CN110035858A - 具有冷却剂流动凹槽的铣削刀具 - Google Patents

Abstract

一种铣削刀具(10)，该切削刀具具有伸长切削头部(12)，该伸长切削头部设置有多个齿(20)和排屑槽(14)，其中多个冷却凹槽(22)在每个齿(20)的处在切削刃(15)和尾缘(16)之间的刃带区域处凹入。有利地，在刃带(17)处的所述凹槽(22)并不延伸到所述切削刃(15)并且其与所述切削刃(15)物理地分隔开，以提供这样一种刀具，该刀具经优化，以经由径向一致的切削刃(15)来进行切削并且促进从所述齿(20)的向后侧/区域进行热交换和散热。

Description

具有冷却剂流动凹槽的铣削刀具

技术领域

本发明涉及一种旋转铣削刀具，该旋转铣削刀具具有形成在伸长切削头部处的多个切削齿。

背景技术

由许多不同类型的材料加工出广泛的部件，其中每种材料都具有不同的物理和机械特性，这些不同的物理和机械特性受合金元素、热处理，硬度等影响。因此，已经开发了各种不同的切削且尤其是旋转铣削刀具，以加工工件材料。传统上，旋转铣削刀具包括刀具主体，该刀具主体设置有螺旋齿或轴向直齿，这些齿进而由排屑槽(flutes)分开。由于高的切削速度和刀具处的相当大热应力，通常经由排屑槽向切削齿的区域输送液体冷却剂。冷却提高了刀具的切削效率以及使用寿命。

JP 2010-188451公开了一种旋转铣削刀具，该旋转铣削刀具包括螺旋齿和排屑槽。冷却剂经由轴向延伸的内部孔供给到切削区域，该内部孔在排屑槽的径向内侧基部区域处具有相应的出口端部。

然而，现有的旋转铣削刀具在许多方面都是不利的。如所指出的，不同的工件材料表现出不同的物理和机械特性，这些不同的物理和机械特性影响切削效率和刀具使用寿命。特别地是，耐热超级合金(ISOS材料)通常被认为是‘粘着’材料，这些材料难以切削并且显著地缩短刀具寿命，刀具寿命的显著缩短主要归因于积屑瘤(BUE)。这种磨损机制是由于切屑与刀具的压力焊接而导致的，并且在低切削速度下对于低碳钢和不锈钢以及铝基材料是常见的。因此，需要一种铣削刀具，该铣削刀具解决了这些问题，并且特别适合于铣削ISOS和其它高要求的合金，且磨损减小并且特别是使BUE最小化。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种旋转铣削刀具，该旋转铣削刀具表现出对至少一个或多个不同磨损机制的抵抗性，从而当应用于加工诸如耐热超级合金之类的高要求合金(即，包括钛合金的ISOS材料)时，使刀具使用寿命最大化。

进一步的具体目的是提供一种铣削刀具，该铣削刀具被构造有切削齿和排屑槽，其中切削齿的区域被构造用以有效地耗散与切削相关联的高温，从而消除或减小切削刃磨损，以及特别是消除或减小积屑瘤(BUE)磨损。又一目的是提供一种切削刀具，该切削刀具增强了切屑从切削齿之间的区域(即，排屑槽)的排出，以进一步降低刀具磨损率，并且提供关于最小化所加工的工件的壁偏差方面的有效且精确的切削。

这些目的经由这样一种切削刀具来实现，该切削刀具具有伸长切削头部，该伸长切削头部设置有多个齿和排屑槽，其中多个冷却凹槽在每个齿的刃带区域(处在切削刃和尾缘之间)处凹入。重要的是，刃带处的凹槽并不延伸到切削刃，并且其与切削刃物理地分开。这种构造有利于提供一种刀具，该刀具被优化，以经由径向一致的切削刃来切削，并且促进了从齿的向后侧/区域(即，尾缘和间隙面)的热交换和散热。每个齿处的每个凹槽在每个刃带处凹入，以包括与切削刃分开的末端端部。这有利于通过从排屑槽经通道输送液体冷却剂并且使液体冷却剂通过凹槽来提高齿的冷却速率，同时不弱化切削刃处的齿。特别地是，因为流体进入凹槽并且朝向切削刃被有效地高速引导和加速，所以流体在齿的最高温度区域(即，切削刃)处的冷却效果增大。

