CN114309747A

CN114309747A - 用于高进给面铣削的切削刀片

Info

Publication number: CN114309747A
Application number: CN202111119702.8A
Authority: CN
Inventors: J-L.杜福尔
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2022-04-12
Also published as: US20220097151A1; DE102021123259A1

Abstract

本发明公开了用于高进给面铣削的切削刀片，例如用于面铣削、槽铣削、插铣和坡走铣操作等铣削操作的切削刀片。切削刀片展现了良好的切削刃强度和独特的切削刃几何形状的组合，以允许以相对较高的进给率进行铣削操作。切削刀片包含至少四个凸面切削刃。正方形切削刀片的某些实施例将具有通过鼻状拐角区域连接的四个凸面切削刃。每个凸面切削刃包含第一弯曲切削刃区域，所述第一弯曲切削刃区域的半径大于或等于可内切于顶部表面上的最大圆的半径的两倍。每个凸面切削刃还包含第二弯曲切削刃区域，所述第二弯曲切削刃区域邻近所述第一弯曲切削刃区域且半径小于或等于内切圆的直径。每个凸面切削刃还可以包含一个或多个平直切削刃区域。

Description

用于高进给面铣削的切削刀片

相关申请交叉注释

本申请涉及第10/686,308号申请，现在为第7,220,083号美国专利。

技术领域

本公开涉及切削刀片。切削刀片展现了良好的切削刃强度和独特的切削刃几何形状的组合，因此允许以相对较高的进给率进行铣削操作，并且在面铣削(face milling)、槽铣削(slot milling)、插铣(plunge milling)和坡走铣(ramping)操作中可能有用。

背景技术

作为从工件去除金属的主要手段，传统的机械加工方法包含切屑切削(例如，铣削、钻孔、车削、拉削、绞孔和攻丝)和研磨机械加工方法(例如，打磨、研磨和抛光)。一种此类切屑切削工艺，即面铣削，可有助于在工件上产生大体平坦的表面。面铣削工具或“面铣削机”之所以如此命名，是因为平坦的工件表面是通过工具的面的动作产生的，但外径或斜面切削刃去除了大部分原料。在典型应用中，包括数个切削刀片的铣削刀具可以由垂直于被铣削表面定位的轴线上的心轴驱动。ASM手册，第16卷，“机械加工”(ASM Intern.1989)第311页。

铣削刀具产生具有可变切屑厚度的切屑。切屑厚度可以用于计算施加在铣削切削工具的刃上的每单位长度的最大负载。此类计算中通常使用平均切屑厚度。可以计算出平均切屑厚度，并且在相同的材料进给率下，所述平均切屑厚度随切削刀片导程角的变化而变化。对于具有四个相同切削刃的大体正方形刀片的实例，较大的导程角在机械加工期间产生较大的平均切屑厚度，而较小的导程角产生平均厚度较小的切屑。图1示出了平均切屑厚度随刀片导程角的变化而变化的实例。

图1示出了相同的正方形刀片机械加工与90°、75°和45°导程角的比较。如图1所示，随着导程角从图1A中的45°增加到图1B中的75°再到图1C中的90°，平均切屑厚度(h_m)从托架的每齿进给量(“fz”)的0.71倍增加到0.97×(fz)再到fz。更一般地，可以使用等式h_m＝fz x sin(K)来计算正方形切削刀片或具有用于铣削刀具的线性切削刃的任何其它刀片的切屑厚度，其中h_m是平均切屑厚度，并且K是以图1所示的方式测得的导程角。

图1还指示在图1所示的那些情形当中，当使用90°的导程角时接合切削刃的长度最短，而当导程角为45°时接合切削刃的长度最长。这意味着，对于相同的切削深度，与使用45°的导程角的铣削相比，使用90°的导程角的面铣削在切削刃上每单位长度产生的负载更大，即应力更高。减少每单位长度的切削刃上的负载的优点在于，减少的负载允许在铣削操作中采用更高的每齿进给率并延长工具寿命。因此，为了减小接合切削刃上的平均负载应力，显然有利的是使用较小的导程角。

正方形切削刀片通常由于其是坚固、可转位的且具有多个切削刃而用于面铣削和插铣中。在以下内容中公开了具有大体正方形或以其它方式包含四个切削刃的刀片：例如，第5,951,212号和第5,454,670号美国专利、第2002/0098049号美国公开申请、第08174327号日本参考以及第WO 96/35538号PCT公开案。这些参考中公开的刀片的共同特征是四个平直的切削刃和每个切削刃下方的平面或斜面平面间隙(或离隙(relief))表面的组合。

然而，众所周知的是圆形刀片具有最坚固的切削刃。另外，圆形刀片提供最大拐角强度、良好材料去除能力、机械抗冲击性和热分布的良好组合。因而，圆形面铣削刀片通常用于要求更高的机械加工应用，例如涉及难切削材料、硬质材料、耐热材料、钛等的机械加工应用。在使用圆形切削刀片的面铣削中，导程角和接合切削刃的大小将随切削深度的变化而变化，如图2所示。由圆形刀片产生的平均切屑厚度可以大致通过以下等式(I)计算出：

