CN114833385B - 一种切削刀具的刀杆和模块化刀具 - Google Patents

Abstract

一种切削刀具的刀杆和模块化刀具，包括杆体，该杆体一端设有锁紧部，另一端作为柄部，其特征在于：还包括有变密度网架体和承力结构；该杆体的锁紧部和柄部之间设有腔体；该承力结构沿轴向固定穿设于腔体，且其两端与腔体两对应的端壁相连；该变密度网架体连接或抵靠于腔体内壁和承力结构外周之间并设有若干组密度不同的环状网架，该若干组环状网架沿轴向分布且依次相连。本发明在满足刀具加工所需刚性和强度要求下，大大减轻模块化刀具的重量，有利于刀具加工过程刀具动平衡控制，提高刀具加工寿命和加工质量，同时减少刀具材料损耗，提高材料利用率，降低刀具成本。

Description

一种切削刀具的刀杆和模块化刀具

技术领域

本发明涉及切削刀具领域，特别是指一种切削刀具的刀杆和模块化刀具。

背景技术

随着加工制造技术的发展，模块化刀具是未来数控刀具发展方向之一，模块化刀具有减少换刀及安装时间、提高刀具的利用率以及提高刀具标准化程度等特点，已在航空航天，汽车模具等加工行业中得到广泛应用。

模块化刀具包括带切削功能的刀头部件与机床刀柄连接的刀杆部件，刀头部件和刀杆部件通过螺纹等结构方式连接，传统模块化刀具的刀杆部件为杆状实心结构，部分大直径、长悬深的模块化刀具的重量大，其存在以下问题：

1、对于小功率机床，采用整体重量大的模块化刀具，无法满足加工功率要求，导致无法使用；

2、使用重量较大的模块化刀具加工时，刀具动平衡难控制，影响刀具加工寿命和加工质量，严重时甚至会造成刀具断裂，威胁人员安全；

3、杆体采用实心结构，没有充分利用刀具材料，造成部分资源浪费。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中模块化刀具存在的上述缺陷，提出一种切削刀具的刀杆和模块化刀具，通过在杆体内设置腔体和变密度网架体，在满足刀具加工所需刚性和强度要求下，减少模块化刀具的重量。

本发明采用如下技术方案：

一种切削刀具的刀杆，包括杆体，该杆体一端设有锁紧部，另一端作为柄部，其特征在于：还包括有变密度网架体和承力结构；该杆体的锁紧部和柄部之间设有腔体；该承力结构沿轴向固定穿设于腔体，且其两端与腔体两对应的端壁相连；该变密度网架体连接或抵靠于腔体内壁和承力结构外周之间并设有若干组密度不同的环状网架，该若干组环状网架沿轴向分布且依次相连。

优选的，所述环状网架包括若干网架单元，该若干网架单元沿所述承力结构周向分布且依次相连，每个网架单元设有若干沿所述杆体径向分布且依次相连的多面体网架；并且，所述若干组环状网架中，位于靠近腔体侧壁的多面体网架的最大外接球半径沿锁紧部至柄部方向为逐渐增大。

优选的，所述网架单元中，所述若干个多面体网架的最大外接球半径沿径向的远离圆心方向逐渐增大。

优选的，所述多面体网架设有多个多边形面，每个多边形面的两两节点之间通过杆件连接以将该多边形面分割成多个三角形面。

优选的，所述多边形面中，相邻两节点间连接有第一杆件，不相邻两节点间连接有第二杆件，该第一杆件的截面面积≥第二杆件的截面面积。

优选的，所述杆件的横截截面为工字型、圆形、椭圆形以及多边形中的一种或多种。

优选的，所述变密度网架体靠近柄部一端与所述柄部末端之间的距离大于等于1％L，L为所述杆体的长度；

优选的，所述腔体为圆环形，其侧壁厚度h满足h＝5％D～30％D，D为所述杆体的柄部直径；或者，所述腔体长度l满足l＝20％L～60％L，该L为所述杆体的长度。

优选的，所述承力结构的最大外接圆直径从所述锁紧部所在端朝向柄部所在端方向为逐渐增大或不变；或者，所述承力结构的横截面为圆形或正多边形，且其最大外接圆直径d满足d＝10％D～70％D，D为所述杆体的柄部直径。

