CN104768686A - T型切削刀具、肋的加工方法和航空器零件 - Google Patents

T型切削刀具、肋的加工方法和航空器零件 Download PDF

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Abstract

在与T型切削刀具的柄部(12)的一端结合的头部(14)的周围,在该T型切削刀具的周向上交替地配置在该T型切削刀具(10)的顶端侧具有切削刃(16a)的多个底刃部(16)、以及在基端侧具有切削刃(18a)的多个顶刃部(18),底刃部(16)以及顶刃部(18)的切削刃(16a、18a)与柄部(12)以及头部(14)形成一体构造。

Description

T型切削刀具、肋的加工方法和航空器零件
技术领域
[0001] 本发明涉及T型切削刀具和使用T型切削刀具而对具有折返部的肋进行切削加工的肋的加工方法、以及具备具有折返部的肋的航空器零件。
背景技术
[0002] 例如,为了形成所谓被称为T型槽的槽,以往一直使用被称为T型槽切削刀具的T型切削刀具。而且,这样的T型切削刀具还用于在工件侧表面上形成切槽(undercut)。这样的在工件侧表面上形成切槽的方法,例如,也被应用于在航空器的翼部的壁板的肋上形成折回凸缘(return flange)的情况。
[0003] T型切削刀具具有柄部以及与该柄部的顶端结合的头部,通常,超硬质合金制的刀片被螺纹固定或钎焊在头部上。此外,也有将由聚晶金刚石(PCD)制的刀片钎焊于头部而成的T型切削刀具。
[0004]例如,在专利文献I中,记载了一种T型槽切削刀具,在该T型槽切削刀具中,在柄部的外周部设置有槽部,所述槽部从刃部侧开始朝向与刃部相反的一侧、并以相对于轴心朝向与旋转方向相反的方向倾斜的方式延伸,改善了切肩的排出性。在该T型槽切削刀具中,在刃部上螺纹固定有超硬质合金制的不重磨刀片。
[0005] 在专利文献2中,记载了一种在工具的旋转方向上交替地配置顶端部侧刀片与基端部侧刀片并螺纹固定于切削头而成的T型槽切削刀具。
[0006] 在先技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1:日本特开2009-18354号公报
[0009] 专利文献2:日本特许第4830597号公报
发明内容
[0010] 发明所要解决的课题
[0011] 如专利文献1、2的记载那样,在螺纹固定有超硬质合金制的刀片的T型切削刀具中,由于存在离心力以及各刀片的旋转半径的偏差,主轴的旋转速度被限制在约1000转/分钟、进给速度被限制在数百mm/min左右,因而以每单位时间中从工件去除的材料的量(MRR(CmVmin))表示的加工效率降低。而且,在沿着如图13所示那样的弯曲面而加工的情况下,以及利用钎焊有刀片的T型切削刀具对如图14所示那样的倾斜面进行加工的情况下,存在由于切削力作用在工具的轴向上而导致刀片容易从T型切削刀具的头部脱落的问题,为了防止这些问题,不得不进一步降低工具的旋转速度以及进给速度。这样的弯曲面、倾斜面的加工,例如在航空器的翼部的壁板、前缘等的制造工序中是必需的。
[0012] 另一方面,将聚晶金刚石(PCD)制的刀片钎焊在头部而成的T型切削刀具同螺纹固定或者钎焊有超硬质合金制的刀片的T型切削刀具相比,能够提高工具的旋转速度从而提高加工效率。然而,在沿着如图13所示的弯曲面而加工的情况下、在对切削力作用在工具的轴向上的如图14所示的倾斜面进行加工的情况下,与超硬质合金制的刀片的情况同样,存在刀片容易从头部脱落的问题,仍然不能提高工具的旋转速度、进给速度。