其中h_m是平均切屑厚度，f_z是铣削刀具的每齿进给量，R是圆形切削刀片的半径，并且doc是切削深度。上述等式指示当利用圆形刀片进行切削时，切屑厚度随切削深度的变化而变化。相比而言，当使用正方形刀片或具有线性切削刃的任何刀片进行切削时，如果导程角保持相同，则切屑厚度不会随切削深度的变化而改变(见图1)。

此外，对于相同的切削深度，圆形刀片的较大半径始终对应于接合工件的切削刃的较大部分，如图3所示，因此减小切削刃上每单位长度的平均应力负载。这继而允许在面铣削期间使用较高的进给率，而不会有损质量。然而，圆形切削刀片的限制在于，半径越大，刀片越大。由于圆形刀片的大小，因此在常规的机械加工应用中，难以充分利用由半径越来越大的所述圆形刀片提供的优点。

因此，为了克服在利用较大导程角进行面铣削时可能会遇到的切削刃负载问题，需要改进切削刀片的设计，这允许在面铣削操作期间明显提高进给率，同时保持切削刀片的工具寿命相同或更长。并且，需要新切削刀片，所述新切削刀片类似于圆形刀片，展现了良好的切削刃强度，但也类似于正方形刀片，包含多个切削刃、是可转位的且还允许较高的进给率和良好的耐磨性质。

发明内容

在面铣削操作期间明显增大进给率同时维持相同或更长的切削刀片的工具寿命的问题通过以下方式得以解决：提供用于面铣削、槽铣削、插铣和坡走铣操作等铣削操作的切削刀片。切削刀片展现了良好的切削刃强度和独特的切削刃几何形状的组合，因此允许以相对较高的进给率进行铣削操作。所述切削刀片包含至少四个凸面切削刃。正方形切削刀片的某些实施例将具有可以通过鼻状拐角区域(nose corner region)连接的四个凸面切削刃。凸面切削刃可以包括圆弧、椭圆的一部分、抛物线的一部分、多段样条曲线、直线或其组合中的至少一个。在一个方面中，凸面切削刃包括由圆弧形成的第一弯曲切削刃区域，所述圆弧的半径大于或等于可内切于顶部表面上的最大圆的半径的两倍。凸面切削刃进一步包括由圆弧形成的第二较小弯曲切削刃区域，所述圆弧的半径小于或等于可内切于顶部表面上的最大圆的直径。

本公开的某些实施例涉及切削刀片，所述切削刀片提供具有非常大半径的圆形切削刀片和适用于在各种机械加工应用中常规使用的常规大小的正方形刀片所展示的优点的组合。本公开的某些其它实施例涉及一种铣削切削工具，其包含本公开的独特切削刀片的实施例。

这些特征由切削刀片的实施例提供，所述切削刀片具有由曲率半径圆弧限定的相对较大的切削刃。切削刀片维持刀片的整体大小，如通过内切圆的直径测得的。另外，本发明的实施例可以包括包含具有四个或更多个侧的任何标准切削刀片的一般形状的切削刀片，例如正方形、菱形或其它切削刀片形状。在最简单的形式中，凸面切削刃呈圆弧形式，当与内切于刀片顶面中的圆的半径相比时，所述圆弧的半径相对较大。如果圆弧的半径大于或等于可内切于切削刀片的顶部表面中的最大圆的半径的两倍，则圆弧被认为是相对较大的。在某些实施例中，圆弧的半径可以大于或等于可内切于切削刀片的顶部表面中的最大圆的半径的5倍，对于某些其它应用，如果圆弧的半径大于或等于可内切于切削刀片的顶部表面中的最大圆的半径的10倍，则结果可以得到改进。凸面切削刃最初被描述为包括圆弧，然而，凸面切削刃还可以包括椭圆的部分、抛物线的部分、多段线曲线、直线和其组合。

另外，这些特征由切削刀片的实施例提供，所述切削刀片具有由曲率半径圆弧限定的相对较小的切削刃。

因此，本公开的切削刀片的实施例可以具有凸面切削刃，例如具有相对较大曲率半径的第一弯曲切削刃部分和具有相对较小曲率半径的第二弯曲切削刃部分，以生成相对平滑的切口和相对薄的切屑。与具有用于相同切削深度的线性切削刃的类似常规切削刀片相比，具有包含第一弯曲切削刃部分和第二弯曲切削刃部分的凸面切削刃的切削刀片允许凸面切削刃的接合长度更长。这减小了切削刃的每单位长度的应力，并且与面铣削操作中采用的常规切削刀片相比，这又可能实现使用相对较高的进给率或更长的刀片寿命。凸面切削刃可以形成于切削刀片的一个或多个套箍刃上。优选地，所有切削表面具有凸面刃，使得工具是完全可转位的。