一种模块化刀具，其包括刀头，其特征在于：还包括上述的一种切削刀具的刀杆，所述锁紧部与刀头可拆卸固定连接。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中，在刀杆的杆体内设有腔体、变密度网架体和承力结构，该承力结构沿轴向固定穿设于腔体，变密度网架体位于腔体内且绕设于承力结构外轴，其可连接杆体两端的实心结构，在满足刀具加工所需刚性和强度要求下，大大减轻模块化刀具的重量，有利于刀具加工过程刀具动平衡控制，提高刀具加工寿命和加工质量，同时减少刀具材料损耗，提高材料利用率，降低刀具成本。

2、本发明中，变密度网架体包括若干组密度不同且沿轴向依次相连的环状网架，若干组环状网架的最外层的多面体网架的最大外接球半径沿锁紧部至柄部方向为逐渐增大，使得锁紧部有足够的抗弯强度以保证刀具加工的稳定性，防止刀杆部件断裂；环状网架包括若干沿承力结构周向分布且依次相连的网架单元，每个网架单元中，若干个多面体网架的最大外接球半径沿径向远离圆心方向逐渐增大，一定程度上增大了承力结构的承力面积，提高了刀具承力能力，同时能够有效控制刀具动平衡。

3、本发明中，可采用增材制造技术该变密度网架体，成本低；并且多面体网架设有多个多边形面，每个多边形面的两两节点之间通过杆件连接以将该多边形面分割成多个三角形面，三角形具有稳定结构，在刀具加工过程中保证刀具结构和受力的稳定性。

4、本发明中，多面体网架的多边形面中，相邻两节点间连接有第一杆件作为主要承力杆件，起到支撑和受力作用，不相邻两节点间连接有第二杆件作为限位自由度的作用，并且第一杆件的截面面积≥第二杆件的截面面积，本发明通过合理分配不同连接杆件的粗细程度，满足刀具所需刚性和强度要求下，进一步减少模块化刀具的重量。

5、本发明中，杆件的横截面为工字型、圆形、椭圆形以及多边形中的一种或多种，其中，工字型截面能够节省大量的材料而获得几乎近似于外轮廓一样的矩形截面的惯性矩以抗弯，节省了大量的材料也减轻了构建的自身重量。

6、本发明中，腔体截面为圆环形，其侧壁的厚度h满足h＝5％D～30％D，承力结构的横截面为圆形或正多边形，且其最大外接圆直径d满足d＝10％D～70％D，通过合理设计腔体侧壁的厚度以及承力结构的大小，在降低刀具重量基础上确保结构强度和刚性足够以起到支撑刀体作用。

7、本发明中，本发明的腔体长度l满足l＝20％L～60％L，通过合理设置腔体长度既能降低刀具重量作用，又能保证柄部夹持的稳定性以及不影响锁紧部与刀头锁固。

8、本发明中，承力结构的最大外接圆直径从锁紧部所在端朝向杆体另一端方向为逐渐增大，通过合理设置不同位置承力结构截面的最大外接圆直径，满足不同位置结构强度和刚性要求同时，进一步降低刀具重量。

9、本发明中，模块化刀具设置有空腔、承力结构和变密度网架体，满足刀具加工所需刚性和强度要求下降低刀具重量，实现降低机床功率损耗，可适用于更多小功率机床，扩大模块化刀具应用范围。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为本发明刀杆结构图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图3的局部放大图；

图5为图2的B-B剖视图；

图6为图2的C-C剖视图；

图7为图2的D-D剖视图；

图8为多面体变密度网架体图；

图9为腔体剖视图；

图10为杆件剖视图(工字形)；

图11为杆件剖视图(椭圆形)；

图12为杆件剖视图(圆形)；

图13为杆件剖视图(多边形)；

其中：

10、杆体，11、锁紧部，12、柄部，13、腔体，20、变密度网架体，21、环状网架，22、网架单元，23、多面体网架，24、杆件，24a、第一杆件，24b、第二杆件，25、节点，30、承力结构，40、刀头。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1至图3，一种切削刀具的刀杆，其包括杆体10，该杆体10一端可设置锁紧部11，通过该锁紧部11连接刀头40，杆体10的另一端作为柄部12，通过柄部12连接机床的刀柄。该杆体10靠近中部内还设有腔体13、变密度网架体20和承力结构30。杆体10的柄部可为实心结构，锁紧部11和腔体13之间也可设为实心结构。腔体13为封闭的腔体结构，其可形成于杆体10两端部之间中的合适位置。该承力结构30沿轴向固定穿设于腔体13，承力结构30的两端与腔体13两对应的端壁相连，该承力结构30可与杆体10为一体成型或分体连接。该变密度网架体20连接或抵靠于腔体13内壁和承力结构30外周之间并设有若干组密度不同的环状网架21，该若干组环状网架21沿轴向分布且依次相连。