[0013] 因此,本发明以解决这些现有技术中存在的问题为技术课题,其目的在于提供一种通过高速旋转、高速进给而能够加工具有折返部的肋、特别是能够加工三维切槽形状的T型切削刀具、肋的加工方法和航空器零件。
[0014] 用于解决课题的方案
[0015] 为了实现上述目的,根据本发明提供一种切削刀具,具备:柄部以及头部,所述头部设置于所述柄部的一端,并且在该T型切削刀具的周向上交替地配置有多个底刃部和多个顶刃部,所述多个底刃部在与所述柄部相反的一侧、即该T型切削刀具的顶端侧,具有切削刃;所述多个顶刃部在接近于所述柄部侧的该T型切削刀具的基端侧具有切削刃,所述底刃部的切削刃以及所述顶刃部的切削刃与所述柄部以及所述头部形成一体构造。
[0016] 另外,根据本发明,提供一种肋的加工方法,在工件上对具有折返部的肋进行切削加工,对所述工件的肋部保留所述折返部的宽度尺寸以上的厚度而加工,将T型切削刀具安装于机床的主轴并使该T型切削刀具旋转,所述T型切削刀具构成为:具备柄部和头部,所述头部设置于所述柄部的一端并在该T型切削刀具的周向上交替地配置有多个底刃部和多个顶刃部,所述多个底刃部在与所述柄部相反的一侧、即该T型切削刀具的顶端侧,具有切削刃,所述多个顶刃部在接近于所述柄部侧的该T型切削刀具的基端侧具有切削刃,所述底刃部的切削刃以及所述顶刃部的切削刃与所述柄部以及所述头部形成一体构造,使所述工件与所述T型切削刀具相对移动,并以保留所述折返部的方式对所述肋进行切削加工。
[0017] 另外,根据发明,提供一种航空器零件,所述航空器零件具有利用机床对工件坯材进行切削加工而形成的、具有折返部的肋,对所述工件坯材的肋部保留所述折返部的宽度尺寸以上的厚度而加工,将T型切削刀具安装于机床的主轴并使所述T型切削刀具旋转,所述T型刀具具备柄部和头部,所述头部设置于所述柄部的一端并在该T型切削刀具的周向上交替地配置有多个底刃部和多个顶刃部,所述多个底刃部在与所述柄部相反的一侧、即该T型切削刀具的顶端侧,具有切削刃,所述多个顶刃部在接近于所述柄部侧的该T型切削刀具的基端侧具有切削刃,所述底刃部以及所述顶刃部的切削刃与所述柄部以及所述头部形成一体构造,使所述工件坯材与所述T型切削刀具相对移动,并以保留所述折返部的方式对所述肋进行切削加工。
[0018] 发明效果
[0019] 根据本发明,由于T型切削刀具是包含刃部在内的头部以及柄部不经由钎焊等结合方法而被一体地形成的整体式的切削工具,因而与螺纹固定或钎焊了超硬质合金制的刀片而成的现有的T型切削刀具、以及将PCD刀片钎焊在头部而成的现有技术的T型切削刀具相比,本发明的T型切削刀具不仅在进行二维的加工的情况下,即使在沿着弯曲面而加工的情况下、以及在对倾斜面加工的三维切槽形状的情况下,也能够将旋转速度以及进给速度设定为非常高的速度而不使刀片脱落,能够极大地提高加工效率。
[0020] 特别是在具备具有折返部的肋的航空器零件、例如翼部的壁板、前缘、翼肋等翼部构件的加工中,通过应用本T型切削刀具以及肋的加工方法而能够获得高的MRR。能够在将铝合金的大的板材几乎全部切削成切肩而进行具有折返部的肋的加工的航空器零件的制造中发挥威力。
附图说明
[0021] 图1是本发明的优选的实施方式的T型切削刀具的立体图。
[0022] 图2是图1的T型切削刀具的轴向半剖视图。
[0023] 图3是沿着图2的向视线II1-1II的T型切削刀具的头部的剖视图。
[0024] 图4是沿着图2的向视线IV-1V的T型切削刀具的头部的端面图。
[0025] 图5是表不图1的T型切削刀具的头部的局部放大侧视图。
[0026] 图6是在与图5不同的旋转位置示出的与图5同样的局部放大侧视图。
