CN101557898A - 面铣刀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过铣削加工材料的工具。本发明提供旋转切削工具(例如面铣刀)的一种改进形式，它配置为在增大金属去除率及减小工具损耗的同时延长工具的使用寿命。本发明提供了用于快速去除金属的、直径在4－51mm范围内的一种面铣刀，具有毗邻切削部分的一个柄部分，切削部分末端为多个端面切削刃，这些切削刃大致上从铣刀轴线径向定位，从面对铣刀末端看这些端切削刃至少在它们的一部分长度上是弯曲的。

Description

面铣刀
技术领域
本发明涉及到通过铣削加工材料的工具。
更具体地说，本发明提供旋转切削工具(例如面端铣刀)的一种改进形式，它被配置为在增大金属去除率及减小工具损耗的同时延长工具寿命。
背景技术
铣刀广泛地应用在铣操作中，这是由于它们的多种多样的应用范围以及该工具的适度的初始成本使。铣刀通常具有圆柱的形状，并且可得到高达80mm的直径，虽然本发明只涉及5-32mm的直径范围。许多铣刀有平的末端；然而也使用其他形状，例如圆锥形的与圆形的末端。一个铣刀典型地有2到10个齿，这取决于直径大小以及是用于粗切削还是精加工。齿通常是螺旋形状，但可以是平行于轴线的直线。制造材料是高速钢、实体碳化物、立方体氮化硼、多晶金刚石、金属陶瓷、陶瓷、以及它们的组合。
下列最近的美国专利提供对现有技术的评估。
在5,727,910号美国专利中Leeb披露了包括一个镶片的一种切削工具，该镶片有多个向内指向的V型几何形状的切削刃。该镶片具有带圆角的内部和外部侧面切削刃。该切削刃被一个凿刃划分成粗切削部分与精切削部分。
关于用螺钉固定的镶片的两个已知问题是在定位镶片时要求高的精度以避免过大的孔，并且固定镶片的螺钉由于工具使用时的振动而易于松动。关于使用两个镶片的工具还有另一个问题是这两个镶片的设置对于高精度是必不可少的，它们需要完全相同。由于镶片的尺寸必须足够大以容许设置及夹持，中等尺寸的孔洞就没办法加工。
在6,193,446 B1号美国专利中
Figure A20078001538400051
等说明了一个有些相似的镶片。在多个侧面上一个余隙表面形成在一个突出的部分，该突出的部分通过一个台阶间隙延伸进入一个第二螺旋扭转的余隙表面，其碎屑角随着切削深度的增加而增加。该镶片包括一个断屑沟。
Wardell在6,439,811 B1号美国专利中要求保护一种铣刀，其中至少一个槽定义了一个低角度的切削表面而一个第二槽有一个高角度的切削表面。这两个槽相交形成一个复合切削表面。
Kuroda等人在6,846,135 B2号美国专利中披露了一种有圆角的平底铣刀。所说明的角的结构据称提高了铣刀队破碎和破裂的抵抗性能。
Sekiguchi等人拥有2002/0067964 A1号美国专利申请，其中说明了有一个35°-60°螺旋角以及核心直径是外径的62％-68％的一种铣刀。切削刃是超细的粘结的碳化物。据称改进了碎屑排出并减少了角的磨损。
MacArthur的另一个2002/0141833号美国专利申请披露了一种铣刀，其中高度光滑和抛光的切削刃台面与切削刃毗邻。在此显而易见的问题是该抛光区域的存在不会超过几分钟的工作时间。
诸位发明人拥有2005/0117982 A1号美国专利申请，它旨在使用具有限定形式的单一铣刀进行粗加工和精加工。
已知大量的用于端铣和铣刀的齿形，其中包括诸位发明人在先前的以色列及美国专利中所披露的齿形。为了决定哪个齿形最佳，必须对根据文献中不同的披露制成的切削刀进行比较性的和广泛的加工测试。由于所涉及的高费用，很少进行这样的测试。目前多数发明人在一个车间里测试运行他们所选择的齿形，但即使在机加工测试结果被发表的情况下，机加工的条件(材料硬度，切削刀直径和材料，齿的数目，机器的刚度，加工速度和进给，冷却剂成分、表面精加工质量，铣刀的表面有没有涂覆氮化物，并且还有进一步的因素)并没有被标准化并且不能进行比较。在没有比较测试结果的情况下很难评估先有技术关于齿形的披露的优劣。
然而根据本说明书的面铣刀已经进行了广泛测试，并且与在相同的加工任务中进行测试的先有技术的铣刀相比较以及发现当其用在实际的工件上时有改进的机加工结果。诸位发明人(在测试报告中称为“HANITA”)已经使用12毫米直径铣刀进行了测试，主要指标是在4340合金钢中加工凹陷时该工具的最大直径上的磨损。
