CN102791408A - 端面铣刀及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种周边分布有多个板状硬质材料切削嵌件(20)的端面铣刀(12)。所述硬质材料切削嵌件在一分度圆上设置在切削刃载体(16)的凹槽(18)内并且具有主切削边(24)，所述主切削边与所述铣刀的工作面(26)之间夹一小于90°的主偏角(Kr)。为了在确保较长刀具寿命的同时达到最高切削效率，选择介于10°与30°之间，优选介于15°与25°之间的主偏角(Kr)，与此同时，所述主切削边(24)采用轻微外凸的设计。所述主切削边(24)通过过渡半径(R30)与副切削边(32)衔接，所述过渡半径的值介于0.5mm与1.5mm之间。轴向前角(ya)介于20°与30°之间，优选介于23°与27°之间。根据一种有益改进方案，径向前角(yr)介于-6°与-10°之间，优选介于-7°与-9°之间。

Description

端面铣刀及其应用
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的周边分布有多个板状硬质材料切削嵌件的端面铣刀。
背景技术
这类端面铣刀常实施为铣头，其刀架上装有若干由硬质合金、陶瓷(金属陶瓷)或聚晶金刚石(PCD)构成的刀片(例如可转位刀片)。在传统技术中，刀片以形成约为75°的主偏角κr的方式安装在平铣铣头上，也即，主切削边在一个包含铣刀轴线的平面内与待加工平面之间成约为75°的角度κr。其中，铣刀轴线垂直于工件表面，抵靠于刀具端面的副切削刃产生待制面。
与切削工具一样，前述类型的端面铣刀也经历着在刀具寿命延长的同时切削速度不断变大的动态发展，而且往往还要求在切削效率极高的情况下确保被加工表面具有良好的表面品质。这对于用以将这样一种高效铣头联接至机床的夹紧技术而言也有额外意义。现代空心锥形刀柄(HSK)接口可以以较高的同轴度将工作直径远超过100mm的铣头稳定地联接至机床主轴，即使在1000m/min以上的切削速度下也能获得高品质的加工表面。此时的主轴转速可以超过10000转/分钟。
然而，前述类型的端面铣刀在切削速度不断变大的情况下会出现以下问题：切削边猛然切入工件后所产生的切削力分布会导致铣刀剧烈振动，并且使得刀片受到呈点状分布的过度负荷。其结果往往是刀具无法保持足够的切削效率水平和刀具寿命水平。
发明内容
因此，本发明的目的是对权利要求1前序部分所述的端面铣刀(特别是铣头)进行改良，以便在确保刀具寿命较长、可获得表面品质较佳的同时提高切削效率。
具有权利要求1所述特征的端面铣刀即为本发明用来达成上述目的的解决方案。
本发明一方面将主偏角κr大幅减小至介于10°与30°之间，特别优选介于18°与22°之间，与此同时，主切削边采用轻微外凸的设计。事实证明，这样能显著改善切削力的分布并大幅减小切削力，从而实现所谓的“中性切削”，即待切削部件上不会产生拉力和压力负荷。
通过改变主切削边的分布，同时还能减小主轴上的扭矩吸收，从而将铣刀所能达到的切削速度提高至4000m/min。
加长主切削刃的优点是可以减小切削刃上的发热量，从而使得本发明所提供的刀具可以很好地应用于干式加工(MQL)工艺。本发明将主偏角κr设定在10°与30°之间，此举会产生以下特殊效果：主切削刃的绝大部分区域起粗切刃作用，而位于径向内侧的比该区域小许多的区域则起精切刃作用。精切刃区域内的切屑体积小许多，这能减小该区域所产生的切削力，进而在加工后获得更好的表面品质。
此外根据本发明，主切削边还通过较小的过渡半径与副切削边衔接，该过渡半径的值优选介于0.5mm与1.5mm之间。这样能进一步延长铣刀寿命。因为该过渡半径此时位于精切刃区段中央，这能大幅延长精切刃区段的使用寿命。在此情况下，如果选用数值较大(优选介于20°与30°之间，特别优选介于23°与27°之间)的轴向正前角，就可进一步提高端面铣刀的效率。采用这种设计可以进一步降低发热量。同时还能让飞屑形成于切削刃区域以外。
通过对主切削边与副切削边之间的过渡半径进行选择，可以利用最简单的措施同时对切屑形成和被加工工件表面的表面品质施加影响。因此可以根据客户需求和具体的使用条件为所用的硬质材料切削嵌件设置相应的过渡半径，其中，过渡半径的值越大，所获得的表面品质就越好。
通过主偏角κr也可以以简单而有效的方式对所能获得的表面品质施加影响，其中，主偏角κr越小，被加工表面的表面品质就越好。也就是说，本发明可以结合过渡半径与主偏角κr的作用，使刀具与相关应用领域(即被加工工件所欲获得的品质)按客户要求达到最佳匹配，但不需要改变刀具的整体结构。
因此，通过权利要求1所述的特征组合可以实现一种刀具，该刀具的切削效率得到改善，因而能达到40m/min的进刀速度和4000m/min的切削速度，尤其是在加工铝或铝合金的情况下，该刀具还能通过简单改变几何形状参数与预期用途达到最佳匹配。事实证明，该刀具即使在切削刃对角线距离(Flugkreisdurchmesser)极小和极大的情况下也可以保留其结构。本发明的刀具所适用的切削刃对角线距离范围为10mm至1400mm。
本发明的有益设计方案参见从属权利要求。
事实证明，如果主切削边的曲率半径的值介于80mm与120mm之间，优选介于90mm与110mm之间，就能在降低主切削刃热负荷的同时特别有效地减小切削力。这个曲率半径还具有可以用传统机器可重复制造这一优点，如此一来在所有硬质材料切削嵌件上产生的条件都是相同的，从而确保所有切削嵌件都会受到同等程度的磨损。
如果按照权利要求3所述设置负的径向前角且该径向前角介于-6°与-10°之间，优选介于-7°与-9°之间，就能进一步减小刀具所受到的切削反应力。借此能使切削动作更加柔和，更加均匀，从而进一步改善刀具的运转平稳性。
硬质材料切削嵌件在设计和材料选择方面空间很大。但事实证明，刀片由聚晶金刚石或立方氮化硼(CBN)构成的硬质材料切削嵌件特别适合用来加工铝和铝合金，因为这样能达到极高的切削效率(即进刀量)。当然，实际的进刀程度与所用的机床及主轴有关。但是无论用于哪种材料，本发明所提供的端面铣刀的结构原则上都能显著提高刀具的切削效率。
在使用由硬质材料构成的刀片的情况下，该刀片优选固定在切削刃载板上，其中，以粘接、焊接或夹紧方式实现该固定。事实证明，如果切削刃载板的厚度仅为2.3mm至2.9mm，由硬质材料构成的刀片的厚度为0.4mm至0.6mm，就能获得特别良好的切削条件。
硬质材料切削嵌件原则上可以可拆卸地安装(例如用螺钉固定或者夹紧)在铣刀主体的凹槽内。但是如果以粘接或焊接方式将硬质材料切削嵌件安装在切削刃载体的凹槽内，就能使刀具效率得到提高。因为这样能扩大容屑槽，这对切屑的移除和切削效率都有好处。
但也可以将硬质材料切削嵌件容置在刀座内，再将该刀座优选可调节地固定到铣刀主体上。
可以通过为硬质材料切削嵌件设置合适涂层来延长该铣削工具的使用寿命，其中，优选根据待切削材料来选择相应的涂层类型。关于该涂层的有益设计方案请参见权利要求10。
如前所述，本发明所提供的铣削工具即使在切削效率极高的情况下也适用于所谓的干式加工。在此情况下，优选按照权利要求11所述的方案对该铣削工具进行改良。从优选设置在内部的冷却剂通道的出口中流出的MQL(最小量润滑)流体例如由掺有超细油滴的压缩空气构成，其作用一方面是润滑和冷却处于啮合状态的切削刃，同时还用于冷却和移除所产生的切屑。通过这种方式可以进一步提高刀具效率。
其它有益设计方案请参见余下的从属权利要求。
附图说明
下面联系附图对本发明的实施例进行详细说明。其中：
图1为实施为铣头的端面铣刀的透视图；
图2为硬质材料切削嵌件从垂直于端面铣刀旋转轴角度看的放大图；
图3为图2所示的硬质材料切削嵌件从图2中的“III”角度看的视图；
图4为图2和图3所示的硬质材料切削嵌件从平行于铣刀轴线角度看的视图；
图5为所述端面铣刀的另一实施方式的侧面图；
图6为图5所示端面铣刀的端视图；
图7为图5和图6所示端面铣刀的透视图；
图8为图5中“VIII”细部的放大图；
图9为图5中“IX”细部的放大图；以及
图10为为了获得径向负前角时硬质材料切削嵌件相对于铣刀轴线的位置示意图。
具体实施方式
图1中的元件符号12代表的是一端面铣刀，其圆柱形刀柄14上装有铣头16。铣头16的凹槽18内各容置一个硬质材料切削嵌件20，具体布置方式是使得所有硬质材料切削嵌件20均位于同一个分度圆或同一条刀刃轨迹上且彼此相隔规定的周向距离。相邻硬质材料切削嵌件20之间优选相隔不同的周向距离，也即，该铣削工具采用不等分度，这能减小固有频率所引发的刀具振动。
上述刀具是一用于进行端面平铣的平铣铣头。这类刀具的铣头直径优选定为待加工工件宽度的1.3倍。
图1所示刀具的特点在于，硬质材料切削嵌件20的几何形状及其相对于刀具旋转轴22的位置都是以特殊方式加以选择的。下面将联系图2至图4对此进行详细说明。
如图3所示，具体布置方式是主切削边24与一个垂直于铣刀轴线22的平面(即该铣削工具的工作面26)之间夹一主偏角κr，这个主偏角介于10°与30°之间，优选介于15°与25°之间，特别优选介于18°与22°之间。设置如此之小的主偏角κr的结果是，在进刀程度MZ一定的情况下，主切削边24将在一段较大的长度
Figure BPA00001609503400051
上处于切削啮合状态。如此一来，粗切刃28上就会有较长一个区段与精切刃区段30相连接。
结构特点不仅体现在空间位置，还体现在切削刃的几何形状上。如图3所示，主切削边轻微外凸。在具体实施例中，主切削边24的轮廓至少在其绝大部分的延伸范围内均是遵循一条曲率半径为R28的圆弧，该曲率半径介于80mm与120mm之间，优选介于90mm与110mm之间，即例如为100mm。主切削边24通过较小的过渡半径R30与副切削边32衔接，该过渡半径介于0.5mm与1.5mm之间，即例如为1mm。
主切削边24与副切削边32之间的过渡半径R30同时对切屑形成和被加工工件表面的表面品质都有影响。因此可以根据客户需求和具体的使用条件为所用的硬质材料切削嵌件设置相应的过渡半径，其中，过渡半径的值越大，所获得的表面品质就越好。
通过主偏角κr也可以以简单而有效的方式对所能获得的表面品质施加影响，其中，主偏角κr越小，即进刀程度MZ(参见图3)越小，被加工表面的表面品质就越好。也就是说，本发明可以结合过渡半径与主偏角κr的作用，使刀具与相关应用领域(即被加工工件所欲获得的品质)按客户要求达到最佳匹配，但不需要改变刀具的整体结构。
附图所示的第一实施方式中的硬质材料切削嵌件涉及的是一种切削刃载板34上整面装有硬质材料刀片36的实施方式。硬质材料刀片36例如由聚晶金刚石(PCD)或立方氮化硼(CBN)构成。但也可以使用其它硬质材料如整体硬质合金或金属陶瓷材料。这类硬质材料刀片的厚度优选为0.5mm。
切削刃载板34选用能赋予硬质材料切削嵌件20足够高的形状稳定性的材料。切削刃载板34优选由整体硬质合金或者金属陶瓷材料或陶瓷材料构成。也可以由其它材料构成，甚至可以由铝或者碳纤维增强塑料或玻璃纤维增强塑料构成。重要的是，切削刃载板34应尽可能地整面支撑在铣头16的凹槽18的支撑面上，以便在材料不受到过度负荷的情况下可靠地吸收切削反应力。
图2至图4展示了硬质材料切削嵌件20的空间位置。如图2所示，硬质材料切削嵌件20以及元件符号38所代表的前刀面所采用的布置方式使得主切削刃24区域内形成一个介于20°与30°之间，优选介于23°与27°之间的轴向前角γa。
元件符号α代表的是后角，主切削刃和副切削刃的后角均为正后角，例如为8°。
硬质材料切削嵌件采用上述的几何形状及配置后，可以大幅改善高速切削各种材料，尤其是切削铝或铝合金时的切削条件。较大的轴向前角γa结合外凸的主切削刃24，且该主切削刃又与工作面26夹一极小的主偏角κr，如此一来即使在切削效率较高的情况下，也能产生很好的切削条件，发热量极低，飞屑形成于切削刃区域以外。
径向加长的主切削刃24用作粗切刃，在径向内侧与之连接的切削刃区段30则用作精切刃。切削条件得到改善并形成均匀分布的切削力后，切削嵌件切入待切削材料时再也不会产生像传统的同类型铣削工具那么大的峰值力。在此情况下，切削效率越高，刀具的工作状态反而越平稳，待制表面的品质就越好。
如果硬质材料切削嵌件20如图4所示相对于一个包含旋转轴22的平面如此定位，以致产生负的径向前角γr，就能进一步改善上述效果。这个径向前角例如介于-6°与-10°之间，优选介于-7°与-9°之间。这种设计能使铣刀切削刃所实施的切削动作更为柔和。换言之，这样能实现所谓的“中性切削”，待切削部件上不会产生拉力/压力负荷。同时还能进一步减小主轴上的扭矩吸收，进一步加长主切削刃24后还能进一步降低发热量。
事实证明，为端面铣刀配置几何形状及定位方式如图2至图4所示的硬质材料切削嵌件后，可以实现高达4000m/min的切削速度，其中，主轴转速可以超过10000转/分钟。进刀量可为40m/min，尤其是在加工铝和铝合金的情况下。
如果所述铣头与足够坚固的刀柄14结合使用，采用上述设计以及在端面铣刀上采用上述布置方式的硬质材料切削嵌件在经济上就能得到特别有效的利用。这个刀柄14优选通过HSK接口联接至机床主轴或另一系统模块，这样即使在转速极高(具体数值见上)的情况下，也能达到足够高的同轴度和振动稳定性。
上文借助图1至图4所示的端面铣刀实施方式仅重点介绍了核心元件。下文将联系图5至图10对端面铣刀经过相应测验的另一实施方式进行说明，并将按比例地重现相关细部。为了避免重复，说明该实施方式时为与上述实施方式中的部件相对应的部件使用相似的元件符号，但在前面各加一个“1”。
用元件符号112表示的端面铣刀具有带HSK接口140的刀柄114。用元件符号116表示的铣头与刀柄114一样由钢构成。虚线142代表的是用于为铣刀切削刃提供冷却/润滑剂的内部通道结构。这个内部通道结构优选为每个切削刃各提供一个单独的润滑/冷却剂通道。也即，内部冷却通道142的出口(未详示)优选设在相应的凹槽118中，并且使得从出口中流出的冷却/润滑剂能特别有效地起到散热和/或移除切屑的作用。所述冷却/润滑剂可以是液态润滑剂，但也可以是干式加工或最小量润滑(MQL工艺)所使用的MQL流体。所谓的MQL流体例如是压力不超过50巴且掺有超细油滴的压缩空气。
如图6和图7所示，铣头116配有七个硬质材料切削嵌件120，这些硬质材料切削嵌件彼此相隔51.43°的均匀周向距离AU。这些硬质材料切削嵌件也可以采用如图1至图4所示的结构。凹槽118以让铣头116产生直槽(Geradnutung)的方式而形成。H118表示的是凹槽118的轴向延伸度。举例而言，当铣头直径约为130mm时，该轴向延伸度约为25mm至30mm。
硬质材料切削嵌件120在铣头116上整面支撑在相应凹槽118的支撑面(未标示)上。硬质材料切削嵌件120的厚度D120例如为3mm，而例如由PCD或CBN构成的硬质材料覆层的厚度则为0.5mm。这一厚度用D136表示。
元件符号S代表的是主切削边124与副切削刃132之间的切削刃过渡区(参见图8)，这个区段内又形成一个介于0.5mm与1.5mm之间的较小过渡半径R130。精切刃设在该过渡半径R130区域内，粗切刃则由主切削边124构成。主切削边所遵循的曲率半径R128的值还是介于80mm与120mm之间，优选介于90mm与110mm之间。
这里的具体布置方式仍然是当硬质材料切削嵌件120整面支撑在形成于铣头116上的凹槽的相应支撑面上时，主切削刃上产生约为8°的径向负前角γr(参见图6和图10)。图10为平行于前刀面138定向的视图，因此该前刀面在图10中是一条线。在该图所示的实施方式中，角γr为8°。
如图9中的细部图所示，硬质材料切削嵌件120在凹槽118中的支撑面所采用的定位方式使得前刀面138以25°左右的角度朝铣刀轴线122倾斜。
因此，硬质材料切削嵌件120所采用的布置方式能产生约为25°的较大轴向前角γa和8°的径向前角γr。
如图5和图8所示，主切削刃124与一个垂直于铣削工具轴线122的平面EN(即工作面)之间夹一角度κr，这个角度还是非常小，介于10°与30°之间。这种设计会产生以下工作方式：
主切削刃以主切削刃124与副切削刃132之间的顶点S在切削操作中起前导作用。由于主切削刃124朝工作面EN倾斜较小角度κr，硬质材料切削嵌件的轴向定位形成相对较大的轴向前角γa，再结合主切削刃124的外凸设计以及所形成的径向负前角γr，会产生特别小的切削力，与此同时所产生的切削条件即使在切削速度高达4000m/min的情况下也能使切削刃的热负荷得到控制。通过凹槽118的开放式设计以及内部冷却/润滑剂通道出口合适的定位与定向，可以进一步减小切削刃的热负荷，从而进一步提高刀具的切削速度和切削效率。
采用上述结构和设计的刀具可以在不改变基本结构的情况下具有不同的刀具直径。本申请人已经制造出切削刃对角线距离(即主切削刃的对角线距离)从10mm到1400mm不等的刀具，并且成功地将其用来加工不同表面品质的表面。
当然，在本发明范围内也允许存在不同于图示实施例的偏差。举例而言，也可以采用其它硬质材料如整体硬质合金或金属陶瓷材料，选择切削刃载板材料时也是如此。
切削刃载板可以从钢材、硬质合金材料、铝材、碳纤维增强塑料材料和玻璃纤维增强塑料材料中进行选择。其厚度也不限于2.5mm。可以根据硬质材料刀片的具体厚度来为切削刃载板选择相应的厚度。
硬质材料刀片也不必覆盖整个切削刃载板。也可以使用仅在主切削刃和/或副切削刃区域内延伸的刀片嵌件。硬质材料刀片的几何形状也可加以修改，例如采用能实现切屑粉碎功能的形状。
还可以在硬质材料切削嵌件上至少局部设置防磨涂层。这个涂层例如可由基于TiN、TiAlN、AlTiN、AlCrN和/或Al2O3的硬质材料涂层构成。这个涂层可以实施为单膜、复合膜或多层膜。也可以使用硬质非晶碳膜，即VDI(德国工程师协会)规范VDI 3824第1-4部分以及VDI规范2840：2004所规定的DLC膜。也可以使用由软质的WC/C或MoS2涂层构成的软质保护层。
除了直接将硬质材料切削嵌件嵌入铣头凹槽外，也可以将硬质材料切削嵌件装进刀座内，再将这些刀座固定或者可调节地安装到铣头上。
本发明所提供的铣削工具主要用来对铝或铝合金进行粗切及精切加工，可以实现高达4000mm/min的切削速度。
在图示实施例中，硬质材料切削嵌件20或120等分地沿周边分布。也可以采用不等分分布，也即，相邻硬质材料切削嵌件之间相隔不同的周向距离AU，以便最大程度地抑制刀具自振。
综上，本发明提供一种周边分布有多个板状硬质材料切削嵌件的端面铣刀。所述硬质材料切削嵌件在一分度圆上设置在切削刃载体的凹槽内并且具有主切削边，所述主切削边与铣刀工作面之间夹一小于90°的主偏角。为了在确保较长刀具寿命的同时达到最高切削效率，选择介于10°与30°之间，优选介于15°与25°之间的主偏角κr，与此同时，主切削边采用轻微外凸的设计。根据一种有益改进方案，轴向前角γa介于20°与30°之间，径向前角γr介于-6°与-10°之间，优选介于-7°与-9°之间。

Claims (13)

1.一种周边分布有多个板状硬质材料切削嵌件(20；120)的端面铣刀，所述硬质材料切削嵌件在一分度圆( )上容置在切削刃载体(16；116)的凹槽(18；118)内并且具有主切削边(24；124)，所述主切削边与所述铣刀的工作面(26；EN)之间夹一小于90°的主偏角(κr)，其特征在于下列特征组合：
所述主偏角(κr)介于10°与30°之间，优选介于15°与25°之间，特别优选介于18°与22°之间；
所述主切削边(24；124)轻微外凸；
所述主切削边(24；124)通过较小的过渡半径(R30；R130)与副切削边(32；132)衔接，所述过渡半径的值介于0.5mm与1.5mm之间；以及
所述主切削边(24；124)的轴向前角(γa)介于20°与30°之间，优选介于23°与27°之间。
2.如权利要求1所述的端面铣刀，其特征在于，所述主切削边(24；124)大体遵循一曲率半径(R28；R128)，所述曲率半径介于80mm与120mm之间，优选介于90mm与110mm之间。
3.如权利要求1或2所述的端面铣刀，其特征在于，所述主切削边(24；124)的径向前角(γr)介于-6°与-10°之间，优选介于-7°与-9°之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的端面铣刀，其特征在于，后角(α)介于8°与12°之间。
5.如权利要求1至4中任一项所述的端面铣刀，其特征在于，所述硬质材料切削嵌件(20；120)具有至少包含所述切削刃(24，32；124，132)的刀片(36；136)，所述刀片由聚晶金刚石(PCD)或立方氮化硼(CBN)构成，其中，所述刀片的厚度(D36；D136)为0.4mm至0.6mm。
6.如权利要求5所述的端面铣刀，其特征在于，所述刀片(36；136)固定在切削刃载板(34；134)上，所述切削刃载板的材料选自钢材、硬质合金材料、铝材、碳纤维增强塑料材料和玻璃纤维增强塑料材料，所述切削刃载板的厚度(D34；D134)优选为2.3mm至2.9mm。
7.如权利要求6所述的端面铣刀，其特征在于，所述刀片(36；136)与所述切削刃载板(34；134)粘接或焊接在一起。
8.如权利要求1至7中任一项所述的端面铣刀，其特征在于，所述硬质材料切削嵌件(20；120)与所述切削刃载体(16；116)的凹槽(18；118)焊接、夹紧或粘接在一起。
9.如权利要求1至8中任一项所述的端面铣刀，其特征在于，所述硬质材料切削嵌件(20；120)彼此相隔不均匀的周向距离(AU)。
10.如权利要求1至9中任一项所述的端面铣刀，其特征在于，所述硬质材料切削嵌件(20；120)上至少局部设有防磨涂层，例如基于TiN、TiAlN、AlTiN、A1CrN、Al2O3的实施为单膜、复合膜或多层膜的硬质材料涂层、摩擦系数较小的硬质非晶碳膜(DLC膜)(德国工程师协会规范VDI 3824第1-4部分以及VDI 2840：2004)或软质保护层如WC/C或MoS2涂层。
11.如权利要求1至10中任一项所述的端面铣刀，其特征在于，设有出口指向所述主切削刃(24；124)的内部冷却剂通道(142)。
12.一种如权利要求1至11中任一项所述的端面铣刀的应用，用于对铝材进行粗切及精切加工。
13.一种如权利要求1至12中任一项所述的端面铣刀的应用，适用于最高达4000m/min的切削速度。
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