CN106132608A - 具有内部冷却腔的旋转切削工具 - Google Patents

Abstract

通过低温流体在内部被冷却的旋转切削工具具有大体筒形外部形状。至少一个出屑槽形成于切削工具上，且切削刃形成于出屑槽的外边缘上以用于切削工件。用于低温冷却剂的内部冷流递送路径接近切削刃。冷却剂腔形成于切削工具中以用于将低温冷却剂供应到内部冷流递送路径，且用于低温冷却剂的返回路径是冷流递送路径的下游。排出端口联接到返回路径以用于将低温冷却剂排出到大气。排出端口远离切削刃，以便低温冷却剂远离切削刃并远离工件被排出，以便低温冷却剂不冷却工件及使工件坚韧。

Description

具有内部冷却腔的旋转切削工具

本申请要求2014年1月31日提交的针对具有内部冷却腔的旋转切削工具的美国临时专利申请61/934,257的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文中并构成本文的一部分。

技术领域

本发明涉及用于低温冷却工具的冷却流动路径设计，其中，所述流动路径的形状遵循工具的外部形状，并且冷却剂在远离工件的位置处从工具排出。

背景技术

具有六边形晶格结构的工件材料（诸如，铬镍铁合金、钛、钴等等）在将低温流体施加到材料的表面时变坚韧并且变得更难以机加工。由于这个原因，在机加工此类材料时，在使用低温冷却剂时有利的是在内部对切削工具进行冷却而不是将低温冷却剂喷射在工件上。

增加对切削刃的冷却将允许提高切削速度。例如，钛材料的切削速度提高100%将导致热增加30%。这意味着切削刃处的热减小30%将允许切削刃以两倍的所述切削速度操作，而不超出原始操作温度。以两倍于原始切削速度的切削速度操作的工具能够以一半的时间切削相同量的材料。

附图说明

图1是切削工具的分解侧面剖视图。

图2是切削工具的芯和安装在该芯上的套管的透视图。

图3是示出已装配的切削工具的侧视图。

图4是沿图3的线4-4截取的剖视图。

图5是沿图3的线5-5截取的剖视图。

图6是钻主体和安装在该钻主体上的套管的侧视图。

图7是已装配的图6的钻主体和套管的侧视图。

图8是图7的钻主体和套管的端视图。

图9是沿图7的线9-9截取的剖视图。

图10是沿图7的线10-10截取的剖视图。

图11是沿图8的线11-11截取的已装配的钻主体和套管的透视图。

图12是具有扭曲出屑槽的钻的透视图。

具体实施方式

图1是切削工具50的分解侧面剖视图。切削工具50包括具有中心盲孔55的大体筒形主体54，所述中心盲孔沿筒形主体54的纵向轴线从其后面56延伸到接近其前面58的位置。冷流递送路径由径向孔52形成，所述径向孔可形成为接近筒形主体54的前面58并与中心孔55相交。冷流递送路径被定位成以便接近可位于前面58上的切削刃。可沿筒形主体54的外表面的前部部分60从径向孔52到朝着后面56的位置形成纵向沟槽59。纵向沟槽59位于由径向孔52形成的冷流递送路径的下游，并形成用于低温冷却剂的返回路径。纵向沟槽59可与形成在前部部分60的圆周周围的排出歧管沟槽61相交。在所示的实施例中，纵向沟槽59可终止于形成在筒形主体54上的肩部部分62处。肩部部分62具有大于筒形主体54的前部部分60（纵向沟槽59形成于前部部分60上）的直径的直径。套管64可插在筒形主体54的前部部分60上，直到套管64的后面65邻接抵靠肩部部分62为止。套管64可具有孔66，所述孔的内径使得套管64能够紧密配合在筒形主体54的前部部分60上。排出端口68可接近套管64的后面65形成于孔66的内部上。套管64的长度可近似等于切削工具50的前部部分60的长度。在套管64位于适当位置的情况下，纵向沟槽59形成纵向通路，所述纵向通路从筒形主体54的前部部分60中的径向孔52通向接近套管64的后面65形成的排出端口68。筒形主体54和套管64可由高速钢、工具钢、碳化物或通常用于制造切削工具装置中的任何其他材料制成。

图2是筒形主体54的前部部分60和套管64的透视图。可沿前部部分60从径向孔52到肩部部分62形成纵向沟槽59。径向孔52与纵向沟槽59相交，且纵向沟槽与排出歧管沟槽61相交。

