CN103128353A - 具有被布置在用于减小应力的非圆形凹陷中的冷却剂通道的旋转式切削刀具 - 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在该底部支撑表面与该径向支撑表面之间的拐角离隙。一个非圆形凹陷被形成在该凹座附近，并且一个冷却剂通道被布置在该凹陷内。该凹陷减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。

Description

具有被布置在用于减小应力的非圆形凹陷中的冷却剂通道的旋转式切削刀具

技术领域

旋转式切削刀具，诸如螺旋端铣刀和平面铣刀，是本行业所熟知的。常规的螺旋端铣刀包括在肯纳金属的铣削目录编号5040，版权1995（Kennametal's Milling C atalog No.5040,copyright 1995）中第182-216页上所示的那些。 

背景技术

已经使用了很多年的一种形式的螺旋铣刀是这样一种螺旋铣刀：其中每个镶片的切削刃都与下一个相邻镶片的切削刃在轴向上间隔开并且其中在每个螺旋中这些镶片是错开的这样使得两排或更多排对于产生完整的或“全部有效的”切削刃是必要的。这样一种设计是如肯纳金属0度导程-螺旋端铣刀（Kennametal 0degree Lead--Helical EndMills）所示，如在以上提及的铣削目录的第188页上所示。此种设计的缺点之一在于，至少一个螺旋中的引导镶片必须要么具有不同的长度要么向内偏斜并且因此不能够进行平面铣削。这是需要使每个螺旋中的这些镶片错开的结果。因此，这些镶片全部都总体上不是相同的并且因此是不可互换的，因此要求多种镶片的制造和存货。 

如图4中所示，一种常规的螺旋端铣刀100包括一个刀具本体102以及一个柄104。柄104被构型成能够插入并固定在铣削机器或其他切削机器（未示出）的转轴之内，如本领域所公知的。刀具本体102是一个基本上圆柱形的本体并且具有一条中央纵向轴线103。该刀具本体102从柄104轴向延伸到一个端面106，因此在它们之间限定了一个外表面108。刀具本体102的外表面108优选地包括多个螺旋凹槽或槽110。将会认识到的是，大多数情况下可以在该刀具本体102中形成任何数目的螺旋凹槽。每个凹槽110优选地以从端面106基本 上延伸到柄104的螺旋或盘旋方式被切入外表面108中。 

使用一个螺钉（未示出）将一个镶片（未示出）固定到各个凹槽110中的各个凹座116之中，该螺钉具有可插入各个镶片中的相应楔形孔（未示出）中的一个楔形头部，并且然后将该镶片拧入对应凹座116中的一个螺纹孔118之中。 

如图5中所示，每个凹座116具有一个底部支撑表面120，该底部支撑表面可以相对于该轴线103成一个角度。该凹座116还包括一个轴向支撑表面122以及一个径向支撑表面124，当该镶片被安装在凹座116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126被设置在底部支撑表面120与轴向支撑表面122之间。在各个凹座116附近的径向支撑表面124可以包括一个或多个圆形冷却剂通道128，用于为该切削镶片和相关联的工件提供冷却剂。 

通常当螺旋端铣刀处于操作中时，机械力被施加在该刀具的一个或多个刃上。所产生的弯曲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。 

如图6中所示，模拟研究已经显示出，在机加工操作过程中凹座116的、为大约736MPa（106.76kpsi）的最大拉伸应力是位于该冷却剂通道128附近的一个点130处，从而得到在10E6次循环下疲劳安全系数是约0.750。 

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径向支撑表面之间的拐角离隙；一个在该多个凹座中的至少一个附近的冷却剂通道；以及一个围绕该冷却剂通道的非圆形凹陷，其中该非圆形凹陷减低了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。 

另一方面，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径向支撑表面之间的拐角离隙；一个在该多个凹座中的至少一个附近的非圆形凹陷；以及一个被布置在该非圆形凹陷内的冷却剂通道，其中该非圆形凹陷减低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侧视图； 

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围绕着冷却剂通道的用于减小应力的非圆形凹陷； 

图3A和3B显示了具有图2的非圆形凹陷的切削刀具凹座的应力分布的测量结果； 

图4是一种常规切削刀具的等距视图； 

图5是图4的常规切削刀具的凹座的放大视图；并且 

图6显示了图5的常规切削刀具的凹座的应力分布测量结果。 

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类型的元件，其中显示了根据本发明一个实施方案的一种螺旋切削刀具10，诸如端铣刀、平面铣刀以及类似物。 

如图1中所示，螺旋端铣刀10包括一个刀具本体12以及一个柄14。柄14被配置成能够插入并固定在铣削机器或其他切削机器（未示出）的转轴之内，如本领域所公知的。刀具本体12是一个基本上圆柱形的本体并且具有一条中央纵向轴线13。该刀具本体12从柄14轴向延伸到一个端面16，因此在它们之间限定了一个外表面18。刀具本体12的外表面18优选地包括多个螺旋凹槽或槽20。将会认识到的是，大多数情况下可以在该刀具本体12之中形成任何数目的螺旋凹槽。每个凹槽20优选地以从端面16基本上延伸到柄14的螺旋或盘旋方式被切入外表面18中。 

如本领域已知的，使用一个螺钉（未示出）将一个镶片（未示出）固定到各个凹槽20中的各个凹座26之中，该螺钉具有可插入各个镶片中的相应楔形孔（未示出）中的一个楔形头部，并且然后将该镶片拧入对应的凹座26中的一个螺纹孔28之中。可以在不改变本发明的情况下使用包括本领域内普遍认可的那些在内的任何已知的镶片固定方法和装置，这是位于本发明的范围之内。 

