CN108856755A - 一种高效冷却的内冷刀片及刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效冷却的内冷刀片，其具有刀体，该刀体具有一前刀面、主后刀面和副后刀面，与副后刀面相背的侧面形成抵靠面，在刀体内设置有冷却液流道和冷却通道，冷却通道一端贯穿主后刀面，另一端连通冷却液流道，冷却液流道贯穿抵靠面；冷却通道的内壁呈圆柱状，在冷却通道内设置有热沉，该热沉包括内端管、锥柱和外端管，内端管和外端管均固定在冷却通道内，锥柱与内端管和外端管之间均具有距离；锥柱包括圆柱部和圆柱部两端的圆锥部；锥柱与内外端管之间用筋条连接。本发明还公开了安装有上述刀片的刀具。该刀片具有内冷结构，能够高效地对刀片进行冷却，在控制刀片温度提高的情况下，能够有效地提高刀片和刀具的使用寿命。

Description

一种高效冷却的内冷刀片及刀具

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，更具体而言，涉及一种高效冷却的内冷刀片及刀具。

背景技术

在金属的切削加工过程中，由于刀具对工件的切削、两者之间的摩擦和工件材料的弹、塑性变形，会产生大量的切削热。较多的切削热会使得切削区域的温度急剧升高，不仅增加了刀具磨损，减少了刀具的使用寿命，而且还会降低加工表面的质量，甚至影响工件的加工效率。因此，采用合理的冷却结构，找到一种能够对刀具进行高效冷却的方法就显得尤为重要。

目前，对刀具进行冷却的方式主要有两种：一种是传统的外置式冷却，另一种是采用内冷的方式，即内冷刀具；传统外置式冷却刀具是在机床上设置冷却液喷管，将喷管正对切削区域的刀具和工件，在加工过程中不断喷射冷却液。这种靠大量浇注冷却液进行冷却的方式虽然能够达到一定的冷却效果，但无法精确的控制冷却液的喷射方向，并且由于喷射距离较远，工件在加工时的高速旋转，真正能够到达切削区域对刀具进行冷却的冷却液不到其总用量的千分之一，造成资源浪费，并对环境造成严重污染；现有的内冷刀具，例如专利CN103639453A，在刀头下方的刀体内部设有一储液腔，在刀体的另一端设有一输液通道和排液通道，输液通道和排液通道与储液腔连通，工作时，冷却液从输液通道流进储液腔，多余的冷却液从排液通道流出，形成流动循环带走热量。此种方式，需在刀头下方开设足够大小的储液腔，大大的降低了刀具的整体强度。

发明内容

为解决上述问题，本发明首先提出了一种刀片，该刀片具有内冷结构，能够高效地对刀片进行冷却，在控制刀片温度提高的情况下，能够有效地提高刀片的使用寿命。具体技术方案为：

一种高效冷却的内冷刀片，其具有刀体，该刀体具有一前刀面和与该前刀面相交的主后刀面和副后刀面，与副后刀面相背的侧面形成抵靠面，在刀体内设置有冷却液流道和至少一个冷却通道，冷却通道的一端贯穿上述主后刀面，冷却通道的另一端连通冷却液流道，冷却液流道贯穿上述抵靠面；

冷却通道的内壁呈圆柱状，在冷却通道内装有1-3个热沉，每个热沉均具有内端管、锥柱和外端管；内端管、锥柱和外端管沿冷却通道的延伸方向由内向外依次设置，内端管和外端管均固定在冷却通道内；锥柱包括沿冷却通道延伸方向延伸的圆柱部和两端的圆锥部，圆锥部的小端朝向背离圆柱部的一侧；两个圆锥部与圆柱部同轴设置；

锥柱与内端管和外端管之间均具有间隙；

锥柱与内端管之间连接有第一筋条，在锥柱与外端管之间连接有第二筋条。

优选地，圆柱部的朝向内侧的圆锥部称为内圆锥部，朝向外侧的圆锥部称为外圆锥部，所述第一筋条连接在内圆锥部与内端管之间，所述第二筋条连接在外圆锥部与外端管之间。在该内冷刀片中，设置了冷却通道，在冷却通道内装有热沉，该热沉有内端管、锥柱和外端管；内端管、锥柱和外端管沿冷却通道的延伸方向由内向外依次布置，锥柱与冷却通道之间形成一个环状的液流通道，进入到冷却通道的冷却液在进入到环状的液流通道时，冷却液的流动状态发生改变，由层流变为湍流，使冷却液的外层部分与芯层部分发生混合，匀化冷却液的内部温度，避免了在常规的冷却液的流动过程中，沿管壁流动的冷却液的外层温度一直处于较高温度下，降低了冷却液的吸热能力。同样，当冷却液从环状的液流通道进入到外端管的过程中，冷却液的外侧和芯层会进行二次混合，再次对冷却液的温度进行匀化，再次提高冷却液的吸热温度。

将锥柱的两端设计为锥状，可以有效地减少对冷却液的流动阻力，并稳定冷却液的内外层流体的交换。

利用本内冷刀片，采用完全水溶型冷却液，在对铝合金以282m/s的速度切削时，内冷刀片的温度可以控制在110℃以下，而在目前，采用同样的冷却液和速度切削铝合金时，刀片的温度要达到489℃，因此利用本内冷刀片，可以提高刀片使用寿命，以提高工作效率。

锥柱与内端管、外端管之间分别连接有第一筋条和第二筋条，冷却液在流经内、外圆锥部时，会冲击到第一筋条与第二筋条上，对冷却液产生很强的搅拌作用，有利于冷却液的混合。同时，一定流速的冷却液流过时，第二筋条会对冷却液形成阻碍作用，有利于喷出的冷却液产生雾化，促进冷却液的蒸发，带走大量的切削热。

具体地，内端管的内侧面具有呈圆柱状的第一圆柱面段和与第一圆柱面段相连的呈圆锥状的第一锥面段，该第一锥面段朝向锥柱一侧，内圆锥部伸入到第一锥面段所圈围的空间内；外端管的内侧面具有呈圆柱状的第二圆柱面段和与第二圆柱面段相连的呈圆锥状的第二锥面段，该第二锥面段朝向锥柱一侧，外圆锥部伸入到第二锥面段所圈围的空间内。

优选锥柱的圆柱部与冷却通道之间所形成的环状液流通道的截面积是内端管的第一圆柱面段的截面积的3倍。

该结构使内、外端管均与锥柱之间形成一个环形锥状的通道，冷却液在经过该通道时，在圆锥部的导流作用下，会使冷却液的外层和芯层完成交替，使在第一圆柱面段中的外层冷却液在经过该环形锥状的通道后变为靠近锥柱一侧，完成冷热层的交换。

进一步，为更加有利于冷却液的内外层的交换，每个热沉中，第一锥面段与内圆锥部同轴设置，第一锥面段的锥角与内圆锥部的锥角相等；第二锥面段与外圆锥部同轴设置，第二锥面段的锥角与外圆锥部的锥角相等；第一圆柱面段、第一锥面段、第二圆柱面段、第二锥面段以及圆柱部同轴设置。

优选地，第一锥面段与内圆锥部之间的距离等于第一圆柱面段的半径；第二锥面段与外圆锥部之间的距离等于第二圆柱面段的半径。优选地，第一圆柱面段的直径、第二圆柱面段的直径、圆柱部的外径均相等，大小均为：0.6-1.5mm；每个热沉中，外端管的朝向外侧的端面与内端管的朝向内侧的端面之间的距离为：1.4-3.0mm。优选外端管的朝向外侧的端面与内端管的朝向内侧的端面之间的距离与第一圆柱面段的直径之间的比值为2.5-3.5。