图3是示出已装配的切削工具50的侧视图。具有贯通通道76的绝缘材料的套筒70可放置在中心纵向盲孔55中。绝缘材料的套筒70定位在纵向孔55中，以在孔55的盲端中且接近切削工具50的前面58产生前冷却剂腔72。径向孔52将冷却剂腔72联接到纵向沟槽59。绝缘套筒70可包括聚四氟乙烯（PTFE）或其他合适的绝缘材料。绝缘套筒70通过妨碍递送通过套筒70到前冷却剂腔72的冷却剂的热增益来帮助维持冷却剂的低温温度。套管64的端部中的排出端口68在工具50的切削部分的端部处产生退出出口（其从排出歧管沟槽61通向大气），并引导冷却剂远离工件以防止冷却剂冷却工件及使工件坚韧。切削工具50可安装在工具架75中，使得切削工具50能够以常规方式安装在主轴中。至少一个出屑槽57可形成于切削工具的前面58上，且如图4中所示，切削刃78可形成于出屑槽77的外边缘上。

为了装配图3中所示的切削工具50，可机加工前部部分60以形成纵向沟槽59，且可形成径向孔52以将沟槽59连接到前冷却剂腔72。为清楚起见，将纵向沟槽59示为直的，但将理解的是，如果最终的切削工具具备形成于螺旋形出屑槽上的螺旋形切削刃，那么将使用螺旋形沟槽。接着可将套管64装配在芯的前部部分60上。接着可烧结已装配的主体54和套管64以使其融合在一起。可机加工筒形主体54和套管64的前面58以形成出屑槽57，且接着可机加工套管64的外表面以形成出屑槽77。在工具的所述面上的出屑槽57可被削尖，且在工具的外筒形表面上的出屑槽77可被削尖以提供切削刃78。替代地，切削刃78可钎焊或以其他方式附加到出屑槽57和77的端部。然后将绝缘套筒70装配在主体54的盲孔55中。可使用其他装配方法。

图4是沿图3的线4-4截取的剖视图。径向孔52提供从冷却剂腔72（其形成于盲孔55的端部中）到纵向沟槽59（其形成于主体的前部部分60上）的通道。径向孔52被定位成对准并接近出屑槽57，所述出屑槽可形成于切削工具的前面58上。纵向沟槽59被定位成对准并接近形成于套管64的外表面上的切削刃78和出屑槽77。径向孔52和纵向沟槽59中的冷却剂在从工具的前面58上的切削刃和工具的外圆周上的切削刃78移除热方面是有效的。为简单起见，已在图3和图4中将出屑槽77示为直的，但也可采用螺旋形出屑槽。由于出屑槽77被示为直的，所以纵向沟槽59也被示为直的，但将理解的是，在具有螺旋形出屑槽的切削工具中，可采用螺旋形沟槽，以便沟槽遵循出屑槽的路径。

图5是沿图3的线5-5截取的剖视图。纵向沟槽59被定位成靠近出屑槽77的最外极端，紧挨着形成于工具主体的前部部分中的切削刃78。纵向沟槽59向后朝向工具架和主轴排放，并通过排出端口68排放到大气。排出端口68引导冷却剂远离工具的前部并防止冷却工件及使工件坚韧。

在使用中，冷却剂源联接到切削工具50的后面56以及形成于绝缘材料的套筒70中的通道76。冷却剂从工具50的后面56流到形成于盲孔的端部处的冷却剂腔72，且从冷却剂腔72的端部通过径向孔52流入形成于工具的前部部分60上的纵向沟槽59的端部中。冷却剂沿纵向沟槽59从工具的前面58朝着后面56流动，直到冷却剂到达排出端口68为止。排出端口68形成用于冷却剂的到大气的退出出口，并引导冷却剂远离工件。所使用的冷却剂可为低温冷却剂，诸如具有-196℃的温度的液氮，或可使用其他低温冷却剂。也可使用非低温冷却剂。与冷却剂腔72中的冷却剂相比，径向孔52和纵向沟槽59中的冷却剂更接近工具的面58上的出屑槽和切削刃57以及沿工具长度的切削刃78，从而使得所述切削刃能够在更低的温度下操作。

在不脱离本文中所描述的设计的情况下，在工具50的外表面中的出屑槽77可为右旋的、左旋的、可变的、交错的或直的。为了最大化冷却剂腔中的冷却剂的冷却效果，冷却剂腔的内部形状和用于冷却剂的通路应密切遵循工具的外部形状。以此方式，工具的切削刃（其为热源）和出屑槽77中的冷却剂之间的距离得以最小化，从而导致腔中的冷却剂最大程度地吸收热。

