CN1067309C - 具有薄切屑的断屑装置的镶刃 - Google Patents

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Abstract

一种具有断屑装置的镶刃(1)，用以使由钻削或其它精密切削加工所产生的薄箔状切屑(61)有效地发生脆化及碎裂。该镶刃(1)包括一多边形镶刃体(3)，该镶刃体具有顶面(5)、副后角表面(9)及二者之间的刃口(11)，该镶刃(1)还包括由一细长槽(25)和多个凹槽(27)结合而成的断屑装置(23)，细长槽(25)在顶面(5)上位于刃口(11)后方，多个凹槽分布在细长槽(25)上并具有彼此相对的侧刃(43)。细长槽(25)的后壁(34)对切屑(61)施加使之卷曲的作用力，而凹槽(27)的相对侧刃(43)则使切屑(61)受挤并起皱，由此通过加工硬化使切屑脆化。起皱的切屑因由细长槽(25)的后壁(34)和凹槽(27)的后壁(42)施加的卷曲力而碎裂成易于从切削加工区周围被排走的小碎片。

Description

具有薄切屑的断屑装置的镶刃
本发明总的涉及镶刃，本发明尤其涉及一种具有薄切屑的断屑装置的镶刃，该断屑装置可以使工件上精削所致的薄箔状切屑有效地碎裂。
用于机加工金属工件的镶刃在现有技术中是常见的。这类镶刃都含有在镶刃体两个壁面的相交处构成的刃口。当将这类镶刃装在旋转并顶住金属工件的铣削头或钻头上时，刃口就会从工件上将金属以带状金属屑的形式切除掉。
切削加工区周围的这些金属屑如果不能被持续地排走就会妨碍切削加工。因此，许多种镶刃上都做出了可持续地使由刃口形成的切屑脆化并碎裂的断屑构形。对于在工件上进行粗切削的镶刃来说，断屑构形可以仅仅由刃口上的正前角构成。这样的正前角自然地使在粗切削加工中产生的较厚的切屑持续地发生卷曲、脆化、并碎裂成为小碎片。对于精细切削来说，切屑的形状更接近于带状，因此将断屑槽设在刃口背后。切削加工越精密，所产生的切屑就越薄并越具有延性，当薄切屑滑移到断屑槽中并接合其后壁时会受到使其脆化的卷曲力的作用，并使它们碎裂成可以从切削加工区周围被排除掉的小碎片。本申请人经研究发现：如果断屑槽的宽度大约是由刃口所生成的切屑厚度的五倍，其断屑效果将非常显著。
尽管这种断屑槽对由精细切削操作产生的切屑有良好的卷曲及碎裂效果，但本申请人经研究发现，这种结构也有一定的局限性，对于超精密切削加工所产生的超薄切屑来说，该结构并不能达到比较好的碎裂效果。例如，当将这种镶刃装在钻头的端部上而且钻头在工件上的送进速度仅为每转0.007英寸左右时，镶刃所产生的超薄切屑的厚度在0.005至0.009英寸的较宽范围内变化。这种切屑更具箔状而不是带状外形，同时也更难以卷曲并脆化到足以使它们持续地断裂成小碎片的程度。当然，可以针对薄箔状切屑的具体厚度设置一有效的断屑槽。但是本申请人已发现，这种断屑槽的工作范围相当窄。例如，当断屑槽的尺寸适于碎裂0.007英寸厚的切屑时，接近0.005英寸厚度下限的切屑就不能被有效地从断屑槽中排出，这样将导致切屑积聚，从而在刃口上产生过大的压力。这种过大的压力会加速镶刃的磨损并增大其开裂的可能性。另外，厚度接近0.009英寸厚度上限的切屑又无法获得有效的卷曲和脆化。这种未断裂的切屑由于拖得太长而无法有效地被钻具的排屑槽排出，这一现象反过来又妨碍了钻削加工。
