硬质合金本体(12)和一个采用钎焊固定到本体一端的陶瓷铣削头(16)，所述铣削头带有切削齿(22)，每个切削齿都带有一个切削刃(24)，通过前切削面(Aγ)和下后刀面交叉形成，其中，铣刀一般呈截头圆锥体形状，后刀面的轮廓是通过后刀面与穿过铣刀轴线的面相交叉而形成，带有一个向外凸出圆形，径向切削角为负。
Description
技术领域
本发明涉及一种铣刀，特别涉及一种立铣刀，用来以高进给量低走刀深度加工工件，这种铣刀特别—但并不是唯一—适合加工航空工业领域使用的由十分坚硬材料制成的部件。
背景技术
航空涡轮发动机中有许多采用高硬度材料制成的部件，诸如复合材料和基于镍和钴的超合金材料。这些材料的高速机加工会使得刀具产生高热和机械应力，因而，这些刀具不得不采用非常坚硬并能耐高温的材料制成。
人们知道，立铣刀是由一种陶瓷或硬质合金材料制造而成。陶瓷铣刀具有很高的硬度和耐热性能，可以进行高速机加工，并能高速排料屑。但是，这种刀具制作成本很高，而且非常脆弱，所以，一般都用作加工较弱的材料，诸如木材，因此，不用于航空工业。硬质合金铣刀制作成本较低，能够在机加工期间更好地承受机械应力。但是，与陶瓷铣刀相比，性能较低，且更容易磨损。
目前，已经有人提出了制作一种铣刀，所述铣刀包括采用硬质合金制成的圆柱形第一部分，即铣刀本体，采用钎焊固定到用陶瓷制成的第二圆柱形部分的一端，形成了铣刀头并带有切削刃。钎焊连接部分一般位于实际上垂直于铣刀旋转轴线的平面上。这种由两个部分组成的铣刀非常有用，因为它将陶瓷材料仅限于铣刀头，并可以选择弹力比陶瓷高且价格低廉的材料来制作刀具本体。这种铣刀还特别适合高速加工超合金或复合材料部件。申请人在EPB0477093号专利中介绍了这种铣刀。
尽管如此，上述由两部分组成的铣刀还是具有一个重大缺陷。在机加工作业期间，作用在铣削刀具上的扭力会在钎焊连接部位产生较大的剪切力，这些剪切力会削弱刀具，造成铣削头分离，并可能会损坏所加工的部件。
本发明提出了一个简单、有效、成本低廉的解决方案，可解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种上述类型的立铣刀，这种铣刀的尺寸和几何形状特别适合减少剪切力，因为在机加工作业期间，铣刀本体与铣削头相连接的钎焊接合部位会承受所述剪切力。
为此，本发明提出了一种铣刀，特别是一种立铣刀，所述铣刀包括一个沿铣刀旋转轴线延伸的硬质合金本体和采用钎焊固定到本体一端的陶瓷铣削头，所述铣削头带有均匀分布在铣刀轴线周围并通过料屑袋彼此隔开的切削齿，每个切削齿带有一个实际径向的主切削刃，所述主切削刃由前刃面和一个下后刀面之间交叉而形成，其特征在于：
铣刀带有一个普通的截头圆锥体形状，其较大的底部位于铣削头一侧，所述铣刀带有一个范围在大约1°到5°之间的锥度；
由后刀面与穿过铣刀轴线的平面相交叉而形成的后刀面的轮廓带有一个向外凸出圆形，其曲率半径在大约5mm到20mm之间；
每个切削齿的切削面和穿过铣刀旋转轴线和穿过切削齿主切削刃上所述点的基准面之间的铣削角度为负，其角度范围在大约2°到8°之间，所述角度可以在垂直于铣刀旋转轴线和穿过切削齿主切削刃上所述点的工作面上测量。
由于本发明所提出的铣刀结合了几何和尺寸特性，在加工作业期间切削齿和工件之间传输的铣削力就会在铣刀上产生较低的扭力，同时又会产生较高的轴向压缩力，而铣刀对轴向压缩力是非常不敏感的。作用在铣刀上的扭力的减小会进而降低铣刀钎焊接合部位的剪切力，因此会抑制铣刀铣削头与本体撕裂的风险。
本发明所提出的铣刀可以对采用特坚硬材料制成的工件进行高速加工，例如离心涡轮机的压缩机用的英可尼(Inconel)718叶轮。所述铣刀可以实现高铣削速度和进给速度，并增加了料屑排放速率，从而减小了工件加工时间。