[0027] 图7是表示本发明的T型切削刀具的制造方法的简图。
[0028] 图8是表示现有技术的T型切削刀具的制造方法的简图。
[0029] 图9是表示由本发明的T型切削刀具加工的航空器的翼部的壁板的一部分的立体图。
[0030] 图10是表示由本发明的T型切削刀具加工的航空器的翼部的壁板的一部分的放大剖视图。
[0031] 图11是表示航空器的翼部的壁板的背面的立体图。
[0032] 图12是作为用于使用本发明的T型切削刀具形成三维折回凸缘的机床的一例而示出的卧式五轴加工中心的侧视图。
[0033] 图13是表示在利用现有技术的T型切削刀具对弯曲面进行切削加工的情况下的问题的简图。
[0034] 图14是表示在利用现有技术的T型切削刀具对倾斜面进行切削加工的情况下的问题的简图。
具体实施方式
[0035] 以下,参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。
[0036] 首先,参照图1〜图6对本发明的T型切削刀具的优选的实施方式进行说明。
[0037] T型切削刀具10具备安装在主轴116的顶端部的柄部12、以及形成于该柄部12的顶端的头部14,在头部14上形成有多个、在本实施方式中为六个刃部。该刃部由三个底刃部16和三个顶刃部18构成,底刃部16在T型切削刀具10的顶端侧,即与柄部12相反的一侧,具有切削刃16a,顶刃部18在T型切削刀具10的基端侧、即柄部12侧,具有切削刃18a。在T型切削刀具10中,包括上述刃部16、18在内的头部14以及柄部12不借助钎焊等结合方法而由一个超硬质合金的母材一体地形成,成为所谓的整体式的切削工具。
[0038] 底刃部16的切削刃16a由底刃部16的底面、侧面以及两者之间的拐角R与前面16b相交叉的棱线PA_PB(参照图6)形成。同样地,顶刃部18的切削刃18a由顶刃部18的顶面、侧面以及两者之间的拐角R与前面18b相交叉的棱线PC-PD(参照图5)形成。拐角R的大小与在工件上被加工的倒角R的大小相匹配地确定。而且,底刃部16以及顶刃部18在头部14的周向上交替地等间隔配置。另外,特别是参照图5、6,底刃部16的前面16b向上方,即以面向柄部12的方式倾斜,顶刃部18的前面18b与底刃部16的前面16b相反地以面向T型切削刀具10的顶端方向的方式倾斜。
[0039] 另外,在T型切削刀具10中形成有用于向加工区域供给冷却剂的冷却剂通路,该冷却剂通路由轴向通路12a以及半径方向通路14a构成,所述轴向通路12a沿着中心轴线O而贯穿柄部12,所述半径方向通路14a从该轴向通路12a开始在半径方向上贯穿头部14并向底刃部16的前面16b以及顶刃部18的前面18b的方向延伸设置,并形成开口以便朝向切削刃16a、18a喷出冷却剂。利用与设置在主轴116的内部的冷却剂供给管(未图示)连通的冷却剂通路,朝向切削刃16a、18a供给冷却剂来降低发热,而且实现良好的工具寿命与切肩的排出。
[0040] 接下来参照图7、8,以往在制造这样的整体式的T型切削刀具时,如图8所示,将硬质合金的粉体成形为圆筒形状,烧结而制成超硬质合金制的圆筒构件,通过磨削加工从该圆筒构件制成T型切削刀具。与此相对,在本申请发明中,如图7所示,能够将硬质合金的粉体成形、烧结成与T型切削刀具10的最终形状接近的在侧视中呈大致T形的形状,并从该状态起通过磨削加工而制成T型切削刀具10的柄部12以及头部14。据此,在图7、8中,以阴影所示的通过磨削加工被去除的材料显著减少,降低T型切削刀具10的材料费、制造时间以及制造成本。而且,用于磨削加工的磨削砂轮的寿命也得到显著延长。冷却剂通路12a、14a能够通过放电加工等公知的细孔加工方法而形成。
[0041] 接下来,参照图9〜图12,作为三维切槽形状,以航空器的翼部的壁板的肋加工为一例,对使用了 T型切削刀具10的具有折返部的肋、即折回凸缘部的切削加工方法进行说明。
[0042] 在图11中作为一个例子示出的航空器的翼部的壁板50具备:蒙皮(outerskin) 52 ;一对长边肋54、56,该一对长边肋54、56沿着该蒙皮52的内表面而在长边方向上延伸;以及多个横截肋58,该多个横截肋58延伸设置在该长边肋54、56之间。在横截肋58中,沿着与蒙皮52相反的一侧的缘部延伸有折回凸缘(折返部)60。蒙皮52、长边肋54、
56、横截肋58以及折回凸缘60从一块铝合金制的板切削而成。而且,成为航空器的翼部的一部分的壁板50的蒙皮52不是二维的平面,而是以沿着翼表面的形状形成翼形的一部分的方式三维地延伸。长边肋54、56、横截肋58以及折回凸缘60也三维地弯曲,从而与这样的蒙皮52的三维的形状相适应。
[0043] 接下来,参照图12,示出了使用T型切削刀具10来对在图11示出的航空器的翼部的壁板50那样的具有三维折回凸缘的肋进行加工的机床100。机床100是卧式加工中心,具备:床身102,该床身102形成为固定于工厂的地面的支座;立柱104,该立柱104安装于该床身102的后方部分的上表面,能够借助Z轴进给机构而在前后方向(Z轴方向,在图7中为左右方向)上移动;主轴台106,该主轴台106安装于该立柱104的前表面,能够借助Y轴进给机构(未图示)而在上下方向(Y轴方向)上移动;工作台108,该工作台108安装于床身102的前方部分的上表面,能够借助X轴进给机构而在左右方向(X轴方向,在图7中为垂直于纸面的方向)上移动。在工作台108上安装固定有工件W的基座P。另外,固定有工作台108上的已加工工件W的基座P通过图中未示出的基座更换装置与固定有未加工工件的基座P更换。在本实施方式中,工件W例如能够是航空器的翼部的壁板50。此外,作为NC机床也能采用立式加工中心。
[0044] 在主轴台106上,回转工作台110被支承为能够沿着围绕Z轴的C轴方向旋转。回转工作台I1夹着该回转工作台110的旋转轴线而在两侧部具有托架部112。主轴头114被安装于托架部112,能够围绕与X轴平行的旋转轴112a而在A轴方向上旋转。主轴116被支承在主轴头114上,能够以长边方向的旋转轴线Os为中心而旋转,在该主轴116的前端部安装有T型切削刀具10。
[0045] 此外,X轴进给机构能够具备:一对X轴导轨102a,该一对X轴导轨102a在左右方向上水平地延伸设置于床身102的上表面;导块(未图示),该导块安装于工作台108的下表面,能够沿着该X轴导轨102a而滑动;X轴滚珠丝杠(未图示),该X轴滚珠丝杠在床身102内延伸设置在X轴方向上;螺母(未图示),该螺母安装于工作台108的下端部分,并与所述X轴滚珠丝杠卡合;以及伺服电动机(未图示),该伺服电动机与所述X轴滚珠丝杠的一端连结并对该X轴滚珠丝杠旋转驱动。
[0046] 同样地,Y轴进给机构能够具备:一对Y轴导轨(未图示),该一对Y轴导轨铅直地延伸设置于立柱104内;导块(未图示),该导块安装于主轴台106,能够沿着该Y轴导轨而滑动;Y轴滚珠丝杠(未图示),该Y轴滚珠丝杠在立柱104内延伸设置在Y轴方向上;螺母(未图示),该螺母安装于主轴台106内,并与所述Y轴滚珠丝杠卡合;以及伺服电动机(未图示),该伺服电动机与所述Y轴滚珠丝杠的一端连结并对该Y轴滚珠丝杠旋转驱动。
