CN102762328B - 铣刀和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于插铣工件的方法。该方法包括：旋转切削头同时使切削头沿着朝向工件的方向前移；利用设置在切削头的正面上的前齿从工件去除材料；使刀具保持器弯曲，该刀具保持器被构造成引导切削头到工件内；当切削头在工件内到达预定深度时停止切削头沿着朝向工件的方向的前移；以及，在使切削头旋转的同时从工件内侧收回，使得切削头的侧齿由于刀具保持器的弯曲而从工件内侧去除材料。

Description

铣刀和使用方法
技术领域
本公开致力于铣刀(mill)，诸如用于执行Z轴线插铣(plunging)操作的铣刀，以及使用铣刀执行插铣操作的方法。
背景技术
已知在油气工业中使用压缩机。例如，压缩机可用于将流动通过管路的油或气体加压。还已知在压缩机中使用具有相对复杂几何构造的叶轮叶片，以实现压缩机中流体的期望流动特征。已知的铣刀可通过使铣刀沿着X轴线和Y轴线平移同时沿着Z轴线插入该铣刀而用于制造叶轮叶片。这被称作Z轴线插铣操作或插入铣削。
图1A为已知的高速钢(HSS)铣刀100的侧视图，且图1B为已知铣刀100的正视图。已知的铣刀100包括在切削头150的顶表面上的顶部切削齿151，切削头150连接到沿着Z轴线延伸的轴160。通过这种布置，当马达使轴160绕Z轴线旋转时，切削头150旋转。切削头150的旋转导致由顶部切削齿151诸如从叶轮叶片去除材料。图2示出了已知的嵌入式铣刀102，其具有利用螺钉附连到轴173的齿171。
与由其它方法制造叶片相比，使用已知的铣刀100和102来制造叶轮叶片可提供一些优点。例如，已知的铣刀100和102可用于制造通过其它方法难以或不能制造的几何构造。另外，已知的铣刀100和102可在相对较短的时段去除相对较大体积的材料。
然而，存在着由使用已知的铣刀100和102导致的缺点。例如，当包括已知铣刀100或102的布置具有相对较大的套件(kit)长度例如从铣刀头到马达的长度时，在从叶轮叶片去除材料期间，已知的铣刀100和102可偏转或振动。这种偏转可导致具有不精确的几何构造的叶片。该偏转也可导致在叶轮叶片表面上令人不满意的光洁度，以及在叶片制造期间过度的噪音。
发明内容
本公开克服了已知的铣刀或使用已知铣刀的方法的上述缺点或其它缺点中的一个或更多。
根据一示例性实施例，存在着一种用于插铣工件的方法。该方法包括：旋转切削头同时使切削头沿着朝向工件的方向前移的步骤；利用设置在切削头的正面上的前齿从工件去除材料的步骤；使刀具保持器弯曲的步骤，该刀具保持器被构造成引导切削头到工件内；当切削头在工件内到达预定深度时停止切削头沿着朝向工件的方向的前移的步骤；以及在使切削头旋转的同时从工件内侧收回，使得切削头的侧齿由于刀具保持器的弯曲而从工件内侧去除材料的步骤。
根据另一示例性实施例，存在着一种用于插铣工件的方法。该方法包括：使具有前齿和侧齿的切削头旋转的步骤；使前齿和侧齿与工件的一部分碰触以从工件去除材料的步骤；使切削头沿着附到工件的X、Y和Z轴笛卡尔坐标系的Z方向前移的步骤；使附连到切削工具的刀具保持器相对于Z轴线弯曲的步骤；当切削头在工件内到达预定深度时停止切削头沿着Z轴朝向工件的前移的步骤；以及沿着Z轴线上的相反方向收回切削头使得侧齿与工件内侧接触以在前齿与工件分开时从工件去除材料的步骤。
根据又一示例性实施例，存在着一种用于插铣工件的方法。该方法包括：旋转切削头同时使切削头沿着朝向工件的方向前移的步骤；利用设置在切削头正面上的前齿从工件去除材料的步骤；使刀具保持器弯曲的步骤，该刀具保持器被构造成引导切削头到工件内；当切削头在工件内到达预定深度时停止切削头沿着朝向工件的方向的前移的步骤；在使切削头旋转的同时从工件内侧收回使得切削头的侧齿由于刀具保持器的弯曲而从工件内侧去除材料的步骤；在前移和收回切削头时维持刀具保持器的底部在相同轴线上的步骤；使刀具保持器远离由切削头所作用的孔的侧面而弯曲的步骤；以及在收回切削头时仅用侧齿作用于工件上的步骤。
附图说明
并入说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了一个或更多实施例，并且与描述一起说明这些实施例。附图未按比例绘制。在附图中：
图1A和图1B为高速钢铣刀的侧视图和正视图；
图2为嵌入式铣刀的侧视图；
图3为根据示例性实施例的铣刀的局部截面立视图；
图4为根据示例性实施例的图3的铣刀的右侧视图；
图5为根据示例性实施例沿着图4的线A-A所截取的图3的铣刀的细节图；
图6为根据示例性实施例的铣刀的顶视图；
图7为根据示例性实施例沿着图6的铣刀的线B-B所截取的铣刀的细节图；
图8为根据示例性实施例沿着图6的铣刀的线C-C所截取的铣刀的细节图；
图9为根据示例性实施例的图3的铣刀的侧表面的细节投影视图；
图10为根据示例性实施例沿着图9的线D-D所截取的铣刀的细节图；
图11为根据示例性实施例沿着图9的线E-E所截取的铣刀的细节图；
图12为根据示例性实施例的铣刀的侧视图；
图13为根据示例性实施例的使用铣刀的方法的流程图；以及
图14为根据示例性实施例的制造铣刀的方法的流程图。
图15为根据示例性实施例的在工件内前移的铣刀的示意图；
图16为根据示例性实施例的作用于铣刀上的力的示意图；
图17和图18为示出配准(registration)角度的示意图；
图19为示出根据示例性实施例的切削头的弯曲的示意图；
图20为示出根据示例性实施例的铣刀的返回移动的示意图；以及
