CN1182657A - 用于去屑机加工的内冷切削刀片 - Google Patents

Abstract

一种用于去屑机加工的切削刀片,包括在上表面区域的刃(9)和用于把冷却介质导向切削刃方向以便将其冷却的装置。具有多孔结构的、冷却介质可从其孔中流经的支承体导引冷却介质,其至少部分被具有不透气的非多孔材料结构的表面壳包裹,在该表面层上至少有两个暴露支承体多孔结构的开口,第一个开口与切削刃隔开一定的距离,用作冷却介质内流进支承体内部的通道,第二个开口用作冷却介质从支承体内部外流的开口,其位于靠近切削刃的位置上。

Description

用于去屑机加工的内冷切削刀片

本发明涉及用于去屑机加工的内冷切削刀片，其被一个上表面，一个下表面和一个或多个在它们之间延伸的侧表面所限定，并且一方面在所述上表面区域至少包括一个切削刃和另一个与该切削刃相连的至少部分形成一侧表面的排屑表面，另一方面包括用来将冷却介质导向切削刃方向以便冷却该刃的装置。

用于去屑机加工切削刀片在切削过程中变热后，热量通过切削刀片迅速传导。通常由烧结碳化物构成的切削刀片在极短的时间达到一温度范围内，在此范围内切削刀片材料对塑性变形的抗力减小。当强的切削力作用于切削刀片上时，这种现象就使切削刀片，特别是在切削刃附近产生易于发生塑性变形，从而导致刀片断裂的危险。为了降低塑性变形的危险，切削刀片需要一个有效的冷却系统以便在预定的范围内调节刀片的工作温度。通常切削刀片和其四周被称作切削区域，其被液态冷却介质冷却，冷却介质从外界流入，流向热量产生的区域。以前，冷却介质一般从上面供给，并导向切削刀片，并且被击断的切屑破坏切削刀具的上表面。然而，这种供冷方法导致只有非常有限的冷却介质真正作用到切削刀片上，由于切屑的存在，切削刃只能在非常有限的范围内与冷却介质的接触。

另一种供应液态冷却介质的装置是控制所述介质，使其定向在切削刀片的断屑表面和切屑本身之间。然而，当在常压下供给冷却液体时，与上述方法相比这种方法的冷却效果没有明显的改进，这是因为冷却液体设有流到切削刀片上最热和机械负荷最大的部位。这样由于温度过高切削刀片就有塑性变形的危险。通过给冷却液体加压加到很高比如到250-300兆帕，无疑可显著提高冷却效果，但升高冷却液体压力到这种程度所需的设备非常复杂和昂贵。此外，实际采用极高压液体工作时安全方面存在明显的风险。

为解决上面提出的问题，最近，进一步提出切削刀片本身应从内部冷却，主要目标是将切削刀片的温度维持在一个较低水平上，以致实际上消除了塑性变形的危险。就如何实现切削刀片内冷的问题提出的几种不同解决方法，可在该领域专利文献中找到。SE467,649中描述了一种切削刀片，其由两个相同的单体组成，二者烧结在一起以形成供冷却介质流过的内部开放通道。SE429,934中描述了一种切削刀片，其具有横向孔，冷却介质从下设的垫片流经横向孔流向切削刀片上表面的单独的盖片，以最终流向刀片的切削刃，FR2244590中描述了一种切削刀片其具有供冷却介质流经的横向通道，其从切削刀片的下表面伸延到上表面，并在此，紧挨着切削刀片的切削刃排出。EPO534450描述了一种切削刀片，在切削刀片的排屑表面上留出一个开放的槽，用于将冷却介质从相应的刀夹上的通道内导向切削刀片刀刃的方向。US5,237,894中描述了一种切削刀片，其具有横向的开放的冷却液体通道，该通道在切削刀片上表面的开口处终止。

上面提到的解决问题的方案分别基于用横向的或开放的通道或槽供给冷却介质，其共同之处在于该通道在切削刃区域削弱了切削刀片，并且有通道被附在刀片表面上的热的切屑材料阻塞的危险。此外，通道或槽的存在都限制了设计具有最佳断屑器的几何形状的切削刀片。还应注意到SE377,290中描述了一种切削刀片，其具有供冷却介质在其中间循环的内腔。然而，该腔在很大上程度上削弱了切削刀片，使它在承受通常的切削力作用时实际上不能用。

本发明的目的是克服上述有于去屑机加工的具有内部供给冷却剂的刀片的缺点，并创造一个改进的切削刀片。因此本发明的一个主要目的是创造一个切削刀片，其可被充分冷却，而不用可被切屑阻塞危险的开放通道或槽的帮助。另一目的是创造一个切削刀片，其可被内部供给的冷却介质充分冷却，而不会显著降低切削刀片的机械强度，也不会因冷却介质供给必需的装置而限制切削刀片的外部几何开形状，例如断屑器几何的形状。另一个目的是创造一个切削刀片，与常用的外部冷却的切削刀片相比，其能有效地控制冷却介质使其流向紧挨刀刃的位置，而不削弱或破坏刀片上直接承受机械负荷的表面。另一个目的是创造一个切削刀片，其只需限制冷却介质的量，切削刀片的切削刃就能充分冷却。

根据权利要求1的特征部分所指出的特点，本发明的基本目标至少已经实现。根据本发明的优选设计的切削刀片在从属权利要求中更详细地得以说明。

图1为示意的部分分解的立体图，示出了根据本发明实施例制造的一个总成切削刀片，其中切削刀片借助于螺钉安装在一个刀夹上，

图2为只穿过图1中的切削刀片的放大的剖面图，

图3为一剖面图，示出了安装在刀夹上的切削刀片，其中只示出了切削刀片刀夹的前面一部分，固定螺钉以局部剖面图示出，

图4为分解的立体图，示出了根据本发明的切削刀片，其可借助于所谓的夹子、通过在切削刀片下放置一个垫片装配起来，

图5为穿过图4中的刀片刀夹的前部的放大剖视图，从而切削刀片和垫片都被夹子维持在锁定位置上，

图6为一剖面图，示出了另一实施例的切削刀片和垫片，

图7为根据图6的切削刀片和垫片的分解的视图。

根据本发明，切削刀片在图1中以1表示，并且它可以装配在标号为2的刀夹上。在示出的例子中，借助于固定螺钉3完成装配。图1中示出的只是切削刀片刀夹2的前部，其呈轴体形，并且除了一平面外其余基本呈圆柱形。在轴体前端切成刀片座4，它由底表面4′和相互成一角度的两个侧表面4″组成。切削刀片1有一横向中心孔10，固定螺钉3由此向下拧到螺纹孔5上，螺纹孔5在底表面4′上终止。

通常切削刀片1被一个上表面6，一个下表面7(见图2)和几个，更确切地说四个，侧表面8所限定，侧表面在上表面和下表面之间延伸。在选作例子的实施例中，切削刀片被认为是正性几何形状(positive geometry)，其至少有一个边9设置在上表面6和形成排屑表面的倾斜的侧表面8之间。

现在参见图2和图3，其阐明了本发明的切削刀片1中的新颖性和特征性。其特征在于，切削刀片包括至少一个具有多孔材料结构的、冷却介质可从其孔中流过的支承体11，并且该支承体11至少部分被由不透的非多孔物质构成的、同种冷却介质不能通过或很难通过的薄的表面层12所包裹。在所示的例子中，切削刀片包括一单个的密合的多孔支承体11，其占切削刀片总体积的较大部分。耐磨体13也包括在切削刀片中，并象表层12一样由致密的非多孔物质构成。但耐磨体13明显比表面层12厚。这样，实际上外层12厚度仅为几个或几十个微米左右，而与切削刀片上表面相连的耐磨体13厚度在0.5到1.5毫米范围内，最适约为1毫米(假定切削刀片的总厚度为3-7毫米)。图2清楚地表明上述切削刃9是如何形成在与表面层12相比相对较厚的耐磨体13上的。在所示的例子中，大体呈平面的耐磨体13沿切削刀片的整个上表面延伸以将其完全覆盖。然而，也可只将厚的耐磨体直接连接到切削刃9上，而切削刀片的上表面其余的部分以较薄的表面层覆盖。

实际的支承体11原则上可将同种类型的用于生产常规的烧结碳化物或烧结碳化物刀片的粉末材料与致密材料，如金属碳化物、金属氮化物、陶瓷或其它材料烧结制备。更确切地说，选用相对较大的颗粒尺寸，例如，在20-100微米之间，的粉末，并与填充物结合，结合物中的填充物在烧结时被烧去和/或气化。在形成具有标称形状的刀片本体的过程中，在粉末和填充物(可能与特殊的粘合材料一起)常规压制成型过程之后，本体在高温，例如在1200℃下烧结。由此，独立的粉末颗粒在颗粒表面经由原子、点或分散结合而烧结在一起，同时位于粉末颗粒之间的显微空间的填充物被烧完及气化。通常这种方法最终制成的支承体具有微孔材料结构，至少气态的冷却介质只需中等压力可以由此流过。

与本方法相比的一种方法是，微孔支承体11在生产时，不但薄表面层12用一种混合粉末制成，而且切削刀片上端厚的耐磨体13也用这种混合粉末制成，这种粉末为不透的无孔性材料结构。通过这种方式，耐磨13及表面层12，应具有与常规烧碳化物或硬质材料一样的致密材料结构。为了使切削刀片一体成形为致密元件，即：厚的机械强度较高的耐磨体13及薄的表面层12与微孔支承体1成为一体，可以使用另两种基本的加工方法。一种可行的方法是，在最终烧结之前，用一些适当的方法，将用于形成元件12，13的混合粉末，与用于形成支承体11的粉末放入同一模具中。第二种方法是，至少用一个单独操作压制及烧结多孔支承体11，随后将支承体与用于形成不透气元件12，13的一种或多种材料在一起烧结。

本发明的另一个特点是，在用于包封多孔支承体11的不透气的壳上(由表面层12及耐磨体13组成)至少有两个开口，所述开口使支承体的多孔结构暴露。第一个开口14位于外表层12，起进口的作用，用于向支承体内部提供冷却介质。另一个开口15起一个出口的作用，用于使支承体内的冷却介质流出。流出口15的开口离切削刃9应尽可能近。在上述情况下，开口15位于耐磨体13的在其上设置了切削刃9的前部的正下方(所示例子中切削刀片可以转动使用，至少另有一个刃9′，流出口15′的开口应离该刃尽可能近)。

图2和图3所示的实施例中，其中切削刀片借助于螺钉固定在切削刀片刀夹上，因而有一中心孔10，冷却介质进口通道14设置在表面层12形成一环槽，此外表面层12覆盖确定孔界线的轴对称壁。同时切削刀片底面完全被外层12覆盖。表面层12沿切削刀片上除了形成冷却介质出口的相对较小的孔15外的侧表面延伸到耐磨体13。如图2和图3所清楚显示的那样，出口开口15的高度不及切削刀片厚度的一半，开口直接与耐磨体13的下表面相连。

根据本发明的切削刀片在实际生产过程中，必须首先将微孔支承体完全用密封的不透气的壳(可由仅有一种薄的表面层或如图2和图3所示由一种薄的表面层和一种厚的耐磨体的组合物来构成)来包裹起来，随后用合适的仪器采用适当的机加工方法打开上述流进口或流出口。这种机加工的例子有蚀刻、冲击、磨削或火花电蚀。

