CN113695653B - 一种球头铣刀 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种球头铣刀，包括刀杆和连接在刀杆一端的球形刀头，球形刀头上设有切削结构，球形刀头的远离刀杆侧具有和刀杆中心线相交的中心端，切削结构包括设置于球形刀头的第一切削刃组和第二切削刃组，第一切削刃组和第二切削刃组均包括环绕中心端间隔排布的至少两切削齿，切削齿沿着球形刀头的表面朝远离中心端的方向延伸，第一切削刃组的切削齿的向心端比第二切削刃组的切削齿的向心端更为靠近中心端，第二切削刃组的切削齿数量多于第一切削刃组的切削齿数量。本发明的在球形刀头上设置大量的切削齿，可以满足高精度难加工模具的加工要求，越靠近中心端的切削齿的数量越少，有利于工件废料排出，提高加工质量。
Description
【技术领域】
本发明属于加工刀具技术领域，尤其涉及一种球头铣刀。
【背景技术】
现有技术的模具加工中常会遇到一些难加工材料的模具，例如硬质合金模具和石墨模具等，此类模具往往是一些复杂的曲面，且对加工表面的精度及光洁度要求高。目前，市面上常见的球头铣刀多为2－4刃结构的硬质合金涂层刀具，加工效率低，刀刃磨损快；且目前大多刀具只有两刃通过球头铣刀的球心，球心结构薄弱，球心处加工磨损快，导致刀具保型性较差、寿命短，不能满足高精度难加工模具的加工要求。
因此，有必要提供一种新型球头铣刀，保证加工刀具具有高精度，高耐磨保型性及很好的加工寿命。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种球头铣刀，能够解决相关技术中不能满足高精度难加工模具的加工要求的技术问题。
本发明的技术方案如下：一种球头铣刀，包括刀杆和连接在所述刀杆一端的球形刀头，所述球形刀头上设有切削结构，所述球形刀头的远离所述刀杆侧具有和所述刀杆中心线相交的中心端，所述切削结构包括设置于所述球形刀头的第一切削刃组和第二切削刃组，所述第一切削刃组和所述第二切削刃组均包括环绕所述中心端间隔排布的至少两切削齿，所述切削齿沿着所述球形刀头的表面朝远离所述中心端的方向延伸，所述第一切削刃组的切削齿的向心端比所述第二切削刃组的切削齿的向心端更为靠近所述中心端，所述第二切削刃组的切削齿数量多于所述第一切削刃组的切削齿数量。
优选地，所述第二切削刃组的切削齿的数量为所述第一切削刃组的切削齿数量的整数倍。
优选地，所述第一切削刃组的各所述切削齿环绕所述中心端等角度间隔排列，所述第一切削刃组的各所述切削齿与所述中心端连接；所述第二切削刃组的各所述切削齿环绕所述中心端等角度间隔排列。
优选地，所述第二切削刃组的切削齿环绕于所述第一切削刃组的外侧，每一所述第一切削刃组的切削齿均一体连接有一所述第二切削刃组的切削齿，所述第一切削刃组中两相邻的切削齿之间设有至少一所述第二切削刃组的切削齿。
优选地，所述切削齿包括连接在所述球形刀头表面的前刀面、与所述前刀面的远离所述球形刀头侧连接的刃带、与所述刃带的远离所述前刀面侧相连的第一后刀面以及连接于所述第一后刀面和所述球形刀头表面之间的第二后刀面。
优选地，所述前刀面的板面与垂直于所述刃带的板面的方向之间具有刀具前角，所述第一后刀面的板面与平行于所述刃带的板面的方向之间具有第一后角，所述第二后刀面的板面与平行于所述刃带的板面的方向之间具有第二后角，所述第二后角的值大于所述刀具前角的值和所述第一后角的值。
优选地，所述刀具前角的取值范围为3－20°，所述第一后角的取值范围为5－25°，所述第二后角的取值范围为30－70°。
优选地，所述刃带的宽度取值范围为0.003－0.05mm，所述刃带的表面与所述球形刀头表面之间具有预定距离，所述预定距离的取值范围为0.01－0.5mm。
优选地，所述切削结构还包括设置于所述中心端的球心微刃结构，所述球心微刃结构包括设于所述中心端的端面的至少两间隔排布的切削微刃。