在本发明中，术语“基准面Pr”系指穿过铣刀旋转轴线和切削齿主切削刃所述之点的平面。工作面Pf是垂直于铣刀旋转轴线并穿过切削齿主切削刃所述之点的平面。向后平面Pp是垂直于基准面和主切削刃上所述点处工作面的一个平面。切削刃平面Ps是在所述刃口上所述点处与主切削刃相切并垂直于相应基准面的平面。法向面Pn是垂直于所述刃口上所述点处主切削刃的平面。切削齿的切削面是料屑沿其滑动的平面，而所述切削齿的后刀面是在该部件上产生的各面沿其形成的平面。
根据本发明的第一个特性，铣刀的锥度的确定旨在机加工期间限制铣刀外表面和工件侧壁之间的摩擦，因为这种摩擦会在铣刀和所加工工件上产生热应力，进而加快铣刀性能下降，并会引起工件变形。另外，该锥度的确定还可以确保料屑的顺利排出。例如，铣刀的锥度可以为大约3°。
根据本发明的第二个特性，由后刀面与穿过铣刀轴线的平面之交叉形成的后刀面的轮廓带有一个向外凸出圆形，其曲率半径—例如—大约12mm。该轮廓的形状可以使得铣刀上的扭力得到限制，相反，铣刀上的轴向压缩力则会加大。
根据本发明的第三个特性，可在垂直于铣刀旋转轴线并穿过主刃上所述点的工作面上测量的径向或侧向切削角γf为负，从而可以提高切削刃的坚固性并能确保料屑的顺利排出。当所述切削刃接近切口端部时以及当料屑准备与工件分离时，所述负角度还可以在切削刃上产生压缩应力但不会产生拉伸应力。径向切削角是—例如—大约负5°。
铣刀优选包括一个实际上轴向的副切削刃，通过一个曲率半径较小的圆形铣削头接合到主切削刃上，所述曲率半径—例如—在大约0.5mm到1mm之间。切削齿的主副切削刃之间形成了所述切削齿的切削面。每个切削齿的切削面和基准面之间的轴向或向后切削角γp为正，且角度范围在大约1°到5°之间，该角度可以在向后平面上测量。
为此，本发明所提出的铣刀带有一个由正轴向切削角γp和副径向切削角γf为特点的正/负几何形状。这种类型的铣刀可承受的切削力大大高于带有双正几何形状的铣刀的切削力。这种正/副几何形状还可以以高进给量进行高速机加工，因为副径向切削角会增加切削刃的阻力，而正轴向切削角则可以容易形成料屑，在与铣刀的铣削头相反一侧来引导料屑排出。
根据预期的用途，本发明提出的铣刀可以拥有两个到八个切削齿。铣刀的外径D—例如—可以在大约10mm到30mm之间，铣刀的铣削头的轴向尺寸可以大约在5mm到10mm之间。
主切削刃可以通过一个斜面来接合到切削面上，以保护切削刃，所述斜面的轴向尺寸大约在0.01mm到0.3mm之间，与切削面形成一个大约10°到30°的夹角。
本发明所提出的铣刀的另一个特性：
后刀面沿周向在大约0.1mm到2mm的距离上延伸；
后刀面和与主切削刃上所述点相切并与基准面相垂直的刃平面之间的后角为正，且角度范围在大约5°到10°之间，所述角度可在主切削刃上所述点处法向面上测量。所述后角α为—例如—大约7°。
前刀面自后刀面向后延伸，前刀面的轮廓是所述刀面与穿过铣刀轴线的平面之间相交而形成，前刀面的轮廓是带有一个向外凸出的圆形，其曲率半径在大约5mm到20mm之间。前刀面和上述刃平面之间的前角优选为正，且角度范围在大约10°到20°之间。
后刀面和前刀面通过曲率半径在大约0.5mm到1mm的圆形刃口连接到切削齿的侧壁上。这些圆形刃口增加了铣刀的强度，并确保了热量和磨损的均匀分布。
切削齿沿铣削头中央环形腔室周围延伸，所述腔室一般呈截头圆锥体形状，与铣刀轴线对准，腔室的底部则位于铣刀下端一侧上，腔室的顶部呈球形，其半径在大约2mm到8mm之间。该腔室的开口角度在大约90°到150°之间，例如120°。所述腔室最好通过一个圆形刃口连接到每个切削齿的后刀面和前刀面上，圆形刃口的曲率半径在大约0.5mm到1mm之间。例如，该腔室的直径在大约5mm到15mm之间，轴向高度在大约1mm到3mm之间。带有这种腔室的铣刀特别适合于斜面切口(或称斜面加工)。在这种情况下，铣刀稍稍向与所加工工件法向相对的走刀方向倾斜，以便防止铣刀平直，与所加工的工件相抵触。这种倾斜度δ在大约1°到5°之间，优选在大约2°到3°之间，具体用来防止铣刀倾斜，因为铣刀倾斜会损伤所加工工件的表面光洁度，从而在工件表面留下很深的印痕。