图21至图23为根据示例性实施例的用于插铣工件的方法的流程图。
具体实施方式
示例性实施例的下述描述参考了附图。在不同附图中相同的标号表示相同或类似的元件。了解到下文的详细描述并不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。
在整个公开中对“示例性实施例”或“一实施例”或其变型的提及表示，结合一实施例描述的特定特点、结构或特征包括在所公开的本主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿本公开的各个位置上短语“在示例性实施例中”、“在一实施例中”或其变型的使用未必都指相同实施例。另外，本文所公开的特定特点、结构或特征可在一个或更多实施例中以任何合适方式组合。
图3为根据示例性实施例的铣刀500的局部截面立视图，且图4为铣刀500的右侧视图。另外，图5为沿着图4的线A-A所截取的铣刀500的细节图。图6至图8示出图3所示的铣刀500的细节。图9为铣刀500的侧表面的细节投影视图，而图10为沿着图9的线D-D所截取的铣刀500的细节图，并且图11为沿着图9的线E-E所截取的铣刀500的细节图。
铣刀500可用于对工件执行材料去除或铣削操作。以具体非限制性示例的方式，铣刀500可用于通过使用马达使铣刀500绕Z轴线旋转且通过使铣刀500沿着Z轴线平移而执行Z轴线插铣操作，诸如在可用于对油或气管线中的油或气加压的压缩机的叶轮叶片的制造期间。但应了解，铣刀500可用于除压缩机叶轮叶片之外的其它材料去除、铣削或机械加工操作。注意到铣刀500被构造成当沿着Z方向前移时不仅去除铣刀前方的材料而且去除铣刀侧部的材料。
根据一示例性实施例，比较具有25mm直径的头、591mm的套件长度和头上的10个齿的新颖铣刀与具有6个齿的传统高速钢(HSS)铣刀和具有3个齿的嵌入式铣刀。新颖铣刀被示出具有105m/min的铣削速度、每个齿每次旋转(切削参数)0.036mm/齿的去除材料以及330min的寿命时间。HSS铣刀具有30m/min的切削速度、每个齿每次旋转0.077mm/齿的去除材料以及180min的寿命时间，而嵌入式铣刀具有120m/min的切削速度、每个齿每次旋转0.120mm/齿的去除材料以及仅仅15min的寿命时间。注意到，与其它铣刀相比，新颖铣刀具有良好的切削参数和寿命。而且，对于该铣刀超过600mm的长度，由于头的新颖几何构造，新颖铣刀在旋转期间示出减小的振动。
根据一示例性实施例，表1A列出了图3和图4所示的铣刀500的尺寸的适当值范围。表1B列出了图5所示的尺寸的优选的适当值范围。表1C列出了图9至图11所示的尺寸的优选的适当值范围。了解到，在附图中“R”的标记表示半径的存在。
表1A
表1B
Q (mm) S (mm) T (°) U (°) V (°) W (mm)
3-8 1-4 1-10 0-6 5-20 0-5
表1C
d (mm) e (mm) F (°) g (°) h (°) i (°) l (°) m (°) N (mm) o (mm)
0.5-3 0-1 10-50 -10 -30 20-40 10-30 10 50 -10 -30 0.5-3 0-1
尺寸H表示用于扳手的槽的大小，扳手可用于将铣刀500连接到刀具保持器，诸如标准或已知的刀具保持器，刀具保持器连接到马达。通过这种布置，马达的操作导致铣刀500的旋转，使得铣刀500能执行上文所讨论的材料去除操作。刀具保持器可具有长于30cm的长度。在一个应用中，刀具保持器长于60cm。
铣刀500包括在切削头550的顶表面553上的E数量的顶部切削齿551，切削头550连接到沿着Z轴线延伸的轴560。通过这种布置，可具有截头球形状、随着轴560旋转的切削头550绕Z轴线旋转。切削头550的旋转导致由顶部切削齿551诸如从叶轮叶片去除材料。如图所示，在示例性实施例中，顶部切削齿551的数量E可为10。但应了解，切削头550可包括更多或更少的顶部切削齿。
切削头550可与轴560一体地制成或者可分开地附连到轴560。例如，切削头550可通过各种装置562(其包括例如磁性机构、机械机构等)附连到轴560。轴560可被构造成由刀具保持器564接纳，如图3所示。例如，轴560可具有螺纹区域566，螺纹区域566可螺接到刀具保持器564中的对应螺纹区域内。
因此，如所显示和描述的那样，顶部切削齿551的切削表面(或刃)557可相对于垂直于或大致垂直于Z轴线的参考平面555以角度J设置，使得切削表面557以大致凸出的布置设置，如图3所示。具体而言，切削表面557可为沿着对应切削表面平面延伸的平坦切削表面。切削表面平面中的每一个可相对于平面555以角度J设置，平面555充当参考平面，且角度J在大致径向上测量。另外，平坦切削表面(或刃)557的中部557a设置在沿着轴线Z比平坦切削表面(或刃)的周围部分557b离切削头550的底表面563更远的距离。在该方面，注意到传统的装置具有与平面555对齐的切削表面，即角度J为零。在该实施例中，角度J可在1度与10度之间。对于3度的J值，操作期间在铣刀中出现的振动最小。在一个应用中，顶部平坦切削表面557和平面555形成1度与10度之间的角度。图4示出设置在切削头550的顶部切削表面557上的10个齿551。齿551可以各种方式形成，如本领域技术人员已知的那样。
在一个示例性实施例中，齿551可相对于顶部切削表面557具有各种倾斜。在该示例性实施例中，顶部切削表面557可为圆锥形表面、平面表面或另一球状的表面。为了清楚起见，注意到每个齿551可具有限定该齿的两个或更多表面的组合，并且这些表面的交线或者两个或更多限定了有效地切入工件材料中的切削刃。齿551的这些实际刃可具有各种形状和大小，而顶部切削表面557是指由那些切削刃决定的表面，例如，碰触该齿的实际切削表面/刃中的一些或全部的包络面，并且该包络面在图3中示为要素557。
图5表示铣刀头上的切削刃几何构造且示出了前隙角V、楔角U、顶前角T、平坦刃带S和齿厚度Q。在表1B中示出了与这些参数相关联的值。
但是，根据图6和图7所示的另一示例性实施例，齿571的顶部切削表面557减小至刃580，如接下来所讨论的那样。为了简单起见，图6和图7示出具有仅仅两个齿551a至551b的切削头550。每个齿551具有特定空间构造。为了限定此构造，介绍齿551的以下表面和刃。切削刃580a由侧表面582a与582b之间的交线限定，如图7所示。在一个示例性实施例中，切削头550的顶表面553在侧表面582c和584b之间可见。但是，在另一示例性实施例中，顶表面553由齿551完全覆盖。而且，注意到齿的形状可彼此相同或不同。在又一申请中，侧表面582a和582c可形成单个平滑表面或者可包括多于两个平滑表面。
图7所示的视图对应于沿着图6中的线B-B所截取的侧视图。因此，对于齿551的周围部分557b，图7所示的齿的轮廓是精确的。对于齿551的其余部分，可维持图7所示的轮廓，直到齿551接合于单个中点586。图8示出了沿着图6中的线C-C所截取的另一视图。图8示出了两个相对的齿551a和551d、齿551a的切削刃580a以及相同齿551a的侧表面582b。图8更清楚地示出了参考平面555与齿551a的切削刃580a之间的角度J。在一个应用中，每个齿的每个切削刃相对于参考平面550形成基本上等于J的角度。齿的角度可在1度与10度之间变化。图6和图8还示出切削头550的底表面563、侧部区域590和顶部区域592。如将由本领域技术人员所认识到的那样，各种齿形成于顶部区域592和/或侧部区域590中。
铣刀500可包括侧切削齿571，侧切削齿571也可具有切削表面和/或刃。如所显示和描述的那样，侧切削齿571可设置在切削头550的大致球形侧表面上，该侧表面在齿551与轴560之间。侧切削齿571可包括一个或更多侧切削刃。为了简单起见，图9示出了第一侧切削刃573和第二侧切削刃575。第一侧切削刃573和第二侧切削刃575(有时分别称作右齿和左齿)可彼此相交，使得侧切削齿571形成一些X形。第一侧切削刃573可包括48个齿，并且第二侧切削刃575可包括20个齿。其它数量的切削刃是可能的。另外，侧切削齿572的切削表面或刃可为弯曲的切削表面或刃。在一个应用中，侧切削齿571的弯曲的切削表面或刃为球的部分。在图9中还指出了顶齿551。具体而言，在此图中示出了带有其切削刃580a以及侧表面582a至582c的齿551a。
图10和图11示出了侧向左齿和右齿的切削刃部段。它们示出了齿前隙角g和m、楔角f和l、底部倒角o和e以及齿高度d和n。在表1C中示出了与这些参数相关联的值。
根据图12所示的另一示例性实施例，侧切削齿571可以下述方式形成。假定切削头550的侧表面600具有球形形状且侧表面600最初为平滑的(例如，无凹槽)。凹槽602和604形成于侧表面600中而限定齿571。为了简单起见，在下文中讨论单个齿606。图9至图11示出了齿571的各种角度和尺寸，而图12示出齿的切削刃。在该方面，齿606具有由凹槽602限定的第一切削刃606a和由凹槽604限定的第二切削刃606b。第一切削刃606a和第二切削刃606b的大小可相同或不同。切削刃606a和606b可为直的或弯的。
第一切削刃606a和第二切削刃606b相对于齿606的顶表面606c是突起的。在某种意义上，齿606可被视作具有梯形截面，具有相对于齿的底部平坦且倾斜的顶部。齿606具有与切削头550一体地形成的它的底部、对应于齿的平坦顶部的顶表面606c，相对于齿606的底部而言，齿的平坦顶部具有高于顶表面606c的另外两个边缘的两个边缘606a和606b。而且，由于铣刀被构造成在图中从左边旋转到右边，第一边缘606a和第二边缘606b被磨尖成使得它们将切入工件中。齿571的另外两个边缘606d和606e可为凹槽602和604的部分或者可从这些凹槽略微高出。
在另一应用中，顶表面606c可包括多于或少于四个边缘且可包括不止一个平滑表面。然而，切削刃(一个或更多)对不同实施例是通用的。在又一示例性实施例中，切削刃606a和606b彼此相交的点606f为顶表面606c的最高处。注意到表面606c关于侧齿571而非关于铣刀头550被称作顶表面。
切削头550还可包括设置在顶部切削表面与侧表面之间的过渡部577(参看图3)。如已经在上文中所讨论的那样，顶部切削表面可限定为包括顶齿551的多个切削刃580a和580b的包络面。过渡部577可为圆形且可具有小于侧表面半径的半径，例如约等于下文详细描述的半径P的半径。如图所示，侧切削齿571可延伸到过渡部577上。在备选实施例中，切削齿571可止于过渡部577之前。
如图中所示，铣刀500具有其它优选尺寸。应了解下述和前述的尺寸只是示例性的，并且铣刀500的几何构造可不同于这些优选尺寸。以图3和图4中尺寸的说明的方式，尺寸A为切削头550的直径，而B、C、D、F和G为轴560和刀具保持器564的尺寸，被选择成使得铣刀500可结合刀具保持器564使用。
