CN102189290A

CN102189290A - 用于切削加工的铣削刀具

Info

Publication number: CN102189290A
Application number: CN2011100707644A
Authority: CN
Inventors: 斯图雷·舍
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: CN102189290B; US20110229278A1; SE535054C2; JP6120201B2; KR101687839B1; SE1050243A1; JP2011194564A; KR20110104896A; EP2366481B1; JP2016020026A; US8702352B2; EP2366481A1

Abstract

一种用于旋转切削加工的铣削刀具(1)，所述铣削刀具包括具有旋转轴线的刀具体(10)以及适于接纳布置在所述刀具体(10)的一端的相应铣削刀片(21)的多个刀片座(20)。此外，所述刀具(1)包括多个布置在所述刀具体内的阻尼构件(30)，所述阻尼构件(30)抑制所述铣削刀具(1)中的由操作引起的振动，且所述阻尼构件以平行于且径向偏离所述旋转轴线并且邻近所述一端的方式布置。

Description

用于切削加工的铣削刀具

技术领域

本发明涉及用于切削加工的旋转刀具，具体涉及旨在用于铣削加工的具有一体阻尼器的刀具。

背景技术

在切削加工过程中，为了提供最佳的切削速度、表面光洁度、设备使用寿命等，重要的是实现动态稳定的切削过程。要考虑的一项重要因素为是否存在振动或颤动，振动或颤动会导致不和谐、加工的零件表面粗糙和缩短刀刃使用寿命，并且会导致加工过程不可预测。振动会发生和存在于整个切削系统中，该系统包括机床、工件、工件附件、刀具夹紧元件以及具有刀刃的刀具。在使用长刀具或具有一个或多个延伸元件或轴的刀具的过程中，切削端的振动格外明显。振动的存在通常会导致诸如切削深度、径向吃刀量、进给速度或切削速度之类的刀具数据减小。一种可能的振动消除方法是减小铣削刀具中的作用切削刀刃的数量，但这样也会降低刀具的效率，这是因为完成工作的时间也更长。此外，也利用所称的变节距铣刀减小或防止系统中的振动，这种铣刀的铣削刀片以变化的节距围绕铣刀外周设置。

用于减小用于旋转加工的刀具中的振动、尤其是用于减小铣削刀具中的振动的其他现有技术包括在刀具体中引入居中设置的阻尼器。通常，该阻尼器由粘弹性材料形成，其抵消刀具内的由操作引起的振动。这种现有技术的问题是，阻尼局限于特定的频率或频率范围，并且阻尼体是针对刀具系统特定的固有频率来调整的。此外，由于居中设置，并且考虑到刀具的稳定性和强度，阻尼体的尺寸和延伸范围受到限制。这是因为居中设置的阻尼器使得刀具的承载质量的相对较大的一部分被去除。

因此，非常需要解决上述问题的阻尼刀具。

发明内容

根据一个方面，本发明涉及用于切削加工的具有阻尼作用的旋转刀具。

根据另一个方面，本发明涉及具有改进的阻尼作用的铣削刀具。

本发明的一般实施例包括用于旋转切削加工的铣削刀具1，所述铣削刀具包括具有旋转轴线的刀具体10、适于接纳布置在刀具体的一端的相应铣削刀片的多个刀片座20。此外，刀具1包括多个布置在刀具体内的阻尼构件30，所述多个阻尼构件抑制铣削刀具中的由操作引起的振动。阻尼构件30以径向偏离旋转轴线、偏离刀片座20并且邻近所述一端的方式布置。

本发明的优点包括：

-改进了旋转切削加工中刀具的阻尼作用；

-将阻尼器一体形成在若干不同的刀具几何形状中；

-可调节的阻尼作用。

附图说明

图1示出根据本发明的具有阻尼作用的刀具的一个实施例的两个视图；

图2示出本发明的一个实施例的透视图；

图3示出图2的实施例的分解图；

图4示出图2的实施例的剖面图；

图5示出根据本发明的阻尼刀具的另一个实施例的分解图；

图6示出根据本发明的刀具的另一个实施例的透视图；

图7示出图6的实施例的分解图；

图8示出本发明和现有技术的比较；

图9示出本发明和现有技术的另一个比较。

具体实施方式

在所有附图中，对应或类似的元件将使用相同的附图标记。

一般来讲，本发明包括用于切削加工例如金属和金属合金的旋转刀具。所述刀具设有多个布置为径向阵列的一体的阻尼构件，用来同时减小刀具在扭转方向和径向的振动。旋转加工是指这样的情形：在工件或刀具进行直线或旋转进给运动的同时，切削工具被赋予相对于其旋转轴线的旋转主运动。本发明所包含的刀具包括一种或多种铣刀，例如，长刃铣刀、角铣刀、端铣刀、带柄端铣刀、螺旋铣刀等。