许多先有技术的铣刀在非铁金属和软钢上操作时相当令人满意。然而对于切削工具钢(在压模、冲头、压铸模具、锻造模具以及压制工具的制造中的一种很常见的需要)则进给率急剧下降，产生振动，并且发生工具破损。
发明内容
因此，本发明的目的之一是消除先有技术铣刀的局限性并且提供一种齿形，它实质性地改进金属去除率。本发明的另一个目的是提供这样一种有增强的抗磨损性的面铣刀。
本发明通过提供直径在4-51mm范围的一种用于快速去除金属的面铣刀实现了以上目的，它具有毗邻一个切削部分的一个柄部分，所述切削部分终止于大致上从该铣刀的轴线径向定位的多个端部切削刃，从面对所述铣刀的端部看所述端部切削刃至少在其一部分长度上是弯曲的。
附图说明
现在参考附图进一步说明本发明，附图通过实例代表本发明的优选实施方案。结构上的细节只显示到能够基本理解所需的程度。所说明的例子与附图一起将使本领域的普通技术人员了解如何实现本发明的进一步的形式。
在附图中：
图1是根据本发明的铣刀的一个优选实施方案的正视图；
图2是相同实施方案面对末端齿的末端视图；
图3是有硬拐角的一个铣刀的尖端的剖面正视图；
图4仍是有硬拐角的一个铣刀的尖端的剖面正视图，包括有助于计算铣刀比例的符号；
图5是具有特别齿间距的一个实施方案的面对端齿的末端视图；
图6是带有输油管道的铣刀的一个优选实施方案的正视图；
图7是一个测试条件的表格，它设及先有技术的铣刀和根据本发明制造的铣刀的测试；
图8是测试结果的一个展示；
图9是提供中间磨损值的一个条形图；
图10和图11显示可用的齿形选择；
图10是可用的齿形选择的一个视图；并且
图11是可用的齿形选择的一个视图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施方案提供了一种面铣刀，其中至少这些切削刃的靠外的部分是由比高速钢更硬的材料制成。
在本发明的另一个优选实施方案中，提供了一种面铣刀，如在一个正视投影图中所看到的，所述切削刃的中心在轴向上比点X更接近所述柄，该点X是在轴向上距所述柄最远的点；
Y＝X与刀的轴线之间的距离；
Z＝X与(第一位置的中心，所述齿在此处达到直径D)之间的轴向距离；
R1-该半径把R2的一端汇合到L。Z的值是在直径D的2％和9％之间；
L＝置于直径D上的切削刃的轴向长度；
R2＝(半径)曲线，在点X汇合并延伸通过轴向长度Z；
R1＝把R2的一端汇合到L的半径；以及
C＝一条径向直线与该曲线切削刃的外极值点相交的一条切线之间的角度。
在本发明的一个进一步优选实施方案中提供一种面铣刀，其中Y的值在D的20％与40％之间。
在本发明的再一个优选实施方案中提供一种面铣刀，其中R2的值(如果它是半径)在D的5％与15％之间的范围，并且对于加工硬质材料的铣刀选择在10％与15％之间，而对于加工软质材料的铣刀选择在5％与10％之间。
在本发明的另一个优选实施方案中提供一种面铣刀，其中B的值超过15度。
在本发明的进一步优选实施方案中提供一种面铣刀，其中每个齿的余隙表面被弯曲成大致上平行于所述切削刃。
在本发明的另一个优选实施方案中提供一种面铣刀，其中所述比高速钢更硬的材料沿着铣刀外表面在一个轴向方向上伸展一个大约为D的70％到180％的距离L。
在本发明的另一个优选实施方案中提供一种面铣刀，其中一个第一齿与一个第二相邻齿之间的角间距不等于所述第二齿与一个相邻的第三齿之间的角间距。
在本发明的一个最优选实施方案中提供一种面铣刀，其中提供了一个冷却剂管道，它通过所述柄部分并通过所述切削部分的一部分从一个轴向通道引导到靠近所述切削刃的至少一个出口。
通过考虑到该切削刀所提供的测试结果将会意识到本发明的径向弯曲的齿与合适的前角、离隙角及螺旋角的组合，以及涂层的、碳化物的齿用来提供一种抗磨损的工具，它远比目前可得到的先有技术的铣刀寿命更长。
使用铜焊将碳化钨切削部分附着在高速钢刀体上消除了固定所用的螺钉及穿过螺钉所需要的孔。消除这些孔对防止工具破损是最重要的，因为这些孔周围的区域承受着导致工具破裂的很高的应力集中。
应予以特别注意的是使用一种抛物面的形状，如图4所示，已经发现它比基于先有技术切削刀的径向线优越。切削测试结果使得对此项创新的重要性已毫无疑问。