本发明通过凹槽(该凹槽被构造用以引导冷却流体但具有被定位在刃带处并且与切削刃间隔开的相应的末端端部)的特定构造而有利于最小化各种不同的磨损机制的发生和程度，这些磨损机制例如包括后刀面磨损、月牙洼磨损和缺口磨损、崩刃以及在切削刃处产生热裂纹。发明人已经认识到，如果齿的切削刃被凹部或凹口破坏，则这些机制中的至少一些机制的发生的程度和可能性将增加。因此，本发明提供了一种刀具，该刀具被增强以最小化切削刃的工作温度，而不会在由于上述任何一种磨损机制而导致切削刃损坏或磨损方面损害齿强度。特别地是，发明人已经认识到，通过减少BUE的发生，促进了从排屑槽排出切屑。

根据本发明的第一方面，提供一种铣削刀具，该铣削刀具包括：伸长切削头部，该伸长切削头部具有纵向轴线和沿着头部轴向延伸的多个齿；每个齿具有前刀面和间隙面，该前刀面通过切削刃终止在径向外部区域处，该间隙面通过尾缘终止在径向外部区域处；多个排屑槽，每个排屑槽都被限定在相应的相邻齿的前刀面和间隙面之间；刃带，该刃带在每个齿处被限定在切削刃和尾缘之间；其特征在于：包括多个凹槽，这些凹槽在尾缘中凹入并延伸到每个齿的间隙面和刃带中；其中每个凹槽在刃带处在从尾缘到切削刃的方向上延伸，并在到达切削刃之前终止。

优选地是，齿和排屑槽是螺旋形的，使得切削刃和尾缘遵循围绕刀具(和头部)的纵向轴线的弯曲螺旋路径，其中该路径与轴线偏离一定螺旋角。可选地是，齿和排屑槽可以大致平行于刀具的纵向轴线对准，从而被认为是直的。根据这种实施方式，切削刃和尾缘大致平行于纵向轴线对准。

优选地是，该刀具包括至少一个冷却剂通道，该至少一个冷却剂通道沿着头部轴向延伸，该通道具有至少一个末端端部，该至少一个末端端部被定位在其中至少一个排屑槽的的域处。更优选地是，该至少一个冷却剂通道被形成为在头部内延伸的至少一个内部孔，该末端端部被形成为在其中至少一个排屑槽的径向内侧基部区域处的开口。可选地是，冷却剂通道可以被形成为敞开通道，该敞开通道在其中至少一个排屑槽的基部区域内轴向延伸并且凹入其内。根据一个优选实施方式，该至少一个通道包括多个末端端部，每个端部均被形成为在每个相应的排屑槽的基部区域处的开口。可选地是，冷却剂通道包括一个末端端部，包括在2个至8个、3个至6个或4个至6个之间的末端端部。可选地是，冷却剂通道包括多个末端端部，这些末端端部对应于排屑槽的数目或者小于或大于排屑槽的数目，其中每个排屑槽具有一个或多个开口(冷却剂供给通道的出口端部)。因此，本刀具优选地是通过向排屑槽供给冷却剂流体而在内部冷却。

本发明的优点在于，通过凹槽在间隙面处的定向，从而将冷却剂流体沿着间隙面尤其朝向切削刃引导(或经通道输送)。从排屑槽的径向最内侧基部区域到径向最外刃带的这种流体流动通过凹槽得到极大地促进，该凹槽有效地缩短了这两个区域之间的流体流动通路。每个尾缘的区域处的凹槽进一步有益于增加齿的旋转向后区域的表面积，从而提供冷却“散热器”效果，以从切削刃的区域散热。