[0047] 同样地,Z轴进给机构能够具备:导块(未图示),该导块安装于立柱104的下表面,在床身102的上表面能够在前后方向上水平且沿着Z轴导轨102b滑动;Z轴滚珠丝杠(未图示),该Z轴滚珠丝杠在床身102内延伸设置在Z轴方向上;螺母(未图示),该螺母安装于立柱104的下表面,并与所述Z轴滚珠丝杠卡合;以及伺服电动机(未图示),该伺服电动机与所述Z轴滚珠丝杠的一端连结并对该Z轴滚珠丝杠旋转驱动。
[0048] 这样一来,机床100构成具有X轴、Y轴和Z轴这三个直线进给轴、以及A轴和C轴这两个旋转进给轴的五轴NC机床。
[0049] 为了使用T型切削刀具10在航空器的翼部的壁板上形成折回凸缘,首先,将具有比壁板50更大的尺寸的铝合金制的板作为工件W,并以固定于基座P的状态将其安装在工作台108上。接下来,例如,将立铣刀(未图示)那样的旋转切削工具安装于机床100的主轴116,通过机床100的五轴进给控制而对该工件W进行加工,形成具有蒙皮52、长边肋54、56以及不具备折回凸缘60的横截肋(肋)58的壁板。此时,横截肋(肋)58具有能够形成折回凸缘60的、折回凸缘60的宽度尺寸以上的厚度。
[0050] 接下来,例如,使用机床100的自动工具更换装置(未图示)而将之前的立铣刀更换为T型切削刀具10。随后,通过机床100的X轴、Y轴及Z轴这三个直线进给轴、以及A轴、C轴这两个旋转进给轴的五轴进给控制,如图9、10所示,在相对于横截肋58的侧表面施加规定的切削深度的同时,使T型切削刀具10沿着蒙皮52的内表面以及横截肋58的侧表面相对移动。据此,在横截肋58的侧表面上切削加工三维切槽形状,在横截肋58中沿着与蒙皮52相反的一侧的缘部(在图9、10中为上缘部)形成折回凸缘60。折回凸缘60既可以只向横截肋58的一侧突出,也可以向横截肋58的两侧突出。
[0051] 根据本实施方式,由于T型切削刀具是包含切削刃16a、18a在内的头部14以及柄部12不经由钎焊等结合方法而被一体地形成的整体式的超硬合金制的切削工具,因而与螺纹固定或钎焊了超硬质合金制的刀片而成的现有的T型切削刀具相比,不仅在进行二维的加工的情况下,即使在沿着相对于与T型切削刀具10的轴线O垂直的平面倾斜的如图13所示的弯曲面进行加工的情况下、以及在对如图14所示的倾斜面进行加工的情况下,也能够将旋转速度以及进给速度设定为非常高的速度,能够极大地提高加工效率。
[0052] 在此示出加工结果的一例。使用具有Φ45的外径的T型切削刀具而对铝合金的工件进行了三维切槽形状的加工。作为T型切削刀具,准备了具有超硬质合金的钎焊刃的现有的切削刀具和由超硬质合金整体形成的本发明的切削刀具这两种切削刀具。两种切削刀具从底刃部到顶刃部为止的刃的高度都是16_。对于现有的切削刀具而言,旋转速度为lOOOrpm、进给速度为263mm/min、半径方向进刀量为11mm,稍微产生振动,接近加工能力的极限。此时的MRR是46cm3/min。与此相对,对于本发明的切削刀具而言,旋转速度为33000rpm、进给速度为11000mm/min、半径方向进刀量为4mm,稍微产生振动,接近加工能力的极限。此时的MRR是704cm3/min。本发明的切削刀具同现有的切削刀具相比,效率高到15.3倍。因此,在将本发明的T型切削刀具使用于MRR从10cmVmin到1000cm3/min之间的加工条件时能够得到显著的效果。
[0053] 附图标记说明
[0054] 10 T型切削刀具
[0055] 12 柄部
[0056] 12a轴向通路(冷却剂通路)
[0057] 14 头部
[0058] 14a半径方向通路(冷却剂通路)
[0059] 16 底刃部