根据参照图1的一个实施例，本发明包括用于旋转切削加工的铣削刀具1。铣削刀具1由刀具体10构成，刀具体具有沿其旋转轴线(在图中上半部用虚线表示)的延伸。铣削刀具1也可包括沿旋转轴线串联布置的各种延伸元件(未示出)，以允许更深地切入工件。此外，铣削刀具1包括适于接纳布置在刀具体10的一端的相应铣削刀片的多个刀片座20。图1示出了具有铣削刀片的四个刀片座20，但也可以在刀具体10中布置更多或更少的刀片座20。通常，根据本发明的刀具包括三个或更多个刀片座。最后，刀具1包括布置在刀具体10内的多个阻尼构件30，多个阻尼构件30抑制刀具中的由操作引起的振动。所述阻尼构件30以径向偏离刀具1的旋转轴线、偏离刀片座20并且邻近上述一端的方式布置。阻尼构件30适于但不是必需平行于刀具1的旋转轴线布置。在与平行布置的偏差上，阻尼构件和刀具的旋转轴线之间的角度应不超过10°。图1示出了四个这样的阻尼构件30，但同样可以布置更多或更少的阻尼构件30。

相比居中设置的阻尼构件，使用多个径向偏离的阻尼构件的其中一个优点是，有可能在更大的频率范围内抵消振动。还存在其他优点。下文将结合具体实例更详细地讨论该优点和其他一些优点。

为了使阻尼器的使用不破坏刀具体的结构稳定性，各阻尼构件的体积(和质量)受到刀具总体积(和质量)的限制。这使得相比使用多个径向偏离的阻尼器，使用居中设置的阻尼器会对能应用在刀具上的阻尼质量的大小限制在更小的范围内。例如，可以提及的是，对于具有大约1.5kg质量的角铣刀(直径60mm)，有可能包括六个径向偏离的阻尼构件，其具有222g的总质量；而居中设置的阻尼器只允许190g的阻尼质量。(此例在上述两种铣削刀具中均包括同一类型的阻尼构件)因此，通过使用多个阻尼构件，有可能获得超过居中设置情况下的阻尼质量的总振荡阻尼质量。

对于特定类型的刀具解决方案，由于设计问题，不可能一体形成居中设置的阻尼构件。US6595727中的铣削刀具示出了这种情况，该铣削刀具具有居中设置的中空锁紧螺栓，其用以向铣削刀片提供冷却介质和润滑剂。另一种类似的情况是用于所称的斜线进刀铣削(ramping)的铣削刀具，参见US 6,945,740。以上所述刀具都无法按照居中设置阻尼构件的原理减振，但利用本发明，能够容易地使刀具减振，从而获得更佳的切削性能。

本发明的另一个优点是，当阻尼构件以径向偏离中心轴线的方式布置时，可以更有效地对扭转振动产生的振动进行减振。此外，还可以获得一个频谱范围，阻尼系统能够在该频谱范围内工作，并抵消出现的振动，或者消除/减小振动增加的趋势。此外，可以在刀具内使用多个相同的阻尼构件，也可以在同一刀具内使用不同的阻尼构件。通过赋予阻尼构件不同的质量、阻尼效应或结构设计，可以实现多样化。也可以将上述多样化类型组合。

根据本发明的具体实施例，阻尼构件30布置在刀具体的一端的凹槽中，参见图2和图3。所述凹槽中每一个凹槽都定向为使其纵向轴线平行于铣削刀具的旋转轴线，并且从刀具的切削端延伸。凹槽(因此阻尼构件)可以关于旋转轴线对称或不对称布置。

根据优选实施例，假设关于旋转轴线的对称性与刀片座相同，则阻尼构件的数量对应于刀具体中的刀片座的数量。换句话讲，多个阻尼构件中每一个阻尼构件都与相应的刀片座对应且相邻地设置。这使得减振的进行能够紧密关联刀具中的产生振动所处的点，即铣削刀片接合进入工件的位置处。因此，在这种情况下，典型地刀片座的数量和阻尼构件的数量为3个或更多个。