显然，具有断屑装置的镶刃必须能够在工件的精密切削加工中有效地使切屑断裂。这种镶刃上所用的断屑装置应能使厚度范围较宽的上述薄箔状切屑有效地脆化并持续地断裂，由此使采用这种镶刃的切削刀具能够在较宽的加工条件下有效地工作。此外，镶刃所采用的断屑装置应该易于与形状及尺寸变化较大的镶刃相结合。
一般地说，本发明的目的在于提供一种镶刃，它可以消除或改善与现有技术相关联的所有上述缺陷，其做法是使用这样一种断屑装置，该装置可以有效地使由精密切削加工产生的厚度范围较宽的薄箔状切屑发生碎裂。为此，镶刃包括一镶刃体和一断屑装置，其中，镶刃体具有一由顶面与副后角表面的交线构成的刃口，断屑装置具有一细长的断屑槽与多个离散的凹槽的组合结构，所述的细长断屑槽位于镶刃的邻近刃口的顶面上，而各凹槽在断屑槽上沿轴向相间地分布。断屑槽和各个凹槽均含有一面向刃口的里壁或后壁，该后壁在镶刃顶面上的一个高于使切屑卷曲和加工硬化的刃口的点处终止。此外，各个离散凹槽具有一对彼此相向的侧刃，当切屑从刃口向断屑槽后壁及凹槽后壁滑移时，上述侧刃与切屑接合并使后者起皱。由凹槽和断屑槽施加的起皱和卷曲力的组合可以有效地使在精密切削加工过程中产生的薄箔状切屑发生加工硬化，由此使切屑脆化乃至持续地碎裂成易于从切削加工区周围排走的小碎片。
镶刃体的顶面最好包括一设置在刃口与断屑槽之间的用于对刃口起加强作用的刃棱面。断屑槽的宽度最好是从工件上除去的切屑厚度的大约四到六倍，这样，断屑槽可以有效地使许多切屑发生卷曲及加工硬化。凹槽的宽度可以超过断屑槽的宽度，由此延长侧刃的长度，进而增大切屑与凹槽侧刃之间形成起皱接合的量。
断屑槽后壁的高度可以比断屑槽的下行壁的高度高出约80％到120％，该下行壁最终与刃口相接。同样，各凹槽后壁的高度可以比凹槽前壁的高度高出约50％到100％。这样的尺寸比例可以确保后壁和后壁对已起皱的薄切屑施加充分的卷曲力，进而有效地使切屑脆化并碎裂。
最后需要指出，所有凹槽的累计长度应为断屑槽总长的50％左右。在这一尺寸比例条件下，导致薄箔状切屑起皱的作用力的值可以确保切屑的脆化达到如下的程度，即当切屑分别受到断屑槽的后壁和凹槽后壁施加的卷曲力时，可实现有效的断屑。
图1是按照本发明的镶刃的透视图；
图2是沿图1中的2-2线所做的镶刃的侧剖视图；
图3是图1所示镶刃的平面图；
图4是图3中虚线圆所包围部分的放大视图；
图5是沿图4中的5-5线所做的镶刃部分的侧剖视图；
图6是沿图4中的6-6线所做的镶刃部分的侧剖视图；
图7是沿图4中的7-7线所做的镶刃部分的正剖视图；
图8是借助于按照本发明的镶刃在某一工件上钻孔的钻头的侧视图；以及
图9是图1所示镶刃在工作时的局部透视图(图中不含其周围的钻头本体)，该图示出了在镶刃刃口后方的断屑槽及凹槽是如何使脱离工件的材料的切屑发生卷曲和起皱的。
参见图1和2，其中相同的标号在所有附图中表示相同的部分，本发明的镶刃1一般包括一三角形镶刃体3，该镶刃体3具有通过三个副后角表面9而相互连接的顶面5和底面7，刃口11是在顶面5与副后角表面9的相交处围绕镶刃体3而形成的。如图2所示，副后角表面9相对于与顶面5垂直的一条直线的后角R最好约为10°。每一个副后角表面9如图所示在设置于中心的顶角13处以155°钝角弯折。如下文结合图8和9所做的详细介绍所述，这种在每个侧切削刃11设置这样一个钝角顶角13的做法有助于稳定用在钻削加工中的镶刃1。在镶刃1本体3的中心设有一螺钉安装孔15，与之相配的安装螺钉16可以将镶刃1紧固在刀杆的安装座上。螺钉安装孔15包含一个螺钉头容纳部分17及一螺钉杆容纳部分19。