关于切削速度，“机械手册(Machinery`s Handbook)”第16版，推荐对于0.6mm精加工切削，如同所提供的测试报告的实验对象，是150-200英尺(46-61米)每分钟或者对于用未涂层的碳化物工具加工的合金钢是85-125英尺每分钟。推荐每转的进给在0.004英寸到0.04英寸范围内(0.1mm至1mm)。
在测试中在160m/min的更高的切削速度下使用了有氮化物涂层的碳化物工具。进给(每齿0.6毫米，即每转3.6毫米)也远大于该手册中所给的值。此外，在这些测试中用空气喷射来冷却切削刀，没有用到液体冷却。
发明的完整说明
在图1和图2中可见用于快速去除金属的一个铣刀10，它有通过一个颈部分16连接至一个切削部分14的一个柄部分12。切削部分14终止于从该铣刀的轴线大致上径向定位的多个端部切削刃18，面对该铣刀切削部分14的端部20观看，这些端部切削刃18至少在其长度的一部分上是弯曲的。
切削部分的齿在外径D的每侧有大约0.1D的深度，留下等于大约0.8D的一个核心部。与多个短槽相结合，铣刀10的所形成的刚度是允许高速度和高进给的一个因素，这将在下面详细讨论。
在本例子中切削刃18形成一个凹形曲线。如图中所见，铣刀10在一个反时钟方向上旋转。
在本发明中该切削部分14的外径D是在4-51mm范围内。
每个齿的余隙表面22有利地是弯曲成大致上平行于该切削刃18。
参考其余的附图，相似的参考数字被用来标示相似的部分。
图3显示一个铣刀24的头部，其中切削刃18的外面部分是由比高速钢更硬的材料26制成，例如实体碳化物(碳化钨)、立方体氮化硼、多晶金刚石、金属陶瓷、陶瓷、以及它们的组合。
优选地，材料26沿着铣刀24的外表面在轴向方向伸展一个大约为D的70％到180％的距离。这样对于一个12毫米直径的切削刀该硬质材料轴向地伸展大约8.4到21.6毫米。
图4中所见仍是一个铣刀24的尖端。毗邻铣刀轴线CL的端部切削刃18的部分28在轴向方向上距柄部分12(在图1中所见)比点X距柄部分要近。X是在轴向方向上距柄部最远的点。换句话说，该铣刀的中央部分是下陷的以形成一个宽的倒置的V.
D＝切削部分14的外部直径D；
Y＝X与切削刀轴线之间的距离；
Z＝X与所述齿达到直径D的第一位置的中心之间的轴向距离；
R1-将R2的一端汇合到L的半径。Z的值在D的2％与9％之间；
L＝配置在直径D上的切削刃的轴向长度；
R2＝与X汇合并延伸通过轴向长度Z的曲线；
R1＝与R2的一端与L汇合的半径；
B＝铣刀每侧的离隙角；并且
C＝一条直径向线与相交于该曲线切削刃的外极值点的一条切线之间的角度。
这些优选值如下：
Z的值是在D的2％与9％之间。
Y的值是在D的20％与40％之间。
R2的值是在D的5％与15％之间的范围内，并且对于加工硬质材料的铣刀选择在10％与15％之间，而对于加工软质材料的铣刀选择在5％与10％之间。
B的值是在1°与5°之间。
C的值(如图5所示)超过15°。
图5所见是一个铣刀30，其中一个第一齿32与一个第二相邻齿34之间的径向角间距P1的度数不等于所述第二齿34和一个相邻的第三齿36之间的角间距P2的度数。不规则的齿间距减少铣刀30和工件的振动，特别是在临近谐振频率的那些频率上。还看到角度C，它在如图4中提及。
图6显示一个铣刀38，其中提供了一个冷却剂管道40，它从一个轴向入口42引导通过该柄部分12以及该颈部分16并通过该切削部分14的一部分。管道40终止于靠近这些切削刃的两个出口44。在更大尺寸的情况下，例如在D＝24到51范围，可以再提供附加的出口44。入已知，把冷却剂传输到靠近切削刃的地方得到改进的冷却效果。
在图7中可见一个表46，它具体说明根据本发明制造的铣刀及先有技术的两种铣刀的测试条件。
图8和图9中的表格48和条形图50给出了测试结果。
每个被加工的凹座(未显示)具有的尺寸为在规定的测试条件下完成则需要13.36米的工具行程。
机器在计算机控制下运行，以大约15.3米/分钟的进给率操作时，完成一个凹座需要的时间是大约52.5秒。在本说明书中“凹座”一词的含义是指0.6深度的一层金属。因此，如果例如加工了50个凹座，所生成凹座的总深度是30mm.
