CN103128351B - 具有用于减小应力的凹座特征的切削刀具 - Google Patents

Abstract

一种切削刀具包括一个刀具本体，该刀具本体具有用于接收切削镶片的多个凹座。每个凹座包括一个底部支撑表面、一个轴向支撑表面、一个径向支撑表面以及一个位于该底部支撑表面与该轴向支撑表面之间的拐角离隙。一个凹座特征被至少部分地定位在该凹座附近，并且更确切地说，至少部分地位于该轴向支撑表面与该径向支撑表面之间的一个壁上，用于减小该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。

Description

具有用于减小应力的凹座特征的切削刀具

背景技术

切削刀具，诸如铣刀，是圆柱形、圆锥形的形状的或者盘形式的、具有多个切削刃的可旋转刀具。此类刀具可按多种形式来获得，诸如简单的圆柱形、侧铣刀、平面铣刀和端铣刀、成形刀具、以及标准和特殊形状的外形的刀具。

本领域已知了使用被安装在刀具前端的切削镶片的端铣刀。这些端铣刀根据安装在其中的镶片构型可以用于若干类型的应用中。这些切削镶片可以提供一个用于侧铣削的外围切削刃、一个用于平面铣削的前部切削刃、以及一个用于不同复制应用的所谓“球头”端铣刀的弯曲切削刃。四槽铣刀可能是最常见的，但是2、3、或6槽也被广泛地使用着。端铣刀的大量使用是因为它们可以执行各种各样的铣削操作，并且该刀具的初始费用是中等程度的。除圆柱形外的形状也是常用的。其柄可以是平行的或者楔形的、并且不必等于该刀具齿的直径。

通常当端铣刀处于操作中时，机械力被施加在该刀具的一个刃上的。所产生的力矩受到该刚性地握持刀具柄的刀夹具的抵抗。忽视该力矩的方向随着刀具的旋转而不断改变这一事实，该刀具可以被认为是如悬臂一样受到应力的。

如在图8到图10中所示，一个常规切削刀具100(诸如端铣刀)包括被布置在多个槽104之间的多个镶片接收凹座102。每个凹座102包括一个底部支撑表面106、一个径向支撑表面108、以及一个轴向支撑表面110，用于在镶片(未示出)被安装在该凹座102中时支撑该镶片。各个凹座还可以包括一个位于该底部支撑表面106与该轴向支撑表面110之间的交叉处的拐角离隙112、以及用于接纳将该切削镶片固定在凹座102中的螺纹紧固件(未示出)的一个螺纹孔114。模拟研究已经显示出，在机加工操作过程中该凹座102的、为约742MPa的拉伸应力是位于该轴向支撑表面110和拐角离隙112附近，从而得到了约0.66的安全系数。

尽管以上所讨论的应力问题是与避免会导致工具破裂的疲劳相关的，但是同样重要的还有对最小化刀具挠曲的要求，以便改进精确度和表面精度并且减小震动和噪声。该弯曲力矩与刀具的旋转一起产生了完全相反的应力状况(交替的拉伸应力和压缩应力)，这对于疲劳而言是最具毁坏性的状况。

因此，需要一种改进的切削刀具，该切削刀具可以克服已知切削刀具的局限性并且减小或消除该切削刀具的总应力。

发明内容

本发明的诸位发明人通过在径向支撑表面上提供一个位于高应力区域附近的凹座特征已经解决了与常规切削刀具相关联的高应力问题，该凹座特征大大减小了拉伸应力，由此改进了刀具安全性以及刀具的寿命。

一方面，一种切削刀具包括：一个刀具本体，该刀具本体包括多个用于接收切削镶片的凹座，每个凹座包括一个底部支撑表面、一个径向支撑表面、一个轴向支撑表面、以及一个位于该底部支撑表面与该径向支撑表面之间的拐角离隙；以及一个至少部分地位于该凹座附近的凹座特征，其中该凹座特征减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。

附图说明

虽然展示了本发明的不同实施方案，但是不应认为所示的具体实施方案限制了权利要求。在此预期可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变化和修改。