[0060] 18 顶刃部[0061 ] 50 壁板
[0062] 60 折回凸缘
[0063] 100 机床
[0064] 102 床身
[0065] 104 立柱
[0066] 108 工作台
[0067] 114主轴头
[0068] 116 主轴

Claims (8)

1.一种T型切削刀具,进行切削加工,其特征在于, 所述T型切削刀具具备: 柄部;以及 头部,所述头部设置于所述柄部的一端,并且在该T型切削刀具的周向上交替地配置有多个底刃部和多个顶刃部,所述多个底刃部在与所述柄部相反的一侧、即该T型切削刀具的顶端侧,具有切削刃;所述多个顶刃部在接近于所述柄部侧的该T型切削刀具的基端侧具有切削刃, 所述底刃部的切削刃以及所述顶刃部的切削刃与所述柄部以及所述头部形成一体构造。
2.如权利要求1所述的T型切削刀具,其特征在于, 所述底刃部的前面以面向所述柄部的方式向该T型切削刀具的基端侧倾斜,所述顶刃部的前面以面向该T型切削刀具的顶端方向的方式向与所述底刃部的前面相反的一侧倾斜。
3.如权利要求1或2所述的T型切削刀具,其特征在于, 所述T型切削刀具还具备冷却剂通路,所述冷却剂通路沿着该T型切削刀具的旋转中心轴线而贯穿所述柄部,随后在半径方向上贯穿所述头部,朝向所述底刃部的前面以及所述顶刃部的前面开口,并向所述底刃部的切削刃以及所述顶刃部的切削刃供给冷却剂。
4.如权利要求1至3中任一项所述的T型切削刀具,其特征在于, 所述T型切削刀具形成为所述柄部、所述头部、所述底刃部的切削刃以及所述顶刃部的切削刃由超硬质合金形成且由一个母材形成的一体构造。
5.一种肋的加工方法,在工件上对具有折返部的肋进行切削加工,其特征在于, 对所述工件的肋部保留所述折返部的宽度尺寸以上的厚度而加工, 将T型切削刀具安装于机床的主轴并使所述T型切削刀具旋转,所述T型切削刀具具备柄部和头部,所述头部设置于所述柄部的一端并在该T型切削刀具的周向上交替地配置有多个底刃部和多个顶刃部,所述多个底刃部在与所述柄部相反的一侧、即该T型切削刀具的顶端侧,具有切削刃,所述多个顶刃部在接近于所述柄部侧的该T型切削刀具的基端侧具有切削刃,所述底刃部的切削刃以及所述顶刃部的切削刃与所述柄部以及所述头部形成一体构造, 使所述工件与所述T型切削刀具相对移动,并以保留所述折返部的方式对所述肋进行切削加工。
6.如权利要求5所述的肋的加工方法,其特征在于, 具有所述折返部的肋形成三维切槽形状,该三维切槽形状由相对于与所述T型切削刀具的轴线垂直的平面倾斜的平面或曲面形成。
7.一种航空器零件,所述航空器零件具有利用机床对工件坯材进行切削加工而形成的、具有折返部的肋,其特征在于, 对所述工件坯材的肋部保留所述折返部的宽度尺寸以上的厚度而加工, 将T型切削刀具安装于机床的主轴并使所述T型切削刀具旋转,所述T型刀具具备柄部和头部,所述头部设置于所述柄部的一端并在该T型切削刀具的周向上交替地配置有多个底刃部和多个顶刃部,所述多个底刃部在与所述柄部相反的一侧、即该T型切削刀具的顶端侧,具有切削刃,所述多个顶刃部在接近于所述柄部侧的该T型切削刀具的基端侧具有切削刃,所述底刃部的切削刃以及所述顶刃部的切削刃与所述柄部以及所述头部形成一体构造, 使所述工件坯材与所述T型切削刀具相对移动,并以保留所述折返部的方式对所述肋进行切削加工。
8.如权利要求7所述的航空器零件,其特征在于, 所述折返部形成三维切槽形状,该三维切槽形状由相对于与所述T型切削刀具的轴线垂直的平面倾斜的平面或曲面形成。
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