本发明还提供了一种通过上述类型立铣刀铣削复合材料或超合金工件的方法，其特征在于，切削速度vc在200到1500m/min之间，优选600到1000m/min之间，每齿进给量fz在0.1到1mm/齿之间，优选在0.2到0.5mm之间，走刀深度ap在0.01到2mm之间，优选在0.1到1mm之间。这些范围确定了最佳条件，在这些条件下，建议使用本发明提出的铣刀，不会出现铣刀加快磨损或断裂的风险。
切削速度(vc单位m/min)说明了切削刃在工件表面的工作速度。这个速度确定了铣刀从其直径D处开始的心轴速度。
每齿进给量(fz单位mm/齿)表示了两个连续切削齿进入到工件之间铣刀所行使的线性距离。铣刀每转的进给量(f单位mm/转)是以每齿进给量乘以铣刀的切削齿数z而给出。铣刀每转的进给量说明在一转期间刀具前进多少，是一个专门用来确定铣刀进给量的数值。
表面铣削的轴向切削深度(ap单位mm)对应于刀具所切削的材料的厚度，同时也对应于刀具在工件初始表面下方所设定的距离。
附图说明
下面结合附图，并通过示例来阅读如下说明，可以更好地理解本发明，而且本发明的其它特性、细节和优点则会显现出来，但本发明并不仅限于所述示例，附图如下：
图1为根据本发明的立铣刀的底视图；
图2为图1所示局部I2的放大图；
图3为沿图1的IIIIII线的剖面图；
图4为图3所示局部I4的放大图
图5为沿图1的VV线的剖面图。
具体实施方式
图1到图5示出了本发明所提出的立铣刀10，所述立铣刀可以以高进给量和低走刀深度来加工由非常坚硬材料制成的部件，诸如采用复合材料或超合金的航空材料(例如Inconel718)。
所述铣刀10带有一个细长形的硬质合金本体12，沿铣刀的旋转轴线14延伸，另外，通过钎焊固定到所述本体自由端的是采用陶瓷材料切割而成的铣削头16，形成了铣刀的铣削部分。例如，铣刀的本体12可以用碳化钨制成，其铣削头16则可以用氧化铝基陶瓷材料制成。钎焊接合部18位于与铣刀旋转轴线14相垂直的平面上(如图3)。铣刀的本体12可通过合适的方式固定到机床的心轴上。
铣刀10一般都呈截顶园锥形状。截顶园锥体的较大的底部与铣刀的铣削头16处于水平位置，而铣刀的锥度在大约1°到5°之间，优选在大约2°到4°之间，例如3°(见图4)。
铣刀的铣削头16外径D在大约10mm到30mm之间，高度或轴向尺寸h在大约5mm到10mm之间。在所示示例中，铣削头直径D为18mm，而高度为7mm。
铣削头16包括三个圆周向的切削齿22，均匀布置在铣刀轴线14的周围。这些切削齿22沿铣刀中央腔室23的周围延伸，该腔室将结合图4在后面详细介绍。
每个切削齿22都带有一个近似径向的主切削刃24，和一个实际上呈轴向的副切削刃26，在二者之间形成了一个前切削面Aγ。在所示示例中，每个切削齿的所述切削面Aγ沿铣刀的铣削头16的整个高度和本体的整个下端部延伸，穿过钎焊接合部18的平面(见图3)。
切削面Aγ形成了材料屑滑过的一个面，并与邻近切削齿的后端一起形成了一个料屑袋28，料屑在加工作业期间被排放到外部之前暂时存放在该袋内。
切削面Aγ相对于所加工工件表面构成了一个大约80°到100°—例如87°—的前缘角。
切削面Aγ通过一个斜面30(图5)接合到主切削刃24上，其高度32或轴向尺寸在大约0.01mm到0.3mm之间，例如0.1mm。斜面和切削面Aγ之间的角度34在大约10°到30°之间，例如20°。
主切削刃24和副切削刃26通过一个圆形头部32接合到一起，其曲率半径在大约0.5mm到1mm之间，例如0.8mm(见图3)。
在所述附图中，下列平面的定义是：
Pr：铣刀的基准面，该平面穿过切削齿22主切削刃的所述点(例如径向内端)并穿过铣刀旋转轴线14；
Pf：铣刀的工作面，垂直于基准面Pr并穿过切削齿22主切削刃上所述点(该平面与图1中的平面相重合)；
Pp：铣刀的向后平面，垂直于基准面Pr和工作平面Pf，并穿过切削齿上的所述点；