图1是根据本发明一个实施方案的切削刀具的等距视图；

图2是图1的切削刀具的凹座的放大视图，示出了根据本发明一个实施方案的一个用于减小应力的凹座特征；

图3显示了具有图2的凹座特征的切削刀具凹座的应力分布的测量结果；

图4是图1的切削刀具的凹座的放大视图，显示了根据本发明另一个实施方案的一个用于减小应力的凹座特征；

图5显示了具有图4的凹座特征的切削刀具凹座的应力分布的测量结果；

图6是图1的切削刀具的凹座的放大视图，显示了根据本发明另一个实施方案的一个用于减小应力的凹座特征；

图7显示了具有图6的凹座特征的切削刀具凹座的应力分布的测量结果；

图8是一种常规切削刀具的等距视图；

图9是图8的切削刀具的凹座的放大视图；并且

图10显示了图8的切削刀具的凹座的应力分布的测量结果。

具体实施方式

参见这些附图，在附图中类似的参考符号标明了类型的元件，图1中显示了一个切削刀具10，该切削刀具包括一个总体上圆柱形的刀具本体12，该刀具本体是围绕其旋转轴线14总体上径向对称的。该刀具本体12优选地但并不必须地包括多个槽16，各个槽在其中带有多个凹座18。这些凹座18是相对于轴线14旋转对称地安排的。至少一个、但可能更多的切削镶片12的构型及尺寸被确定为有待接纳在各个凹座18内并且固定到其上。

在图1所展示的实施方案中，一个切削镶片(未示出)可以被接纳在一个相应的凹座18内并且固定到其上。将认识到的是，本发明不受凹座18的数目的限制，并且本发明可以用任何所希望数目的凹座18来进行实施，这取决于该刀具本体12的尺寸。

每个凹座18具有一个可以相对于轴线14成角度的底部支撑表面20。该凹座18还包括一个轴向支撑表面22以及一个径向支撑表面24，当该镶片被安装在凹座18之中时该轴向支撑表面和径向支撑表面分别构成了该镶片侧壁的轴向和径向对接表面。一个拐角离隙26被设置在底部支撑表面20与轴向支撑表面22之间。在所展示的实施方案中，拐角离隙26具有约0.047英寸(约1.19mm)的半径。然而，该拐角离隙26的半径取决于该切削镶片的设计以及其他因素。

一个螺纹孔28延伸穿过该底部支撑表面20的中心并且大体上与其垂直。在切削刀具10的组装位置中，这些切削镶片各自被一个夹紧螺钉(未示出)夹持在凹座18内，该夹紧螺钉穿过该切削镶片的通孔并且与该凹座18内的螺纹孔28螺纹式地接合。

现在参见图2，本发明的一个方面在于，一个凹座特征30被定位在该切削刀具10的凹座18附近。确切地说，该凹座特征30是位于邻近该凹座18的径向支撑表面24的壁32上。更确切地说，在具有图10中所示的类似设计的常规凹座中，该凹座特征30是在拉伸应力最高的区域附近。在图2所展示的实施方案中，该凹座特征30是呈圆形陷窝或凹陷形式，该陷窝或凹陷具有的深度为其直径的大约一半。

现在参见图3，已经发现，在具有类似设计的常规凹座中位于拉伸应力最高的区域附近的壁32上的这个呈圆形陷窝形式的凹座特征30产生了显著减小该凹座的拉伸应力这种出乎意料的结果。确切地说，如与切削刀具100的常规凹座102中约742MPa的拉伸应力相比，该切削刀具10的凹座18的拉伸应力的模拟研究给出的是约434MPa。

如图3中所示，该拉伸应力已经广泛地分散在该轴向支撑表面22与壁32之间的区域内。另外，与常规凹座102中在拐角离隙112附近的拉伸应力位置相比，该凹座18的拉伸应力是位于远离该拐角离隙26的一个点34处。作为本发明的凹座特征30的结果，该凹座的拉伸应力被大大减小，从而对于切削刀具10得到了与常规切削刀具100相比大得多的疲劳安全系数，为约1.43。

将认识到，该凹座特征30的形状不局限于图2中所示的圆形陷窝形式，并且本发明可以通过具有一个或多个弯曲表面的任何所希望的形状进行实施，只要该凹陷的形状是位于该凹座的拉伸应力最大的区域附近。

现在参见图4，根据本发明的一个替代实施方案，该凹座特征30是处于具有泪珠形状的凹陷的形式。该凹座特征30具有的深度是该泪珠宽度的大约一半。换言之，最大宽度与最大深度之比是约2:1。与图2中所示的凹座特征30相类似，图4中所示的凹座特征30被设置在邻近该凹座18的该径向支撑表面24的壁32上。确切地说，该凹座特征30在具有图10中所示类似设计的常规凹座中是位于拉伸应力最高的区域附近。

