CN104999125A - 旋转刀具和刀具头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转刀具(2)，所述旋转刀具包括沿旋转轴线(8)在轴向上延伸的支架轴(4)以及连接至所述支架轴的刀具头，所述刀具头具有沿所述旋转轴线(8)延伸的基体(10)和芯(12)，所述芯上设有由切削材料制成的套(16)，其中所述芯(12)在径向具有圆形横截面(Q)，所述套(16)具有规定的壁厚，且其中在所述套(16)中制作有多个凹槽(20)以形成多个切削刃(26)。

Description

旋转刀具和刀具头

背景技术

本发明涉及一种旋转刀具，该旋转刀具包括沿旋转轴线在轴向上延伸的支架轴，并具有固定至所述支架轴且设计成单独部件的刀具头，其中所述刀具头设有凹槽并具有多个切削刃。本发明还涉及一种刀具头，所述刀具头设有凹槽并具有多个切削刃，并且旋转刀具设置用于固定在支架轴上。

此类旋转刀具和此类刀具头公开于例如US 2011/0211921 A1或US 2012/0009027 A1中。这些已知的旋转刀具为模块化铣削工具，其中刀具头经由可拆卸的螺纹耦合固定至支架轴。US 2011/0211921 A1公开了一种由工具钢制成的单独耦接部件。该耦接部件一方面可经由螺纹连接连接至由比该耦接部件更硬的材料制成的刀具头，另一方面可经由固定器(anchor)连接至另一耦接部件。所述另一耦接部件可螺旋进入所述支架轴。

此类旋转刀具意在用于加工材料，且为例如铣削、钻孔、绞孔或尖底镗孔工具。为了提升此类旋转刀具的使用寿命，其可由合适的材料，特别是硬质材料制成。因为此类材料通常昂贵，然而常常仅旋转刀具的高负载部分，例如其切削刃是由硬质材料制成或用硬质材料涂层(尤其在大工具直径的情况下)，采用带有可更换刀具头的模块化旋转刀具。

例如，DE 3620115 A1公开了一种成形铣削切割器，其由夹紧轴以及连接至该夹紧轴并还形成切削部的切削轴构成。在这种情况下，切削部形成为由多晶金刚石材料制成的套管，并牢固地施加至形成为接收轴的切削轴。

以类似的方式，JP 3073210 A公开了一种切削工具，该切削工具具有径向缩颈，在径向缩颈上设有由硬质材料制成的圆筒体。螺旋形凹槽设置于圆筒体中以形成切削刃。

或者，US 2001/0024602 A1公开了在切削和绞孔工具的头中设置多个凹槽并用硬质材料对其进行填充。US 4,679,971还公开了将完全由硬质材料制成的刀具头焊接到工具主体上。

本发明要解决的问题

本发明力图提供一种改进的旋转刀具，其成本低，同时使用寿命长。

问题的解决方案

该问题根据本发明采用具有权利要求1的结构的旋转刀具得以解决。有利的实施例、改进型式和变型型式为从属权利要求的主题。

为此，该旋转刀具具有在沿旋转轴线的轴向上延伸的支架轴和在连接点处连接至所述支架轴的刀具头。在这种情况下，刀具头提供为固定至支架轴的独立部件。刀具头同样沿旋转轴线延伸，并继而包括带有芯的基体，该基体在垂直于旋转轴线的平面内具有圆形截面。在芯上设有由切削材料制成的套(jacket)，该套具有规定的厚度。在套中制作有多个凹槽。

旋转刀具为(例如)钻孔工具、铣削工具、绞孔工具、尖底镗孔工具(counter-sinking tool)，且优选地为铣削工具，尤其是端铣刀。在操作过程中，旋转刀具通常在旋转方向上绕旋转轴线旋转。旋转刀具旨在用于加工材料，例如金属。为此，支架轴经由夹紧轴夹紧于机床中，该机床将旋转运动传输给该支架轴。具体地，支架轴设计为使得其关于旋转轴线旋转对称且基本上为圆柱形。

基体并因而刀具头被设计为由多种材料构成的混合部件。这些中的一个为芯，其特定地用于附接由切削材料制成的套。同样地，该芯沿旋转轴线延伸一定长度。该芯为具有圆形横截面的旋转体。优选地，该芯形成为圆柱体形状，但是，或者也可形成为具有圆锥体形状。套以材料锁合的方式连接至该芯。具体地，切削材料是被焊接的。切削材料作为具有规定壁厚(通常在毫米范围内)的套施加到该芯。壁厚理解为意指径向上，即垂直于旋转轴线的方向上的切削材料的厚度。此外，优选地，套在轴向上延伸一规定长度，该长度便利地对应于芯的长度。具体地，在其整个长度上，套具有相同的壁厚。随后，在该套内制作凹槽和切削刃。在引入凹槽和切削刃之前，如芯一样，该套在起始状态下具有圆形横截面，并被形成为例如中空圆筒形状，或一定程度上为套筒形状。由于套形成用于加工材料的切削刃，该套此后也称作切削套。

该设计基于采用带有套的预制混合体的想法，所述套在起始状态具有中空圆筒形状以用作能经济地制造的坯料。因此，该坯料在起始状态具有非常简单的形状，其制造简单。不同直径的坯料从而可提供用于不同的工具直径。同时，切削材料需要的材料受限于该混合设计。该带有芯作为支撑结构的混合设计也使得能采用非常硬和非常耐磨的材料，其对使用寿命具有积极效果。由于另外固定至支架轴，高价值切削材料的消耗以及因而其成本也进一步受到限制。最后，针对特定固定的连接方的材料合适配对由混合设计并通过在各种连接点处(例如，在芯和套之间，以及在刀具头和支架轴之间的固定点处)的目标材料选择提供。

优选地，切削材料套可选地由以下材料制成：多晶金刚石(称为“PCD”)、立方晶型氮化硼(称为“CBN”)、多晶立方晶型氮化硼(称为“PCBN”)，或相当的和特别类似的硬质材料。这些材料由其相比其它材料具有更大的硬度从而尤其适合用作切削材料表征。具有此类材料的旋转刀具具有尤其长的使用寿命。

芯便利地由硬质合金制成。这有利于套在芯处的可靠附接，尤其是通过焊接的附接。

另一方面，支架轴优选地由工具钢制成。这使得支架轴能被经济地进行制造。通过使用不同的材料，有可能从特定的将满足该工具部件相应需求的材料来制造两个工具部件，即支架轴和基体。

在一个特别便利的改进型式中，刀具头具有耦接件，该耦接件沿旋转轴线在芯处与刀具头连接，刀具头经由该耦接件固定在支架轴上。在这种情况下，该耦接件由与芯的材料不同的材料制成，其被设计成专门用于固定至支架轴。优选地，这是一种与芯相比具有更大弹性的材料，使得在加工期间产生的切削力可经由固定点被可靠地引导进入支架轴。

为了将耦接部件可靠地固定至芯，优选地，该两个部件实质性地彼此结合，尤其是通过焊接结合。

为实现经济的操作成本，旋转刀具全部设计成模块化工具，且刀具头采用耦接部件可拆卸地连接至支架轴。如果发生了切削套磨损或损坏的情形，仅需要更换刀具头。术语“可拆卸地”在这种情况下理解为意指刀具头可以可逆地连接至支架轴。

合适的耦接机构描述于例如先前授予本申请人的文件US 2012009027A和US 2011 211921 A中。

因此，如果支架轴和刀具头经由耦接部件采用螺纹连接彼此连接，则是优选的。例如，该耦接部件具有配置有带外螺纹的轴，当刀具头正连接至支架轴时，该外螺纹可螺旋进入相配的内螺纹中。螺纹连接的扭转方向便利地与刀具头的旋转方向一致，从而尤其确保在操作过程中螺纹连接不松动。

在优选的实施例中，耦接部件的一特别地至少大致圆筒形的卡圈区段(collar section)连接至芯。在附接的状态下，所述卡圈区段因而被设置在芯和支架轴之间。优选地，卡圈区段的直径与套的直径相同或至少大致相同。从而，卡圈区段的直径比芯的直径要大。具体地，在过渡区形成一台阶，使得当从侧面观察时，基体由芯和卡圈区段形成为T形。

优选地，在卡圈区段上具有用于形成工具配合部的相对的平坦区域，该平坦区域具有跨越整个平坦区域的规定宽度。因此，刀具头可采用扳手经由这些平面旋转入和旋转出(具体是螺旋入和螺旋出)支架轴，以松开或连接刀具头。作为另外一种选择或除此之外，在刀具头的端面上形成工具配合部。

在一个优选的改进型式中，凹槽在轴向上延伸，即在旋转轴线方向延伸越过套。换而言之：凹槽在轴向上制作使得其经由切削套和超越切削套被引入，具体地为还进入基体的卡圈区段。如果需要，其还继续被引入支架轴。

优选地，凹槽为磨削进入套，如果需要，还进入基体。因此，套的壁厚在凹槽区域被减少一个凹槽深度。此处的凹槽深度理解为意指凹槽底部距套外周的径向距离。

优选地，至少一个且尤其是所有凹槽的凹槽深度大于切削套的壁厚。换而言之：切削套在设置所述凹槽的过程中被分离，使得形成多个切削材料区域，所述多个切削材料区域由所述凹槽彼此间隔开。因此，具体地，凹槽刺入芯中。这有利地使得有可能节省切削材料，因为需要的壁厚不由需要的凹槽的深度规定。例如，凹槽可形成为使得其凹槽深度适于操作旋转刀具，如用于加工和/或冷却要求。不同于壁厚至少对应于凹槽深度，切屑套因此可制作得更薄，从而相应地减少制造旋转刀具的过程中对切削材料施加的要求。

在合适的实施例中，套壁厚的范围为0.2mm至5mm。壁厚基于旋转刀具的直径和/或其应用领域便利地进行选择。例如，其范围为套直径的0.1至0.3倍。

凹槽在轴向上延伸，优选地，呈螺旋或盘旋形状，具有规定的扭角(twist angle)。扭角是由旋转轴线和相应的凹槽形成的角。优选地，各凹槽的扭角在每一个纵向位置是相同的，即扭角在轴向上是不变的。优选地，扭角在-45°和45°之间。或者，凹槽的扭角在各个纵向位置是不同的，即各凹槽制作成例如具有在轴向上渐增的扭角，也就是说凹槽沿随一曲线。这样，可使旋转刀具的加工性能特别灵活。

此外，每个凹槽具有一扭转方向，使得该凹槽在所述扭转方向上以螺旋形式延伸，其中所述扭转方向与旋转刀具的旋转方向一致或相反。如果扭转方向对应于相对于旋转方向端面上的凹槽方向，其表征为正扭转方向；则对应的扭转方向为正的。另一方面，如果扭转方向与相对于旋转方向端面上的凹槽方向相反，其表征为负扭转方向；则对应的扭转方向为负的。

在一个合适的改进型式中，至少有两种具有不同扭角的凹槽类型，从而旋转刀具可设计为尤其可变。在另一个合适的改进型式中，一种凹槽类型的扭转方向是正的，而另一种凹槽类型的扭转方向是负的。换而言之，两种凹槽类型具有不同的扭转方向。这使得制造没有优先定向的旋转刀具尤为可能，从而该旋转刀具的旋转方向可反向而不改变切削效果。