在该内冷刀片工作时，冷却液的供液压力为1.0-1.2MPa,冷却液在外端管内的流速为3.4-3.8m/s。

本申请的另一目的，在于提供一种刀具，其具有刀柄、安装在刀柄一端的刀头，在刀头上安装有上述任一项内冷刀片以及将内冷刀片固定在刀头上的压板；在刀头上设置有安装槽，该安装槽具有一抵压面，上述内冷刀片安装在该安装槽内，并使抵靠面抵靠在抵压面上；在刀头内设置有输液通道，该输液通道的一端贯穿上述抵压面形成输液通道出口，该输液通道出口密封地连通冷却液流道，输液通道的另一端形成输液通道进口。

具体地，所述刀头的与内冷刀片的前刀面朝向相同的侧面形成为安装面，在内冷刀片上开设有一安装孔，该安装孔垂直于前刀面；所述压板具有板体，在板体上具有一固定通孔和一安装柱销，在刀头上开设有一螺纹孔，该螺纹孔由安装面向下开设而形成；压板设置在刀头的安装面上，安装柱销伸入到安装孔内，一压板螺栓穿过固定通孔后旋拧在螺纹孔内，将内冷刀片固定在安装槽内。

在该刀具中，设置了内冷刀片，利用该内冷刀片，可以使该刀具具有更好的切削能力。在在刀具中，采用压板来安装内冷刀片，利用安装柱销将内冷刀片固定在安装槽内，使内冷刀片在两个方向上受到限制，提高了工作时的安全性。

进一步，所述刀头背离抵压面的一侧形成有一压紧面，该压紧面相对于安装面倾斜设置；在板体的远离安装柱销的一端形成有朝向刀头方向弯曲的弯曲部，在该弯曲部的端部抵靠在倾斜面上。

由于弯曲部的端部抵靠在倾斜面，当旋拧压板螺栓时，在压板向刀头方向移动时，在压紧的作用下，压板会向压紧面一侧移动，从而带动内冷刀片向抵压面移动，使内冷刀片更加紧密地抵靠在抵压面上，保证冷却液能够顺利地进入到内冷刀片内。

为便于调整内冷刀片的安装高度，以及减少在工作时金属屑对刀头的磨损，在内冷刀片与安装槽的底面之间设置有一刀垫，该刀垫经沉头螺栓固定在刀头上。

附图说明

图1是内冷刀片的一种实施例的结构示意图。

图2是图1中沿A—A向的剖视图。

图3是图2中B部分的放大图。

图4刀具的一种实施例的结构简图。

图5是图4所示刀具的另一方向的结构简图。

图6是图4的分解图。

图7是图4中拆除了刀垫和内冷刀片后的简图。

具体实施方式

以下首先对内冷刀片进行说明。

参阅图1-图3，一种高效冷却的内冷刀片4，其具有刀体41，该刀体41呈菱形，刀体41的相邻的两侧形成主后刀面45和副后刀面46，与主后刀面45和副后刀面46均相邻的顶面形成前刀面49。主后刀面45与前刀面49的相交边形成主切削刃，副后刀面46与前刀面49的相交边形成副切削刃。刀体4的与副后刀面46相背的一侧形成抵靠面47。

在刀体41内设置有若干冷却通道44和两条冷却液流道，分别为第一冷却液流道42和第二冷却液流道43，其中第一冷却液流道42对应于主后刀面45，第二冷却液流道43对应于副后刀面46，沿第一冷却液流道42形成有若干贯穿主后刀面45的冷却通道44，沿第二冷却液流道43形成有若干贯穿副后刀面46的冷却通道44，在附图中，示例性地显示了四个贯穿主后刀面45的冷却通道44，以及三个贯穿副后刀面46的冷却通道44，在其它实施例中，可以根据实际的需要相应地增减冷却通道44。

第一冷却液流道42和第二冷却液流道43相通，第一冷却液流道42向外贯穿抵靠面47后形成冷却液进口421，在抵靠面47上环绕冷却液进口421的外周设置有密封槽471。第二冷却液流道43的一端连通第一冷却液流道42，另一端封闭，当然，在其它实施例中，第二冷却液流道43的封闭的一端也可以成为冷却液进口。