Pn：在所述刃口的所述点处，对刃口成直角的平面，垂直于主切削刃24(例如，其径向内端—图5所示平面Pn对应于图1的VV剖面)；
Ps：铣刀的刃平面，与主切削刃上所述点成切向(其径向内端)并垂直于基准面Pr。
每个切削齿22的切削面Aγ和基准面Pr之间的径向切削夹角γf为负，该角度范围在大约2°到8°之间，优选4°到6°之间，例如5°。该夹角γf在工作面Pf上测量(见图2)。
每个切削齿22的切削面Aγ和基准面Pr之间的轴向切削夹角γp为正，其范围在大约1°到5°之间，优选2°到4°之间，例如3°。该夹角γp在向后面Pp上测量。
切削面Aγ通过斜面30和主切削刃24接合到下后刀面Aα上，后者通过下前刀面Aβ向后延伸。
后刀面Aα沿周向在大约0.1mm到2mm的长度33上延伸，优选在大约0.5mm到1mm之间的长度上(见图2)。
后刀面Aα和刃口面Ps之间的后角α为正，其范围大约在5°到10°之间，例如7°。该角度在法向面Pn上测量(见图5)。
前刀面Aβ自后刀面Aα一直延伸到切削齿22的后端，前刀面Aβ和刃口面Ps之间的前角β为正，其范围在10°到20°之间，例如15°。该前角β也在上述法向面Pn上测量。
后刀面Aα和前刀面Aβ的轮廓由后刀面和前刀面与穿过铣刀旋转轴线14的平面相交而形成，其带有一个向外凸起圆形，其曲率半径R1在大约5mm到20mm之间，优选在10mm到15mm之间，例如12mm。
图4为铣刀的轴向剖面局部放大示意图，所述截面穿过切削齿22的前刀面Aβ。从图4中可以看到这个前刀面Aβ的圆形轮廓34和其曲率半径R1。
轮廓34的径向内端位于所述轮廓径向外端的下方，也就是说，每个切削齿22的内外周刃彼此相互轴向偏移，切削齿的内周刃位于该切削齿的外周刃的下方。因此，切削齿的内周刃形成了铣刀的下端，且在铣削加工作业期间与所加工的工件首先接触。
前刀面Aβ的圆形轮廓34通过一个圆形刃36在其径向外端处接合到切削齿的侧壁上，其曲率半径R2在大约0.5mm到1mm之间，例如0.8mm。前刀面Aβ的圆形轮廓34通过一个圆形刃38在其径向内端处接合到铣刀的中央腔室23上，其曲率半径R3也在大约0.5mm到1mm之间，例如0.8mm。这些圆形刃沿切削齿的整个周缘延伸，与其后刀面Aα和前刀面Aβ相水平，切削齿的径向外圆形刃36接合到所述切削齿的头部32上。
在所示示例中，圆形轮廓34在截面上延伸一个大约20—25°的角度，其中心位于铣刀的本体12内。圆形刃36，38的中心C2和C3位于该轮廓34的半径上。在上述平面上，圆形刃36延伸一个大约70—80°的角度，而圆形刃38则延伸一个大约3040°的角度。
每个切削齿22的侧壁自前向后稍向内靠拢(图2)，并与铣刀本体外壁相切的平面偏差一个5°到12°的角度39，例如7°。
铣刀的中央腔室23一般呈截头圆锥体形状，沿铣刀的轴线14延伸，截头圆锥体的底部较大，位于铣刀的铣削头16一侧，其锥体的开口角度40在大约90°到150°之间，优选110°到130°之间，例如120°。
腔室23的顶部形状为球形部分，其中心C4位于铣刀轴线14上，其半径R4在大约2mm到8mm之间，优选在3mm到6mm之间，例如4.7mm。该腔室的轴向高度或尺寸在大约1mm到3mm之间，其底部的直径在大约5mm到15mm之间。
铣刀10可以包括一个轴向导管42，用来向铣刀的铣削头提供润滑液，这个导管42可以在其上端连接到滑油储器，在其下端自铣刀中央腔室23(见图1到图3)伸出。作为另一种形式，所述导管42可以在其下端连接到三个通道上，每个通道在铣刀的切削齿22处伸出。
附图中所示铣刀10可以在坚硬的材料上加工切口，其特点是切削速度高，进给量大和走刀深度低。在所示示例中，走刀深度ap实际上对应于铣刀切削齿内外周刃之间的轴向尺寸(见图4)。
所述铣刀使用建议参数值的范围如下：
切削速度vc优选在600到1000m/min之间；
每齿进给量fz优选在0.2mm到0.5mm之间；