本公开的切削刀片的某些实施例提供的另一优点利用了正方形刀片的特征，所述正方形刀片的特征通常相对稳固地设计成使得除了高进给面铣削应用之外，相同的切削刀片还可以用于插铣、槽铣削和坡走铣应用。并且，根据本公开的某些实施例的刀体可以被设计成使得相同的刀片凹槽可以接收具有不同凸面切削刃的切削刀片。因此，本公开的切削刀片的实施例以类似于圆形切削刀片的方式执行，所述圆形切削刀片具有相对较大的半径，但用途更广。

本公开的实施例包含具有四个凸面切削刃的大体正方形的切削刀片。所述四个切削刃可以是或可以不是相同的。另外，凸面主切削刃中的每一者可以包含若干区域。例如，第一区域可以包含具有相对较大曲率半径的第一弯曲切削刃部分，并且第二区域可以包含具有相对较小曲率半径的第二弯曲切削刃部分。每个凸面切削刃的一个或多个其它区域包含大体平直或线性的切削刃，如从切削刀片的顶部部分观察到的。第一弯曲切削刃部分可以在切削刀片的侧表面上形成大体锥形的间隙(或离隙)表面。类似地，第二弯曲切削刃部分可以在切削刀片的侧表面上形成大体锥形的间隙(或离隙)表面。基于相对较大的圆形刀片和常规大小的正方形刀片的组合特征，下文已开发、论述了一种方法，所述方法可以用于指导本发明的切削刀片的某些实施例的切削刃的设计。

某些机械加工应用需要相对积极的切削动作。因此，断屑前面(chip breaker)特征还可以任选地包含在本公开的切削刀片的实施例中。断屑前面通常是铣削切削刀片的顶部部分处的内置特征。断屑前面的特征通常在于某些基本参数，例如凹槽深度、前角、后壁垫(land)和凹槽宽度，以在面铣削操作中提供切削功率更低的积极切削动作。

根据本公开的切削刀片的实施例可以例如面铣削刀片的形式产生。相对于具有线性切削刃的常规切削刀片，根据本发明的切削刀片的实施例可以允许进给率明显增大、径向切削力减小、材料去除率增大且切削刀片寿命延长。切削刀片的实施例可以被稳固地设计成用于其它铣削操作，例如坡走铣、插铣和槽铣削。另外，本文中所公开的刀体的某些实施例被设计成包含将接纳具有凸面切削刃的各种切削刀片的刀片凹槽。

在一个方面中，切削刀片包括顶部表面；周长小于所述顶部表面的周长的底部表面；连接所述顶部表面和所述底部表面的多个侧表面；形成于各侧表面与所述顶部表面之间的相交处的凸面切削刃；以及连接相邻凸面切削刃的鼻状拐角区域。每个凸面切削刃包括第一弯曲切削刃区域，所述第一弯曲切削刃区域形成的半径大于或等于可内切于所述顶部表面上的最大圆的半径。每个凸面切削刃还包括安置在所述第一弯曲切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第二弯曲切削刃区域。第二弯曲切削刃区域形成的半径小于或等于可内切于所述顶部表面上的最大圆的直径。

在另一方面中，切削刀片包括顶部表面；周长小于所述顶部表面的周长的底部表面；连接所述顶部表面和所述底部表面的多个侧表面；形成于各侧表面与所述顶部表面之间的相交处的凸面切削刃；以及连接相邻凸面切削刃的鼻状拐角区域。每个凸面切削刃包括第一弯曲切削刃区域，所述第一弯曲切削刃区域形成的半径大于或等于可内切于所述顶部表面上的最大圆的半径。每个凸面切削刃包括安置在所述第一弯曲切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第二弯曲切削刃区域，所述第二弯曲切削刃区域形成的半径小于或等于可内切于所述顶部表面上的所述最大圆的直径。每个凸面切削刃包括安置在所述第二弯曲切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第一平直切削刃区域。每个凸面切削刃包括安置在所述第一平直切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第二平直切削刃区域。

在考虑某些实施例的以下描述之后，这些和其它优点将显而易见。

附图说明

虽然示出了本发明的各种实施例，但是所示出的特定实施例不应被解释为限制权利要求。预期在不脱离本发明范围的情况下可以进行各种改变和修改。

图1A、图1B和图1C示出了典型铣削操作中的针对具有线性切削刃的大体正方形切削刀片的45°、75°和90°的导程角的平均切屑厚度变化，其中从刀片到刀片切削刃的行进方向测量导程角；

图2示出了典型铣削操作中的针对用于具有大体圆形切削刀片应用的不同切削深度的平均导程角变化；

图3示出了用于5mm切削深度的铣削操作的直径为80mm的大体圆形切削刀片与直径为20mm的大体圆形切削刀片之间的接合切削刃的大小的差异；

图4A-图4D示出了根据本公开的具有凸面切削刃的切削刀片的实施例的不同视图；

图5A-图5E示出了根据本公开的切削刀片的凸面切削刃的若干配置；

图6A-图6E描绘了用于制备本公开的具有至少四个凸面切削刃的切削刀片的实施例的方法中的步骤；

图7是包括具有保持多个切削刀片的刀体的铣削刀具的透视图；

图8包含包括切削刀片的刀体的一个凹槽的放大图，并且描绘了本公开的切削刀片的实施例的切削刃与刀体的轴线之间的关系，并且还描绘了切削刀片相对于工件的线性移动，以用于面铣削、插铣、槽铣削和坡走铣；

图9A-图9B是本发明的切削刀片的实施例的俯视平面图和侧视图，所述切削刀片包括分别由半径分别为22.5mm和55mm的圆弧限定的凸面切削刃；并且

图10是沿着本公开的切削刀片的另一实施例的线A-A截取的俯视图和横截面视图，所述切削刀片包括顶部表面上的断屑几何形状。

具体实施方式

现参考图4，示出了根据本公开的方面的切削刀片10。切削刀片10可以由适用于切削应用的各种材料中的任一种制成。此类材料包含耐磨材料，例如钢、金属碳化物、复合材料，例如氧化铝和金属碳化物、碳化钨、陶瓷、金属陶瓷以及本领域已知的其它材料。在某些应用中，可以另外涂布材料以改进切削刀片的性质。

如图4A，切削刀片10包含中心孔13、顶面15、底面17和围绕顶面15的周边形成的四个相同的凸面切削刃12。图4B是在顶部表面15处向下看到的切削刀片10的俯视图。图4C是切削刀片10的侧面正视图。图4D是在底部表面17处向下看到的切削刀片10的仰视图。

本文所使用的方向性短语，例如，左、右、前、后、顶部、底部及其派生词与附图中所示的元件的方向有关，并且不限制权利要求，除非其中明确陈述。在所有附图中，相同的部件具有相同的附图标记。

如本文在整个说明书以及权利要求书中所使用的近似语言可以应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大约”和“大体上”等词语修饰的值并不限于所指定的确切值。在至少一些情况下，近似用语可对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以是组合和/或互换的，除非上下文或语言另外指示，否则此类范围得以确定并且包含其中所含的所有子范围。

在整个文本和权利要求中，关于值的范围(例如，“约22wt％到35wt％”)使用词“约”旨在修饰所列举的高值和低值两者，并反映与测量值、有效数字和互换性相关联的变化的模糊程度，这些全是如本公开所属领域的普通技术人员应当理解的。

出于本说明书的目的(除在操作实例中之外)，除非另有说明，否则表示成分的数量和范围、工艺条件等的所有数值在所有情况下均应理解为由术语“约”修饰。因此，除非相反地指示，否则本说明书和所附权利要求书中所阐述的数值参数是可以取决于试图通过实施例获得的所需结果而变化的近似值。至少，并且不试图将等同原则的应用限制在权利要求的范围，每个数值参数应至少根据所报告的有效数字的数值并通过采用一般的舍入技术进行解释。此外，如本说明书和所附权利要求中所使用，除非明确且不含糊地限于一个指代，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“所述”旨在包含复数指代。

尽管阐述广泛范围的数值范围和参数是近似值，但在特定实例中所阐述的数值是尽可能精确报告的。然而，任何数值都固有地包含某些误差，这些误差必定是由它们各自的测试测量中发现的标准偏差(包含测量仪器中发现的标准偏差)引起的。同样，应当理解，本文列举的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。例如，范围“1至10”旨在包含在所列举的最小值1与所列举的最大值10之间并且包含所述最小值和最大值的所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值的范围。因为公开的数值范围是连续的，所以它们包含最小值和最大值之间的每个值。除非另有明确说明，否则本申请中指定的多种数值范围均为近似值。

在以下说明书和权利要求中，引用了具有以下含义的多个术语。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包含复数指代。

“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且所述描述包含事件发生的实例和事件不发生的实例。

应理解，已简化了本公开的某些描述，以仅示出与清楚理解本发明有关的那些元素和限制，同时为了清楚起见，省去了其它元素。在考虑本发明的说明书之后，本领域普通技术人员将认识到，为了实施本发明，可能需要其它元素和/或限制。然而，由于普通技术人员在考虑本公开时可以容易地确定此类其它元素和/或限制，并且所述此类其它元素和/或限制对于完全理解本公开不是必需的，因此本文中不提供对此类元素和限制的论述。例如，如本文中所论述，本公开的切削刀片可以面铣削刀片和用于材料切削的其它刀片的形式产生。本领域的普通技术人员通常理解制造切削刀片的方式，且因此本文中不详细描述所述方式。另外，所有的几何形状都应被认为是由术语“大体”修饰的，其中术语“大体”意味着形状形成于切削刀片的典型设计和制造公差内。

此外，本公开的某些实施例采用面铣削切削刀片的形式。然而，应理解，本发明可以各种形式体现且应用于本文中未具体和明确描述的最终用途。例如，本领域的技术人员应了解，本发明的实施例可以制造为用于从工件去除金属的其它方法的切削刀片。

如图4A、4C和4D所示，切削刀片10的每个侧表面19包含形成于凸面切削刃12与围绕底面17的周边形成的底刃21之间的若干间隙表面。在所示实施例中，四个凸面切削刃12中的每一者由若干区域组成，包含具有较大曲率半径的第一弯曲切削刃区域25、具有相对较小曲率半径的第二弯曲切削刃区域37以及两个大体平直的(即，线性或平面的)切削刃区域27、29。切削刀片10的四个凸面切削刃12通过具有曲率半径的鼻状拐角区域23连接。

尽管切削刀片10的凸面切削刃12包含这些若干区域，但本公开的切削刀片10的替代实施例可以包含四个相同的凸面切削刃12，其包含鼻状拐角区域23、具有较大曲率半径的第一弯曲切削刃区域25和具有相对较小曲率半径的第二弯曲切削刃区域37。在此实施例中，第二弯曲切削刃区域37从鼻状拐角区域23延伸到第一弯曲切削刃区域23，并且第一弯曲切削刃区域23从第二弯曲切削刃区域37延伸到相邻的鼻状拐角区域23。因此，此类实施例不包含一个或多个大体平直的(即，线性的)切削刃区域27、29。

再次返回到图4的切削刀片10，切削刀片10的切削刃12的每个区域在刀片10的侧表面19上形成不同的间隙表面。每个此间隙表面从刀片10的切削刃12向下延伸到底刃21。例如，如图4A、4C和4D最优所示，锥形间隙表面26从鼻状拐角区域23向下延伸，锥形间隙表面28从弯曲切削刃区域25向下延伸，平面间隙表面31从平直切削刃区域27向下延伸，平面间隙表面33从平直切削刃区域29向下延伸，并且锥形间隙表面39从弯曲切削刃区域37向下延伸。切削刀片10还包含次级平面间隙表面35，其从间隙表面28、31、33和39延伸到刀片10的底刃21。

根据图4的实施例，大体正方形的切削刀片10包含四个凸面切削刃12，每个凸面切削刃12包括具有相对较大曲率半径的弯曲切削刃区域25和具有相对较小曲率半径的弯曲切削刃区域37，如从切削刀片10的顶部表面15观察到的。弯曲切削刃区域25的较大曲率半径优选地明显大于刀片的内切圆的标称半径。然后，弯曲切削刃区域25在切削刀片10的侧表面19上形成锥形间隙表面28。另外，弯曲切削刃区域37的较小曲率半径优选地小于弯曲切削刃区域25的曲率半径。然后，弯曲切削刃区域37在切削刀片10的侧表面19上形成锥形间隙表面39。

因此，应理解，本公开的切削刀片的不同实施例可以包含不同切削刃区域的不同组合。例如，图5示出了本公开的刀片的切削刃的各种设计。

图5A-图5E描绘了本公开的包含四个相同凸面切削刃12的大体正方形的切削刀片10的各种配置。在图5A所示的变化种，切削刀片10仅包含鼻状拐角区域23和一个弯曲切削刃区域25。切削刀片10的切削刃12不含第二弯曲切削刃区域37和平直切削刃区域27、29。

图5B描绘了包含四个相同凸面切削刃12的大体正方形的切削刀片10。切削刀片10包含鼻状拐角区域23、一个大体平直切削刃区域27和具有相对较大曲率半径的弯曲切削刃区域25。

图5C描绘了包含四个相同切削刃12的大体正方形的切削刀片10。切削刀片10包含鼻状拐角区域23、两个相邻的大体平直切削刃区域27、29和具有相对较大曲率半径的弯曲切削刃区域25。

图5D描绘了包含四个相同凸面切削刃12的大体正方形的切削刀片10。切削刀片10包含鼻状拐角区域23、三个相邻的大体平直切削刃区域27、29和30以及具有相对较大曲率半径的弯曲切削刃区域25。

图5E描绘了包含四个相同凸面切削刃12的大体正方形的切削刀片10。切削刀片10包含鼻状拐角区域23、两个相邻的大体线性的切削刃区域27和29、具有相对较小曲率半径的弯曲切削刃区域25和具有相对较小曲率半径的弯曲切削刃区域37。应了解，切削刀片10可以仅包含鼻状拐角区域23以及弯曲切削刃区域25和37，并且省略平直切削刃区域27、29和30中的任一者或全部。应了解，本发明不受平直切削刃区域的数目限制，并且本公开的切削刀片10可以包含任何数目的平直切削刃区域。

根据本公开的切削刀片的某些实施例可以大体上以数学方式描述。作为实例，参考图6。如本领域中已知的，内切圆A(即，安装在刀片表面的周长内的具有最大半径的圆)的直径大体上表示切削刀片的大小。参考图6A，假设笛卡尔坐标系X-Y的原点(即，点(0，0))在正方形210表示的切削刀片的内切圆A的中心CP处。内切圆A的等式可以描述为以下等式(II)：

x²+y²＝R² (II)

其中R为内切圆A的半径，如图6B-6E所示。根据本公开的切削刀片的某些实施例的独特特征是相对较大的圆形刀片的某些优点与常规大小的正方形刀片的某些优点的组合。大体正方形的刀片的四个凸面切削刃12中的每一者将在其接触点P₁、P₂、P₃和P₄处与内切圆A相切，这可以通过上述等式确定，并且可以由一组内切圆的切线等式表示，如下所示：

P_ixx+P_iyy＝R² (III)

其中P_ix和P_iy是切点的X和Y坐标，并且i＝1、...、4。正方形刀片由导程角α设定，所述导程角与利用圆形刀片进行切削时要使用的最大切削深度M直接相关。假设图6A中的正方形210的底侧在点P₁(P_1x、P_1y)处与内切圆A相切。在此情况下，P_1x＝R*(sinα)并且P_1y＝-R*(cosα)。通过将点(P_1x、P_1y)代入上述等式，我们得到针对图6中的正方形210的下侧的以下等式(IV)：

(sinα)x-(cosα)y＝R² (IV)

其中α为导程角。

限定图6中的正方形210的其余三个侧的等式可以类似的方式导出，从而得到以下等式组(V)(VIII)，一个等式表示正方形的各侧：

(sinα)x-(cosα)y＝R² (V)

(cosα)x+(sinα)y＝R² (VI)

-(sinα)x+(cosα)y＝R² (VII)

-(cosα)x-(sinα)y＝R² (VIII)

以上等式组基于对应于最大切削深度的导程角。刀片的四个切削刃中的每一者，包含具有相对较大曲率半径的弯曲切削刃区域，将由等式(V)-(VIII)形成的正方形210限制。

一旦已生成上述等式(V)-(VIII)，则根据本公开的切削刀片的某些实施例的设计过程内的第一步骤可以是将第一区域添加到凸面切削刃12，例如在此实例中，添加到切削刀片10的弯曲切削刃区域25。在正方形210的各侧上提供半径大于内切圆A的相同长度的圆弧，所述圆弧在点P₁-P₄中的每一者处与正方形210相切。图6A示出了四个相同地放置的圆弧，即圆弧B₁-B₄。在切削刀片的某些实施例中，平行于正方形210的特定相邻侧的四个圆弧B₁-B₄中的每一者的弦限定弯曲切削刃区域25。因此，参考图6A，圆弧B₁的曲率半径大于内切圆A的半径。虚线Z平行于正方形210的与圆弧B₁相切的侧，并且在点z′和z″处与圆弧B₁相交。圆弧B₁的弦C₁的中间点z′和z″限定切削刀片10的弯曲切削刃区域25。弯曲切削刃区域25的相对较大曲率半径由虚线段R₁和R₂指示，所述虚线段从弯曲切削刃区域25朝向限定圆弧B₁的曲率半径的中心点延伸。如果延长圆弧B₁的曲率半径的距离，则线段R₁和R₂将在远超出圆A的中心点CP的点处相交。

由于圆弧B₁的弦C₁平行于正方形210的相邻侧，因此限定的具有较大曲率半径的弯曲切削刃区域25具有相同的导程角，如上文等式组中所见。在本公开中提供的切削刀片主要用于面铣削的情况下，圆弧B₁的左下端点Z₁处的切线垂直于刀体轴线，使得可以确保垂直于刀体轴线的经机械加工的表面具有良好的表面光洁度。然后，根据图6所示的几何关系，弦C₁的长度可以表示为最大切削深度M和导程角α的函数，如以下等式(IX)中所示：

L_b＝M_max/sinα (IX)

在此情况下，通过以下公式确定弯曲切削刃区域的曲率半径R_b：

其中θ是圆弧中心角。

根据本公开的切削刀片的某些实施例的设计过程内的第二步骤可以是将第二区域添加到凸面切削刃12，例如在此实例中，添加到与形成切削刀片10的弯曲切削刃区域25的圆弧的左下端点和/或右下端点相切的弯曲切削刃区域37。因此，邻近弯曲切削刃区域25提供半径小于内切圆A的相同长度的圆弧。图6B示出了四个相同地放置的圆弧，即圆弧B₅-B₈。在切削刀片的某些实施例中，四个圆弧B₅-B₈中的每一者的弦C₅-C₈限定弯曲切削刃区域37。因此，参考图6B，圆弧B₅的曲率半径等于或小于内切圆A的直径(即，2×R)。圆弧B₅的弦C₅限定切削刀片10的弯曲切削刃区域37。与弯曲切削刃区域25相比，弯曲切削刃区域37的相对较小曲率半径由虚线段R₃和R₄指示，所述虚线段从弯曲切削刃区域37朝向限定圆弧B₅的曲率半径的中心点O延伸，所述虚线段在内切圆A的中心点CP处或之前的点处相交。

安置在凸面切削刃12的鼻状拐角区域23与弯曲切削刃区域25之间的弯曲切削刃区域37使得明显增大或减小切削深度(DOC)。对于高进给面铣削切削操作，例如约0.5mm的DOC小幅增大将允许减少约20％的机械加工时间。简单计算显示在DOC仅增大约0.5mm的情况下，金属去除速率(MRR)增大约25％。

在一些应用中，例如通用工程、模制、冲模等，DOC的这种增大还会引起功耗过度增加。在此情况下，可能需要更大功率的铣削机。

在将要对高温合金(HTA)材料进行机械加工的一些其它应用中，DOC增大约0.5mm将引起金属去除速率(MRR)增大约25％，功耗增加约20％。对于用户来说，这完全是可接受的，因为他们不需要用于对此类材料进行机械加工的大功率铣削机，而是需要稳定性和刚性。

如图6B-E所示，半径R3和R4示出为小于内切圆A的半径R。然而，半径R3和R4可以大于内切圆A的半径R，但小于或等于其直径(即，2×R)。另外，形成于半径R3和R4之间的角A1可以介于约0度与约30度之间。应注意，弯曲切削刃区域37也可以替换为一条线或许多条线、一条样条线或许多条样条线等。

根据本公开的切削刀片的某些实施例的设计过程内的任选第三步骤可以是将第三区域添加到凸面切削刃12，例如在此实例中，添加到平直切削刃区域27，其垂直于切削刀片轴线并且与形成切削刀片的弯曲切削刃区域37的圆弧的左下端点相切。此第三步骤通过图6C示出，其中将类似长度的线性切削刃区域27添加到每个弯曲切削刃区域37的端部。

根据本公开的某些实施例的设计过程内的任选第四步骤可以是将第二平直切削刃区域29添加到每个凸面切削刃12上的第二平直切削刃区域27的端部。第二平直切削刃区域29可以相对于第一平直切削刃区域27以相对较小的角度设置。此步骤在图6D中示出，其中将类似长度的第二线性切削刃区域29添加到第一线性切削刃区域27的端部。

另一额外步骤可以是将鼻状拐角区域23添加到切削刀片10。在此实施例中，鼻状拐角区域23各自具有相同的半径，所述相同的半径平滑地连接且与每个鼻状拐角区域23连接的第二线性切削刃区域27和弯曲切削刃区域25相切。此步骤在图6E中示出，其中四个相同的鼻状拐角区域23完成切削刀片10的轮廓。

一旦限定如图6E所示的完整凸面切削刃12，就可以形成切削刀片10的侧表面19上的所有间隙表面(即，小平面)。在图4所示的实施例中，锥形间隙(或离隙)表面28可以形成于具有较大曲率半径的弯曲切削刃区域25下方，然后通过平面间隙面35连接，所述平面间隙面延伸到切削刀片10的底刃21。切削刀片10的每个弯曲切削刃区域25上的较大曲率半径远大于切削刀片10的每个拐角上的鼻半径23，例如将凸面切削刃12的弯曲切削刃区域25上的55mm的曲率半径与刀片拐角上的0.8mm的鼻半径进行比较。锥形间隙(或离隙)表面39可以形成于与弯曲切削刃区域25相比具有相对较小曲率半径的弯曲切削刃区域37下方。

另外，平面间隙表面33形成于平直切削刃区域29(如果包含的话)下方，并且平面间隙表面31形成为平直切削刃区域27(如果包含的话)下方的小平面，两者均位于切削刀片10的四个侧表面19中的每一者上。平面间隙表面33充当切削小平面以产生垂直于切削轴线的经机械加工的表面，而平面间隙表面31充当沿着切削方向进行插铣的接近角。最后，锥形间隙表面26形成于鼻状拐角区域23下方。

如图7所示，多个切削刀片，例如切削刀片10的实施例，可以组装到切削工具40的切削主体41中，并且通过穿过切削刀片10上的中心孔13的螺钉43牢固地定位在凹槽42中。刀体41还可以包含出屑槽44，其有助于排空机械加工期间产生的切屑。

如图8所示，平直切削刃区域29可以垂直于切削轴线46，以确保某些面铣削应用中经机械加工的表面上的良好表面光洁度。刀体41的设计方式为：相同的凹槽可以接收大小相同但凸面切削刃不同的切削刀片，并维持刀片10的平直切削刃29与切削机46的轴线之间的垂直关系。

切削工具40的设计方式还可以是：允许使用位于相同凹槽中的相同刀片来执行多个铣削功能(面铣削、槽铣削、坡走铣和插铣)，如图8所示。这意味着，如果切削动作沿着垂直于切削机轴线46的经机械加工的表面的方向，则刀片正执行面铣削操作或槽铣削操作；并且如果切削动作沿着平行于切削机轴线46的方向，则切削刀片执行插铣操作；另外，如果切削动作沿着与如图8所示的待机械加工的工件的表面成小角度的方向，则切削刀片执行坡走铣操作。

图9示出了本公开的切削刀片10的实例，其内切圆IC的直径为约12.7mm或半径为约6.35mm，在凸面切削刃区域25上具有两个不同的较大曲率半径。在图9A中，切削刀片10具有22.5mm的半径曲线，作为凸面切削刃区域25的一部分。在图9B中，切削刀片10具有55mm的半径曲线，作为凸面切削刃区域25的一部分。

