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CN104439457B - 带有应力离隙的铣刀 - Google Patents

带有应力离隙的铣刀 Download PDF

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CN104439457B CN201410262405.2A CN201410262405A CN104439457B CN 104439457 B CN104439457 B CN 104439457B CN 201410262405 A CN201410262405 A CN 201410262405A CN 104439457 B CN104439457 B CN 104439457B
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Abstract

一种切削刀具如铣刀包括一个刀具本体以及多个用于接纳切削镶片的凹座。每个凹座包括一个底部支撑表面、一个径向支撑表面、一个轴向支撑表面、一个在该底部支撑表面与该径向支撑表面之间的第一拐角离隙、以及在该凹座的一端处形成于该第一拐角离隙中的一个第一应力离隙。该第一应力离隙是相对于一个平行于该径向支撑表面的平面以一个角度形成的。该第一应力离隙减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。可以在该第一拐角离隙中和/或在一个第二拐角离隙中形成一个第二应力离隙和第三应力离隙。

Description

带有应力离隙的铣刀
发明背景
切削刀具，诸如铣刀，是圆柱形、圆锥形的形状的或者盘形式的、具有多个切削刃的可旋转刀具。此类刀具可按多种形式来获得，诸如简单的圆柱形的侧铣刀、平面铣刀和端铣刀、成形刀具、以及标准和特殊形状的外形的刀具。
本领域已知了使用被安装在刀具前端的切削镶片的端铣刀。这些端铣刀根据安装在其中的切削镶片的构型可以用于若干类型的应用中。这些切削镶片可以提供一个用于侧铣削的外围切削刃、一个用于平面铣削的前部切削刃、以及一个用于不同复制应用的所谓“球头”端铣刀的弯曲切削刃。四槽铣刀可能是最常见的，但是2槽、3槽、或6槽也被广泛地使用着。端铣刀的大量使用是因为它们可以执行各种各样的铣削操作，并且该刀具的初始费用是中等程度的。除圆柱形外的形状也是常用的。其柄可以是平行的或者楔形的、并且不必等于该刀具齿的直径。
通常当端铣刀处于操作中时，机械力被施加在该刀具的一个刃上的。所导致的力矩受到该刚性地握持刀具柄的刀夹具的抵抗。忽视该力矩的方向随着刀具的旋转而不断改变这一事实，该刀具可以被认为是如悬臂一样受到应力的。
虽然以上所讨论的应力问题是与避免会导致工具破裂的疲劳相关的，但是同样重要的还有对最小化刀具挠曲的要求，以便改进精确度和表面精度并且减小震动和噪声。该弯曲力矩与刀具的旋转一起产生了完全相反的应力状况(交替的拉伸应力和压缩应力)，这对于疲劳而言是最具毁坏性的状况。
因此，需要一种改进的切削刀具，该切削刀具可以克服已知切削刀具的局限性并且减小或消除该切削刀具的总应力。
发明概述
本发明的诸位发明人通过在径向支撑表面上提供一个位于高应力区域附近的凹座特征已经解决了与常规切削刀具相关联的高应力问题，该凹座特征大大减小了拉伸应力，由此改进了刀具安全性以及刀具的寿命。
一方面，一种切削刀具包括一个刀具本体，该刀具本体包括多个用于接纳切削镶片的凹座，每个凹座包括一个底部支撑表面、一个径向支撑表面、一个在该底部支撑表面与该轴向支撑表面之间的第一拐角离隙、以及在该凹座的一端处形成于该第一拐角离隙中的一个第一应力离隙，该第一应力离隙是相对于一个平行于该轴向支撑表面的平面以一个角度形成的，其中该第一应力离隙减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。
另一方面，一种切削刀具包括一个刀具本体，该刀具本体包括多个用于接纳切削镶片的凹座，每个凹座包括一个底部支撑表面、一个轴向支撑表面、一个径向支撑表面、一个在该底部支撑表面与该轴向支撑表面之间的第一拐角离隙、一个在该底部支撑表面与该径向支撑表面之间的第二拐角离隙、在该凹座的一端处形成于该第一拐角离隙中的一个第一应力离隙、以及形成于该第二拐角离隙中的一个第二应力离隙，该第一应力离隙是相对于一个平行于该轴向支撑表面的平面以一个角度形成的，并且该第二应力离隙是相对于一个平行于该径向支撑表面的平面以一个角度形成的，其中该第一应力离隙和该第二应力离隙减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。
又另一方面，一种切削刀具包括一个刀具本体，该刀具本体包括多个用于接纳切削镶片的凹座，每个凹座包括一个底部支撑表面、一个轴向支撑表面、一个径向支撑表面、一个在该底部支撑表面与该轴向支撑表面之间的第一拐角离隙、在该凹座的一端处形成于该第一拐角离隙中的一个第一应力离隙、以及在该凹座的一个相反端处形成于该第一拐角离隙中的一个第三应力离隙，该第一应力离隙是相对于一个平行于该轴向支撑表面的平面以一个角度形成的，该第三应力离隙是相对于这个平行于该轴向支撑表面的平面以一个角度形成的，其中该第一应力离隙和该第三应力离隙减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。
附图的简要说明
虽然展示了本发明的不同实施例，但不应认为所示的具体实施例限制了权利要求。在此预期可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变化和修改。
图1是根据本发明一个实施例的切削刀具的等距视图；
图2是图1的切削刀具的凹座的放大视图，示出了根据本发明一个实施例的用于减小应力的第一应力离隙和第二应力离隙；
图3是沿着图2的线3-3截取的凹座的截面视图；
图4是图1的切削刀具的凹座的放大视图，示出了根据本发明另一个实施例的用于减小应力的第一应力离隙和第三应力离隙；并且
图5是沿着图4的线5-5截取的凹座的截面视图。
发明详细说明
参见这些附图，在附图中类似的符号表示类似的要素，图1中总体示出的一个切削刀具10包括一个总体上圆柱形的刀具本体12，该刀具本体是围绕其中心旋转轴线14总体上径向对称的并且终止于一个切削尖端15。在所展示的实施例中，该切削刀具10包括一个铣刀。
刀具本体12优选地但并不必须地包括多个槽16，每个槽中带有多个凹座18。这些凹座18是相对于轴线14旋转对称地安排的。至少一个、但可能更多的切削镶片(未示出)的构型及尺寸被确定成有待接纳在各个凹座18内并且被固定到其上。将认识到的是，本发明不受凹座18数目的限制，并且本发明可以用任何所希望数目的凹座18来进行实施，这取决于刀具本体12的尺寸。
参见图2和图3，每个凹座18具有一个可以相对于轴线14成一个角度(未示出)的底部支撑表面20。凹座18还包括一个径向支撑表面22以及一个任选的轴向支撑表面24，当该镶片被安装在凹座18之中时该径向支撑表面和这个任选的轴向支撑表面分别构成了针对该镶片侧壁的径向的和轴向的抵靠表面。在底部支撑表面20与径向支撑表面22之间形成一个第一拐角离隙26。此外，如果在该切削刀具10中提供了这个任选的轴向支撑表面24，则在该底部支撑表面20与该任选的轴向支撑表面24之间形成一个第二拐角离隙27。一个螺纹孔36延伸穿过该底部支撑表面20的中心并且大体上与其垂直。在该切削刀具10的组装后位置中，这些切削镶片各自被一个夹紧螺钉(未示出)夹持在凹座18内，该夹紧螺钉穿过该切削镶片的通孔并且与该凹座18内的螺纹孔36螺纹式地接合。
现在参见图3，本发明的一个方面在于，每个拐角离隙26、27形成有一个减小凹座18上的拉伸应力从而增加刀具寿命的应力离隙。确切地说，在第一拐角离隙26中形成一个第一应力离隙28，并且在该第二拐角离隙27中形成一个第二应力离隙29。即，第一应力离隙28是在底部支撑表面20与径向支撑表面22之间形成的，并且第二应力离隙29是在底部支撑表面20与轴向支撑表面24之间形成的。
第一应力离隙28是一个圆化的本体相交处，该圆化的本体相交处具有一个基本上圆形的截面形状并且是相对于一个平行于该径向支撑表面22的平面32以一个角30形成的。这个角30可以是在约零(0)度与约九十(90)度之间的范围内。即，这个角30大于零(0)度而小于九十(90)度。
如图2所示，第一应力离隙28是在与刀具本体12的切削尖端15的相交处以一个半径R1形成的。半径R1可以是在约1mm至约3mm之间的范围内。例如，半径R1可以约为0.047英寸(大概1.19mm)。应该认识到，本发明不受第一应力离隙28的半径R1的量的限制，并且第一应力离隙28的半径R1的量取决于该切削镶片的设计以及其他因素。此外，如图3中所示，第一应力离隙28在与该第一拐角离隙26的相交处还形成有一个半径R2。半径R2可以是在约1mm至约20mm之间的范围内。
类似地，第二应力离隙29是一个圆化的本体相交处，该圆化的本体相交处具有一个基本上圆形的截面形状并且是相对于一个平行于该轴向支撑表面24的平面33以一个角31形成的。角31可以是在约零(0)度与约九十(90)度之间的范围内。即，这个角31大于零(0)度而小于九十(90)度。
类似于第一应力离隙28，第二应力离隙29是在与该刀具本体12的外周边的相交处形成有半径R1。此外，第二应力离隙29在与该第二拐角离隙27的相交处形成有一个半径R3。半径R3可以是在约1mm至约20mm之间的范围内。第二应力离隙29的角31可以与第一应力离隙28的角30相同或不同。此外，第二应力离隙29的半径R3可以与第一应力离隙28的半径R2相同或不同。
已经发现，形成于第一拐角离隙26中的第一应力离隙28以及形成于该第二拐角离隙27中的第二应力离隙29产生了显著减小该切削刀具10的凹座18的拉伸应力而由此延长刀具寿命这个出乎意料的结果。确切地说，对于该切削刀具的不带有本发明的应力离隙28、29的常规第一排凹座的拉伸应力的有限元分析(FEA)在拐角离隙26处得到了约124,210psi的最大拉伸应力并且在拐角离隙27处得到了约157,990psi的最大拉伸应力。
相比之下，对于切削刀具10的带有本发明的应力离隙28、29的第一排凹座18的拉伸应力的有限元分析在应力离隙28处得到了约81,905psi的最大拉伸应力并且在应力离隙29处得到了约71,344psi的最大拉伸应力。换言之，应力离隙28、29使拐角离隙26处的最大拉伸应力减小了约34％并且使拐角离隙27处的最大拉伸应力减小了约55％，这是拉伸应力的显著减小。
与不带有应力离隙28、29的常规凹座相比，对于该切削刀具的第二排的以及剩余排的凹座的有限元分析得到了拐角离隙27的最大拉伸应力的约20％的减小以及拐角离隙26的最大拉伸应力的约27％的减小。
现在参见图4和图5，示出了根据本发明另一个实施例的带有应力离隙的凹座18。在这个实施例中，第一应力离隙28是在凹座18的一端处在底部支撑表面20与径向支撑表面22之间、在拐角离隙26中形成的。此外，在凹座18的一个相反端处在底部支撑表面20与径向支撑表面22之间、在该拐角离隙26的相反端处形成了一个第三应力离隙34。
如以上提及的，第一应力离隙28是一个圆化的本体相交处，该圆化的本体相交处具有一个基本上圆形的截面形状并且是相对于一个平行于该径向支撑表面22的平面32以角30形成的。角30可以是在约零(0)度与约九十(90)度之间的范围内。即，这个角30大于零(0)度而小于九十(90)度。第一应力离隙28在与该第一拐角离隙26的相交处还形成有半径R2。
类似地，第三应力离隙34是一个圆化的本体相交处，该圆化的本体相交处具有一个基本上圆形的截面形状并且是相对于一个平行于该径向支撑表面22的平面32以一个角35形成的。角35可以是在约零(0)度与约九十(90)度之间的范围内。即，这个角35大于零(0)度而小于九十(90)度。类似于第一应力离隙28，第三应力离隙34在与该第一拐角离隙26的相交处形成有一个半径R3。半径R3可以是在约1mm至约20mm之间的范围内。第三应力离隙34的角35可以与第一应力离隙28的角30相同或不同。此外，第三应力离隙34的半径R3可以与第一应力离隙28的半径R2相同或不同。
应该认识到，本发明可以通过形成于第一拐角离隙26中的第一应力离隙28和第三应力离隙34、以及形成于该第二拐角离隙27中的第二应力离隙29或它们的任何组合来实践。
如以上说明的，与不包含本发明的应力离隙的常规刀具相比，这些应力离隙28、29、34产生了大大减小该切削刀具10的拉伸应力由此大大增加刀具寿命这个出乎意料的结果。
在此指明的这些专利以及其他文件通过引用结合在此。通过考虑本说明书或通过实施在此披露的发明，本发明的其他实施方式对于本领域技术人员将是清楚的。本说明书和这些实例旨在仅是说明性的而无意限制本发明的范围。本发明的真实范围和精神是由以下的权利要求表明的。