根据本发明的切削刀片的冷却介质采用气体介质最为有利，例如低温气体，如氮气，其易于升高压力，尽管只是中等压力(如在20到25巴范围内)。

如图1到3优选设计所示，实际的切削刀片冷却介质的供给是借助于螺孔5和螺钉3来实现的。更具体地说，在切削刀片刀夹2上设置了内隐通道16，其一端终止于切削刀片刀夹的尾端(没有示出)，而另一端终止于螺孔5处。图3中通道的该端用16′表示。图3中清楚地表明通道的该端是如何终止于螺孔5的底部的。图1中可进一步看到，固定螺钉3上有特征性轴向凹槽17，其沿螺钉的螺纹部分延伸到螺钉头部。该内槽深度至少比螺纹孔高要大一些，这就意味着即便螺钉的外螺纹部分向下拧紧到内螺纹的孔中，凹槽的较下部分形成一个畅通的通道或通路。换句话说，由于孔10直径比螺钉的螺纹部分大，结果在螺钉外表面和孔10的内表面之间存在一环形空间18，通道16的冷却介质就是从螺钉上的凹槽通道17通过环形空间18来供给的。环形空间18的上面用螺钉3的头来限定，为了有效地密封孔10的上面部分，该空间为锥形结构是比较有利的，孔10′向上逐渐变宽，并具有轻微的圆弧形状。

切削刀片的功能用下述方式描述。当通过将螺钉3向下拧到螺孔5上而将切削刀片夹在刀夹2上的座4上时，冷却介质可以向前通到切削刀片刀夹中的通道16中。经由凹槽通道17和环形空间18，冷却介质向前流入环形进口通道14中，进口14在切削刀具的不透气外层上，在此，冷却介质被压入多孔的支承体11内。冷却介质被压向上，经过该结构的孔隙继续向上到与切削刃9，9′相连的出口15，15′，因为事实上，支承体的外表面是被壳覆盖的，壳是由上面的耐磨体13及在本体的底面和侧面上的外层12共同组成的。事实上，由于与暂时不用的切削刃9′共同起作用的出口15′的开口是逆向的，并且设置成抵靠在切削刀片座4的侧面4″上，流向出口的冷却材料流被阻止或停止。换句话说，所有的冷却介质将或多或少通过出口15的开口从切削刀片流出，出口15的开口紧挨有效工作着的切削刃9。

如图4和5所示，示出了另一实施例，其中一常用的夹子19代替横向螺钉将切削刀片1固定在切削刀片刀夹2′上。在所示实施例中，专用垫片20装在切削刀片1′和座4′的底面上。在这种情况下，座的底面上没有螺孔，所以冷却介质通道16直接在座底面上开口流注。

如图5所示，切削刀片1还包括微孔支承体11、相对较厚的上层耐磨体13和只在切削刀片侧表面延伸的表面层12(除了在一个或几个出口的开口处，外层被除去，支承体的多孔结构被覆盖)。切削刀片下表面却完全没有或部分没有表面层。这就意味着支承体的多孔结构的下方是开放的和裸露的，因此整个或部分切削刀片的下表面形成一个冷却介质流入的通道14。

垫片20由与切削刀片相同的具有微孔材料结构的刀片体构成，垫片上只有侧表面被不透的非多孔结构的表面层12覆盖。换句话说，其本体的多孔结构在上方和下方都是裸露的。垫片上表面构成冷却介质流出的开口，而下表面构成流入口开口。经由这些通道，通道16的冷却介质的流入可被导入垫片中，并进一步向上穿过切削刀片的支承体11以最终穿过上述的出口15的开口流出。

图6和7示出了另一实施例，其中，在同一垫片插入到切削刀片和座底部之间的同时，用螺钉夹紧切削刀片。与图4和5所示的设计一样，切削刀片的下表面是开放的，同时垫片的上下表面都是开放的，而垫片和切削刀片的侧表面被密封表面层12覆盖(当然，实际的切削刀片侧表面的表面层至少有一个出口15的开口)。在切削刀片和垫片上都为螺钉3设置了中心孔。示出的具体实施例的特点在于，用于限定中心孔的轴对称的壁被表面层12覆盖，防止冷却介质被导入到螺钉外表面和孔的壁之间的环形空间中。与图4和5所示方式相同，冷却介质经由通道16被导入垫片的下表面中。该通道在切削刀片刀夹上与用于安放螺钉3的螺孔5隔开。

根据本发明的切削刀片的一个优点是，其恰好能充分冷却切削刀片上最需冷却的那部分，即切削刃部分。这种有利的效果可通过强制制导冷却介质流过位于紧挨切削刃处的出口的开口来达到。所示实施例中，上述出口的开口位于切削刀片的排屑表面上，因此另一优点是冷却介质可成功地直接对该工件产生作用。由于该工件也能被充分冷却，避免了实际工件的塑性变形，事实上改进了其尺寸精度。另一个优点是完全不用开放通道或凹槽来进行冷却。这就意味着切削刀片可以设计成最佳几何形状而无需受这种通道的干扰。在切削刀片上表面的由紧密材料结构组成的坚固的耐磨体的存在使刀片能够承受相当大的机械负荷而不会发生损坏。

具有内部微孔材料结构的烧结金属体本身的制备在现有技术SE454,247和EP0,574,475中示出。然而，在这些专利中，金属体却是用作模具，例如塑性元件的铸造，因此，模具本体中微孔的目的是临时吸收压模过程中放出的那些气体。

本发明不仅仅局限于所描述的和附图中所示出的设计。切削刀片可用其它任意的基形，如三角形或其它多角形和环形或轴对称形(在后一例子中切削刀片只包括一个连续的侧表面)来代替正方形或四方形。切削刀片还可以用中性或负性刀片几何形状来代替正性几何形状。另外，切削刀片上表面的特别厚的耐磨体可以省去，因此支承体的微孔上表面可以只用相对较薄具有不透气结构的表面保护层覆盖即可。

Claims (9)

1.一种用于去屑机加工的可以从内部冷却的切削刀片，其被一个上表面(6)、一个下表面(7)和一个或多个在其之间延伸的侧表面(8)所限定，并且其包括：在所述上表面区域的至少有一个刃(9)和一个与切削刃相连的排屑表面，其至少部分形成一个侧表面(8)；和用来把冷却介质引向切削刃9方向以便冷却所述切削刃的装置，其特征在于，利用具有多孔材料结构的、冷却介质可以流经其孔的支承体11用作把冷却介质引向前面的装置，所述支承体(11)至少被具有不透气的无孔材料结构的表面层(12，13)部分包裹，并且在该表面壳上至少有两个暴露支承体多孔结构的开口(14，15)，即第一开口(14)，其与切削刃隔开一定的距离，并被用作冷却介质供给到支承体内部的通道，和第二开口，该开口用作冷却介质从多孔的支承体本体内部外流的出口(15)，其位于靠近切削刃(9)的位置上。

2.根据权利要求1的切削刀片，其特征在于，多孔支承体(11)占切削刀片(1)总体积的大部分。

3.根据权利要求1或2的切削刀片，其特征在于，切削刃(9)为由非多孔的致密材料制成的耐磨体(13)构成，耐磨体比薄的表面层(12)厚，并从所述排屑表面(8)沿切削刀片的上表面的至少一部分延伸。

4.根据权利要求3的切削刀片，其特征在于，耐磨体(13)沿切削刀片(1)的整个上表面延伸以便将其完全覆盖。

5.根据权利要求3或4的切削刀片，其特征在于，所述表面层(12)沿切削刀片上除至少一个出口(15)之外的整个侧表面(8)延伸，出口的高度不及切削刀片厚度的一半，并且直接与切削刃(9)相连，或者出口设置在耐磨体上。

6.根据上述任何一权利要求的切削刀片，其特征在于，冷却介质由入口通道(14)流入到支承体(11)内部，在切削刀片的下表面排出。

7.根据权利要求6的切削刀片，其特征在于，切削刀片的下表面基本上全部开放，即沿其表面整个范围内基本上没有不透气的壳，以便从下设的垫片(20)处供给最大量的冷却介质，与切削刀片的支承体相同，垫片具有多孔材料结构，因此冷却介质可以经由其中的孔流过。

8.根据权利要求1到5之一的切削刀片，其包括一个为固定螺钉(3)设的横向孔(10)，其特征在于，用作冷却介质通道的在表面壳(12)上的开口(14)位于孔(10)的旁边，将实际的孔中的冷却介质输送到多孔的支承体(11)内。

9.根据权利要求1到5的任一权利要求的切削刀片，其包括一个为固定螺钉设的横向孔，其特征在于，不透水的表面壳(12)覆盖着限定孔(10)的壁，并且，冷却介质所用的入口通道(14)终止于切削刀片的下表面或距切削刃一定距离的侧表面上。

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