所有优选实施例中的镶刃11均由本领域中常见的高硬度耐磨材料制成。
现在参见图3和4，紧靠刃口11的背后设有一对刃口起加强作用的刃棱面21，该刃棱面21相对于水平设置的上表面5的角度r大约为10°(见图2)。这种以10°角倾斜的刃棱面21使刃口具有正前角，从而降低了切削力并因此延长了镶刃1的使用寿命。在示于所有附图中的镶刃1的例子中，所用刃棱面21的宽度均为0.005英寸左右。
紧接各刃口11的刃棱面21之后设置有一种断屑装置23。该断屑装置23含有一细长的断屑槽25，该槽25邻接与刃口11相对的刃棱面21。断屑装置23还包括如图所示的多个彼此相互隔开的凹槽27，这些凹槽跨越细长的断屑槽25并伸至其后侧。如在下文中将很快详细述及的那样，凹槽27的上刃使由刃口11产生的薄箔状切屑起皱并脆化，而细长的断屑槽25则使起皱的切屑卷曲并碎裂成小碎片。
现参见图5至7，位于刃口11后方的各断屑槽25包括一切成圆弧形的槽底壁30及下行壁32，该下行壁32将槽底壁30与各刃口11之刃棱面21的边缘连接起来。后壁34将槽底壁30与镶刃体3的顶面5在某连接点处连接起来，该连接点的位置比刃口11相对于表面5的位置高出约100％。因此，如果刃口11相对于槽底壁30的最低点的高度为H1，那么断屑槽25后壁34的最大高度将比刃口11高出一段距离H2，而且H2约等于H1。在优选实施例中，后壁34相对于大致是平的顶面5的夹角A约为30°。断屑槽25与刃棱面21的总宽度W约为0.030英寸。在这些尺寸条件下，在各刃口11后方的断屑槽25可以有效地使由凹槽顶刃产生的0.005至0.009英寸厚的起皱切屑发生卷曲及加工硬化，从而有效地使切屑断裂。
现参见图6及7，各凹槽27包括一比前述断屑槽25的槽底壁30略深一些的槽底壁38。各凹槽还包括相对于其所邻近的刃口11垂直设置的一对侧壁39。在刃口11后方的刃棱面21与槽底壁38之间由一前壁40连接。另外，后壁42将槽底壁38与镶刃体3的顶面5在一高于刃口11的位置连接起来。因此，如果刃口相对于槽底壁38的最低点的高度为h1，那么后壁42的最大高度将比h1高出h2，其中的h2比h1大50％到100％左右。与断屑槽25的后壁34的角度的情形类似，后壁42相对于镶刃体3顶面5的夹角约为30°。此外，各凹槽27的宽度约为0.045英寸，而且各凹槽之间的间距约为0.030英寸，从而使所有凹槽27的累计宽度为刃口11总长L的50％左右。具体来讲，在各凹槽27中，侧壁39a,39b的相对侧刃43a,43b之间的距离″l″也同样为0.045英寸左右。
下面参见图8和9，如本发明所述的镶刃1被具体地用在钻头45上，该钻头45具有一含螺旋槽47a,47b的螺旋体46。作为优选方案，钻头45的末端部分49带有两个对置的偏心镶刃座51a,51b，由此可以通过安装螺钉16将嵌刃1镶入并紧固。冷却剂通孔53(图中仅示出了一个)在钻头运转过程中持续地喷出液体冷却剂，由此可以降低镶刃1与工件55之间接触面的温度，同时也可以冲走所形成的金属屑。