通过设计具有两种不同扭转方向的凹槽类型，还尤为可能形成两种凹槽，使得它们在延伸时有利地彼此交叉，即它们具有交叉处。

所有的凹槽便利地具有同一长度。然而，或者，各个凹槽被实施为不同长度。具体地，通过适当地选择每个凹槽的长度，有可能有利地影响旋转刀具的加工性能。

在这种情况下，凹槽优选地具有不同的扭角。作为另外一种选择或除此之外，形成不均匀的齿间距，即切削刃绕外周不均匀分布。

如果切削刃和凹槽也制作于刀具头的端面中，从而也可采用端面对材料进行加工，则是优选的。因而，该旋转刀具尤为适用于在其端面上加工材料，即在轴向上加工材料。如果旋转刀具是钻具或甚至是平面铣刀，则要加工的材料也可有利地由切削材料在进料方向上(即在轴向上)进行加工。

采用该实施例，坯料，即在引入切削刃和凹槽之前的刀具头，被设计成使得套被形成为在前基部端面上封闭的空心圆筒，该空心圆筒围绕所述芯。优选地，凹槽设置于前基部和圆筒套表面两者中。

在一个便利的改进型式中，切削材料也在刀具头的前端面中。优选地，前切削刃与另外的凹槽设置在切削材料中。具体地，另外的具有指定的凹槽的切削刃在该端面上形成。就这一点而言，凹槽具有比设置在端面上的切削材料的厚度大的深度也是可能的。

附图说明

下面基于附图更详细地解释本发明的示例性实施例，其中：

图1示意性地示出了旋转刀具的剖面图；

图2示出了根据图1的旋转刀具的侧视图；

图3示出了为了形成刀具头的坯料；

图4示出了为了形成刀具头的可选的坯料；

图5-7示出了不同方式形成的旋转刀具的透视切割图案。

在附图中起相同作用的零部件具有相同的标记。

具体实施方式

图1和图2示意性地示出了具有支架轴4和刀具头6的旋转刀具2。图1示出了旋转刀具2沿旋转轴线8的剖面图，而图2示出了侧视图。支架轴4和刀具头6沿纵向轴线延伸，该纵向轴线对应于旋转轴线8。这样，在操作中旋转刀具2绕旋转轴线8在旋转方向R上旋转。刀具头具有基体10，基体10包括芯12。

在此处示出的示例性实施例中，芯12为圆柱体，在圆柱的套面上设有由切削材料制成的套16，套16在后面也称为切削套16。在这种情况下的切削材料具有规定的壁厚18。

切削套16具有多个凹槽20，凹槽20螺旋地延伸环绕刀具头6。具体地，凹槽20的路径螺旋地环绕旋转轴线8。在此处示出的示例性实施例中，凹槽20被磨削为使得其比切削套16的厚度要深。换而言之，每一个凹槽20的凹槽深度22大于壁厚18。因而，切削套16具体地是分开的，且凹槽20在刀具头6的基体10中径向继续。切削套16分开的结果是，切削面24形成为其具体地彼此分开。此外，凹槽20还尤其导致适于在旋转刀具2旋转的过程中用于加工工件的切削刃26。

为了实现凹槽20的螺旋形设计，每个凹槽制成具有规定的扭角28，即每个凹槽20相对于旋转轴线8成一角度延伸。如此，每个凹槽20在凹槽方向30上延伸，凹槽方向30与旋转轴线8形成扭角28。在此处示出的示例性实施例中，每个凹槽20的扭角28是不变的，意为每个凹槽20的扭角28在沿旋转轴线8的每一个纵向位置处是相同的。具体而言，在图1和图2示出的示例性实施例中的所有凹槽20具有相同的扭角28。

刀具头6和支架轴4两者具有直径36、38，其如图1和图2所示是相同的，从而支架轴4和刀具头6在轴向上对齐。在这种情况下，刀具头6的直径具体地为该刀具头的最大直径。