这些镶片总体上可以具有任何已知的构造、尺寸、形状、或构型，只要这些镶片以预期的方式牢固且适当地匹配该凹座34。此类镶片的实例包括在以上提及的肯纳金属铣削目录中第7-132页所描述的那些镶片。具体的实例包括在其中说明的ADKT或LFEW类型的镶片。 

如图2中所示，每个凹座26具有一个底部支撑表面30，该底部支撑表面可以相对于该轴线13成一个角度。该凹座26还包括一个轴向支撑表面32以及一个径向支撑表面34，当该镶片被安装在凹座26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36被设置在底部支撑表面30与轴向支撑表面32之间。在所展示的实施方案中，拐角离隙36具有约0.047英寸（约1.19mm）的半径。然而，该拐角离隙36的半径取决于该切削镶片的设计以及其他因素。该切削刀具10包括在各个凹座26附近的一个或多个圆形冷却剂通道38，用于为该切削镶片和相关联的工件提供冷却剂。 

直到这一点，本发明的螺旋端铣刀10是与常规螺旋端铣刀100相似的。本发明的一个方面在于，该螺旋端铣刀10包括一个减小应力的特征，总体上以40示出，用于减小螺旋端铣刀10在机加工操作过程中的拉伸应力。确切地说，该减小应力的特征是呈非圆形凹陷40的形式，该非圆形凹陷围绕着该冷却剂通道38，如图2中所示。换言之，该冷却剂通道38是布置在本发明的非圆形凹陷40之内的。在所展示的实施方案中，该非圆形凹陷40的中心是与该冷却剂通道38的中心基本上对齐的。然而，将认识到，该减小应力的特征40的中心并不是必须与该冷却剂通道38的中心相对齐，而是可以相对于该冷却剂通道38是中心偏离的。 

该非圆形凹陷40可以是长方形的、卵形的、或者椭圆形的，具有的最大宽度42是深度44的约两倍。换言之，凹陷40具有的宽度/深度比率为约2:1。总体上，已经发现增大该凹陷40的深度降低了该冷却剂通道38的边缘上的拉伸应力。然而，将认识到本发明不受该凹陷的相对尺寸的限制，并且本发明可以利用提供了该刀具总应力的所需减小的任何适合的宽度/深度比率来进行实施。 

在所展示的实施方案中，该非圆形凹陷40的主轴线是与该刀具10的旋转轴线13基本上对齐的。然而，将认识到的是，该非圆形凹陷40的主轴线可以是相对于该旋转轴线13以将会提供该刀具10总应力的所需减小的任何希望的角度进行定向。 

如图3A中所示，该减小应力的特征40基本上是长方形形状的。模拟研究已经显示出意外的结果，即，在机加工操作过程中该凹座26的、为大约388MPa（53.1kpsi）的最大拉伸应力是位于冷却剂通道 42附近的一个点46处，与约736Mpa（106.76kpsi）的最大拉伸应力相比，存在约50%的减小。 

如图3A中所示，拉伸应力已经更广地分散在该径向支撑表面34的方向上、并且不再位于该冷却剂通道38的附近。作为本发明的非圆形凹陷40的结果，该凹座的最大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。 

如图3B中所示，该减小应力的特征40是基本上椭圆形形状的。模拟研究已经显示出意外的结果，即，在机加工操作过程中该凹座26的、为大约366Mpa（53.1kpsi）的最大拉伸应力是位于该冷却剂通道42附近的一个46处，与约736MPa（106.76kpsi）的最大拉伸应力相比，存在约50%的减小。其结果是，在本发明的凹座设计中实现了在10E6次循环时为约1.471的安全系数，与常规凹座设计的约0.75的疲劳安全系数相比，这几乎是两倍。 

如图3B中所示，拉伸应力已经更广泛地分散在该径向支撑表面34的方向上、并且不再位于该冷却剂通道38的附近。作为本发明的非圆形凹陷40的结果，该凹座的最大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 (10)

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径向支撑表面之间的拐角离隙；

在该多个凹座中的至少一个附近的一个冷却剂通道；以及

一个围绕着该冷却剂通道的非圆形凹陷，

其中，该非圆形凹陷减小了切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。

2.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，该非圆形凹陷具有的最小深度是该凹陷的最大宽度的大约一半。

3.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，该凹陷是长方形的、卵形的、或椭圆形的形状的。

4.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，该非圆形凹陷的主轴线是与该切削刀具的旋转轴线基本上对齐的。

5.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，该非圆形凹陷的中心是与该至少一个冷却剂通道的中心基本上对齐的。

6.一种切削刀具，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径向支撑表面之间的拐角离隙；

在该多个凹座中的至少一个附近的一个非圆形凹陷；以及

被布置在该非圆形凹陷内的一个冷却剂通道，

其中，该非圆形凹陷减小了切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。

7.根据权利要求6所述的切削刀具，其中，该非圆形凹陷具有的最小深度是该凹陷的最大宽度的大约一半。

8.根据权利要求6所述的切削刀具，其中，该凹陷是长方形的、卵形的、或椭圆形的形状的。

9.根据权利要求6所述的切削刀具，其中，该非圆形凹陷的主轴线是与该切削刀具的旋转轴线基本上对齐的。

10.根据权利要求6所述的切削刀具，其中，该非圆形凹陷的中心是与该至少一个冷却剂通道的中心基本上对齐的。

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