CN115502457A - 一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀 - Google Patents

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CN115502457A CN202211235544.7A CN202211235544A CN115502457A CN 115502457 A CN115502457 A CN 115502457A CN 202211235544 A CN202211235544 A CN 202211235544A CN 115502457 A CN115502457 A CN 115502457A
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姜志鹏
刘超
王宇
刘献礼
岳彩旭
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Abstract

本发明公开了一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀，包括刀柄和刀柄轴向设置的刀头，所述刀头包括容屑槽、切削刃、后刀面和前刀面；其特征在于：所述前刀面设有曲线型凹槽微织构，所述微织构的线型是最速曲线，所述最速曲线初始点的切线方向与冷却液输出方向相平行；所述微织构内冷铣刀还包括贯穿于所述刀柄和刀头的内部冷却通道，所述后刀面上设有与所述内部冷却通道相连的冷却孔以按所述冷却液输出方向输出冷却液。提高刀具的润滑性能和降低切屑附着，使冷却液与前刀面接触充分，从而有效地减小切削力和切削温度，降低刀具前刀面的磨损，延长刀具寿命。

Description

一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀
技术领域
本发明涉及切削刀具技术领域，特别是涉及一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀。
背景技术
钛合金具有优良的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性，广泛应用于航空航天、军工等领域。然而在钛合金切削加工过程中，切屑与前刀面相互接触摩擦，接触区域中80％为实际接触，冷却液及空气很难渗入，会产生很高的压力及温度；且由于钛合金材料变形系数及导热系数较小，切削热不易传出。在高温高压下刀具前刀面容易发生化学反应形成化合物，随着切削进行切屑带走刀具前刀面材料，在刀具的前刀面会产生月牙洼磨损。随着切削时间增加，刀具前刀面月牙洼磨损从无到有逐渐扩大，当月牙洼扩大到切削刃宽度时，刀刃强度降低，极易导致刀具的破损，从而导致刀具寿命降低。为减小刀具在切削加工中的温度与磨损，目前普遍采用的方法是浇注冷却，但是浇注冷却在加工过程中只有少量冷却液可以达到切削区域，难以准确传输至刀-屑接触区域对铣削热量进行有效疏导，达不到及时冷却切削刃的效果。
目前，针对内冷刀具，国内外机构研制了各种内冷刀具。常熟量具刃具厂在实用新型专利ZL201420194954.6中公开了一种“螺旋内冷立铣刀”，该刀具内冷孔设置在刀具的副后刀面，不能有效地对刀具前刀面的刀-屑接触区域进行有效的冷却。苏州大学在发明专利申请201810686470.6中公开了“一种微织构内冷麻花钻及其制造方法”，但是该刀具只针对内冷麻花钻设计而不适用于铣刀。大连理工大学在发明专利申请202011523576.8中公开了“一种高冷却效能的超低温介质中空传输式内冷铣刀”，该刀具只针对超低温介质冷却设计而不适用于常温刀具。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀，以解决上述现有技术存在的问题，提高刀具的润滑性能和降低切屑附着，使冷却液与前刀面接触充分，从而有效地减小切削力和切削温度，降低刀具前刀面的磨损，延长刀具寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀，包括刀柄和刀柄轴向设置的刀头，所述刀头包括容屑槽、切削刃、后刀面和前刀面；其特征在于：
所述前刀面设有曲线型凹槽微织构，所述微织构的线型是最速曲线，所述最速曲线初始点的切线方向与冷却液输出方向相平行；所述微织构内冷铣刀还包括贯穿于所述刀柄和刀头的内部冷却通道，所述后刀面上设有与所述内部冷却通道相连的冷却孔以按所述冷却液输出方向输出冷却液。
上述技术方案中，所述冷却液输出方向设置为将从冷却孔喷出的冷却液喷射或漫浸在微织构表面并沿着曲线型凹槽微织构向前流动到切削刃。
上述技术方案中，所述内部冷却通道沿立铣刀轴线的展开线是最速曲线。
上述技术方案中，内部冷却通道在刀柄的末端底面形成冷却液输入孔。
上述技术方案中，所述微织构位于所述切削刃前刀面的中部且相邻两个曲线型凹槽之间的间距相同。
上述技术方案中，冷却液通道的数量与铣刀的切削刃数量相同。