Claims (19)

1.一种切削刀具，包括：
一个刀具本体，该刀具本体包括多个用于接纳切削镶片的凹座，每个凹座包括一个底部支撑表面、一个径向支撑表面、一个轴向支撑表面、一个在该底部支撑表面与该径向支撑表面之间的第一拐角离隙、一个在该底部支撑表面与该轴向支撑表面之间的第二拐角离隙、以及在该凹座的一端处形成于该第一拐角离隙中的一个第一应力离隙，该第一应力离隙是相对于一个平行于该径向支撑表面的平面以一个角度形成的，
其中该第一应力离隙减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。
2.如权利要求1所述的切削刀具，其中该第一应力离隙的截面形状是圆形的。
3.如权利要求2所述的切削刀具，其中该第一应力离隙被形成为具有一个第二半径R2。
4.如权利要求1所述的切削刀具，其中该第一应力离隙被形成为具有一个第一半径R1。
5.如权利要求4所述的切削刀具，进一步包括形成于该第二拐角离隙中的一个第二应力离隙，该第二应力离隙是相对于一个平行于该轴向支撑表面的平面以一个角度形成的。
6.如权利要求5所述的切削刀具，其中该第二应力离隙的截面形状是圆形的。
7.如权利要求6所述的切削刀具，其中该第二应力离隙被形成具有一个第一半径R1。
8.如权利要求5所述的切削刀具，其中该第二应力离隙被形成具有一个第三半径R3。
9.如权利要求4所述的切削刀具，进一步包括在该凹座的一个相反端处形成于该第一拐角离隙中的一个第三应力离隙，该第三应力离隙是相对于这个平行于该径向支撑表面的平面以一个角度形成的。
10.如权利要求9所述的切削刀具，其中该第三应力离隙的截面形状是圆形的。
11.如权利要求9所述的切削刀具，其中该第三应力离隙被形成为具有一个第一半径R1。
12.如权利要求9所述的切削刀具，其中该第三应力离隙被形成为具有一个第三半径R3。
13.一种切削刀具，包括：
一个刀具本体，该刀具本体包括多个用于接纳切削镶片的凹座，每个凹座包括一个底部支撑表面、一个径向支撑表面、一个轴向支撑表面、一个在该底部支撑表面与该径向支撑表面之间的第一拐角离隙、一个在该底部支撑表面与该轴向支撑表面之间的第二拐角离隙、在该凹座的一端处形成于该第一拐角离隙中的一个第一应力离隙、以及在该凹座的另一端处形成于该第二拐角离隙中的一个第二应力离隙，该第一应力离隙是相对于一个平行于该径向支撑表面的平面以一个角度形成的，并且该第二应力离隙是相对于一个平行于该轴向支撑表面的平面以一个角度形成的，
其中该第一应力离隙和该第二应力离隙减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。
14.如权利要求13所述的切削刀具，其中该第一应力离隙和第二应力离隙的截面形状是圆形的。
15.如权利要求13所述的切削刀具，其中该第一应力离隙被形成为具有一个第二半径R2并且其中该第二应力离隙被形成为具有一个第三半径R3。
16.如权利要求13所述的切削刀具，其中该第一应力离隙和该第二应力离隙被形成为具有一个第一半径R1。
17.一种切削刀具，包括：
一个刀具本体，该刀具本体包括多个用于接纳切削镶片的凹座，每个凹座包括一个底部支撑表面、一个径向支撑表面、一个轴向支撑表面、一个在该底部支撑表面与该径向支撑表面之间的第一拐角离隙、一个在该底部支撑表面与该轴向支撑表面之间的第二拐角离隙、在该凹座的一端处形成于该第一拐角离隙中的一个第一应力离隙、以及在该凹座的一个相反端处形成于该第一拐角离隙中的一个第三应力离隙，该第一应力离隙是相对于一个平行于该径向支撑表面的平面以一个角度形成的，并且该第三应力离隙是相对于这个平行于该径向支撑表面的平面以一个角度形成的，
其中该第一应力离隙和该第三应力离隙减小了该切削刀具在机加工操作过程中的拉伸应力。
18.如权利要求17所述的切削刀具，其中该第一应力离隙和该第三应力离隙的截面形状是圆形的。
19.如权利要求17所述的切削刀具，其中该第一应力离隙被形成为具有一个第二半径R2，并且其中该第三应力离隙被形成为具有一个第三半径R3。
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