优选地，所述刀杆包括刀身和连接在所述刀身一端的锥部，所述锥部远离所述刀身的一端连接在所述球形刀头，所述锥部朝靠近刀头的方向收缩。
本发明的有益效果在于：在球形刀头设置第一切削刃组和第二切削刃组，且第一切削刃组和第二切削刃组均包括环绕中心端间隔排布的至少两切削齿，使得在球形刀头上设置有大量的切削齿，而且由于利用大量的切削齿加工工件，可在加工过程中提高工件的进给速度，从而提高加工效率。同时，第一切削刃组的切削齿的向心端比第二切削刃组的切削齿的向心端更为靠近中心端，第二切削刃组的切削齿数量多于第一切削刃组的切削齿数量，使得球形刀头上更靠近中心端的切削齿数量小于球形刀头上更远离中心端的切削齿数量，实现切削齿数量随球形刀头的径向呈梯度分布，从而使得球形刀头上更靠近中心端的相邻切削齿之间的间隔大于球形刀头上更远离中心端的相邻切削齿之间的间隔，有利于工件废料从球形刀头上的切削齿之间的间隔排出，从而避免工件表面被工件废料划伤，提高加工质量。通过在球形刀头上设置大量的切削齿，能满足高精度难加工模具的加工要求，还提高了加工效率；同时，越靠近中心端的切削齿的数量越少，有利于工件废料从球形刀头上的切削齿之间的间隔排出，从而避免工件表面被工件废料划伤，提高加工质量。
【附图说明】
图1为本发明一种球头铣刀的整体结构示意图；
图2为图1中A的局部放大图；
图3为本发明一种球头铣刀中的球形刀头俯视图；
图4为本发明一种球头铣刀中的切削刃的剖面示意图；
图5为本发明一种球头铣刀中的球心微刃结构的剖面示意图；
图6为本发明一种球头铣刀中的球心微刃结构的微观形貌图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
参照图1和图2，一种球头铣刀，包括刀杆1和连接在刀杆1一端的球形刀头2，球形刀头2上设有切削结构21，球形刀头2的远离刀杆1侧具有和刀杆1中心线相交的中心端22，切削结构21包括设置于球形刀头2的第一切削刃组211和第二切削刃组212，第一切削刃组211和第二切削刃组212均包括环绕中心端22间隔排布的至少两切削齿214，切削齿214沿着球形刀头2的表面朝远离中心端22的方向延伸，第一切削刃组211的切削齿214的向心端比第二切削刃组212的切削齿214的向心端更为靠近中心端22，第二切削刃组212的切削齿214数量多于第一切削刃组211的切削齿214数量。
在球形刀头2设置第一切削刃组211和第二切削刃组212，且第一切削刃组211和第二切削刃组212均包括环绕中心端22间隔排布的至少两切削齿214，使得在球形刀头2上设置有大量的切削齿214，而且由于利用大量的切削齿214加工工件，可在加工过程中提高工件的进给速度，从而提高加工效率。同时，第一切削刃组211的切削齿214的向心端比第二切削刃组212的切削齿214的向心端更为靠近中心端22，第二切削刃组212的切削齿214数量多于第一切削刃组211的切削齿214数量，使得球形刀头2上更靠近中心端22的切削齿214数量小于球形刀头2上更远离中心端22的切削齿214数量，实现切削齿214数量随球形刀头2的径向呈梯度分布，从而使得球形刀头2上更靠近中心端22的相邻切削齿214之间的间隔大于球形刀头2上更远离中心端22的相邻切削齿214之间的间隔，有利于工件废料从球形刀头2上的切削齿214之间的间隔排出，从而避免工件表面被工件废料划伤，提高加工质量。通过在球形刀头2上设置大量的切削齿214，能满足高精度难加工模具的加工要求，还提高了加工效率；同时，越靠近中心端22的切削齿214的数量越少，有利于工件废料从球形刀头2上的切削齿214之间的间隔排出，从而避免工件表面被工件废料划伤，提高加工质量。
参照图1、图2和图3，第二切削刃组212的切削齿214的数量为第一切削刃组211的切削齿214数量的整数倍。在本实施例的一些实施方式中，球形刀头2表面的切削齿214数量随球形刀头2的径向呈梯度分布，球形刀头2的表面可以自中心端朝外依次设有2-4个梯度，每一个梯度均设置有切削齿214，且同一个梯度的切削齿214可以作为一个切削刃组，球形刀头2上更靠近中心端22的梯度的切削齿214数量小于球形刀头2上更远离中心端22的梯度的切削齿214数量，沿着球形刀头2的表面朝远离中心端22的方向上各梯度的切削齿214的数量呈整数倍递增，有利于工件废料从球形刀头2上的切削齿214之间的间隔排出，从而避免工件表面被工件废料划伤，提高加工质量。优选地，在一实施方式中，球形刀头2的表面的切削齿214呈三个梯度排布，使得球形刀头2表面具有和中心端同心的三个切割区域，通过在球形刀头2的表面设置三个切割区域，且三个切割区域均设有绕中心端等角度间隔排布的切削齿214，有利于保证球头铣刀的加工精度，同时，在工件的加工过程中可以实现工件的高进给速率，从而极大地提升了工件的加工效率；其中，第一切割区域100设于最为靠近中心端22的球形刀头2处，第一切割区域100、第二切割区域200以及第三切割区域300沿着球形刀头2的表面朝远离中心端22的方向依次排列。第一切割区域100可以设有8个切削齿214，第二切割区域200可以设有16个切削齿214，第三切割区域300可以设有32个切削齿214，第二切割区域200的切削齿214数量相比于第一切割区域100的切削齿214数量呈两倍递增，第三切割区域300的切削齿214数量相比于第二切割区域200的切削齿214数量呈两倍递增。可以理解的，第一切削刃组211和第二切削刃组212并不特指某一梯度的切削齿214，只要满足第一切削刃组211的切削齿214的向心端比第二切削刃组212的切削齿214的向心端更为靠近中心端22，第二切削刃组212的切削齿214数量多于第一切削刃组211的切削齿214数量即可，例如，以本实施例为参考，当第一切削刃组211仅为第一切割区域100的切削齿214的组合时，第二切削刃组212可以为第二切割区域200和第三切割区域300的切削齿214的组合；当第一切削刃组211为第一切割区域100和第二切割区域200的切削齿214的组合时，第二切削刃组212可以为第三切割区域300的切削齿214的组合。在本实施例的其它实施方式中，第一切割区域100的切削齿214数量可以根据实际需要在2-30个范围内选择，第二切割区域200和第三切割区域300的切削齿214数量可以呈两倍、三倍、四倍以及其它整数倍递增，如：第一切割区域100可以设有4个切削齿214，第二切割区域200可以设有12个切削齿214，第三切割区域300设有36个切削齿214。
参照图3，第一切削刃组211的各切削齿214环绕中心端22等角度间隔排列，第一切削刃组211的各切削齿214与中心端22连接；第二切削刃组212的各切削齿214环绕中心端22等角度间隔排列。第二切削刃组212的切削齿214环绕于第一切削刃组211的外侧，每一第一切削刃组211的切削齿214均一体连接有一第二切削刃组212的切削齿214，第一切削刃组211中两相邻的切削齿214之间设有至少一第二切削刃组212的切削齿214。在本实施例的一些实施方式中，同一切削刃组的相邻切削齿214之间的间隔形成排屑槽23，第一切削刃组211的各切削齿214和第二切削齿214的各切削齿214均环绕中心端22排列，且刀杆1的中心线位于切削齿214的延伸方向所在的平面内，使得切削齿214在附图3的视角时不存在弯曲处，有利于工件废料在排屑槽23内流动顺畅。