另外，尺寸Y为顶部切削齿551的顶表面的最大高度(从切削头550的底表面563起)，并且Z为切削头550的顶表面553的最小高度。而且，L为顶部切削齿551的最大高度，M为顶部切削齿551的切削刃与径向方向之间的角度，并且P为在顶部切削齿551的最外部径向刃上的半径。尺寸X为到半径P的中心的高度。
作为包括尺寸L和A的铣刀500的几何构造的结果，在一个应用中，顶表面553的倾斜可等于约arcsin(L/(A/2))。因此，在附图所示的优选实施例中，顶表面553的倾斜可为约12°。
关于图5，尺寸Q为大致垂直于Z轴线且大致平行于切削头的顶表面测量的顶部切削齿551的大小。S为在相同方向上测量的顶部切削齿551的切削表面的大小。T为切削表面的一部分或一侧的角度，并且U为倾斜表面的另一部分或另一侧的角度，每个角度相对于大致垂直于Z轴线的线进行测量。V为相对于大致平行于Z轴线的线测量的顶部切削齿551的凹侧的角度，而W为在顶部切削齿551的凹侧与切削头550的顶表面之间的半径。
关于图9至图11，尺寸d为侧切削齿573的最大厚度，e为侧切削齿573的半径，并且f和g为侧切削齿573的角度。尺寸h为在侧切削齿573与大致平行于Z轴线的线之间的角度。在一优选实施例中，h为大约30度。
另一方面，尺寸i为在侧切削齿575与大致平行于Z轴线的线之间的角度。在一优选实施例中，i为约20度。尺寸l和m为侧切削齿575的角度，n为侧切削齿575的最大厚度，并且o为侧切削齿575的半径。
铣刀500可由各种材料制成，并且可包括在至少切削头550上的涂层。在一个示例性实施例中，切削头550独立于轴560形成且其然后例如通过钎焊附连到轴560。铣刀500的示例性材料、特点和特征如下。
轴560：
低合金化冷作(cold work)工具钢
标称组分，%：
C 0.95-1.10
Mn 0.25-0.45
P 最多0.030
S 最多0.030
Si 0.15-0.35
Cr 1.35-1.65
典型性质：
密度(g/cm3) > 7.60
软退火温度，℃ 740-770
退火硬度HB30 230
硬化温度，℃ 830-860
硬度 HRc 60-64。
切削头 550：
碳化钨杆/等级C-2(ISO K20/K30)
细粒级(0.8μm粒度)
化学组成：钴- 10%, 余量为碳化钨
理论密度：大约0.54 lb/in3(14.8 gm/cm3)
硬度：洛氏 "A" 92.1(Vickers-H30V=1,600)
横向断裂强度： 623,000 psi(4,300 N/mm2)
压缩强度： 906,250 psi(6,250 N/mm2)。
在轴560与切削头550之间的焊接(钎焊)材料：
铜-银-铜金属合金，钎焊温度℃ 800。
在切削头550上的涂层：
涂层化学物质：氮化铝钛(TiAlN)
组成：单层
典型厚度范围： 1-10 μm(0.00004-0.0004 英寸)
显微硬度： 3600 维氏度
温度稳定性： 850℃(1562°F)
摩擦系数 0.45。
相比已知的铣刀，铣刀500可提供各种优点。例如，在制造期间或材料去除操作期间，甚至在铣刀500用在相对较长套件长度上时，可最小化或排除铣刀500的偏转或振动。因此，例如，由铣刀500制造的叶轮叶片的几何构造可比由已知铣刀制造的叶轮叶片更精确。另外或备选地，由该铣刀500制造的叶轮叶片的表面光洁度还可具有比由已知铣刀制造的叶轮叶片更好的品质。
优选的氮化铝钛(TiAlN)涂层可提供高表面硬度和/或低摩擦系数。TiAlN涂层可导致改进的延展性且因此良好地适用于断续切削操作。涂层可提供优良的抗氧化性且因此适合于高温机械加工。TiAlN涂层可不表现出刃脆性且可用于断续切削而没有切屑。
图13为根据示例性实施例使用铣刀(诸如铣刀500)的方法的框图。如图所示，在步骤1310中，使铣刀的轴绕轴线旋转。在步骤1320中，轴的旋转导致连接到轴的切削头的旋转，使得材料由铣刀的顶部切削齿的切削刃从工件去除。顶部切削齿设置在切削头的顶表面上，顶部切削齿的切削刃相对于垂直于该轴线的平面以一定角度设置。轴和切削头的旋转导致了利用铣刀的侧切削齿的切削刃从工件去除材料。侧切削齿设置在切削头的侧表面上，侧切削齿的切削刃彼此相交。
根据图14所示的示例性实施例，存在着一种用于制造切削头的方法，该切削头被构造成绕轴线旋转以从工件去除材料。该方法包括：步骤1400：提供切削头，其具有底表面、连接到底表面的侧部区域以及连接到侧部区域的顶部区域；步骤1402，在切削头的顶部区域上形成顶齿；以及步骤1404，在顶齿上形成切削刃。切削刃从顶部区域的中点朝向顶部区域的周围延伸，并且每个切削刃相对于大致垂直于轴线的参考平面以一定角度设置。切削刃的中部设置在沿着轴线比切削刃的周围部分离底表面更远的距离。
尽管在上文中描述了使用铣刀500的具体方法，应了解使用铣刀500的其它方法也符合本公开。例如，使用铣刀的额外、更少和/或其它步骤符合本公开。
现在关于图15至图23讨论利用先前附图所示的新颖铣刀从工件去除材料的新颖方法。为了更好地理解在执行铣削操作时存在的力，图15示出了在工件702中在Z方向上前移(插铣操作)的新颖铣刀700(例如，铣刀500)。铣刀700在铣刀的前表面上具有前齿704且因此孔705形成于工件702中。在一个应用中，铣刀700开始从孔705的侧部706去除材料且继续延伸原始孔705，直到在工件中形成期望的空腔。换言之，铣刀700与孔705的仅仅一部分直接接触且通过从孔的一侧或更多侧顺序地去除材料而扩大孔705。但是，如果侧齿708形成于铣刀700的侧部上，那么当铣刀700沿着Z方向朝向工件702前移时，另外的材料可从表面706去除。