上述技术方案中，设置2条冷却液通道的数量，同时设置2条切削刃。
上述技术方案中，所述微织构的最速曲线从后刀面与前刀面交界处延伸至刀切削刃处附近(优选终止位置距前刀面切削刃0.2mm距离处)，以使冷却液以最快的速度从冷却液出口传输至刀屑接触区域。降低温度提高刀具寿命。
上述技术方案中，所述微织构凹槽槽宽为30μm～60μm，凹槽间距为5μm～30μm，所述微织构凹槽末端距切削刃的距离为100μm～130μm，凹槽槽深为5μm～20μm。
上述技术方案中，所述微织构和内部冷却通道沿立铣刀轴线的展开线相同，均是最速曲线，且最速曲线方程为
Figure BDA0003882627380000031
且满足0≤r≤0.5，0≤θ≤2π；θ为最速曲线上任一点的水平线与该点同圆心连线的夹角，r为所述圆的半径。
上述技术方案中，所述内部冷却通道展开线是最速曲线，而常规内部冷却通道展开线是直线，相比于展开线是直线型的内部冷却通道，本发明冷却通道可以减少冷却液流动过程中的损耗，使冷却液匀速流动，使冷却液可以以最大的压力流动到刀具前刀面。
优选的，所述冷却孔的孔口位于所述铣刀后刀面上，且内冷却孔流出冷却液可以正好喷在微织构表面并沿着曲线型凹槽微织构向前流动到切削刃。使冷却液与前刀面接触充分，降低温度提高刀具寿命。
从以上技术方案可以看出，本发明的有益效果是如下：
本发明带冷却孔的高效率微织构立铣刀，在刀具后刀面设有冷却孔刀具前刀面设有微织构，与常规铣刀相比可以精准的将冷却液以最快的速度传输至刀-屑接触区域，减少切削热，冷却效果优良，且冷却通道展开线是最速曲线，相比于常规冷却通道，可以减少冷却液流动过程中的损耗，使冷却液匀速流动，使冷却液可以以最大的压力流动到刀具前刀面。通过前刀面微织构的设置可以形成润滑油膜提高刀具寿命和加工表面的质量。
附图说明
图1是本发明一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀结构示意图。
图2是本发明图1在A处的放大图。
图3是本发明一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀结构立体视图。
图4是本发明一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀结构另一角度的立体视图。
图5是本发明带冷却孔的高效率微织构立铣刀的刀柄上端面示意图。
图6是本发明带冷却孔的高效率微织构立铣刀的刀头下端面示意图。
图7是本发明涉及的最速曲线形成原理图。
图8是常规铣刀与本发明的内部冷却通道展开对比图。
图1-8中附图标记对应如下：
1、刀柄；2、内部冷却通道；3、容屑槽；4、刀头；5、后刀面；6、凹槽微织构；7、切削刃；8、前刀面；9、冷却孔；10、冷却液输入孔；11、常规圆角端铣刀的冷却液通道展开线；12、本发明铣刀的内部冷却通道展开线。
具体实施方式
下面将结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
图1至图8示出了本发明一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀的一种实施例，该带冷却孔的高效率微织构立铣刀包括刀柄1和刀柄1轴向设置的刀头4，所述刀头4包括容屑槽3、切削刃7、后刀面5和前刀面8。
其特征在于：所述前刀面8设有曲线型凹槽微织构6，所述微织构6是由半圆形曲线凹槽沿前刀面8上的最速曲线扫掠得到的曲面凹槽结构，所述最速曲线初始点的切线方向与后刀面5上冷却孔9的冷却液输出方向相平行。
本实施例中，微织构6位于所述切削刃前刀面8的中部且相邻两个所述曲线型凹槽之间间距相同。可以使前刀面温度均匀分布。
微织构6的横截面为圆弧或曲线构成的槽型，微织构6的扫掠曲线线型为最速曲线，由该横截面沿最速曲线扫掠，并在刀具前刀面8上去除扫掠曲线的外侧材料即得到本发明的微织构6的凹槽结构。
所述微织构内冷铣刀还包括贯穿于所述刀柄1和刀头4的内部冷却通道2，所述后刀面5设有冷却孔9，所述冷却孔9与所述内部冷却通道2相连。内部冷却通道2在刀柄1的末端底面形成冷却液输入孔10。冷却液通道2的数量与铣刀的切削刃数量相同。
该实施例的立铣刀为具有两个切削刃的两刃立铣刀，每个切削刃的后刀面5上都设有冷却孔9以保证对切削区的冷却，因此两刃立铣刀设有2个冷却液通道2
如图8所示，本发明铣刀的内部冷却通道2展开线是最速曲线，与其他铣刀的冷却液通道(参考常规圆角端铣刀的冷却液通道展开线11)相比，本发明的最速曲线的性质决定了冷却液通过本发明设计的冷却液通道2的用时最少，即单位时间内可以有更大的流量。
本实施例中，冷却液由刀柄1末端的冷却液输入孔10进入内部冷却通道2，之后从后刀面5的冷却孔9出来，将冷却液喷射到刀具前刀面8，通过在前刀面8设置的微织构6，与常规内冷铣刀比可以增加冷却液在前刀面的接触面积，而且可以引导冷却液进入到切屑刃的刀-屑接触区域，使冷却液与前刀面接触充分，改善冷却效果，减少切削热，并形成润滑油膜，提升刀具的润滑性能和降低切屑附着，降低刀具前刀面的磨损，延长刀具的使用寿命。