参见图4，每个环状网架21包括若干相同的网架单元22，该若干网架单元22沿承力结构30周向分布且依次相从而构成环状网架21，网架单元22的数量可根据承力结构30的长度设置。每个网架单元22设有若干大小不同的多面体网架23，该若干多面体网架23沿杆体10径向分布且依次相连。网架单元22的数量可根据空腔大小设定。

参见图5-图7，在杆体10的轴向方向上，若干组环状网架21的位于靠近腔体侧壁即最外层的多面体网架23的最大外接球半径沿锁紧部11至柄部12方向为逐渐增大。即靠近锁紧部11一端的环状网架21的最外层的多面体网架23的最大外接球半径比其它环状网架21的最外层的多面体网架23的最大外接球半径小，靠近柄部12一端的环状网架21的最外层多面体网架23的最大外接球半径比其它环状网架21最外层的多面体网架23的最大外接球半径大。切削加工时，刀杆的主要受力来源是锁紧部传递的切削力，靠近锁紧部需要有足够的抗弯强度以保证刀具加工的稳定性，防止刀杆部件断裂，杆体10轴向方向上多面体网架23采用这种设置能够在减小刀杆部件材料用量的同时，保证其抗弯强度。

在杆体10的径向方向上，每个网架单元22中，若干个多面体网架23的最大外接球半径沿径向远离圆心方向逐渐增大，即与腔体13侧壁接触或相连的多面体网架23外接球半径最大，与承力结构30外周接触或相连的多面体网架23外接球半径最小。采用这种设计，一定程度上增大了承力结构30的承力面积，提高了刀具承力能力，同时能够有效控制刀具动平衡。

本发明中，通过在杆体10的轴向方向和径向方向上，将各个环状网架21中的多面体网架23的最大外接球半径设置成不同，使得每个环状网架21中多面体网架数量不同、密集程度不同，从而构成变密度网架体，参见图5-图7，密度逐渐变小。

进一步的，参见图8，该多面体网架23设有多个多边形面，该多边形面可以是四边形、五边形、六边形等。每个多边形面的两两节点25之间通过杆件24连接以将该多边形面分割成多个三角形面，三角形具有稳定结构，在刀具加工过程中保证刀具结构和受力的稳定性。

进一步的，多面体网架23的多边形面中，相邻两节点25间连接有第一杆件24a，不相邻两节点25间连接有第二杆件24b，该第一杆件24a的截面面积S1≥第二杆件24b的截面面积S2。因为刀具在切削加工时，第一杆件24a作为主要承力杆件，要承受刀具径向和轴向上的力，因此起到支撑和受力作用，不相邻节点25的第二杆件24b主要作为限位杆件，起到限位自由度的作用，防止相邻节点的第一杆件24a变形。若S1＜S2，则会降低变密度网架体20的承力能力，同时也会增加材料用量，降低结构减重效果。本发明通过合理分配不同连接杆件的粗细程度，满足刀具所需刚性和强度要求下，进一步减少模块化刀具的重量。

参见图10-图13，杆件24的横截面为工字型、圆形、椭圆形以及多边形中的一种或多种，其中，工字型截面能够节省大量的材料而获得几乎近似于外轮廓一样的矩形截面的惯性矩以抗弯。节省了大量的材料也减轻了构建的自身重量。

本发明中，变密度网架体20靠近柄部12一端与柄部12末端之间的距离m大于等于1％L，L为杆体10的长度。若m＜1％L，则腔体13无法有效包覆变密度网架体20，会使刀杆使用过程中破损，同时极易使加工切屑、冷却液等杂物进入刀杆内部，导致刀杆动平衡变差，影响刀具加工性能，甚至腐蚀刀杆内部，造成加工过程中的刀杆断裂。

本发明中，若腔体13中的侧壁厚度h和承力结构30截面的最大外接圆直径d太小，结构强度和刚性不足，无法起到支撑刀体作用；若h和d太大，无法有效起到降低刀具重量作用。因此，参见图9，本实施例中，腔体13截面为圆环形，其与承力结构30不相连的侧壁的厚度h满足h＝5％D～30％D，承力结构30的横截面为圆形或正多边形，且其最大外接圆直径d满足d＝10％D～70％D，D为杆体10中的柄部12的直径。并且承力结构30沿轴向方向上的截面的最大外接圆直径不变。