由于在铣刀700的齿(704和/或708)与工件702之间的相互作用，产生了至少两个力，并且这些力会影响铣削过程，如接下来所讨论的那样。图15示出由于在工件702与前齿704之间的相互作用所导致的轴向力Fz，并且此力沿着Z轴线延伸。此力倾向于对抗铣刀700沿着Z方向的前移运动。另一力为径向力Fr，其基本上垂直于Z轴线(取决于角度J)且倾向于使铣刀700朝向孔705的中心709弯曲。由于铣刀700的长度(套件长度)、铣刀的旋转速度且由于未被反向力平衡的径向力Fr，铣刀700在铣削操作期间弯曲，如图所示以偏转角α弯曲，该偏转角α限定了在施加力Fr时沿着Z轴线的铣刀700的中心轴线CA(当不施加径向力时)与实际中心轴线的偏离。注意到径向力Fr并不从工件702的侧部710平衡，因为铣刀700仅用于去除工件700的单侧706。偏转角α越大，铣刀700所遭受的振动就越大，且因此损坏铣刀的概率就越大。
在图16中示出在铣刀700的插铣期间出现的力的更精确表示。由于上文所讨论的原因而出现径向力Fr。但是，该径向力还由于前齿704相对于参考平面712(图3中的平面555的等同物)的倾斜而出现。参考平面712基本上垂直于Z轴线。前齿704相对于参考平面712的倾斜由角度J给出，在上文中已进行讨论。图17示出角度J(配准角度)可为负的且图18示出角度J为正的。在该实施例中所讨论的新颖铣刀700具有负角且该具体形状决定径向力如图16所示起作用。
前齿704与工件702之间的直接相互作用所导致的力为力F0。此力垂直于在铣刀700的前齿704与待去除的工件702的区域之间的界面。这两个力(即，Fr和F0)的相加决定总力Fz。因此，径向力Fr以数学关系Fr = Fz(tan(J))与轴向力Fz相关。
为了减小径向力，传统铣刀具有正的配准角度(J)，其使铣刀被推向工件702的面706(参看图15)。但是，本文所讨论的新颖方法使用负的配准角度而使推铣刀700的切削头被推离面706。当铣刀700沿着+Z轴线前移时，由于铣刀的轴线的偏转Δx，径向力Fr决定沿着Z轴线的切削是弯曲的，例如，坯料720(参看图19)仍附连到工件702，此明显缺点变成了优点，如接下来所讨论的那样。图19示出了坯料(stock)720，出于理解目的，其具有夸大的较大尺度。实际上，坯料720的大小比这个更小。而且，图19示出了具有底部722A、刀具保持器724A和切削刃726A的铣刀700。如先前所讨论的那样，切削刃726A在设置前齿和侧齿的方式方面是新颖的。字母“A”标识在从工件702去除材料之前的铣刀700的构件，而字母“B”标识在沿着+Z 线插铣时同一铣刀700的构件。在该最终位置，刀具保持器724B被示出为弯曲的且切削刃726B不仅沿着轴线Z而且也沿着轴线X前移。但是，注意到底部722A移动到位置722B而不改变X和Y坐标。
因此，如图19所图示的那样，铣刀700沿着Z轴线的正方向执行向前移动FM操作。相反，图19示出了沿着Z轴线的负方向执行返回移动RM操作的铣刀700。换言之，在切削头726在工件702内到达期望深度之后，铣刀700在旋转的同时沿着RM移动，并且同时，在铣刀700的弯曲持续时，横向切削齿708去除在图19中示出的坯料720。以此方式，铣刀700的向后移动(返回移动)用于进一步从工件702去除材料。在一个应用中，在执行了向前移动之后，底部722并不在铣刀执行反向移动之前移动以减小刀具保持724的弯曲，使得弯曲作用于侧齿708上，侧齿708作用于工件702的侧部706上，以去除坯料720(在图20中以虚线示出)。因此，在一个实施例中，底部722仅沿着Z轴线移动同时执行向前移动和返回移动，而在该切削头不从工件去除材料时，该铣刀的同一底部722也执行X和Y移动。
根据一示例性实施例，当从工件去除材料时，底部722仅沿着Z轴线移动，而当不去除材料时，底部722与切削头一起在XY平面中移动，以便定位切削头来进行新的插铣操作。换言之，切削头首先定位于XY平面中，然后底部的X和Y坐标固定且切削头沿着Z轴线前移以从工件去除材料。一旦切削头到达期望深度，切削头就沿着Z轴线收回而不改变铣刀底部的X和Y坐标(因此存在弯曲)。在使切削头返回到原始位置后，修改底部的X和Y坐标以准备切削头用于新的Z插铣。
根据图21所示的示例性实施例，存在着一种用于插铣工件的方法。该方法包括：步骤2100，旋转切削头，同时使切削头沿着朝向工件的方向前移；步骤2102，利用设置在切削头的正面上的前齿从工件去除材料；步骤2104，使刀具保持器弯曲，该刀具保持器被构造成引导切削头到工件内；步骤2106，当切削头在工件内到达预定深度时停止切削头沿着朝向工件的方向的前移；以及步骤2108，在使切削头旋转的同时从工件内侧收回，使得切削头的侧齿由于刀具保持器的弯曲而从工件内侧去除材料。
根据图22所示的另一示例性实施例，存在着一种用于插铣工件的方法。该方法包括：步骤2200，使具有前齿和侧齿的切削头旋转；步骤2202，使前齿和侧齿与工件的一部分碰触以从工件去除材料；步骤2204，使切削头沿着附到工件的X、Y和Z轴笛卡尔坐标系的Z方向前移；步骤2206，使附连到切削工具的刀具保持器相对于Z轴线弯曲；步骤2208，当切削头在工件内到达期望深度时，停止切削头沿着Z轴线朝向工件的前移；以及步骤2210，沿着Z轴线上的相反方向收回该切削头，使得侧齿与工件内侧接触，以在前齿与工件分开时从工件去除材料。