可将如所示的装置应用于镗刀、钻、绞刀、端铣刀、螺纹铣刀、丝锥及压制的硬质合金刀片。

由旋转工具产生的离心力将迫使冷却剂从冷却剂腔72到径向孔52的最外端部，并通过纵向沟槽59到排出端口68。

图6-11是针对装置的实施例，其中，冷却被施加到诸如钻的切削工具。图6是钻主体80和装配在钻主体80的前进端84上以便产生如下文更充分地解释的钻的套管82的侧视图。钻主体80的前进端84具有减径部分85，以便装配在形成于套管82中的盲孔86中。套管82中的盲孔86被定尺寸成紧密配合在钻主体80的减径部分85上。钻主体80具有在柱端90中的轴向盲孔88，所述柱端从如图7中所示的钻主体80的端部91延伸到在主体的前进端84处的减径部分85。横向钻孔92从减径部分85的外表面到形成于钻主体中的盲孔88的端部处的冷却剂腔89形成在减径部分85中，如下文更充分地解释的。可沿减径部分85的长度的一部分形成沟槽94，以在完成的钻中提供用于冷却剂的路径，如下文更充分地解释的。沟槽94可沿U形路径93从在工具80的切削部分的起点处的横向钻孔92延伸到减径部分85的末端95，并朝着工具的切削部分的端部返回。每个U形路径93均可包括冷流递送路径96、跨接部分97和返回路径98。每个冷流递送路径96均可与横向钻孔92连通，且每个返回路径98均可与排出间隙101连通，所述排出间隙形成于套管82的端部99和肩部100（其形成于钻主体80的柱端90上）之间。

图7和图11是已装配的钻主体80和套管82的侧视图。可将绝缘材料（诸如PTFE）的套筒87插入到盲孔88中，以便使低温冷却剂与来自钻主体80的热增益隔绝。冷却剂腔89可在切削工具的中间形成于套筒87的端部和盲孔88的端部之间，且横向钻孔92可与冷却剂腔89相交。可对套管82的外表面进行机加工以形成钻出屑槽102，如在图8和图9中最佳可见，且出屑槽102可被削尖以形成切削刃104。冷流递送路径96沿工具的轴线103从冷却剂腔89延伸到工具的末端106。跨接流动路径97位于工具的末端106处，且返回路径98从工具的末端106延伸到工具的柱端90。

图8是图7的钻主体80和套管82的端视图。可对套管82进行机加工以沿套管的长度形成两个出屑槽102，但可根据需要在套管82上形成其他数目的出屑槽。具有切削刃108的尖头末端106由两个出屑槽102的合并部形成，且在操作中，围绕尖头末端106的切削刃108在钻孔操作中移除最大量的材料。结果，切削刃108和尖头末端106在切削操作期间变得比钻的其他部分更热，且因此钻的这个部分最受益于冷却。冷流递送路径96被定位成接近在切削工具的外圆周上的出屑槽102的切削刃104，且返回路径98邻近于出屑槽的后唇部110。每个U形路径93的跨接部分97均将冷流递送路径96连接到返回路径98，且接近尖头末端106的切削刃108。可机加工套管82以形成两个以上的出屑槽，如本领域中众所周知的。

为了生产图7-11的已装配钻，首先将套管82装配到钻的主体部分80的减径部分85上。接着烧结套管82和减小的主体部分85以使其融合在一起。接着在套管82上形成出屑槽102，且对出屑槽精磨以便形成出屑槽的削尖边缘104。出屑槽102形成于套管82的外表面上，以便出屑槽的削尖边缘104邻近于形成在钻主体80的减径部分85上的冷流递送路径96以及尖头末端106的切削刃108。接着将绝缘材料的套筒87插入主体部分80中的盲孔中。

在使用中，冷却剂通过绝缘套筒87进入钻主体80，并聚集在形成于绝缘套筒87的端部和盲孔88的端部之间的冷却剂腔89中。冷却剂腔89中的冷却剂流动通过横向钻孔92到冷流递送路径96，并从冷流递送路径96穿过跨接部分97流到返回路径98，以及从返回路径98流到排出歧管沟槽101并流到排出端口99和大气。冷流递送路径96将冷却剂定位成尽可能地接近钻的削尖出屑槽104，且跨接部分97将冷却剂定位成尽可能地接近位于钻的末端处的切削刃108，以最大化由冷却剂从钻的这些区域移除的热。返回路径98将冷却剂引导到远离钻的末端106位于工具的切削部分的端部处的排出间隙101，使得冷却剂能够被排出到大气并被引导远离工件。这防止低温冷却剂撞击工件及使工件坚韧。所使用的冷却剂可为低温冷却剂，诸如具有-196℃的温度的液氮，或可使用其他低温冷却剂。也可使用非低温冷却剂。

