CN1143745C - 球面切削刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面切削刀具例如球形端铣刀、锥体球形端铣刀等等，其中切削刃形成在一个球面上。在一个球面上的切削刃各点上的切线被制作得相对于刀具轴线呈恒定的(螺旋)角度。刀齿上可以成形出偏心后刀面，而且可以通过相对较小的后角和较大的齿顶宽度而加强刀齿。因此刀具可以在高进给速度下操作，从而可以提高加工效率。

Description

球面切削刀具

发明领域

本发明涉及一种球面旋转切削刀具(也称作球面切削刀具)，例如球形端铣刀、锥体球形端铣刀等等，其中切削刃形成在一个球面上。

具体地讲，本发明涉及在球面上具有恒定螺旋角的切削刃。其必然的结果是，可以提高切削性能、排屑性能和被切削材料的表面光洁度。另外，在螺旋角保持恒定的条件下，切削刃可以在齿顶上成形出偏心后刀面；可以通过相对较小的后角和较大的齿顶宽度而加强由偏心后刀面形成的刀齿。因此刀具可以在高进给速度下操作，从而可以提高加工效率。

背景技术

如图1所示，传统球面切削刀具如球形端铣刀的切削刃由一个球面切削刃(也被称作球面刃)部分和一个带球面切削刃(也被称作周边刃)的刀体构成。球面刃用作主切削刃，而周边刃用作副切削刃。

在诸如正方形端铣刀等主切削刃形成在周边的圆柱形切削刀具的情况下，切削刃相对于刀具轴线具有恒定的螺旋角。因此通过基于切削条件设置适宜的螺旋角，可以显著提高刀具的性能。如果切削刀具具有恒定的螺旋角，则切削刃的长度将扩展，因而单位长度上的切削力将减小。此外，可以实现连续切削，而且切削中遇到的冲击可以最小化。因此，被切削面上的表面光洁度可以被制作得很精细，可以实现精确切削，而且刀具的预期寿命可以延长。其原因是螺旋角也被用作前角，因此在圆柱形切削刀具的情况下，对于钢材切削，推荐30度的恒定螺旋角，而对于铝及其合金的切削，推荐45度的恒定螺旋角。

螺旋角与导程和刀具直径密切相关。如图2所示，这种关系可以表示为方程H＝pi D/L，其中H是螺旋角，L是导程，D是刀具直径。在球面刀具的周边切削刃或圆柱形刀具的主切削刃中，如果导程被固定，则螺旋角H具有恒定值，反之亦然。因此可以容易地实现上述优点。

然而，尽管可以通过设置特定角度的恒定螺旋角而显著提高刀具的性能，但目前尚未出现过这样的刀具，即具有相对于刀具轴线呈特定恒定螺旋角的球面切削刃。目前只是将切削刃以能够与周边切削刃良好融合的方式安置在球面上，而没有任何相关关系或法则。这样的例子见于图3中的曲线(1)、(2)、(3)和(4)。其原因是下面所述的事实。

也就是说，圆柱的横截面在任何轴向位置上均具有相等的直径，而球面的横截面直径相对于轴向位置变化(图4)。由于这种特性，即使前角被确定，刀具直径也将沿着刀具轴线变化，因此，基于公式H＝pi D/L的螺旋角H在各个位置具有不同的值。其结果是，不能期望获得恒定的螺旋角。

同时，对于任一位于球体上并且连接着刀具轴线与球面之间的两个交点的曲线，如果该曲线绕着刀具轴线旋转，则得到的轨迹形成一个球，如图5所示。因此，如果切削刃布置在一个球体上，而不论螺旋角的形状和恒定性如何，如果是利用该刀具实施旋转切削，则可以形成一个与刀具球面的尺寸相同的内凹球体。这个事实看上去可以减轻对恒定螺旋角的要求。也就是说，即使效率和性能较差，也能够加工出理想的形状，因此并不是急切需求上述刀具。所以，传统的球面切削刀具如球形端铣刀的性能远逊于具有恒定螺旋角的圆柱形切削刀具如正方形端铣刀。

发明概述

本发明试图通过修改切削刃的轮廓而克服传统刀具中的上述缺点。

因此本发明的一个目的是提供一种球面切削刀具，其通过布置切削刃几何点或它们的轨迹而克服传统缺点。

为了实现上述目的，根据本发明的球面切削刀具的特征在于，在一个球面上的切削刃各点上的切线被制作得相对于刀具轴线呈恒定的角度，因而在球面切削刀具的主切削刃上可以实现与圆柱形切削刀具的主切削刃类似的加工效率。

此外，为了实现上述目的，根据本发明的球面切削刀具的特征在于，切削刃布置在一个球面上，而且在球面的任何位置上切削刃的螺旋角保持恒定。

此外，基于球面上的恒定螺旋角，刀齿优选具有较宽的齿顶和较小的后角。

此外，刀齿可以由与刀体相同的材料制成。

此外，由超硬合金或高速工具钢制成的刀齿可以通过钎焊或机械装置结合在钢制刀体上。

附图简述

通过下面参照附图而对本发明的优选实施例所作的详细描述，可以使本发明的上述目的以及其他优点更加清楚，附图包括：

图1中示出了传统球面切削刀具；

图2中示出了传统圆柱形切削刀具中的螺旋角、导程和刀具直径之间的关系；

图3中示出了传统球面切削刀具中的切削刃定位示例，其中一个切削刃以30度的恒定螺旋角布置；

图4中示出了球面切削刀具的直径沿刀具轴线变化的情况；

图5中示出了在球体旋转时球面上的任何曲线将描绘出一个球的情况；

图6中示出了当根据本发明在球面上形成了恒定螺旋角时球心角、轴向旋转角和螺旋角之间的关系；

图7是用于显示端铣刀的周边刃轮廓的前视图，其中

图7a中示出了传统的内凹后刀面轮廓；

图7b中示出了传统的平坦后刀面轮廓；

图7c中示出了偏心后刀面轮廓，其可以应用于根据本发明的球面刃上；

图8是中央刀齿与被加工对象之间的轮廓比较图，其中：

图8a中示出了传统正方形端铣刀中的带平坦后刀面的中央刀齿形成的轮廓；

图8b中示出了传统球面切削刀具中的带内凹后刀面的中央刀齿形成的轮廓；

图8c中示出了根据本发明的球面切削刀具中的带偏心后刀面的中央刀齿形成的可能轮廓。

优选实施例详细描述

现在详细描述本发明，以使本领域的普通技术人员能够实施本发明。

图6中示出了当根据本发明在球面上形成了恒定螺旋角时球心角、轴向旋转角和螺旋角之间的关系。

根据本发明的球面刀具被这样构造，即一个半球和一个具有相同半径r的圆柱在一个虚拟界面上组合在一起。现在假定在球面上画任意一条曲线。此外，虚拟界面与曲线之间的交点被称作“曲线在球面上的起始点”，而一个包含曲线起始点和组合体轴线在内的虚拟平面被称作“基准面”。此外，基准面与任意曲线上某一点上的径线之间的夹角称做“轴向旋转角y”。另外，虚拟界面与任意曲线上某一点上的径线之间的夹角称做“球心角β”。则任意位置可以由r、β和y表示。

在确定r、β和y之间的关系时，本发明人发现当切削刃上的各点保持恒定的螺旋角H时，y和β之间的相互关系从属于“tanH”。也就是说，发明人发现了这样的关系：“y＝β*tan H”。

换言之，假定切削刃相对于基准面布置在“β*tan H”处，而球心角为β(β＝0至90度)。则刀齿具有完美的H度恒定螺旋角。也就是说，当根据刀具用途而适宜地确定了螺旋角后，轴向旋转角可以基于一个公式计算出来，其中螺旋角的正切值是一个常数，而球心角β是可变的。接下来，利用一条直线连接连接上述交点，则可以获得具有预定恒定螺旋角的曲线即切削刃。例如，螺旋角为30度的轨迹显示于图3中。

根据公式“y＝β*tan H”，获得恒定螺旋角所需的因素完全与r无关。这个特点与传统圆柱形刀具中的螺旋角直接受刀具直径D即2r影响的事实完全不同。在具有特定恒定螺旋角的球面切削刀具中，加工和/或重磨可以利用机械式机床中的凸轮或数控机床中的程序实现，而不必考虑刀具直径的大小。此外，切削刃具有r、β和y之间的固定关系，因此可以容易的布置在球面上。

可以由恒定螺旋角获得的一个主要优点如下所述。也就是说，刀齿上可以成形出偏心后刀面。而传统球面刀具均具有内凹后刀面或平坦后刀面(异常情况)。

在传统情况中，为了保持排屑功能，需要缩小齿顶宽度或加大的后角。其结果是刀具的强度减弱了。随着刀具直径的减小和接近于刀具轴线，这个问题变得更加严重。

因此，传统刀具不能在高进给速度下操作。而能够解决内凹和平坦后刀面中的传统问题的偏心后刀面可以由下面的关系确定。也就是说，取决于公式：tan S＝tan R/cos H或tan S＝tan R·tanH，其中R是后角，而S是装置角。如果螺旋角在切削刃的每个位置上不同，则装置角必须因此而变化，但这实际上是不可能的。另一方面，如果切削刃具有恒定的螺旋角，则刀齿上可以成形出偏心后刀面，而装置角保持固定状态。在这种情况下，可以通过较小的后角和较大的齿顶宽度而加强刀齿。因此，刀具可以在较高进给速度下操作，从而提高加工效率。

此外，由超硬合金或高速工具钢制成的刀齿可以通过钎焊或机械装置结合在钢制刀体上。

在本发明中，恒定角度指的是这样的事实，即在切削刃的任何一点上均获得相同大小的角度。导程指的是具有螺旋切削刃的刀具每旋转一圈其切削刃沿轴向前进的距离。此外，刀具直径指的是一条穿过刀具圆周的中心并且终止于圆周上二点的线段的长度。另外，作为一个与螺旋相同的概念，螺线指的是以圆锥或球面上的涡线的形式形成的曲线。螺线与刀具轴线之间的夹角称做“螺线角”。因此，在某些情况下，“螺线角”与螺旋角不同，但在本发明中，螺线角与螺旋角具有相同的意义。

上面基于特定的实施例描述了本发明，但对于本领域的普通技术人员而言，显然在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以作出各种改变或修改。

根据前面描述的本发明，切削刃具有恒定的螺旋角，而刀齿上成形出偏心后刀面。因此，可以通过相对较小的后角和较大的齿顶宽度而加强刀齿，因而刀具可以在高进给速度下操作，以提高加工效率。

Claims (4)

1.一种球面切削刀具，其特征在于：切削刃布置在一个球面上；在上述切削刃的任何点上，上述切削刃具有恒定的螺旋角。

2.如权利要求1所述的切削刀具，其特征在于：基于恒定的螺旋角，上述刀具上的一个刀齿具有较小的后角和较大的齿顶宽度。

3.如权利要求1或2所述的切削刀具，其特征在于：刀齿由与刀体相同的材料制成。

4.如权利要求1或2所述的切削刀具，其特征在于：上述刀齿由超硬合金或高速工具钢制成，而且上述刀齿通过钎焊或机械装置结合在上述刀体上。

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