这种钻头45在转动并强制性地顶住金属工件55时可以在每转切削掉大约0.007英寸的材料并由此产生厚度为0.005至0.009英寸的薄箔状切屑。在如此进行的钻削加工过程中，设置在各刃口11中部的钝角顶角13可以使先于刃口11的后侧部分咬入金属工件55的刃口11的前导部分受到约束，从而有助于稳定刃口。如果刃口11上没有钝角顶角13，那么整个刃口将同时咬入工件55中，从而导致钻具颤振及振荡并最终使刃口11蹦裂并毁坏。
刃口11在切削工件55中孔57的底面59时会产生厚度如前所述的薄箔状切屑。这些切屑会强制性地挤压凹槽27的侧刃43a,43b并由此在切屑61上产生皱折63。这种皱折63的生成会使切屑61发生加工硬化及脆化。切屑61在接合断屑槽25的后壁34及凹槽27的后壁时会受到卷曲力的作用，该卷曲力又使切屑进一步脆化并使之断裂成足够小的碎片，这样，经由通孔53作用于切屑的加压冷却液将会与由钻头本体46作用于切屑61上的离心力一同起作用，将切屑61持续地甩出钻头45的螺槽47a，47b并使之离开钻削加工区周围。
尽管对本发明的介绍是具体地结合优选实施例进行的，但本领域中的专业人士显然可以对本发明做出各种变化、补充及改进。所有这些变化、补充及改进都应被纳入本专利的范围之内，该范围只能由下文所附的权利要求限定。

Claims (14)

1．一种在切削工件(55)时可以从其上除去材料切屑(61)的镶刃(1)，包括：
一镶刃体(3)，它具有一顶面(5)、一底面(7)、副后角表面(9)和由上述顶面(5)与上述副后角表面(9)的交线构成的刃口(11)；以及
用来使由上述刃口(11)形成的具有一预定厚度的切屑(61)碎裂的断屑装置(23)，它包括一细长的断屑槽(25)及多个凹槽(27)，上述断屑槽(25)位于上述顶面(5)上，邻近上述刃口(11)，它具有一用来使上述切屑(61)卷曲并加工硬化的后壁(34)，上述后壁(34)与上述刃口(11)相对并在上述顶面上终止于一个高过上述刃口的位置，上述的多个凹槽(27)在上述断屑槽(25)中沿轴向离散地相间分布，该凹槽具有用于使上述切屑(61)受挤、起皱进而有利于断屑的装置，该装置包括彼此相对并且大致为直线形的侧刃，该侧刃相对于上述刃口正交地定位，用以使上述切屑受挤并起皱，该侧刃还横向于上述断屑槽的上述后壁，其特征在于，上述凹槽的宽度超过上述断屑槽的宽度，由此增大了上述切屑与上述凹槽的侧刃之间促使切屑起皱的接触长度。
2．如权利要求1所述的镶刃(1)，其特征在于，上述镶刃体(3)还包括一为加强上述刃口(11)而设置在上述刃口(11)与上述断屑槽(25)之间的刃棱面(21)。
3．如权利要求2所述的镶刃(1)，其特征在于，上述断屑槽(25)还包括一槽底壁(30)及一下行壁(32)，上述下行壁(32)将上述断屑槽(25)的上述槽底壁(30)与上述刃棱面(21)连接起来，由此形成一前角面。
4．如权利要求1所述的镶刃(1)，其特征在于，上述断屑槽(25)所具有的宽度是由上述刃口(11)从上述工件(55)上除去的切屑(61)的厚度的大约四到六倍。
5．如权利要求1所述的镶刃(1)，其特征在于，上述断屑槽(25)中的上述凹槽(27)所具有的累计长度超过上述断屑槽(25)总长的一半。
6．如权利要求1所述的镶刃(1)，其特征在于，上述镶刃体(3)为多边形。
7．如权利要求6所述的镶刃(1)，其特征在于，上述镶刃体(3)为三角形，而且上述刃口(11)沿着各个副后角表面(9)具有位于其中部的钝角顶角(13)，以增强上述镶刃(1)在钻削加工过程中的稳定性。