具体使用时，刀头4切削旋转，切削刃7对工件进行切削，切屑在前刀面8卷曲，且切屑离开刀具表面的方向平行于冷却液流出方向，由于后刀面5冷却孔9的设置冷却液可以准确液喷射至刀-屑接触区域，在冷却液的高压射流下可以迫使切屑分裂成小块，还可以将切屑迅速从前刀面切削区排出，而且微织构有着抗粘结、减少摩擦的性能，同时由于微织构6的设置，每间隔一段距离切屑就会与刀具之间出现空隙，改变刀-屑之间的接触面积，避免了热集中，同时由于冷却液在微织构6内的流动，又增大了与冷却液对流交换的面积达到了降温的目的，减少了前刀面的磨损，同时增大了刀具前刀面的散热面积，并且通过冷却液的流动可以带走更多的热量，并且当冷却液进入微织构凹槽时，微织构表面会形成一层润滑油膜，降低刀具粘连，提高工件表面质量降低刀具磨损。
本实施例中，所述内部冷却通道2是最速曲线，而常规圆角端铣刀的冷却液通道展开线11是直线，相比于展开线是直线型的内部冷却通道，展开线是最速曲线的冷却通道可以减少冷却液流动过程中的损耗，使冷却液匀速流动，使冷却液可以以最大的压力流动到刀具的前刀面。
附图7是本发明涉及的最速曲线形成原理图，学术界上定义其为一个圆沿一条直线运动时，圆边界上一定点所形成的轨迹(图7中的粗曲线)。本实施例中，最速曲线方程为
Figure BDA0003882627380000061
其中θ为最速曲线上任一点的水平线与该点同圆心连线的夹角，r为所述圆的半径。
从发明原理来说，冷却液在冷却液通道2内将以最快的速度从冷却孔9喷出，从后刀面5的冷却孔9喷射或漫到前刀面7以及在前刀面7上设置的微织构6，微织构6的扫掠曲线线型为最速曲线，即最速曲线的冷却液通道2和最速曲线的微织构6可以保证在单位时间内，在同样的冷却液压力、切削条件下流出更多的冷却液，增加了冷却液流出速率，可以使冷却液以最快的速度喷至刀-屑接触面，起到隔离刀具-切屑接触、降低温度、提高刀具寿命的作用。
本实施例中，微织构6的槽宽为30μm～60μm，织构各槽的间距为5μm～30μm，所述微织构6距切削刃7的距离为100μm～130μm，织构槽深为5μm～20μm。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种带冷却孔的高效率微织构立铣刀，包括刀柄和刀柄轴向设置的刀头，所述刀头包括容屑槽、切削刃、后刀面和前刀面；其特征在于：
所述前刀面设有曲线型凹槽微织构，所述微织构的线型是最速曲线，所述最速曲线初始点的切线方向与冷却液输出方向相平行；所述微织构内冷铣刀还包括贯穿于所述刀柄和刀头的内部冷却通道，所述后刀面上设有与所述内部冷却通道相连的冷却孔以按所述冷却液输出方向输出冷却液。
2.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：所述冷却液输出方向设置为将从冷却孔喷出的冷却液喷射或漫浸在微织构表面并沿着曲线型凹槽微织构向前流动到切削刃。
3.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：所述内部冷却通道沿立铣刀轴线的展开线是最速曲线。
4.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：内部冷却通道在刀柄的末端底面形成冷却液输入孔。
5.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：所述微织构位于所述切削刃前刀面的中部且相邻两个曲线型凹槽之间的间距相同。
6.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：冷却液通道的数量与铣刀的切削刃数量相同。
7.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：设置2条冷却液通道的数量，同时设置2条切削刃。
8.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：所述微织构为半圆形曲线的截面形状沿最速曲线扫略形成，微织构最速曲线从后刀面与前刀面交界处开始延伸至刀切削刃处附近，以使冷却液以最快的速度传输至刀屑接触区域。
9.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：所述微织构凹槽槽宽为30μm～60μm，凹槽间距为5μm～30μm，所述微织构凹槽末端距切削刃的距离为100μm～130μm，凹槽槽深为5μm～20μm。
10.根据权利要求1所述的带冷却孔的高效率微织构立铣刀，其特征在于：所述微织构和内部冷却通道沿立铣刀轴线的展开线均是最速曲线，且最速曲线方程为
Figure FDA0003882627370000021
且满足0≤r≤0.5，0≤θ≤2∏；θ为最速曲线上任一点的水平线与该点同圆心连线的夹角，r为所述圆的半径。
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