根据图23所示的又一示例性实施例，存在着一种用于插铣工件的方法。该方法包括：步骤2300，旋转切削头，同时使切削头沿着朝向工件的方向前移；步骤2302，利用设置在切削头的正面上的前齿从工件去除材料；步骤2204，使刀具保持器弯曲，该刀具保持器被构造成引导切削头到工件内；步骤2206，当切削头在工件内到达预定深度时，停止切削头沿着朝向工件的方向的前移；步骤2208，在使切削头旋转的同时从工件内侧收回，使得切削头的侧齿由于刀具保持器的弯曲而从工件内侧去除材料；步骤2210，在前移和收回切削头时，维持刀具保持器的底部在相同轴线上；步骤2212，使刀具保持器远离由切削头所作用的孔的侧面而弯曲；以及步骤2214，在收回该切削头时，仅用侧齿作用于工件上。
本书面描述使用所公开的主题的示例来使得本领域任何技术人员能够实践本发明，包括做出和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本主题的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这些其它示例意图在并应理解为在权利要求的范围内。

Claims (43)

1.一种用于插铣工件(702)的方法，所述方法包括：
使切削头(550)绕轴线旋转，同时使所述切削头(550)沿着朝向所述工件(702)的方向前移；所述切削头(550)包括：底表面(563)；侧部区域(590)，其连接到所述底表面(563)；顶部区域(592)，其连接到所述侧部区域(590)；以及顶齿(551)，其设置在所述顶部区域(592)上，所述顶齿(551)具有被构造成接触所述工件以去除材料的切削刃(580a，580b)，所述切削刃(580a，580b)从所述顶部区域(592)的中点(586)朝向所述顶部区域(592)的周围延伸，并且每个切削刃(580a，580b)相对于大致垂直于所述轴线的参考平面(555)以一定角度设置，其中，所述切削刃(580a，580b)的中部(557a)设置在沿着所述轴线比所述切削刃(580a，580b)的周围部分(557b)离所述底表面(563)更远的距离；所述切削头还包括侧齿，所述侧齿设置在所述切削头的侧部区域上；
利用设置在所述切削头(550)的正面上的所述顶齿(551)从所述工件(702)去除材料；
使刀具保持器(724)弯曲，所述刀具保持器(724)被构造成引导所述切削头(550)到所述工件(702)内；
当所述切削头(550)在所述工件(702)内到达预定深度时，停止所述切削头沿着朝向所述工件(702)的方向(709)的前移；以及
在使所述切削头旋转的同时从所述工件(702)的内侧收回，使得所述切削头(550)的所述侧齿(571)由于所述刀具保持器(724)的弯曲而从所述工件(702)的内侧去除材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在前移和收回所述切削头时，维持所述刀具保持器的底部在相同轴线上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：使所述刀具保持器远离由所述切削头所作用的孔的侧面而弯曲。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在收回所述切削头时，仅用所述侧齿作用于所述工件上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶齿的切削刃中的每一个相对于所述参考平面以1°至10°的角度设置。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述侧齿包括被构造成接触所述工件以去除所述材料的侧齿切削刃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，圆形过渡部设置在所述侧部区域与所述顶部区域之间。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述侧齿设置包括被构造成接触所述工件以去除所述材料的弯曲侧切削刃。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在插铣期间，所述切削头仅在沿着第一方向移动时从所述工件去除材料且当沿着第二方向和第三方向移动时不去除材料，所述第二方向和第三方向中的每一个基本上垂直于所述第一方向，并且所述第二方向基本上垂直于所述第三方向。
10.一种用于插铣工件的方法，所述方法包括：
使切削头(550)绕轴线旋转；所述切削头(550)包括：底表面(563)；侧部区域(590)，其连接到所述底表面(563)；顶部区域(592)，其连接到所述侧部区域(590)；以及顶齿(551)，其设置在所述顶部区域(592)上，所述顶齿(551)具有被构造成接触所述工件以去除材料的切削刃(580a，580b)，所述切削刃(580a，580b)从所述顶部区域(592)的中点(586)朝向所述顶部区域(592)的周围延伸，并且每个切削刃(580a，580b)相对于大致垂直于所述轴线的参考平面(555)以一定角度设置，其中，所述切削刃(580a，580b)的中部(557a)设置在沿着所述轴线比所述切削刃(580a，580b)的周围部分(557b)离所述底表面(563)更远的距离；所述切削头还包括侧齿，所述侧齿设置在所述切削头的侧部区域上；
使所述顶齿和所述侧齿与所述工件(702)的一部分碰触，以从所述工件(702)去除材料；
使所述切削头沿着附到所述工件(702)的X、Y和Z轴笛卡尔坐标系的Z方向(709，Z)前移；