8．如权利要求5所述的镶刃(1)，其特征在于，上述各个凹槽(27)包括一槽底壁(38)及一后壁(42)，上述槽底壁(38)的深度超过断屑槽(25)的槽底壁(30)，上述后壁(42)从刃口(11)处向后延伸，在越过上述断屑槽(25)的上述后壁(34)之后终止于上述顶面(5)上一个高过上述侧刃(43)的位置。
9．一种在切削工件(55)时可以从其上除去材料切屑(61)的镶刃(1)，包括：
一多边形的镶刃体(3)，它具有一顶面(5)、副后角表面(9)、刃棱面(21-和由上述顶面(5)与上述副后角表面(9)的交线构成的刃口(11)，上述刃棱面(21)位于上述刃口(11)的后方，用以形成一前角面；以及
用来使由上述刃口(11)产生的切屑(61)碎裂的断屑装置(23)，它包括一细长的断屑槽(25)及多个凹槽(27)，上述断屑槽(25)在上述顶面(5)上位于上述刃棱面(21)的后方，它具有一槽底壁(30)，一连接上述刃棱面(21)与上述槽底壁(30)的下行壁(32)以及一连接上述槽底壁(30)的后壁(34)，上述后壁(34)可使由上述刃口(11)产生的切屑(61)卷曲，它终止于上述顶面(5)上一个高于上述刃口(11)的位置，上述多个凹槽(27)在上述断屑槽(25)中沿轴向离散地相间分布，该凹槽具有取向大致正交于上述刃口(11)而且大致为直线形的侧刃装置(43)，用于使上述切屑(61)受挤和起皱从而有助于断屑，上述侧刃装置横向于上述断屑槽的上述后壁，其特征在于，上述凹槽的宽度超过上述断屑槽的宽度，用以增大上述切屑与上述凹槽的上述侧刃装置之间促使切屑起皱的接触长度。
10．如权利要求9所述的镶刃(1)，其特征在于，上述断屑槽(25)的后壁(34)的高度比下行壁(32)的高度高出约80％至120％。
11．如权利要求10所述的镶刃(1)，其特征在于，上述断屑槽(25)的宽度是由上述刃口(11)从上述工件(55)上除去的切屑(61)的厚度的大约四到六倍。
12．如权利要求11所述的镶刃(1)，其特征在于，凹槽(27)的宽度大约是断屑槽(25)宽度的两倍，用于延长侧刃(43)的长度，进而增大上述切屑(61)与上述凹槽(27)的上述侧刃(43)之间促使上述切屑(61)起皱的接触长度。
13．如权利要求12所述的镶刃(1)，其特征在于，上述各个凹槽(27)包括一槽底壁(38)、一连接上述刃棱面(21)与上述槽底壁(30)的前壁(40)以及一高度比前壁(40)的高度高出约50％至100％的后壁(42)。
14．一种在切削工件时可以从其上除去材料切屑的镶刃，包括：
一镶刃，它具有一顶面、一底面、副后角表面和由上述顶面与上述副后角表面的交线限定的刃口；以及
用来使由上述刃口形成的具有预定厚度的切屑碎裂的断屑装置，它包括一细长的断屑槽及多个凹槽，上述断屑槽位于上述顶面上，邻近上述刃口，它具有一用来使上述切屑卷曲和加工硬化的后壁，上述后壁与上述刃口相对并在上述顶面上终止于一个高过上述刃口的位置，上述的多个凹槽在上述断屑槽中沿轴向离散地相间分布，该凹槽具有用来使上述切屑受挤和起皱从而有利于断屑的装置，该装置包括彼此相对而且大致为直线形的侧刃，该侧刃的取向正交于上述刃口，用于使上述切屑受挤并起皱，其特征在于，上述凹槽的宽度超过上述断屑槽的宽度，用以增大上述切屑与上述凹槽的上述侧刃之间促使切屑起皱的接触长度。
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