走刀深度ap在0.1mm到1mm之间。
Claims (14)
1.一种铣刀，其包括一个沿铣刀旋转轴线延伸的硬质合金本体，和一个通过钎焊固定到本体一端的陶瓷铣削头，所述铣削头带有均匀分布在铣刀轴线周围的切削齿，这些切削齿通过屑料袋彼此分开，每个切削齿带有实际上径向的主切削刃，所述切削刃由前切削面和下后刀面之间交叉形成，其特征在于：
铣刀一般呈截头圆锥体形状，其较大的底部位于铣刀铣削头一侧，铣刀带有一个在1°到5°之间的锥度；
由后刀面与穿过铣刀轴线的平面之交叉形成的后刀面的轮廓带有一个向外凸出圆形，其曲率半径在5mm到20mm之间；
每个切削齿的切削面和穿过铣刀旋转轴线和切削齿主切削刃的基准面之间的径向切削角为负，其角度范围在2°到8°之间，所述角度在垂直于铣刀旋转轴线和穿过切削齿主切削刃的工作面上测量；
切削齿沿铣削头中央环形腔室周围延伸，所述腔室一般呈截头圆锥体形状，与铣刀轴线对准，腔室的底部则位于铣刀下端一侧上，腔室的顶部呈球形，其半径在2mm到8mm之间。
2.根据权利要求1所述的铣刀，其带有一个3°的锥度。
3.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，径向切削角为-5°。
4.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，后刀面的轮廓带有一个12mm的曲率半径。
5.根据权利要求1所述的铣刀，其包括一个实际上轴向的副切削刃，通过一个头部接合到主切削刃上，所述头部带有一个凸出圆形，其曲率半径在0.5mm到1mm之间。
6.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，每个切削齿切削面和基准面之间的轴向切削角为正，其角度范围在1°到5°之间，该角度在垂直于基准面和工作面的向后面上测量。
7.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，每个切削齿后刀面通过圆形刃口接合到该切削齿的侧壁上，圆形刃口的曲率半径在0.5mm到1mm之间。
8.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，所述腔室通过一个圆形刃接合到每个切削齿的后刀面上，圆形刃的曲率半径在0.5mm到1mm之间。
9.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，后刀面沿周向在0.1mm到2mm的距离内延伸。
10.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，后刀面和与主切削刃相切并垂至于基准面的刃平面之间的后角为正，其角度范围在5°到10°之间，该角度在垂直于该主切削刃的法向面上测量。
11.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，前刀面自后刀面向后延伸，前刀面的轮廓是由所述前刀面与穿过铣刀轴线平面之间相交而形成，前刀面的轮廓带有一个向外凸出圆形，其曲率半径在5mm到20mm之间。
12.根据权利要求11所述的铣刀，其特征在于，前刀面和刃口面之间的前角为正，其范围在10°到20°之间，刃口面在该刃口上与主切削刃相切并垂直于基准面，该角度在垂直于刃口主切削刃的法向面上测量。
13.根据权利要求1所述的铣刀，其特征在于，主切削刃通过一个斜面接合到切削面上，该斜面的轴向尺寸在0.01mm到0.3mm之间，并与切削面形成了一个10°到30°的夹角。
14.一种采用权利要求1所述铣刀铣削复合材料工件的方法，其特征在于，铣刀的切削速度在200到1500m/min，每齿进给量在0.1到1mm之间，走刀深度在0.01到2mm之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |