CN113560645A - 具有与每齿进刀量成比例的切屑空间的旋转切削刀具 - Google Patents

Abstract

提出了一种旋转切削刀具，所述旋转切削刀具实现了与每齿进刀量成比例的切屑空间。所述旋转切削刀具包括其中交替地形成有多个切削齿和多个排屑槽的切削部，其中，切削部的与中心轴线垂直的截面基于中心轴线被划分为多个限定相邻的切削齿的切削刃之间的区段的切削齿空间，使得所有的切削齿空间以不同的尺寸设计或者所述多个切削齿空间中的一些切削齿空间以与其他切削齿空间不同的尺寸设定。

Description

具有与每齿进刀量成比例的切屑空间的旋转切削刀具

技术领域

本发明涉及一种旋转切削刀具，所述旋转切削刀具通过将每个排屑槽的宽度和深度设定为与实际每齿进刀量成比例来实现与实际每齿进刀量成比例的切屑空间。

背景技术

旋转切削刀具包括立铣刀、钻头、铰刀等。这样的旋转切削刀具(诸如，立铣刀或钻头)广泛地用于精密的金属件加工。诸如立铣刀的旋转切削刀具是具有切削部和柄部的刀具，切削部包括前端和外径(Outer Diameter，OD)切削部，OD切削部具有沿着作为旋转轴线的中心轴线的齿，柄部形成在从切削部延伸的后端处。OD切削部的设置在切削齿的侧面上的外边缘用于切削工件的侧面，并且具有底边缘的前端用于切削工件的“地板表面”。切削部具有沿着中心轴线设置的芯，并且切削齿和排屑槽交替地布置在芯的外周上。

这样的旋转切削刀具的材料可包括高速钢、整体硬质合金、立方氮化硼、多晶金刚石、金属陶瓷、陶瓷及它们的组合。这些材料在加工成形后用各种材料涂覆，以延长立铣刀的使用寿命。

这样的旋转切削刀具可用于各种加工，因此，因为对于相应的加工而言加工特性彼此不同，所以旋转切削刀具需要被设计为不同的形状以适于相应的加工。例如，与精加工立铣刀相比，用于开槽操作的立铣刀设计有不同的几何形状。开槽和粗侧面切削操作需要以最大切削量除去金属，并且精侧面切削用于精细的精加工，其在目标尺寸附近实现相对平滑的表面精加工。不同的加工阶段通常需要不同的刀具，而更换刀具需要花费时间进行新的设定。

用于开槽、粗侧面切削和精侧面切削的刀具特性与“芯径比”(即，芯直径d与刀具直径D的比)和排屑槽数有关。刀具特性是与各个加工特性、刀具刚度和切屑排出相关的非常重要的参数。基本上，整个刀具的直径D通过芯直径和排屑槽的深度构成。

由于排屑槽的深度H恒定且芯的截面可指定为具有圆形形状，因此，对于偶数个齿，芯直径被定义为位于芯的两侧上的排屑槽的底部之间的间隔；对于奇数个齿，芯直径被定义为D-2H。深的切削齿产生良好的切屑间隙，使得润滑剂可容易地供应到其上，但是刀具刚度劣化。

例如，根据工件的材料，对于具有两个或三个排屑槽的立铣刀，在开槽中的芯径比优选地为约40％至55％，对于具有四个排屑槽的立铣刀，在粗侧面切削中的芯径比优选地为约50％至65％，并且对于具有4至8个排屑槽的精加工立铣刀，在精侧面切削中的芯径比优选地为约60％至85％。

如图1中所示，当芯区段被设计成具有多个区段时，开槽操作、粗侧面切削操作和精加工操作可组合到单个立铣刀中。

芯区段也可设计为具有其中芯直径从切削部的前端朝向柄部逐渐增大的锥形、凸形或凹形形状，而不是多级区段，这有助于增强刀具刚度和减振。

已经研究了能够执行开槽、粗侧面切削和精侧面切削中的全部的刀具。例如，第6,742,968号美国专利(铣削刀具)或第9,333,565号美国专利(旋转切削刀具)可用一个切削刀具执行开槽、粗侧面切削和精侧面切削中的全部。

在第6,742,968号美国专利中，当沿正交于切削刀具轴线的方向观察时，总截面面积(特别是芯直径)从切削部的前端朝向柄部逐渐增大。这种设计提供了一种具有足够的切屑间隙和改进的刚性相结合的切削刀具。

在第9,333,565号美国专利中，芯被设计为具有其中多个区段以不同形式划分的形状。图1示出了第9,333,565号美国专利的旋转切削刀具。在图1的旋转切削刀具中，虽然切削刀具的总外径D是恒定的，但是切削部24被分为四个区段28、30、32和34。每个区段具有自己的芯形状和长度。可看出，即使总外径D是恒定的，芯直径也被设计为从第一子区段28到第四子区段34增大。

发明内容

因此，考虑到在现有技术中出现的上述问题而做出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种旋转切削刀具，在所述旋转切削刀具中，通过以不同的方式设定每个排屑槽的宽度和深度来将每个排屑槽的切屑空间与实际每齿进刀量和切削长度的区段成比例地实现。

本发明的另一个目的在于提供一种旋转切削刀具，所述旋转切削刀具通过优化排屑槽几何形状而被设计为用一个端铣刀执行开槽、粗侧面切削和精侧面切削中的所有。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种旋转切削刀具，所述旋转切削刀具包括其中交替地形成有多个切削齿和多个排屑槽的切削部。在此，切削部的与中心轴线垂直的截面基于中心轴线被划分为多个限定相邻的切削齿的切削刃之间的区段的“切削齿空间”(扇区)，使得所有的切削齿空间以不同的尺寸设计或者所述多个切削齿空间中的一些切削齿空间以与其他切削齿空间的尺寸不同的尺寸设定，使得排屑槽空间的尺寸形成为与切削齿空间的尺寸成比例地变大，从而充分确保与每个切削齿的实际每齿进刀量成比例的切屑空间，以优化切削性能。另一方面，如有必要，旋转切削刀具可包括位于切削部的后端处的柄部。

根据实施例，可设计为使得：切削齿空间越大，切削齿空间的排屑槽越宽。另外，可设计为使得：切削齿空间越大，切削齿空间的排屑槽的深度越深。此外，排屑槽的深度和宽度与切削齿空间中的实际每齿进刀量成比例地变深且变宽。

芯的划分

根据实施例，切削部的每个排屑槽的排屑槽轮廓可基于芯的厚度变化而沿着中心轴线被定义为多个轮廓区段。在此，芯的厚度被测量为切削齿空间中的排屑槽的底部距中心轴线的距离。

在此，多个排屑槽轮廓区段可包括从切削部的前端到后端布置的开槽区段、粗侧面切削区段和精侧面切削区段。排屑槽轮廓区段还可包括将精侧面切削区段连接到切削部的后端的连接区段。另外，从多个区段中选择的至少一个区段可被加工为其中芯厚度随着其朝向后端而逐渐增大或减小的锥形形状或例如凹形形状或凸形形状的其他形式。

根据另一实施例，除了将切削齿空间的排屑槽形成为与切削齿空间的尺寸成比例地变深之外，除了与切削部的后端连接的区段之外的所有轮廓区段的长度也可设定为与排屑槽的深度成比例地变长。

根据旋转切削刀具，当旋转切削刀具在截面中沿中心轴线被划分为多个切削齿空间时，排屑槽形成为与切削齿空间的尺寸成比例地变宽且变深，从而针对每个切削齿确保与实际每齿进刀量的大小成比例的足够的切屑空间，并因此优化切削性能。

另外，本发明的旋转切削刀具设计为满足开槽、粗侧面切削和精侧面切削的所有加工特性，从而用一个立铣刀执行开槽、粗侧面切削和精侧面切削中的全部。

附图说明

通过以下结合附图进行的详细描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将被更清楚地理解，在附图中：

图1是示出已知的立铣刀的局部剖切侧视图；

图2是示出根据本发明的实施例的旋转切削刀具的侧视图的示图；

图3是根据本发明的实施例的沿着图2的线A-A'截取的截面图；

图4是根据本发明的另一实施例的沿着图2的线A-A'截取的截面图；以及

图5是概念性地示出根据本发明的实施例的图3的旋转切削刀具的切削芯的形状的示图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。

参照图2，根据本发明的旋转切削刀具200包括沿着中心轴线11形成的切削部210以及设置在切削部210的后端处的柄部230。旋转切削刀具对应于立铣刀、钻头等。虽然图2的旋转切削刀具200示出了传统的整体型立铣刀，但是本发明不限于此，而是还可应用于诸如头部划分型或钎焊型的各种类型的旋转切削刀具。此外，一些旋转切削刀具可在位于切削部的后端处的芯中具有螺纹槽，而不具有如图2中所示的柄部230，并且本发明也应用于这种类型的旋转切削刀具。然而，下面的描述将基于具有柄部230的图2进行描述。在旋转切削刀具不具有柄部的情况下，柄部可以对应于“切削部的后端”。

虽然图2示出了方形的旋转切削刀具200(其中，切削部210的前端201是平的)，但是本发明可应用于本领域已知的一些旋转切削刀具。例如，本发明可应用于根据切削部210和前端201的形状分类且具有恒定的D和不相等的排屑槽空间划分的球型、外圆角型(bullnose)中的全部。此外，柄部230可加工为包括直型柄、平型柄、组合型柄或锥形型柄的任何形状。

本发明应用至其的旋转切削刀具200应具有至少多个侧齿206。以图2中所示的立铣刀为例，切削部210交替地具有横过前端201和外周表面202的切削齿203和排屑槽204。切削齿203包括设置在前端201处的底齿205以及形成在外周表面上且从底齿205延伸的侧齿206。切削齿沿着切削部的沿中心轴线11设置的芯螺旋地或笔直地布置。

然而，通过根据每个切削齿的实际每齿进刀量来优化排屑槽切屑空间，本发明对旋转切削刀具的切削性能进行了优化。考虑到根据各个齿空间的中心角来确定每齿进刀量的事实，本发明的旋转切削刀具具有将各个齿空间设定为具有不同的尺寸的特征。在此，切削齿空间是指在旋转切削刀具200的与中心轴线11垂直的截面中切削齿相对于中心轴线11占据的空间(或其角度)。切削齿空间通过相邻的切削刃之间的扇区来限定。因此，具有四个切削齿的旋转切削刀具的截面被分为四个切削齿空间，具有五个切削齿的旋转切削刀具的截面被分为五个切削齿空间。在本发明中，由于切削齿空间被设定为彼此不相等，因此所有的切削齿空间可以是不同的，或者切削齿空间中的一些可以是相同的而另一些可以是不同的。

图3示出了其中形成有四个切削齿301、303、305和307以及四个排屑槽311、313、315和317使得旋转切削刀具的截面被分为四个不同的切削齿空间的示例。参照图3，如下面的式1，切削齿空间被布置为使得第一切削齿空间#11比第二切削齿空间#12大，第三切削齿空间#13比第四切削齿空间#14小，并且第二切削齿空间#12和第四切削齿空间#14具有相同的尺寸。

[式1]

#11>#12＝#14>#13

由于切削齿空间由切削齿的刃带占据的部分和排屑槽占据的部分组成，因此如果在旋转切削刀具200中的切削齿空间彼此不相等，则切削齿的刃带可具有不同的尺寸，排屑槽可具有不同的宽度，或者刃带的尺寸和排屑槽的宽度两者都可不同。然而，考虑到每齿进刀量与切削齿空间的尺寸成比例地增大的事实，优选地通过将排屑槽空间形成为与切削齿空间的尺寸成比例地变大来充分地确保切屑空间。换句话说，优选的是，形成与切削齿空间的尺寸成比例的更宽且更深的排屑槽。