冷却通道44的内壁呈圆柱状，在冷却通道44内装有一热沉7，其具有内端管71、锥柱73和外端管75；内端管71、锥柱73和外端管75沿冷却通道44的延伸方向由内向外依次设置，内端管71和外端管75均固定在冷却通道内。

在本实施例中，在每个冷却通道内仅设置有一个热沉，可以理解，在其它实施例中，根据内冷刀片的体积以及其它不同的要求，在每个冷却通道内还还可以设置两个或三个热沉，当然在同一实施例中，并不要求每个冷却通道内的热沉数量相同。

锥柱73包括沿冷却通道的延伸方向延伸的圆柱部731，在圆柱部731的两端各形成有一圆锥部，其中朝向内侧的圆锥部称为内圆锥部732，朝向外侧的圆锥部称为外圆锥部733，两个圆锥部的小端均朝向背离圆柱部731的一侧。内圆锥部732、外圆锥部733均与圆柱部731同轴设置。锥柱与内端管和外端管之间均具有间隙。

锥柱73与内端管71之间连接有第一筋条72，在锥柱73与外端管75之间连接有第二筋条74。

具体在本实施例中，第一筋条72连接在内圆锥部732与内端管71之间，且第一筋条72垂直连接在内圆锥部732的圆锥面736上。第二筋条74连接在外圆锥部733与外端管75之间，且第二筋条74垂直连接在外圆锥部733的圆锥面737上。

本实施例中，内端管71的内侧面具有呈圆柱状的第一圆柱面段711和与第一圆柱面段711相连的呈圆锥状的第一锥面段712，该第一锥面段712朝向锥柱73一侧，内圆锥部伸入到第一锥面段所圈围的空间内。外端管75的内侧面具有呈圆柱状的第二圆柱面段751和与第二圆柱面段751相连的呈圆锥状的第二锥面段752，该第二锥面段752朝向锥柱73一侧，外圆锥部伸入到第二锥面段所圈围的空间内。

第一锥面段712与内圆锥部732同轴设置，第一锥面段712的锥角与内圆锥部732的锥角相等。第二锥面段752与外圆锥部733同轴设置，第二锥面段752的锥角与外圆锥部733的锥角相等。

第一锥面段712与内圆锥部732之间的距离H1等于第一圆柱面段711的半径，图3中D1表示第一圆柱面段711的内径。第二锥面段752与外圆锥部733之间的距离H2等于第二圆柱面段751的半径，图3中D3表示第二圆柱面段751的内径。

第一圆柱面段711、第一锥面段712、第二圆柱面段751、第二锥面段752以及圆柱部731同轴设置，且第一圆柱面段的内径D1、第二圆柱面段的内径D3、圆柱部的外径D2均相等，大小均为：0.8mm。锥柱的圆柱部与冷却通道之间形成的环状液流通道的截面积是内端管形成的液流通道截面积的3倍。使冷却液在流经冷却通道44时能够形成厚度较为均匀的液流层。

各外端管75的朝向外侧的端面755与各内端管71的朝向内侧的端面715之间的距离H3为：2.4mm。上述距离H3实际为热沉7的长度。

可以理解在其它实施例中，第一圆柱面段的内径D1、第二圆柱面段的内径D3、圆柱部的外径D2还可以为0.6mm、0.7mm或0.9mm，或者为0.6-1.5mm之间的其它数据。距离H3还可以为1.8mm、2.2mm或3.0mm，或者为1.4-3.0mm之间的其它数据。