第一切削刃组211的切削齿214的一端连接于中心端22，第一切削刃组211的切削齿214的另一端沿着球形刀头2的表面朝远离中心端22的方向延伸，当第一切削刃组211仅为第一切割区域100的切削齿214的组合时，第二切削刃组212为第二切割区域200和第三切割区域300的切削齿214的组合时，第一切削刃组211的各切削齿214之间的间隔角度为45°，第二切削刃组212的各切削齿214之间的间隔角度为11.25°，且第二切削刃组212的各切削齿214的长度不相等，第二切削刃组212的切削齿214包括短切削齿214和长切削齿214，优选地，第二切削刃组212中短切削齿214的长度与第一切削刃组211的切削齿214的长度相等，第二切削刃组212中长切削齿214的长度是第二切削刃组212中短切削齿214的长度，第二切削刃组212中每两个短切削齿214之间设有一长切削齿214，第一切削刃组211和第二切削刃组212的切削齿214设置方式有利于在球形刀头2的表面加工形成切削齿214。同时，第一切削刃组211的各切削齿214之间的间隔角度大于第二切削刃组212的各切削齿214之间的间隔角度，而在球头铣刀的加工过程中产生工件废料最多处为球形刀头2靠近中心端22处，使得更加靠近中心端22处的排屑槽23的宽度大于更加远离中心端22处的排屑槽23的宽度，实现排屑槽23的宽度合理分布，有利于工件废料从第一切削刃组211流向第二切削刃组212，避免出现近中心端22处的工件废料排出不畅的情况，从而避免工件表面被工件废料划伤。而且，第二切削刃组212中的长切削齿214与第一切削刃组211中的切削齿214远离中心端22的一端相连，二切削刃组中每两个短切削齿214之间设有一长切削齿214，使得球形刀头2表面形成多个排屑槽23，实现工件废料在球形刀头2的表面的分流。在本实施例的其它实施方式中，根据实际需要，在保证球形刀头2的表面上的切削齿214之间能够形成排屑槽23的前提下，刀杆1的中心线与切削齿214的延伸方向所在的平面可以不重合，此时切削齿214在附图3的视角时为弯曲状。也可根据实际需要设置第一切削刃组211的切削齿214的长度、第二切削刃组212中短切削齿214的长度以及第二切削刃组212中长切削齿214的长度，如：第二切削刃组212中短切削齿214的长度是第一切削刃组211的切削齿214的长度两倍，第二切削刃组212中长切削齿214的长度是第二切削刃组212中短切削齿214的长度两倍。第一切削刃组211的各切削齿214之间的间隔角度和第二切削刃组212的各切削齿214之间的间隔角度可以根据实际需要设置，如：当第一切削刃组211的各切削齿214之间的间隔角度为90°时，第二切削刃组212的各切削齿214之间的间隔角度为10°；当第一切削刃组211的各切削齿214之间的间隔角度为60°时，第二切削刃组212的各切削齿214之间的间隔角度为15°。
参照图3和图4，切削齿214包括连接在球形刀头2表面的前刀面2141、与前刀面2141的远离球形刀头2侧连接的刃带2142、与刃带2142的远离前刀面2141侧相连的第一后刀面2143以及连接于第一后刀面2143和球形刀头2表面之间的第二后刀面2144。前刀面2141的板面与垂直于刃带2142的板面的方向之间具有刀具前角α，第一后刀面2143的板面与平行于刃带2142的板面的方向之间具有第一后角β，第二后刀面2144的板面与平行于刃带2142的板面的方向之间具有第二后角γ，第二后角γ的值大于刀具前角α的值和第一后角β的值。在本实施例的一些实施方式中，前刀面2141的板面的延伸方向与第二后刀面2144的板面的延伸方向在远离球形刀头2表面的一侧相交，前刀面2141远离球形刀头2表面的侧边相对球形刀头2表面的距离大于第二后刀面2144远离球形刀头2表面的侧边相对球形刀头2表面的距离，刃带2142可以为平面，刃带2142所在的平面与球形刀头的表面相切，刃带2142的长度方向与切削齿214的延伸方向相平行，前刀面2141与球形刀头2的表面之间的夹角为钝角，第二后刀面2144与球形刀头2的表面之间的夹角为钝角。优选地，在一实施方式中，前刀面2141与球形刀头2的表面之间的夹角与第二后刀面2144与球形刀头2的表面之间的夹角相等，使得在切削齿214与工件接触时产生的碰撞力在切削齿214中的传递更加均匀，避免切削齿214因碰撞损伤，从而提升切削齿214的使用寿命；刃带2142的表面与球形刀头2的表面相切，刃带2142的表面具有一定的宽度，在加工过程中增大刃带2142与工件的接触面积，提高刃带2142的耐磨性以及增大刀具的有效切割面积。