图3示出了其中排屑槽的宽度彼此不相等使得排屑槽的宽度与切削齿空间的尺寸成比例地变化的示例。因此，排屑槽的宽度布置为使得第一排屑槽宽度w11比第二排屑槽宽度w12宽，第三排屑槽宽度w13比第四排屑槽宽度w14窄，并且第二排屑槽宽度w12和第四排屑槽宽度w14具有相同的大小。根据其中切削齿空间具有不同尺寸且排屑槽切屑空间随着切削齿空间的增大而增大的这种构造，排屑槽切屑空间根据每齿进刀量来优化。

此外，根据实施例，如图3中所示，排屑槽的深度可与切削齿空间的尺寸成比例地设定为不同。因此，排屑槽的深度布置为使得：第一排屑槽深度H11比第二排屑槽深度H12深，第三排屑槽深度H13比第四排屑槽深度H14浅，并且第二排屑槽深度H12和第四排屑槽深度H14具有相同的大小。根据其中排屑槽切屑空间随着切削齿空间的增大而增大的这种构造，排屑槽切屑空间根据每齿进刀量来优化。根据排屑槽的深度和宽度的每齿进刀量如下面的式2至式5所示。这里，Ft1是第一切削齿的实际每齿进刀量，Ft2是第二切削齿的实际每齿进刀量，Ft3是第三切削齿的实际每齿进刀量，Ft4是第四切削齿的实际每齿进刀量。

[式2]

[式3]

[式4]

[式5]

另一方面，优选的是，根据实际每齿进刀量，排屑槽的宽度和深度设计为彼此相关。因此，如在图3中，排屑槽越宽则排屑槽越深，相反地，排屑槽越窄则排屑槽越浅。此外，在设计立铣刀时，排屑槽的宽度和深度可能与实际每齿进刀量不成正比，而是取决于切削齿的刃带宽度。

本发明具有如下特征：切削齿空间的尺寸不相同，将哪个切削齿空间设定为相对大将根据相应的旋转切削刀具200的设计目的来确定。相应地，虽然如在图3中，第一切削齿空间#11比第二切削齿空间#12大，第三切削齿空间#13比第四切削齿空间#14小，第二切削齿空间#12和第四切削齿空间#14具有相同的的尺寸，但这仅是示例，本发明也可根据旋转切削刀具的设计规格而采用其他布置。

此外，在图3的示例中，第一切削齿301的刃带宽度设计为相对最窄，而第一切削齿空间#11形成为具有最大尺寸。然而，这种设计仅是一种选择。换句话说，切削齿的刃带宽度在本发明中不是重要的事项，并且可根据切削齿的强度和/或最大切削力来选择性地确定。

图4示出了如下的示例：5个切削齿和5个排屑槽形成为使得第一切削齿空间#21比第二切削齿空间#22大、第二切削齿空间#22比第三切削齿空间#23大、第四切削齿空间#24具有与第二切削齿空间#22的尺寸相同的尺寸且第五切削齿空间#25具有与第三切削齿空间#23的尺寸相同的尺寸。

根据切削齿空间的尺寸，第一排屑槽深度H21比第二排屑槽深度H22深，第二排屑槽深度H22比第三排屑槽深度H23深，第四排屑槽深度H24具有与第二排屑槽深度H22的大小相同的大小，第五排屑槽深度H25具有与第三排屑槽深度H23的大小相同的大小。与排屑槽深度相关联地，第一排屑槽宽度w21比第二排屑槽宽度w22宽，第二排屑槽宽度w22比第三排屑槽宽度w23宽，第四排屑槽宽度w24具有与第二排屑槽宽度w22的大小相同的大小，第五排屑槽宽度w25具有与第三排屑槽宽度w23的大小相同的大小。