现在参见图5，与切削刀具100的常规凹座102中约742MPa的拉伸应力相比，该切削刀具10的凹座18的拉伸应力的模拟研究给出的是约411MPa。

如图5中所示，该拉伸应力已经广泛地分散在该轴向支撑表面22与壁32之间的区域内、并且还部分地位于该凹座特征30其本身内。另外，与常规凹座102中在拐角离隙112附近的拉伸应力位置相比，该凹座18的拉伸应力是位于远离拐角离隙26的一个点34处。作为本发明的凹座特征30的结果，该凹座的拉伸应力被大大减小，从而对于切削刀具10得到了与常规切削刀具100相比大得多的安全系数。

在图2-5中所示的上述实施方案中，该凹座特征30仅位于该轴向支撑表面22与该径向支撑表面24之间的壁32上。然而，将认识到的是，本发明不局限于凹座特征30仅位于壁32上，并且本发明可以通过总体上定位在该轴向支撑表面22与该径向支撑表面24之间的凹座特征30来进行实施。

现在参见图6，根据本发明的一个替代实施方案，该凹座特征30是处于具有泪珠形状的凹陷的形式。与图4中所示的凹座特征30相类似，该凹座特征30具有的深度是该泪珠宽度的大约一半。然而，与图4中所示的凹座特征30不同的是，图4中所示的凹座特征30不仅被设置在邻近该凹座18的该径向支撑表面24的壁32上、而且还延伸进入槽16之中。

现在参见图7，与切削刀具100的常规凹座102中约742MPa的拉伸应力相比，该切削刀具10的凹座18的拉伸应力的模拟研究给出的是约372MPa。其结果是，与常规凹座设计中约0.66的安全系数相比，在本发明的凹座设计中实现了约1.60的疲劳安全系数。

如图7中所示，该拉伸应力已经广泛地分散在该轴向支撑表面22与壁32之间的区域内、并且还部分地位于该凹座特征30其本身内。另外，与常规凹座102中位于拐角离隙112附近的拉伸应力位置相比，该凹座18的拉伸应力是位于远离该拐角离隙26的一个点34处。事实上，该拉伸应力的位置34是位于该凹座特征30之内。作为本发明的凹座特征30的结果，该凹座的拉伸应力被大大减小，从而对于切削刀具10得到了与常规切削刀具100相比大得多的安全系数。

如通过以上测试结果所示的，凹座特征30产生了大大减小切削刀具的拉伸应力这种出乎意料的结果，由此大大增加了安全系数。通过在应力最大的位置提供该凹座特征30，其拉伸应力与常规切削刀具中的拉伸应力相比被减小了几乎50％。

在此提及的这些专利以及其他文献通过引用结合在此。通过考虑本说明书或通过实施在此披露的发明，本发明的其他实施方案对于本领域技术人员将是清楚的。本说明书和这些实例旨在仅是说明性的而无意限制本发明的范围。本发明的真实范围和精神由以下的权利要求表明。

Claims (9)

1.一种切削刀具，包括：

一个刀具本体，该刀具本体包括多个用于接收切削镶片的凹座，每个凹座包括一个底部支撑表面、一个轴向支撑表面、一个径向支撑表面以及一个位于该底部支撑表面与该轴向支撑表面之间的拐角离隙；以及

至少部分地位于邻近该凹座的径向支撑表面的侧壁上的一个凹座特征，其中，该凹座特征减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力，并且，该凹座特征是呈一个泪珠形状的凹陷的形式或者是呈一个圆形陷窝的形式，并且是位于该凹座中的拉伸应力最大的区域附近。

2.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，该凹座特征是呈一个圆形陷窝的形式，该圆形陷窝具有的深度是该圆形陷窝的宽度的大约一半。

3.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，该凹座特征是呈一个凹陷的形式，该凹陷具有的深度是该凹陷的宽度的大约一半。

4.根据权利要求3所述的切削刀具，其中，该凹陷延伸进入该刀具本体的一个槽中。

5.根据权利要求4所述的切削刀具，其中，具有凹座特征的壁(32)面对所述槽(16)。

6.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，该凹座特征具有一个或多个弯曲表面。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的切削刀具，其中，刀具本体包括多个槽，每个槽具有用于接收切削镶片的多个凹座。

8.根据权利要求7所述的切削刀具，其中，凹座特征布置在一个槽的相邻凹座之间。

9.根据权利要求7所述的切削刀具，其中，为每个槽提供多个凹座特征，每一凹座特征布置在一个槽的相邻凹座之间。