可选地是，每个凹槽在宽度方向上横贯刃带从尾缘朝向切削刃延伸的距离处在等于或小于在垂直于纵向方向(切削刃和尾缘沿着该纵向方向延伸)对准的方向上的、在切削刃和尾缘之间的刃带的宽度的80％、等于或小于50％、10％至50％、20％至50％、20％至40％、25％至40％或30％至40％的范围内。在齿(和排屑槽)是螺旋形的情形下，刃带的宽度垂直于这样的螺旋角对准，其中切削刃和尾缘以该螺旋角延伸。在齿(和排屑槽)大致平行于刀具的纵向轴线对准的情形下，刃带的宽度垂直于刀具的纵向轴线对准，并且因此垂直于切削刃和尾缘的轴向对准。凹槽在宽度方向上横贯刃带延伸的这种相对距离有利于在以下两者之间提供折衷：使凹槽的冷却效果最大化，而同时不“弱化”齿和增加附加磨损机制(诸如后刀面磨损或缺口磨损或产生热裂纹)的可能性。

可选地是，每个凹槽沿着间隙面在径向方向上延伸的距离小于每个排屑槽沿着半径在每个排屑槽的径向最深区域和由切削刃限定的切削圆的径向位置之间的对应的深度的50％、小于40％、小于35％、在5％至50％、5％至40％、10％至40％、15％至30％或20％至30％的范围内。类似地是，这种构造在增强冷却和维持结构完整性并且由此使刀具使用寿命最大化之间提供了适当的折衷。

优选地是，每个凹槽在齿处的相应的最大长度、宽度和深度是均匀的。将会理解的是，这种构造提供了旋转平衡的刀具。可选地是，每个凹槽包括在间隙面内凹入的V形轮廓。然而，根据又一些实施方式，凹槽可以包括由一个或多个凹槽表面限定的任何角度的或弯曲的横截面轮廓，这些凹槽表面限定凹槽的壁和/或基部。可选地是，凹槽可以包括矩形或正方形横截面轮廓、部分圆形横截面轮廓或U形横截面轮廓。

可选地是，在间隙面处，每个凹槽的宽度在从头部的径向最深(即，径向最内)区域到径向最外区域(即，每个刃带处的切削刃)的方向上增加。可选地是，在刃带处，每个凹槽的宽度在从切削刃到尾缘的方向上增加。这种构造除了有利于使由于凹槽的存在而对齿的结构完整性产生的任何影响最小化之外，还有利于引导并且潜在地是加速冷却剂流体向切削刃的输送。优选地是，每个凹槽在每个凹槽的长度方向上的定向基本上垂直于头部的纵向轴线。这种构造有利于提供将冷却剂流体从排屑槽内朝向切削刃输送(或经通道输送)所需的角度。

可选地是，每个凹槽在头部的纵向轴线的方向上彼此分开一定距离，该距离大体上等于刃带在切削刃和尾缘之间的方向上的宽度。凹槽在轴向方向上的这种相对间隔再次在以下两者之间提供了适当的平衡：使凹槽的冷却效果最大化，同时使由于凹槽的存在而从齿的径向外部区域移除的材料的“理论体积”最小化。可选地是，并且根据具体实施方式，每个齿在尾缘处包括处在10个至40个、15个至35个或20个至30个的范围内的凹槽。

优选地是，刀具包括从头部的一个轴向端部延伸的轴(替代地是称为柄部)。可选地是，轴可以与头部一体地或非一体地形成。在轴与头部非一体地形成的情形下，刀具可以包括至少一个安装接口，从而在轴和头部之间提供联接。

优选地是，该刀具包括被设置在刀具头部的基本上所有部分或一部分处的表面涂层或薄膜。可选地是，该涂层包括超硬材料，如多晶基材料、多晶金刚石、立方氮化硼等，其中这些其它涂层是本领域技术人员所熟悉的。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式来描述本发明的具体实施方式，附图中：

图1是根据本发明的具体实施方式的旋转铣削刀具的立体图，该旋转铣削刀具包括由螺旋排屑槽分开的多个螺旋齿；

图2是图1的刀具的侧视立体图；

图3是沿着图2的刀具的III-III的截面图；

图4是图2的刀具的又一立体图；

图5是根据本发明的具体实施方式的图2的刀具的螺旋切削齿和排屑槽的立体图；

图6是图2的刀具的切削齿的径向外部区域的放大截面图。

具体实施方式

参照图1和图2，伸长旋转铣削刀具10包括总的由附图标记12指示的头部和与头部12一体地形成的轴11，其中头部12和轴11都具有共同的纵向轴线21。头部12设置有5个螺旋切削齿20，这些螺旋切削齿从第一近侧头部端部12a(被定位在头部12和轴11之间的结合部处)和第二远侧(或末端)头部端部12b连续地延伸。齿20被形成为凸脊，这些凸脊在头部12处相对于轴线21轴向和径向延伸，其中相邻的齿20在围绕轴线21的周向方向上由对应的螺旋排屑槽14分开。因此，每个齿20由间隙面18和相对的前刀面19限定，其中每个齿20的厚度(在周向方向上的厚度)被限定在相对的间隙面和前刀面18、19之间。间隙面18通过螺旋延伸的尾缘16终止于径向最外区域处，而前刀面19类似地是作为切削刃15终止在径向最外区域处。刃带17被限定在尾缘16和切削刃15之间，其中刃带17在头部的第一和第二端部12a、12b之间轴向延伸。内部孔(未示出)轴向延伸穿过刀具10(包括轴11和头部12)。特别地是，内部孔从轴11的末端端部11a延伸到头部12的区域中。特别地是，内部孔包括被形成为开口23的五个末端端部，这些末端端部被定位在每个排屑槽14的径向最深/最内侧基部区域处。因此，冷却剂流体能够经由内部孔引入到刀具10的切削区域，从而经由开口23将流体输送到排屑槽14中。

根据本发明，多个凹槽凹入到每个尾缘16中，其中凹槽22在头部的第一和第二端部12a、12b之间(在尾缘16处)轴向地间隔开。轴向地朝向头部的第二末端端部12b定位的区域13没有凹槽22，从而包括未被凹槽22中断的连续弯曲的尾缘16。对应的区域(没有凹槽22)也被设置在相对的第二端部12b处。根据具体实施方式，每个齿20包括十六个凹槽22，这些凹槽在头部端部12a和12b之间在轴向方向上以均匀的分隔距离间隔开。

图1和图2示意性地示出了第二远侧头部端部12b。特别地是，根据本发明的头部端部12b通常设置有轴向端齿，该轴向端齿代表刀具10的轴向最前的切削端部。这些齿通常将被对准，以从轴线21径向延伸，其中每个齿具有代表每个齿20的轴向末端端部的一个或多个切削刃和/或面。

将会理解的是，刀具10旨在用于按照旋转方向R围绕轴线21旋转，从而将切削刃15驱动到合适的工件(未示出)中，从而提供期望的旋转铣削动作。将会理解的是，迫使被切下的材料沿着前刀面19通过，然后与间隙面18接触，从该间隙面处，这些切屑经由尾缘16从排屑槽14中排出。将冷却流体供给到排屑槽14中既促进了切屑排出，并且又用于最小化和调节刀具10在齿20的径向外部区域处的温度(该温度由于刀具10通常围绕轴线21旋转的高切削速度而产生)。

参照图3和图4，每个凹槽22在尾缘16的区域处凹入到每个齿20中，从而每个凹槽22包括总的由附图标记22a指示的第一部分和总的由附图标记22b指示的第二部分，第一部分22a凹入到刃带17内并且沿着该刃带的一部分(在尾缘和切削刃16、15之间)延伸，第二部分22b凹入到间隙面18内并且沿着该间隙面的一部分延伸。每个完整的凹槽22(包括有第一部分22a和第二部分22b)包括大体上垂直于轴线21定向的最大长度，其中长度30被限定在凹槽第一端部28a(被定位在刃带17处)和凹槽第二端部28b(被定位在间隙面18处)之间。根据具体实施方式，每个凹槽22在垂直于凹槽长度30的平面中的横截面轮廓沿着每个凹槽22的在端部28a、28b之间的整个长度大致是V形的。因此，每个凹槽22的内部空腔区域均由横向于彼此对准的成对的相对的平坦凹槽面29a、29b限定。根据具体实施方式，凹槽部分22b的长度(在刃带17内的)大体上等于凹槽部分22b(在间隙面18内的)。