如在图3和图4中，根据旋转切削刀具的设计规格，排屑槽的截面几何形状是可选的。因此，排屑槽的截面几何形状可考虑切削齿的强度、凸纹形状等来设计。

此外，由于图3和图4中的排屑槽的深度不完全相同，因此切削部210的芯不是圆形的。因此，在图3和图4的旋转切削刀具中，不可能限定芯直径，但是可限定沿着中心轴线的齿和排屑槽轮廓的深度。然而，相对于中心轴线11，在每个截面中排屑槽形成得越深，从最大排屑槽深度到中心轴线的距离越小。

实施例(图5)

此外，通过沿着中心轴线将每个排屑槽轮廓定义为多个区段来将切削部210的芯500定义为多个区段，本发明的旋转切削刀具200还可设计为执行开槽、粗侧面切削和精侧面切削中的全部。

应注意，由于旋转切削刀具200被构造为使得具有不同深度的排屑槽螺旋地盘绕芯500，因此芯500的与中心轴线11垂直的截面形状沿着中心轴线不是恒定的。因此，如果说在一些区段中从最大排屑槽深度到芯500的中心轴线的距离逐渐增大、相等或逐渐减小，则从最大排屑槽深度到芯的中心轴线的距离需要通过各个排屑槽的底部相对于中心轴线11的高度来测量。换句话说，在区段中从最大排屑槽深度到芯的中心轴线的距离恒定表示尽管多个排屑槽的底部距离中心轴线11的高度彼此不同但是多个排屑槽的底部距离中心轴线11的高度在指定区段中不变，并且在区段中从最大排屑槽深度到中心轴线的距离增大表示多个排屑槽的不同底部高度在指定区段中逐渐增大。

图5概念性地示出了图3的旋转切削刀具的切削部210的芯500沿着各个排屑槽的排屑槽轮廓。然而，图5不是切割部210的横切穿过中心轴线11的单个面的侧截面图。图5中的(a)部分示出了沿着第一排屑槽311的底部的芯的排屑槽轮廓或芯的排屑槽高度变化，图5中的(b)部分示出了沿着第二排屑槽313和第四排屑槽317的底部的芯的排屑槽轮廓或芯的排屑槽高度变化，并且图5中的(c)部分示出了沿着第三排屑槽315的底部的芯的排屑槽轮廓或芯的排屑槽高度变化。参照图5，如在图3中，排屑槽的深度被设计为使得：第一排屑槽深度H11比第二排屑槽深度H12深，第三排屑槽深度H13比第四排屑槽深度H14浅，第四排屑槽深度H14具有与第二排屑槽深度H12的大小相同的大小。此外，芯500设置为使得四个排屑槽311、313、315和317的底部以如下方式加工：从切削部201的前端朝向柄部230设置开槽区域、粗侧面切削区域和精侧面切削区域，最后在精侧面切削区域与柄部230之间设置连接部。

在图5中，从最大排屑槽深度到芯500的中心轴线的距离被设计为使得：从最大排屑槽深度到芯500的中心轴线的距离在开槽区域和粗侧面切削区域中保持恒定，而从最大排屑槽深度到芯的中心轴线的距离在精侧面切削区域中以锥形形状逐渐增大。在精侧面切削区域中，第一排屑槽311、第二排屑槽313、第三排屑槽315和第四排屑槽317的深度也成比例地减小，以配合锥形形状。