在图3所示实施例中，阻尼刀具1以拆卸状态示出，其中阻尼构件从相应的凹槽移除。在图中，还示出了用于防止阻尼构件或刀片意外掉出刀具的盖板。在该实施例中，所有阻尼构件均为类似的元件，但也可以包括被调节成不同阻尼频率或频率间隔的元件，换句话讲，不同阻尼构件能具有不同阻尼效应。

在图4中，以剖视图示出图2的实施例，以显示阻尼构件在铣削刀具1内的定向。在所示实施例中，盖板已通过螺纹接合而附接到刀具体10中，但应当理解，也可以采用其他附接方式。

如上所述，并非刀具1中的所有阻尼构件30都必须是同一类型。图5以分解图示出了这种情况，该图示出了阻尼构件30的两种变型。其中一种变型为在阻尼构件外部具有螺旋凹槽的大致柱形的插入物，以允许冷却介质在铣削刀具1中循环。另一种变型包括多个球形阻尼构件，所述多个球形阻尼构件堆叠在彼此之上并且利用间隔构件间隔开。这两种变型仅用于举例，也可以采用类似的解决方案。

根据参见图6和7的另一个优选实施例，刀具1包括盖11，该盖在安装之后，与刀具体10一起在刀具的切削端覆盖阻尼构件及其凹槽。该盖包括用于接纳铣削刀片的最外侧的一列刀片座20，并且适于与刀具体10配合形成刀具1。盖11可以利用螺栓或其他等同的接合构件附接到刀具体10。图6示出了安装有盖11的刀具1，图7示出了盖11处于拆卸状态的刀具1。

具有在刀具中提供第一排刀片的盖的上述实施例的具体优点是，阻尼构件能够设置在刀具体中足够靠前处，而不会因此终止于刀具的端部。对于用于斜线进刀铣削的铣削刀具，这一点特别有利。

如图6和图7所示，刀具1可包括布置在刀具1的包络面上的刀片座20。安装在所述刀片座中的铣削刀片将与布置在端部的铣削刀片配合，以允许实现更长的切削刃，例如长刃铣削刀具。

根据上文所述，有利的是阻尼构件的数量等于布置在刀具的一端的刀片座的数量。然而，这不是必须的，阻尼构件数量与刀片座数量不同的实施例也是可以的。所示实施例大部分涉及铣削刀具，特别是长刃铣削刀具。

有利地，阻尼构件(和对应的凹槽)旋转对称。然而，这仅仅是为了适应制造技术，该原理也可应用于具有其他几何形状的阻尼构件和凹槽。此外，已经示出大致柱形的凹槽，但这也是为了适应制造技术。在设计刀具、特别是长刀具中的阻尼构件时，有利的是将阻尼效应集中在振动最大的位置的附近。这意味着在大多数情况下，尤其对于长刀具来说，阻尼构件在刀具的切削端中，有利地紧密关联刀刃，即尽可能远离旋转轴线。因此，同样有利的是采用锥形的阻尼构件和凹槽，其中锥形的底面置于紧密连接刀具的切削端。

另一个需要考虑的问题是刀具中存在冷却通道。根据本发明，阻尼构件及其凹槽适于与刀具中存在的冷却通道的至少一部分配合。这意味着，阻尼构件本身适于允许冷却液的特定循环，并且凹槽适于与刀具的冷却通道连通。

本发明的阻尼构件尤其涉及WO2008/002145中已经公开的阻尼构件，但也可以是其他类型的阻尼构件。实例可以为具有粘弹体形式的阻尼构件，该粘弹体具有不同设计，例如球形、实心柱体、圆形或环形板或其组合。也可以采用具有机械和/或流体力学作用模式的不同类型的阻尼构件。

如上所述，使用单个居中设置的阻尼器的一个问题是，刀具的阻尼能力被限定在特定频率内，使得阻尼体必须调到刀具系统的特定阻尼频率下。对于安装在特定机床内的刀具的阻尼器调谐通常没有问题，但在更换机床和设备系统的固有频率改变时，会出现问题。根据本发明，使用在不同频率下调谐的多个阻尼器的优点是，可以在更宽的频谱范围内对系统进行减振。从下文参照图8的模拟结果中，可以很清晰地看到这一点。