如图5中所示，凹槽第一端部28a在空间上与切削刃15分开，使得刃带17可以被认为在刃带的宽度方向上(在垂直于相应的齿20的路径的方向上)分成第一部分17a(被定位成最靠近切削刃15)和第二部分17b(被定位成最靠近尾缘16)。因此，刃带第一部分17a没有凹槽22，使得在部分17a处的刃带在每个齿20的螺旋方向上由大致平滑的未被中断的径向面向外的表面形成，该表面限定了每个齿20的径向最外区域。相反，刃带部分17b在每个齿20的螺旋方向上被凹入的凹槽22中断，从而相对于非异型的刃带部分17a限定了一部分凸脊状或异型表面。类似地是，可以认为每个间隙面18在径向方向上被分成第一径向内部部分18a和第二径向外部部分18b。内部部分18a没有凹槽22，并且因此被形成为平滑的大致连续弯曲的表面。相反，径向外部部分18b被形成为被凹入的凹槽22中断的部分凸脊状区域。因此，每个间隙面18的径向外部部分18b相对于径向内部部分18a是异型的或有棱纹的。

根据具体实施方式并参照图5，凹槽部分22a横贯刃带17(在刃带的宽度方向上)从尾缘16到切削刃15延伸的距离C小于刃带17在切削刃和尾缘15、16之间的方向上的总宽度B的50％。根据具体实施方式，距离C大体上是距离B的30％至40％。因此，刃带第一部分17a在轴向方向上比刃带第二部分17b宽。然而，由于存在凹槽22，故在刃带第二部分17b处的总表面积由于存在凹槽22并且特别是凹槽面29a、29b而增加。由于凹槽部分22b内的凹槽面29a、29b在间隙面18内延伸，因此间隙面部分18b也包括相对扩大的表面积。

参照图6，每个凹槽22沿着刀具10的半径延伸的距离E小于每个排屑槽14的整个/完整深度D，该深度由沿着头部12的半径在切削圆31(该切削圆则由切削刃15限定)和每个排屑槽14的径向最深区域24之间的距离所限定。特别地是，并且根据具体实施方式，距离E在距离D的20％至30％的范围内。因此，径向内部区域18a代表间隙面18的大部分并且其没有凹槽22。

经由无凹槽部分17a在空间上将凹槽22与切削刃15分开维持了齿20的结构完整性，并且因此避免了切削刃15根据任何一个或多个磨损机制而不期望且加速的磨损，这些磨损机制特别地是包括产生热裂纹或出现缺口磨损或后刀面磨损。具有在刃带17内延伸的部分22a和在间隙面18内延伸的部分22b的凹槽22有益于促进将冷却流体输送到齿20的周界区域，并且特别地是输送到切削刃15。另外，具有如下宽度(垂直于凹槽长度30)的凹槽22的形状轮廓有利于高速将冷却剂流体从排屑槽14的区域输送到切削刃15，该宽度：i)在间隙面18处(在从排屑槽基部区域24到尾缘15的径向方向上)增加，并且ii)在刃带17处(在从尾缘16到切削刃15的轴向方向上)减小。冷却剂在间隙面18处的径向向外的冷却剂流动速度和“经通道的”输送可以通过在间隙面18和刃带17两者处的相应的凹槽长度30和凹槽宽度的变化而选择性地调节。也就是说，并且根据另外的实施例，凹槽第二端部28b可以被定位在每个排屑槽14的中间径向深度D处、朝向或超出该中间径向深度定位。

凹槽22进一步有利于促进切屑从每个排屑槽14排出。增强的切屑排出可以部分地是由于在切削刃15的区域处的积屑瘤(BUE)发生的程度和可能性的减小，这种程度和可能性的减小则是由于在切削刃15的区域处热量的耗散和减少所导致的。也就是说，具有凹槽22的齿20的本构造可以被认为提供了“散热器”效应，该“散热器”效应使得切削刃15和尾缘16的区域之间的温差最大化。这种效应可以首先是由于在部分17b、18b处的表面积的增加，其次是由于冷却流体在尤其朝向切削刃15的方向上的增加的经通道输送以及由此增加的体积/输送速率。

Claims (17)

1.一种铣削刀具(10)，包括：

伸长切削头部(12)，所述伸长切削头部(12)具有纵向轴线(21)和沿着所述头部(12)轴向延伸的多个齿(20)；

每个齿(20)具有前刀面(19)和间隙面(18)，所述前刀面(19)通过切削刃(15)终止在径向外部区域处，所述间隙面(18)通过尾缘(16)终止在径向外部区域处；

多个排屑槽(14)，每个排屑槽(14)被限定在相应的相邻齿(20)的所述前刀面(19)和所述间隙面(18)之间；

刃带(17)，所述刃带在每个齿(20)处被限定在所述切削刃(15)和所述尾缘(16)之间；

其特征在于，

包括多个凹槽(22)，所述多个凹槽(22)在所述尾缘(16)中凹入并且延伸到每个齿(20)的所述间隙面(18)和所述刃带(17)中；

其中每个所述凹槽(22)在所述刃带(17)处在从所述尾缘(16)到所述切削刃(15)的方向上延伸并且在到达所述切削刃(15)之前终止。

2.根据权利要求1所述的刀具，包括至少一个冷却剂通道，所述至少一个冷却剂通道沿着所述头部(12)轴向延伸，且所述通道具有至少一个末端端部，所述至少一个末端端部被定位在至少一个所述排屑槽(14)的区域处。

3.根据权利要求2所述的刀具，其中所述至少一个冷却剂通道被形成为在所述头部(12)内延伸的至少一个内部孔，所述末端端部被形成为在至少一个所述排屑槽(14)的径向内侧基部区域(24)处的开口(23)。

4.根据权利要求3所述的刀具，其中所述至少一个通道包括多个末端端部，每个所述端部均被形成为在每个所述相应的排屑槽(14)的所述基部区域(24)处的开口(23)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中每个所述凹槽(22)在宽度方向上横贯所述刃带(17)从所述尾缘(16)朝向所述切削刃(15)延伸的距离(C)处在等于或小于所述刃带(17)在垂直于纵向方向对准的方向上的、在所述切削刃(15)和所述尾缘(16)之间的宽度(B)的80％的范围内，其中所述切削刃和所述尾缘沿着所述纵向方向延伸。

6.根据权利要求5所述的刀具，其中所述范围是20％至80％。

7.根据权利要求5所述的刀具，其中所述范围等于或小于50％。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中每个所述凹槽(22)沿着所述间隙面(18)在径向方向上延伸的距离(E)小于每个所述排屑槽(14)沿着半径在每个所述排屑槽(14)的径向最深区域(24)和由所述切削刃(15)所限定的切削圆(31)的径向位置之间的对应深度(D)的50％。

9.根据权利要求8所述的刀具，其中所述距离(E)在每个所述排屑槽(14)的所述径向深度(D)的5％至40％的范围内。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中在所述齿处的每个所述凹槽(22)的相应的最大长度、宽度和深度是均匀的。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中每个所述凹槽(22)包括在所述间隙面(18)内凹入的V形轮廓。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中在所述间隙面(18)处，每个所述凹槽(22)的宽度在所述刃带(17)处沿从所述头部的径向最深区域(24)到径向最外区域的方向增加。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中在所述刃带(17)处，每个所述凹槽(22)的宽度在从所述切削刃(15)到所述尾缘(16)的方向上增加。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中每个所述凹槽(22)在每个凹槽的长度方向上的定向基本上垂直于所述头部(12)的所述纵向轴线(21)。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中每个所述凹槽(22)在所述头部(12)的所述纵向轴线(21)的方向上彼此分开一定距离，所述距离大体上等于所述刃带(17)的在所述切削刃(15)和所述尾缘(16)之间的方向上的宽度(B)。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，其中每个齿(20)在所述尾缘(16)处包括在10个至30个的范围内的凹槽(22)。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的刀具，包括轴(11)，所述轴(11)从所述头部(12)的一个轴向端部(12a)延伸。