词组“几何形状A”是指硬质材料26是一般用途的标准级别碳化钨。
词组“几何形状B”是指硬质材料26是一种高级的级别，例如多晶金刚石。条形图50显示了铣刀的损耗与中间阶段加工的凹座数量之间的关系。
根据本发明制造的铣刀的优越性是如此之大以致在进行的测试中的不准确性(若有的话)是毫无意义的。
现在转到图10和图11，可见到一些可能的齿形，全部都包括至少一个弯曲的部分。
所展示的不同的形状代表二个或者甚至三个部分的组合，例如凸形曲线、凹形曲线和平线部分的组合，各自适合与不同的加工条件。所有曲线都用52  74编号，尽管因为这些形状都出现在图中而没有必要进一步评论。
然而对形状56应予以特别的注意，其中该切削刃有一条长凸形曲线。这种形状被发现最适合于铣削硬度在30-67HRc范围内的合金钢的艰巨任务。
所说明的发明的范围旨在包括进入以下权利要求含义内的所有实施方案。上述实例说明了本发明的有用形式，但并不被看作是限定其范围，因为本领域的普通技术人员将了解能够很容易地构想出本发明的另外的变体和修改而无需背离以下权利要求的涵义。

Claims (10)

1.一种用于快速去除金属的面铣刀，其具有邻接切削部分的柄部分，所述切削部分终止于多个端部切削刃，这些端部切削刃从该面铣刀的轴线大致径向定位，从面对所述面铣刀的端部来看，所述端部切削刃至少沿着它们的一部分长度是弯曲的。
2.如权利要求1所述的面铣刀，其中其外径D在5-51mm范围内。
3.如权利要求1所述的面铣刀，其中至少该切削刃以及所述切削刃的外侧部分是由比柄部分材料更硬的铜焊或其他形式的连接材料制成。
4.如权利要求1所述的面铣刀，如在一个正视投影图中所看到的，所述切削刃的中心在轴向上比点X更接近所述柄，该点X是在轴向上距所述柄最远的点；
Y＝X与刀的轴线之间的距离；
Z＝X与(第一位置的中心，所述齿在此处达到直径D)之间的轴向距离，R1-把R2的一端汇合到L的半径；
L＝设置直径D上的切削刃的轴向长度；
P1＝是一条曲线，通过点X汇合到R1并延伸通过轴向长度Z；
R1＝把P的一端汇合到L的半径；
B＝每侧的离隙角；以及
C＝径向直线和与该曲线切削刃的外极值点相交的切线之间的角度。
5.如权利要求4所述的面铣刀，其中Y值是在D的20％与40％之间。
x)如权利要求4所述的面铣刀，其中Z值是在D的2％与9％之间。
6.如权利要求4所述的面铣刀，其中每侧的离隙角B是在0.1°-5°的范围内。
7.如权利要求1所述的面铣刀，其中每个齿的安全表面被弯曲成大致上平行于所述切削刃。
8.如权利要求3所述的面铣刀，其中L的值(设置在直径D上的切削刃的轴向长度)大约是D的70％到180％。
9.如权利要求1所述的面铣刀，其中在第一齿和第二相邻齿之间的径向角间距不等于所述第二齿和相邻的第三齿之间的角间距。
10.如权利要求1所述的面铣刀，其中设置冷却剂管道，该管道从通过所述柄部分并通过所述切削部分的一部分的轴向通道通到靠近所述切削刃的至少一个出口。
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