使附连到所述切削头的刀具保持器(724)相对于所述Z轴线弯曲；
当所述切削头在所述工件(702)内到达期望深度时，停止所述切削头沿着所述Z轴线朝向所述工件(702)的前移；以及
沿着所述Z轴线上的相反方向收回所述切削头，使得所述侧齿与所述工件(702)的内侧(706)接触，以在所述顶齿与所述工件(702)分开时从所述工件(702)去除材料。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：利用所述侧齿从形成于所述工件中的孔的一侧去除材料，而所述孔的其它侧不被所述切削头接触。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，还包括：在从所述工件收回所述切削头之后，沿着XY平面重新定位经由所述刀具保持器连接到所述切削头的底部。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：在所述切削头前移或被收回或在所述工件中停止时，维持所述切削头的底部处于相同的X和Y坐标。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：当前移所述切削头时，在所述工件内形成路径，所述路径相对于所述Z轴线是弯曲的，并且在所述路径的底部具有坯料。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：当收回所述切削头时，利用所述侧齿去除所述坯料。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述刀具保持器的长度长于50cm。
17.一种用于插铣工件的方法，所述方法包括：
使切削头绕轴线旋转，同时使所述切削头沿着朝向所述工件(702)的方向(Z)前移；所述切削头(550)包括：底表面(563)；侧部区域(590)，其连接到所述底表面(563)；顶部区域(592)，其连接到所述侧部区域(590)；以及顶齿(551)，其设置在所述顶部区域(592)上，所述顶齿(551)具有被构造成接触所述工件以去除材料的切削刃(580a，580b)，所述切削刃(580a，580b)从所述顶部区域(592)的中点(586)朝向所述顶部区域(592)的周围延伸，并且每个切削刃(580a，580b)相对于大致垂直于所述轴线的参考平面(555)以一定角度设置，其中，所述切削刃(580a，580b)的中部(557a)设置在沿着所述轴线比所述切削刃(580a，580b)的周围部分(557b)离所述底表面(563)更远的距离；
利用设置在所述切削头的正面上的所述顶齿从所述工件(702)去除材料；
使刀具保持器(724A)弯曲，所述刀具保持器(724A)被构造成引导所述切削头到所述工件(702)内；
当所述切削头在所述工件(702)内到达预定深度时，停止所述切削头沿着朝向所述工件(702)的方向的前移；
在使所述切削头旋转的同时从所述工件(702)的内侧收回，使得所述切削头的设置在所述侧部区域上的侧齿由于所述刀具保持器(724A)的弯曲而从所述工件(702)的内侧(706)去除材料；
在前移和收回所述切削头时，维持所述刀具保持器(724A)的底部(722A)在相同轴线(Z)上；
使所述刀具保持器(724A，724B)远离由所述切削头所作用的孔(705)的侧面而弯曲；以及
在收回所述切削头时，仅用所述侧齿作用于所述工件(702)上。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在插铣期间，所述切削头仅在沿着第一方向移动时从所述工件去除材料且当沿着第二方向和第三方向移动时不去除材料，所述第二方向和第三方向中的每一个基本上垂直于所述第一方向，并且所述第二方向基本上垂直于所述第三方向。
19.一种切削头(550)，其被构造成绕轴线旋转以从工件去除材料，所述切削头(550)包括：
底表面(563)；
侧部区域(590)，其连接到所述底表面(563)；
顶部区域(592)，其连接到所述侧部区域(590)；以及
顶齿(551)，其设置在所述顶部区域(592)上，所述顶齿(551)具有被构造成接触所述工件以去除所述材料的切削刃(580a，580b)，所述切削刃(580a，580b)从所述顶部区域(592)的中点(586)朝向所述顶部区域(592)的周围延伸，并且每个切削刃(580a，580b)相对于大致垂直于所述轴线的参考平面(555)以一定角度设置，其中，所述切削刃(580a，580b)的中部(557a)设置在沿着所述轴线比所述切削刃(580a，580b)的周围部分(557b)离所述底表面(563)更远的距离。
20.根据权利要求19所述的切削头，其特征在于，所述切削刃(580a，580b)中的每一个相对于所述参考平面(555)以1°至10°的角度设置。
21.根据权利要求19或20所述的切削头，其特征在于，还包括侧齿(571)，其设置在所述切削头(550)的侧部区域(590)上，并且包括构造成接触所述工件以去除所述材料的侧齿切削刃(606a)。
22.根据权利要求21所述的切削头，其特征在于，还包括圆形过渡部(577)，其设置在所述侧部区域(590)与所述顶部区域(592)之间。
23.根据权利要求19所述的切削头，其特征在于，所述切削头(550)包括侧齿(571)，所述侧齿(571)设置在所述切削头(550)的侧部区域(590)上且包括构造成接触所述工件以去除所述材料的弯曲侧齿切削刃(606a)。