进一步的，杆体10中的腔体13长度太短，无法有效起到降低刀具重量作用；腔体13的长度太长，降低柄部12夹持的稳定性以及减少锁紧部11位的长度，会导致刀头40在加工中无法锁紧，因此，本发明的腔体13长度l满足l＝20％L～60％L，该L为杆体10的长度。

本发明还提出一种模块化刀具，其包括刀头40和上述一种模块化刀具的刀杆，杆体10一端的锁紧部11可设有螺纹孔用于与刀头40对应端进行螺纹固定连接。该杆体10为合金钢、重金属材料、高速钢、硬质合金等中的一种或多种材料制作而成。该刀头40为高速钢、硬质合金、CBN、PCD等中的一种或多种材料制作而成。

本发明刀杆利用增材制造技术，在其腔体13内设置变密度网架体20连接杆体10的锁紧部11所在端和柄部12所在端，在满足刀具加工所需刚性和强度要求下，大大减轻模块化刀具的重量，有利于刀具加工过程刀具动平衡控制，提高刀具加工寿命和加工质量，同时减少刀具材料损耗，提高材料利用率，降低刀具成本。另外，还能降低机床功率损耗，可适用于更多小功率机床。

实施例二

一种模块化刀具的刀杆和模块化刀具，其主要结构与实施例一相同，区别在于：承力结构30的最大外接圆直径从锁紧部11所在端朝向杆体10另一端即刀柄所在端方向为逐渐增大。

由于刀杆上的不同部位在加工时承受的弯矩不一样，距离杆体10锁紧部11越远，承受的弯矩就越大，其强度及刚性要求越高。本实施例通过合理设置杆体10不同位置承力结构30截面的最大外接圆直径，在满足不同位置结构强度和刚性要求同时，进一步降低刀具重量。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种切削刀具的刀杆，包括杆体，该杆体一端设有锁紧部，另一端作为柄部，其特征在于：还包括有变密度网架体和承力结构；该杆体的锁紧部和柄部之间设有腔体；该承力结构沿轴向固定穿设于腔体，且其两端与腔体两对应的端壁相连；该变密度网架体连接或抵靠于腔体内壁和承力结构外周之间并设有若干组密度不同的环状网架，该若干组环状网架沿轴向分布且依次相连；所述环状网架包括若干网架单元，该若干网架单元沿所述承力结构周向分布且依次相连，每个网架单元设有若干沿所述杆体径向分布且依次相连的多面体网架；并且，所述若干组环状网架中，位于靠近腔体侧壁的多面体网架的最大外接球半径沿锁紧部至柄部方向为逐渐增大。

2.如权利要求1所述的一种切削刀具的刀杆，其特征在于：所述网架单元中，所述若干个多面体网架的最大外接球半径沿径向的远离圆心方向逐渐增大。

3.如权利要求1所述的一种切削刀具的刀杆，其特征在于：所述多面体网架设有多个多边形面，每个多边形面的两两节点之间通过杆件连接以将该多边形面分割成多个三角形面。

4.如权利要求3所述的一种切削刀具的刀杆，其特征在于：所述多边形面中，相邻两节点间连接有第一杆件，不相邻两节点间连接有第二杆件，该第一杆件的截面面积≥第二杆件的截面面积。

5.如权利要求3所述的一种切削刀具的刀杆，其特征在于：所述杆件的横截截面为工字型、圆形、椭圆形以及多边形中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的一种切削刀具的刀杆，其特征在于：所述变密度网架体靠近柄部一端与所述柄部末端之间的距离大于等于1%L，L为所述杆体的长度。

7.如权利要求1所述的一种切削刀具的刀杆，其特征在于：所述腔体为圆环形，其侧壁厚度h满足h=5%D~30%D，D为所述杆体的柄部直径；或者，所述腔体的长度l满足l=20% L~60%L，该L为所述杆体的长度。

8.如权利要求1所述的一种切削刀具的刀杆，其特征在于：所述承力结构的最大外接圆直径从所述锁紧部所在端朝向柄部所在端方向为逐渐增大或不变；或者，所述承力结构的横截面为圆形或正多边形，且其最大外接圆直径d满足d=10%D~70%D，D为所述杆体的柄部直径。

9.一种模块化刀具，其包括刀头，其特征在于：还包括权利要求1至8中任一项所述的一种切削刀具的刀杆，所述锁紧部与刀头可拆卸固定连接。