图8示出了来自三个不同的模拟的结果，其中已用3000-3300Hz之间的主共振频率对200个不同的传递函数进行随机化。为简明起见，图中仅示出其中一个传递函数。最上面的图示出了已知无阻尼刀具的结果。中间的图示出了来自相同随机传递函数的结果，但其中具有已调节或调谐至频率范围的中位值即3150Hz的已知阻尼器，并具有±5％的随机分布。最下面的图示出了根据本发明的优选实施例的、来自相同随机传递函数的结果，但具有5个调整或调谐至2300-4000Hz之间的频率的阻尼器，并具有±5％的单独分布。此外，5个阻尼器的总质量与单个阻尼器的质量的相同。图中清楚示出，相比已知单阻尼器或已知无阻尼系统，根据本发明的多阻尼器的传递函数(“动柔度(receptance)”)的振幅峰值明显降低。

为了示出阻尼系统的效果，选择了随机传递函数，并用来计算代表性刀具的稳定性极限，参见图9。通过选择低于图中曲线的轴向切削深度和主轴转速的组合，避免了稳定性问题。如果反之，选择了曲线以上的组合，则振动水平会不可控地急剧上升。结果清楚地表明，相比无阻尼(UD)和单阻尼(SD)系统，多阻尼器(MD)使得临界切削深度可以增加许多倍。因此，本发明使得单位时间内可以从工件上去除更多材料，从而提高工艺效率。

如上所述，本发明可以将多个不同的阻尼构件组合到同一个铣削刀具内，以实现刀具的阻尼效应的多样性。然而，也可以在铣削刀具内布置多个类似但可单独调节的阻尼构件。可调节是指阻尼构件不是固定在特定的阻尼范围内，而是能在操作过程中或至少在安装铣削刀具时调节或调谐。

本发明尤其适用于但不限于用来加工对加工方法提出类似要求的钛和钛合金或材料组的刀具。

本领域的技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，能够对本发明进行修改或更改。

Claims

1.一种用于旋转切削加工的铣削刀具(1)，所述铣削刀具包括具有旋转轴线的刀具体(10)以及适于接纳布置在所述刀具体(10)的一端的相应铣削刀片(21)的多个刀片座(20)，其特征在于

-所述刀具体(10)内布置有多个阻尼构件(30)，所述阻尼构件(30)抑制所述铣削刀具(1)中的由操作引起的振动，且所述阻尼构件(30)以径向偏离所述旋转轴线、偏离所述刀片座(20)并且邻近所述刀具体(10)的所述一端的方式布置。

2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述刀具体包括多个凹槽，在所述凹槽中布置相应的所述阻尼构件(30)中的每一个阻尼构件。

3.根据权利要求1或2所述的刀具，其特征在于所述多个刀片座在所述刀具(1)的所述一端布置在一公共平面内，并且与所述刀具的包络面相邻，用于切削邻近所述多个刀片座的材料。

4.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于所述多个阻尼构件(30)关于所述刀具的所述旋转轴线对称布置。

5.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于所述多个阻尼构件(30)关于所述刀具的所述旋转轴线非对称布置。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的刀具，其特征在于所述阻尼构件(30)的数量等于所述多个刀片座(20)的数量。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的刀具，其特征在于所述阻尼构件(30)的数量和/或所述刀片座(20)的数量分别为至少3个。

8.根据权利要求4所述的刀具，其特征在于所述阻尼构件(30)中的每一个阻尼构件均被布置为与用于接纳铣削刀片(21)的所述多个刀片座(20)中的相应的一个刀片座相邻。

9.根据上述权利要求中的任一项所述的刀具，其特征在于所述阻尼构件(30)中的每一个阻尼构件为同一类型。

10.根据权利要求1至6中的任一项所述的刀具，其特征在于所述多个阻尼构件(30)为单独进行调节的阻尼构件，以允许宽频率阻尼范围。

11.根据权利要求10所述的刀具，其特征在于所述多个阻尼构件中的至少一个阻尼构件是可调的。

12.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于所述凹槽在所述刀具的所述一端开口。

13.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于所述凹槽被布置为通过盖(11)而被完全容纳在所述刀具体内，所述盖被布置在所述刀具的所述一端。

14.根据上述权利要求中的任一项所述的刀具，其特征在于所述凹槽旋转对称。

15.根据权利要求14所述的刀具，其特征在于所述凹槽相对于所述一端锥形渐缩。

16.根据上述权利要求中的任一项所述的刀具，其特征在于所述刀具(1)包括多个冷却通道，所述冷却通道被布置为与所述凹槽连通且协作。

17.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述铣削刀具尤其旨在用于铣削加工钛和钛合金。

18.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述刀具为长刃铣刀。

19.根据上述权利要求中的任一项所述的刀具，其特征在于所述阻尼构件(30)平行于所述旋转轴线布置。