此外，刀具头6具有耦接部件40，其在轴向上连接至芯12并(尤其地通过焊接)以材料锁合的方式连接到芯12。相比于由碳化合金制成的芯12，耦接部件40由工具钢制成。

耦接部件40能够使刀具头6可拆卸地螺纹固定到支架轴4。为此，在此处示出的示例性实施例中，耦接部件40包括具有外螺纹44的轴42。刀具头6使用耦接部件40连接至支架轴4，在该例中使用螺纹连接。为该目的，支架轴4具有带与刀具头6的外螺纹44相应配合的内螺纹48的凹陷部46。螺纹连接特别地设计为使得连接的旋转方向与旋转刀具2的旋转方向8一致。

此外，耦接部件40具有直接连接至芯12的卡圈区段50，其被设计为位于套16和支架轴4之间的柱体件。在卡圈区段50中，优选地带有凹槽和/或平坦区域以用于形成工具扳手的工具配合部(进一步的细节此处未示出)。卡圈区段50的直径至少与支架轴4和/或套16的直径相似或优选相同。

刀具头6由坯料51制作，以举例方式，如图3和图4的两种情形所示。图3示出了与由工具钢制成的耦接部件40的组合，圆柱体芯12由硬质金属制成，而中空的圆筒套16由切削材料制成。套16在端面34是开口的，使得芯12在前端形成端面34的一部分。

与此相反，套16在根据图4的情形中在前面具有前基部52。

在两种情形下，切削刃26和凹槽20都尤其地通过磨削制作以在套中形成刀具头6。此外，在耦接部件40上引入用于与支架轴4可拆卸连接的藕接元件。在该示例性实施例中，如轴41带有外螺纹44。然而，基本上，其它连接方式也可以实现。

芯12设计为基体10的径向变细的部分，且具有圆形截面Q。耦接部件40相比芯12具有更大的直径。在此处示出的示例性实施例中，芯12的直径、耦接部件40以及壁厚18选择为使得套16和耦接部件40在轴向上大致对齐。通常，耦接部件40相对于套16在径向方向上一定程度地后退。

从而同一坯料可相对于凹槽20的布置和设计有利地用作多个另外的实施例的起点。

图5至图7的每一个示出了形成为平面铣刀的刀具头6的情形，从根据图3的坯料51开始，凹槽20、20'、20”已经设置于其中。在所有的三幅图中可清楚地看出凹槽20、20'、20”已被设置得足够深使得切削套16被分隔开，且凹槽20、20'、20”刺入刀具头6的基体10中。凹槽20、20'、20”都在扭转方向32、32'上以螺旋状延伸，扭转方向32、32'或与旋转方向8一致，或与旋转方向8相反。因此，所述螺旋由具体的扭角28表征，其为正的或负的。

图5中的凹槽都以同样的方式实施，其具体表示为具有相同的螺旋或扭转方向32和相同的扭角28。此外，所有的凹槽20从刀具头的端面34在轴向上于切削套16上并进入基体12延伸。还有，凹槽20在周向上是均匀的，意为其被设置为分别关于相邻的凹槽20等距。

在每两个凹槽20之间具有切削材料制成的条形物(bar)53，在此处示出的示例性实施例中该条形物具有刃，该刃在旋转刀具2在旋转方向的操作中具体用作切削刃。从而，凹槽20本身被具体地用作排屑槽以有利于加工工件时产生的切屑的传送。

图6示出了带有两种凹槽20、20'的可供选择的刀具头6，其中第一种凹槽形式的凹槽20设计为与图5中示出的凹槽20类似。与图5相比，仅周向上两个相邻凹槽20之间的距离被增大。此处第一凹槽形式具体地由正的扭角28表征，即扭转方向32对应于旋转方向。相比之下，第二凹槽形式的凹槽20'的扭角28则是负的。因此，这些凹槽20'的扭转方向32'与第一凹槽形式的凹槽20的扭转方向32相反。具体地，这导致不同类型的凹槽20、20'的交叉，以及切削材料的岛状物(island)56，由于此处选择的凹槽前进方向，其中的一些岛状物58呈菱形。