应了解，本公开中提供的切削刀片不限于具有顶部平坦表面的切削刀片，但限于切削刀片的顶部表面上具有断屑前面的切削刀片。现参考图10，本公开的切削刀片10的设计包含顶部表面61上的断屑前面。断屑前面的特征可以在于至少五个基本参数，例如凹槽深度62、前角63、后壁64、垫65和凹槽宽度66，以及本领域中已知的其它断屑特征。断屑前面的功能可以构建到实施例中，本发明的切削刀片使得切削刀片和相关联的切削机适用于对各种工作材料进行机械加工。

应理解，本说明书说明了与对本发明的清楚理解相关的本发明的那些方面。本发明的某些方面对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，因此不会有助于更好地理解本发明，但为了简化本说明书，没有呈现所述方面。尽管已经描述了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员在考虑前述描述后将认识到可以采用本发明的许多修改和变化。本发明的所有此类变化和修改旨在由前述描述和所附权利要求书涵盖。

本文提及的专利和公开文件据此通过引用并入。

尽管已经描述了当前的优选实施例，但是本发明可以在所附权利要求的范围内以其它方式实施。

Claims

1.一种切削刀片，包括：

顶部表面；

周长小于所述顶部表面的周长的底部表面；

连接所述顶部表面和所述底部表面的多个侧表面；

形成于各侧表面与所述顶部表面之间的相交处的凸面切削刃；以及

连接相邻凸面切削刃的鼻状拐角区域，

其中每个凸面切削刃包括第一弯曲切削刃区域，所述第一弯曲切削刃区域形成的半径大于或等于能内切于所述顶部表面上的最大圆的半径，并且

其中每个凸面切削刃包括安置在所述第一弯曲切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第二弯曲切削刃区域，所述第二弯曲切削刃区域形成的半径小于或等于能内切于所述顶部表面上的所述最大圆的直径。

2.根据权利要求1所述的切削刀片，其进一步包括在所述第一弯曲切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第一锥形间隙表面。

3.根据权利要求1所述的切削刀片，其进一步包括在所述第二弯曲切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第二锥形间隙表面。

4.根据权利要求1所述的切削刀片，其中每个凸面切削刃包括安置在所述第二弯曲切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第一平直切削刃区域。

5.根据权利要求4所述的切削刀片，其进一步包括在所述第一平直切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第一平面间隙表面。

6.根据权利要求4所述的切削刀片，其中每个凸面切削刃包括安置在所述第一平直切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第二平直切削刃区域。

7.根据权利要求6所述的切削刀片，其进一步包括在所述第二平直切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第二平面间隙表面。

8.根据权利要求6所述的切削刀片，其中每个凸面切削刃包括安置在所述第二平直切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第三平直切削刃区域。

9.根据权利要求8所述的切削刀片，其进一步包括在所述第三平直切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第三平面间隙表面。

10.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述第一弯曲切削刃区域包括圆弧，所述圆弧的半径大于或等于能内切于所述顶部表面上的所述最大圆的所述半径的两倍。

11.根据权利要求1所述的切削刀片，其中每个凸面切削刃包括圆弧、椭圆的一部分、抛物线的一部分、多段样条曲线、直线中的至少一个。

12.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述鼻状拐角区域包括圆弧、一系列圆弧和多段样条曲线中的至少一个。

13.根据权利要求1所述的切削刀片，其进一步包括所述顶部表面上的断屑几何形状。

14.一种切削刀片，包括：

顶部表面；

周长小于所述顶部表面的周长的底部表面；

连接所述顶部表面和所述底部表面的多个侧表面；

连接相邻凸面切削刃的鼻状拐角区域，

其中每个凸面切削刃包括第一弯曲切削刃区域，其形成的半径大于或等于能内切于所述顶部表面上的最大圆的半径，

其中每个凸面切削刃包括安置在所述第一弯曲切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的第二弯曲切削刃区域，所述第二弯曲切削刃区域形成的半径小于或等于能内切于所述顶部表面上的所述最大圆的直径，并且

其中每个凸面切削刃包括安置在所述第二弯曲切削刃区域与所述鼻状拐角区域之间的一个或多个平直切削刃区域。

15.根据权利要求14所述的切削刀片，其进一步包括在所述第一弯曲切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第一锥形间隙表面。

16.根据权利要求15所述的切削刀片，其进一步包括在所述第二弯曲切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第二锥形间隙表面。

17.根据权利要求15所述的切削刀片，其进一步包括在第一平直切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第一平面间隙表面。

18.根据权利要求17所述的切削刀片，其进一步包括在第二平直切削刃区域与所述底部表面的所述周长之间延伸的第二平面间隙表面。

19.根据权利要求14所述的切削刀片，其中每个凸面切削刃包括圆弧、椭圆的一部分、抛物线的一部分、多段样条曲线、直线中的至少一个。

20.根据权利要求14所述的切削刀片，其中所述鼻状拐角区域包括圆弧、一系列圆弧和多段样条曲线中的至少一个。

21.根据权利要求14所述的切削刀片，其进一步包括所述顶部表面上的断屑几何形状。