各外端管75的朝向外侧的端面755与所对应的主后刀面45或副后刀面46平齐。图3中显示，对应于主后刀面45的外端管75的朝向外侧的端面755与主后刀面45平齐。

在本实施例中，对应于主后刀面45与副后刀面46均设置有冷却通道，可以理解，在其它实施例中，可以仅对应于主后刀面设置冷却通道。

在采用本实施例中的内冷刀片切屑金属时，冷却液的供液压力为1.0-1.2MPa,冷却液在外端管内的流速为3.4-3.8m/s。

在本实施例中，热沉采用合金钢制造，采用热胀的方式安装在冷却通道内。当然在其它实施例中，还可以采用其它方式将热沉安装在冷却通道内，例如焊接或螺纹等安装方式。

以下对安装有上述内冷刀片4的刀具100进行说明。

请参阅图4-图7，刀具100包括刀柄1、安装在刀柄1一端的刀头2、安装在刀头2上的内冷刀片4以及将内冷刀片4固定在刀头2上的压板5。

在刀头2上设置有安装槽26，该安装槽26由刀头的一个顶角向内凹陷所形成，即该安装槽26向外贯穿三个相互邻接的侧面21、22、23，在该安装槽内具有一抵压面262，该抵压面位于安装槽朝向刀柄1的一侧，并大致垂直于刀柄1的延伸方向，内冷刀片4安装在该安装槽26内，并使抵靠面47抵靠在抵压面262上。

在刀头2内设置有输液通道27，该输液通道27的一端贯穿上述抵压面262后形成输液通道出口272，输液通道27的另一端贯穿刀头的侧面25后形成输液通道进口271，侧面25大致与刀柄1的长度方向平行并位于背离安装槽26的一侧。在刀头2与内冷刀片4之间安装有密封圈，该密封圈位于输液通道27的输液通道出口272与第一冷却液流道42的进口421之间，以使该输液通道出口272密封地连通第一冷却液流道42。

刀头2的与内冷刀片的前刀面49朝向相同的侧面21形成为安装面，在内冷刀片4上开设有一安装孔48，该安装孔48垂直于前刀面49。

压板5具有呈长条状的板体51，在板体51的中间部具有一固定通孔55，在板体51的相对的两端分别形成一安装柱销52和一弯曲部53，安装柱销52和弯曲部53沿固定通孔55的轴向朝向同一侧延伸而形成。弯曲部53向外倾斜，且远离板体的一端形成一楔状的端部54。

在刀头2的与刀柄1连接的一侧形成有一压紧面24，该压紧面24相对于安装面倾斜设置。在刀头2上开设有一螺纹孔28，该螺纹孔28由安装面向下开设而形成；压板5设置在刀头的安装面上，安装柱销52伸入到安装孔48内，一压板螺栓61穿过固定通孔55后旋拧在螺纹孔28内，将内冷刀片4固定在安装槽26内。在压板安装过程中，弯曲部53的端部54抵靠在压紧面24上，随着压板螺栓61的旋拧，在压紧面的推动下，会使压板向刀柄方向产生一个小的移动，从而使内冷刀片4更加紧密地贴合在抵压面262上，保证冷却液能够顺利地进入到内冷刀片4内。

为便于调整内冷刀片4的安装高度，以及对刀头形成一定的保护，在内冷刀片4与安装槽26的底面之间设置有一刀垫3，在安装槽的与刀柄的延伸方向大致平行的侧面261上开设有一螺纹孔263，在刀垫上开设有一通孔31，沉头螺栓62穿过通孔31后旋拧在螺纹孔263内，将刀垫3固定在刀头上。

Claims (10)

1.一种高效冷却的内冷刀片，其具有刀体，该刀体具有一前刀面和与该前刀面相交的主后刀面和副后刀面，特征在于，与副后刀面相背的侧面形成抵靠面，在刀体内设置有冷却液流道和至少一个冷却通道，冷却通道的一端贯穿上述主后刀面，冷却通道的另一端连通冷却液流道，冷却液流道贯穿上述抵靠面；