此外，图5的实施例实现为使得：除了排屑槽的宽度和深度与切削齿空间的尺寸成比例地改变之外，开槽区域、粗侧面切削区域和精侧面切削区域的长度也与切削齿空间的尺寸成比例地改变。也就是说，开槽区域、粗侧面切削区域和精侧面切削区域的长度与排屑槽的宽度和深度成比例地改变。因此，构造为使得：第一排屑槽311的开槽区域S#1比第二排屑槽313的开槽区域S#2长，第三排屑槽315的开槽区域S#3比第四排屑槽317的开槽区域S#4短，第四排屑槽317的开槽区域S#4具有与第二排屑槽313的开槽区域S#2的长度相同的长度。类似地，构造为使得：第一排屑槽311的粗侧面切削区域R#1比第二排屑槽313的粗侧面切削区域R#2长，第三排屑槽315的粗侧面切削区域R#3比第四排屑槽317的粗侧面切削区域R#4短，第四排屑槽317的粗侧面切削区域R#4具有与第二排屑槽313的粗侧面切削区域R#2的长度相同的长度。此外，构造为使得：第一排屑槽311的精侧面切削区域F#1比第二排屑槽313的精侧面切削区域F#2长，第三排屑槽315的精侧面切削区域F#3比第四排屑槽317的精侧面切削区域F#4短，第四排屑槽317的精侧面切削区域F#4具有与第二排屑槽313的精侧面切削区域F#2的长度相同的长度。相应地，构造为使得：第一排屑槽311的连接部E#1比第二排屑槽313的连接部E#2短，第三排屑槽315的连接部E#3比第四排屑槽317的连接部E#4长，第二排屑槽313的连接部E#2具有与第四排屑槽317的连接部E#4的长度相同的长度。

通过该实施例，可在开槽区域中确保足够的切屑空间的同时确保芯的刚性并且使侧面切削区域中的振动最小化。

尽管已经相对于优选实施例示出并描述了本发明，但是本发明不限于上述具体实施例，显而易见的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神的情况下，本发明所属领域的技术人员可进行各种修改，并且这些修改不应从本发明的技术精神或范围单独理解。

Claims (10)

1.一种旋转切削刀具，包括：

切削部，多个切削齿和多个排屑槽交替地形成在切削部中，其中，切削部的与中心轴线垂直的截面基于中心轴线被划分为多个限定相邻的切削齿的切削刃之间的区域的切削齿空间，使得所有的切削齿空间以不同的尺寸设计或者所述多个切削齿空间中的一些切削齿空间以与其他切削齿空间的尺寸不同的尺寸设定，其中，每个切削齿空间中的排屑槽空间与切削齿空间的尺寸成比例地形成。

2.根据权利要求1所述的旋转切削刀具，其中，所述切削齿空间越大，所述切削齿空间中的所述排屑槽的宽度越宽。

3.根据权利要求1所述的旋转切削刀具，其中，所述切削齿空间越大，所述切削齿空间中的所述排屑槽的深度越深。

4.根据权利要求1所述的旋转切削刀具，其中，所述切削齿空间越大，所述切削齿空间中的所述排屑槽的宽度越宽且深度越深。

5.根据权利要求1所述的旋转切削刀具，其中，随着所述切削齿空间与所述切削齿空间中的实际每齿进刀量成比例地变大，所述切削齿空间中的所述排屑槽的深度变深。

6.根据权利要求1所述的旋转切削刀具，其中，所述切削齿空间中的所述排屑槽的宽度与所述切削齿空间中的实际每齿进刀量成比例地变化。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转切削刀具，其中，所述切削部的每个排屑槽的排屑槽轮廓基于从每个排屑槽的底部到中心轴线的距离的变化而沿着中心轴线被定义为多个区段。

8.根据权利要求7所述的旋转切削刀具，其中，排屑槽深度与切削齿空间的尺寸成比例地形成，并且排屑槽轮廓的每个区段的长度与排屑槽深度成比例地形成。

9.根据权利要求7所述的旋转切削刀具，其中，所述多个排屑槽轮廓包括从切削部的前端至后端布置的开槽区段、粗侧面切削区段、精侧面切削区段和连接部。

10.根据权利要求9所述的旋转切削刀具，其中，选自开槽区段、粗侧面切削区段和精侧面切削区段中的至少一个区段具有从排屑槽的底部到中心轴线的距离随着其朝向后端逐渐减小或增大的形状。

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