24.根据权利要求19所述的切削头，其特征在于，还包括轴(560)，其被构造成附连到所述切削头(550)的底表面(563)。
25.根据权利要求24所述的切削头，其特征在于，还包括在所述轴(560)与所述底表面(563)之间的钎焊材料(562)。
26.根据权利要求19所述的切削头，其特征在于，形成所述切削头的材料包括碳化钨和钴。
27.根据权利要求26所述的切削头，其特征在于，所述钴的含量基本上为10％，且余量为碳化钨。
28.根据权利要求19所述的切削头，其特征在于，还包括形成于所述顶齿(551)上方的涂层。
29.根据权利要求28所述的切削头，其特征在于，所述涂层包括氮化铝钛，并且具有1-10μm的厚度范围和0.45的摩擦系数。
30.一种铣削工件的方法，所述方法包括：
使铣刀绕轴线旋转；以及
利用所述铣刀的顶齿的切削刃(580a，580b)从所述工件去除材料，所述切削刃(580a，580b)从顶部区域(592)的中点(586)朝向所述顶部区域(592)的周围延伸，并且每个切削刃(580a，580b)相对于大致垂直于所述轴线的参考平面(555)以一定角度设置，其中，所述切削刃(580a，580b)的中部(557a)设置在沿着所述轴线比所述切削刃(580a，580b)的周围部分(557b)离底表面(563)更远的距离。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，去除材料包括：利用所述切削刃(580a，580b)去除材料，所述切削刃(580a，580b)中的每一个相对于所述参考平面(555)以1°至10°的角度设置。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其特征在于，还包括：在所述铣刀(500)以插铣模式沿着所述轴线前移时，利用所述铣刀的侧齿(571)从所述工件去除材料，所述侧齿(571)设置在所述铣刀(500)的侧部区域(590)上。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，利用所述侧齿(571)从所述工件去除材料包括：利用相对于所述轴线以第一角度设置的第一组侧切削刃(606a)且利用相对于所述轴线以不同的第二角度设置的第二组侧切削刃(606b)来去除材料。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一组侧切削刃(606a)相对于大致平行于所述轴线的线以10°-30°的角度设置，并且所述第二组侧切削刃(606b)相对于所述线以19°-40°度的角度设置。
35.一种用于制造切削头(550)的方法，所述切削头(550)被构造成绕轴线旋转以从工件去除材料，所述方法包括：
提供切削头(550)，其具有底表面(563)、连接到所述底表面(563)的侧部区域(590)以及连接到所述侧部区域(590)的顶部区域(592)；
在所述切削头(550)的顶部区域(592)上形成顶齿(551)；以及
在所述顶齿(551)上形成切削刃(580a，580b)，所述切削刃(580a，580b)从所述顶部区域(592)的中点(586)朝向所述顶部区域(592)的周围延伸，并且每个切削刃(580a，580b)相对于大致垂直于所述轴线的参考平面(555)以一定角度设置，其中，所述切削刃(580a，580b)的中部(557a)设置在沿着所述轴线比所述切削刃(580a，580b)的周围部分(557b)离所述底表面(563)更远的距离。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，还包括：将所述切削刃(580a，580b)切割成相对于所述参考平面以1°与10°之间的角度设置。
37.根据权利要求35或36所述的方法，其特征在于，还包括：切割侧齿(571)，所述侧齿(571)设置在所述切削头(550)的侧部区域(590)上，并且包括被构造成接触所述工件以去除所述材料的侧切削刃(606a)。
38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述侧齿(571)包括第一组和第二组侧切削刃(606a，606b)，所述第一组侧切削刃(606a)相对于所述轴线以第一角度设置，并且所述第二组侧切削刃(606b)相对于所述轴线以不同的第二角度设置。
39.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，还包括：将轴(560)附连到所述切削头(550)的底表面(563)。
40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，还包括：在所述轴(560)与所述底表面(563)之间提供钎焊材料(562)。
41.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，形成所述切削头的材料包括碳化钨和钴。
42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，钴的含量基本上为10％，且余量为碳化钨。
43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括：向所述顶齿(551)施加涂层，所述涂层包括氮化铝钛，并且具有1.0μm至10μm的厚度范围和0.45的摩擦系数。
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