冷却通道的内壁呈圆柱状，在冷却通道内装有1-3个热沉，每个热沉均具有内端管、锥柱和外端管；内端管、锥柱和外端管沿冷却通道的延伸方向由内向外依次设置，内端管和外端管均固定在冷却通道内；锥柱包括沿冷却通道延伸方向延伸的圆柱部和两端的圆锥部，圆锥部的小端朝向背离圆柱部的一侧；两个圆锥部与圆柱部同轴设置；

锥柱与内端管和外端管之间均具有间隙；

锥柱与内端管之间连接有第一筋条，在锥柱与外端管之间连接有第二筋条。

2.根据权利要求要求1所述的内冷刀片，其特征在于，圆柱部的朝向内侧的圆锥部称为内圆锥部，朝向外侧的圆锥部称为外圆锥部，所述第一筋条连接在内圆锥部与内端管之间，所述第二筋条连接在外圆锥部与外端管之间。

3.根据权利要求要求2所述的内冷刀片，其特征在于，内端管的内侧面具有呈圆柱状的第一圆柱面段和与第一圆柱面段相连的呈圆锥状的第一锥面段，该第一锥面段朝向锥柱一侧，内圆锥部伸入到第一锥面段所圈围的空间内；

外端管的内侧面具有呈圆柱状的第二圆柱面段和与第二圆柱面段相连的呈圆锥状的第二锥面段，该第二锥面段朝向锥柱一侧，外圆锥部伸入到第二锥面段所圈围的空间内。

4.根据权利要求要求3所述的内冷刀片，其特征在于，每个热沉中，第一锥面段与内圆锥部同轴设置，第一锥面段的锥角与内圆锥部的锥角相等；

第二锥面段与外圆锥部同轴设置，第二锥面段的锥角与外圆锥部的锥角相等；

第一圆柱面段、第一锥面段、第二圆柱面段、第二锥面段以及圆柱部同轴设置。

5.根据权利要求要求4所述的内冷刀片，其特征在于，第一锥面段与内圆锥部之间的距离等于第一圆柱面段的半径；

第二锥面段与外圆锥部之间的距离等于第二圆柱面段的半径。

6.根据权利要求要求3-5任一项所述的内冷刀片，其特征在于，每个热沉中，外端管的朝向外侧的端面与内端管的朝向内侧的端面之间的距离为：1.4-3.0mm；

第一圆柱面段的内径等于第二圆柱面段的内径，第一圆柱面段的内径与第二圆柱面段的内径均为：0.6-1.5mm。

7.一种刀具，其具有刀柄、安装在刀柄一端的刀头，特征在于，在刀头上安装有权利要求1-6任一项所述的内冷刀片以及将内冷刀片固定在刀头上的压板；

在刀头上设置有安装槽，该安装槽具有一抵压面，上述内冷刀片安装在该安装槽内，并使抵靠面抵靠在抵压面上；在刀头内设置有输液通道，该输液通道的一端贯穿上述抵压面形成输液通道出口，该输液通道出口密封地连通冷却液流道，输液通道的另一端形成输液通道进口。

8.根据权利要求7所述的刀具，其特征在于，所述刀头的与内冷刀片的前刀面朝向相同的侧面形成为安装面，在内冷刀片上开设有一安装孔，该安装孔垂直于前刀面；

所述压板具有板体，在板体上具有一固定通孔和一安装柱销，在刀头上开设有一螺纹孔，该螺纹孔由安装面向下开设而形成；压板设置在刀头的安装面上，安装柱销伸入到安装孔内，一压板螺栓穿过固定通孔后旋拧在螺纹孔内，将内冷刀片固定在安装槽内。

9.根据权利要求8所述的刀具，其特征在于，所述刀头背离抵压面的一侧形成有一压紧面，该压紧面相对于安装面倾斜设置；在板体的远离安装柱销的一端形成有朝向刀头方向弯曲的弯曲部，在该弯曲部的端部抵靠在倾斜面上。

10.根据权利要求7-9任一项所述的刀具，其特征在于，在内冷刀片与安装槽的底面之间设置有一刀垫，该刀垫经沉头螺栓固定在刀头上。