图7示出了带有凹槽20”的另一种可供选择的刀具头6，凹槽20”具有沿凹槽20”改变的扭角28，意为其沿凹槽20'不是不变的。这有利地赋予凹槽20”弯曲的或弯折的形状。在此处示出的示例性实施例中，凹槽20”实施为使得其在轴向从大致切削套16的中心延伸至刀具头6的端面24或进入基体10的卡圈区段50。凹槽20”被具体地实施为具有各种各样的长度。

此外，在图7示出的刀具头6中，多个凹槽60被设置于刀具头6的前端面34中。具体地，这些凹槽60在那里形成交叉。每个凹槽的末端62连接至切削套16中的凹槽20”，从而切屑可从前部区域排出，或可将冷却剂经由切削套16的侧面凹槽20”添加进入该前部区域。

图5至图7所示的三个示例性实施例在前部区域(意指在刀具头6的前端面34的区域)没有切削材料。然而，在一个可供选择的设计中，在此处设置另外的切削材料。例如，图4中示出的刀具头6根据图5-图7中的实施例中的一个具有凹槽20和切削刃26，且凹槽20和切削刃26也在前端上形成。

Claims (16)

1.一种旋转刀具(2)，所述旋转刀具包括沿旋转轴线(8)在轴向上延伸的支架轴(4)，并具有固定至所述支架轴且设计成单独部件的刀具头(6)，其中所述刀具头配置有凹槽(20)并具有多个切削刃(26)，

其特征在于：

所述刀具头(6)具有沿旋转轴线(8)延伸的基体(10)，所述基体具有带有圆形横截面的芯(12)，所述芯上设有由切削材料制成的套(16)，所述套中制作有所述凹槽(20)。

2.根据前述权利要求所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述切削材料可选地为多晶金刚石、立方晶型氮化硼或多晶立方晶型氮化硼。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述芯(12)由硬质合金制成。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述支架轴(4)由工具钢制成。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述基体(10)具有沿旋转轴线(8)连接至芯(12)的耦接部件(40)，通过所述耦接部件刀具头(6)固定在所述支架轴(4)上。

6.根据此前权利要求所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述耦接部件(40)由与所述芯(12)相比具有更大弹性的材料、尤其是工具钢制成。

7.根据此前两项权利要求中的一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述耦接部件(40)与所述芯(10)以材料锁合的方式连接、尤其是焊接。

8.根据权利要求5-7中的一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

旋转刀具被设计成模块化工具，且所述刀具头(6)采用所述耦接部件(40)可拆卸地连接到所述支架轴(4)。

9.根据此前权利要求所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述支架轴(4)和所述刀具头(6)采用螺纹连接彼此连接。

10.根据权利要求5-9中的一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述耦接部件(40)具有沿旋转轴线(8)延伸的卡圈区段(50)，且所述卡圈区段连接至所述芯(12)并设置在所述芯(12)和所述支架轴(4)之间。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述凹槽(20)在轴向上延伸越过所述套(16)。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述凹槽(20)在径向上分别具有规定的槽深(22)，且至少一个所述凹槽的所述槽深(22)、特别是所有凹槽(20)的所述槽深(22)大于所述壁厚(18)。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述套(16)的壁厚(18)的范围为0.2mm至5mm。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转刀具(2)，

其特征在于：

所述切削材料另外存在于所述刀具头(6)的前端面(34)上。

15.一种刀具头(16)，所述刀具头(16)设有凹槽并包括多个切削刃，且旋转刀具(2)设置用于固定在支架轴(4)上，

其特征在于，该刀具头设有沿旋转轴线(8)延伸的基体(10)，所述基体具有带有圆形横截面的芯(12)，所述芯上设有由切削材料制成的套(16)。

16.根据权利要求15所述的刀具头(16)，

其特征在于：

刀具头包括沿所述旋转轴线(8)连接至所述芯(12)的耦接部件(40)，所述耦接部件由与所述芯相比具有更大弹性的材料制成，且刀具头能经由所述耦接部件(40)可拆卸地连接至所述支架轴(4)。