图12是具有扭曲的出屑槽的钻112的透视图。所示的钻112具有两个出屑槽114，所述出屑槽被扭曲以形成螺旋。出屑槽114终止于尖头末端116中。结合图6-11示出和描述的构造可应用于如图12中所示的具有两个扭曲的出屑槽的钻。具有扭曲的出屑槽的钻也可被制成具有两个以上的出屑槽，如本领域的技术人员将理解的。

因此在已经描述了装置之后，本领域的技术人员将想到各种修改和改变，所述修改和改变将在如由所附权利要求限定的装置的范围内。

Claims (17)

1.一种通过低温流体在内部被冷却的旋转切削工具，所述旋转切削工具包括：

工具主体，所述工具主体具有大体筒形外部形状；

形成于所述切削工具的前部部分上的至少一个出屑槽和形成于所述至少一个出屑槽的外边缘上的切削刃以用于切削工件；

用于所述切削工具中的低温冷却剂的内部冷流递送路径，所述冷流递送路径接近在所述至少一个出屑槽上的所述切削刃；

冷却剂腔，所述冷却剂腔形成在所述切削工具中以用于将低温冷却剂供应到所述内部冷流递送路径；

用于低温冷却剂的返回路径，所述返回路径是所述冷流递送路径的下游；以及

排出端口，所述排出端口联接到所述返回路径以用于将低温冷却剂排出到大气，所述排出端口远离所述切削刃，借以所述低温冷却剂远离所述切削刃并远离通过所述切削刃接合的工件被排出，以便所述低温冷却剂不冷却所述工件。

2.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其进一步包括：

多个出屑槽，所述多个出屑槽形成于所述切削工具的所述前部部分上；

切削刃，所述切削刃形成于所述多个出屑槽中的每一个上；以及

用于所述切削刃中的每一个的冷流递送路径。

3.根据权利要求2所述的旋转切削工具，其中，所述冷却剂腔定位于所述切削工具的前部，且所述冷流递送路径接近形成于所述切削工具的所述前部部分上的切削刃。

4.根据权利要求3所述的旋转切削工具，其中，所述返回路径接近形成于所述切削工具的外圆周上的所述切削刃。

5.根据权利要求4所述的旋转切削工具，其进一步包括：

用于所述冷流递送路径中的每一个的返回路径。

6.根据权利要求5所述的旋转切削工具，其中，所述旋转切削工具是端铣刀。

7.根据权利要求5所述的旋转切削工具，其中，所述旋转切削工具是绞刀。

8.根据权利要求5所述的旋转切削工具，其中，所述低温流体是具有-196℃的温度的液氮。

9.根据权利要求3所述的旋转切削工具，其进一步包括：

安装于所述切削工具主体中的盲孔中的绝缘套筒，其中，所述绝缘套筒防止流到所述切削工具主体中的所述低温冷却剂的热增益，并且其中，所述冷却剂腔位于所述绝缘套筒的端部和所述盲孔的端部之间。

10.根据权利要求2所述的旋转切削工具，其中，所述冷却剂腔定位于所述切削工具的中间，且所述冷流递送路径接近形成于所述切削工具的所述外圆周上的切削刃。

11.根据权利要求10所述的旋转切削工具，其进一步包括：

跨接流动路径，所述跨接流动路径将所述冷流递送路径联接到所述返回路径，所述跨接流动路径接近形成于所述旋转切削工具的末端上的切削刃。

12.根据权利要求11所述的旋转切削工具，其中，所述冷流递送路径沿所述工具的轴线从所述冷却剂腔延伸到所述工具的所述末端，所述跨接流动路径位于所述工具的所述末端处，并且所述返回路径从所述工具的所述末端延伸到所述工具的所述切削部分的所述端部。

13.根据权利要求12所述的旋转切削工具，其进一步包括：

排出端口，所述排出端口联接到所述返回路径以用于将低温冷却剂从所述返回路径排出到大气，所述排出端口位于所述工具的切削部分的所述端部处，借以所述低温冷却剂远离所述切削刃并远离通过所述切削刃接合的工件被排出，以便所述低温冷却剂不冷却所述工件。

14.根据权利要求13所述的旋转切削工具，其中，所述低温流体是具有-196℃的温度的液氮。

15.根据权利要求14所述的旋转切削工具，其进一步包括：

绝缘套筒，所述绝缘套筒安装在所述切削工具主体中的盲孔中，其中，所述绝缘套筒防止流到所述切削工具主体中的所述低温冷却剂的热增益，并且其中，所述冷却剂腔位于所述绝缘套筒的端部和所述盲孔的端部之间。

16.根据权利要求15所述的旋转切削工具，其中，所述切削工具是钻。

17.根据权利要求16所述的旋转切削工具，其中，所述切削工具具有扭曲的出屑槽。