第二后角γ＞第一后角β角，第二后角γ角＞刀具前角α角，可以理解的，在切削齿214加工工件时，切削齿214的前刀面2141侧首先与工件相接触，前刀面2141加工工件产生的工件废料在经过第一后刀面2143和第二后刀面2144之后流入排屑槽23，较大的γ角设置增加了容屑空间，提高排屑的顺畅性。在本实施例的其它实施方式中，前刀面2141与球形刀头2的表面之间的夹角可以小于第二后刀面2144与球形刀头2的表面之间的夹角；前刀面2141与球形刀头2的表面之间的夹角可以为直角或锐角，第二后刀面2144与球形刀头2的表面之间的夹角可以为直角或锐角。
参照图3和图4，刀具前角的取值范围为3－20°，第一后角的取值范围为5－25°，第二后角的取值范围为30－70°。刃带2142的宽度取值范围为0.003－0.05mm，刃带2142的表面与球形刀头2表面之间具有预定距离H，预定距离的取值范围为0.01－0.5mm。在本实施例的一些实施方式中，α角可以为3°、4°、10°和20°等，β角可以为5°、10°、15°和25°等，γ角可以为30°、35°、42°和70°等，较大的γ角设置增加了容屑空间，提高排屑的顺畅性；刃带2142的宽度值可以为0.003mm、0.005mm、0.02mm和0.05mm等，刃带2142的板面与球形刀头2表面之间的预定距离H可以为0.01、0.02、0.2和0.5等，刃带2142具有较小的宽度可以增大刃带2142与工件的接触面积，从而增强刃带2142的耐磨性。在本实施例的其它实施方式中，根据实际需要，α角可以为3－20°之间的任意值，β角可以为5－25°之间的任意值，γ角可以为30－70°之间的任意值，刃带2142的宽度值可以为0.003－0.05mm之间的任意值，预定距离H可以为0.01－0.5mm之间的任意值。
参照图3、图5和图6，切削结构21还包括设置于中心端22的球心微刃结构213，球心微刃结构213包括设于中心端22的端面的至少两间隔排布的切削微刃2131。在本实施例的一些实施方式中，中心端22呈球形，其直径可以为0.04－0.2mm之间的任意值，中心端22为实体，中心端22远离球形刀头2的一侧间隔排布有大量的切削微刃2131，中心端22上的切削微刃2131可以分为等距间隔排列的12组，且每组切削微刃的切削微刃2131呈波浪状。优选地，中心端22上的切削微刃2131通过激光加工皮纹的方式加工而成，通过激光加工出微米级切削微刃2131，具体的，将球形刀头2放入激光加工设备，发射激光照射在球形刀头2的中心端22待加工的一侧，激光加工完成后中心端22远离球形刀头2的一侧均匀分布有大量的切削微刃2131，其中，激光照射在中心端22待加工一侧的光斑直径Da为14.74um，激光蚀刻深度La为12.46um，通过激光加工的方式，在不破坏中心端22球形形貌的同时，增加了微米级的切削刃，保证了刀具球心处的切削能力，且结构更耐磨损。中心端22上的每一组切削微刃2131中相邻的切削微刃2131之间相连接，使得中心端22形成实体无断屑槽结构，增加了中心端22的结构强度，使得球头铣刀保型性更好，更耐磨，提高了球头铣刀的使用寿命。
参照图1和图2，刀杆1包括刀身11和连接在刀身11一端的锥部12，锥部12远离刀身11的一端连接在球形刀头2，锥部12朝靠近刀头的方向收缩。在本实施例的一些实施方式中，刀杆1为Φ4－8棒料，刀杆1由硬质合金材料制成，刀杆1用于外界与CNC加工机床上，驱动球头铣刀的移动和转动；球形刀头2通过钎焊的方法与刀杆1连接，球形刀头2的材质为聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、金属陶瓷等超硬材料。优选地，在一实施方式中，球形刀头2为聚晶金刚石，刀杆1为Φ4的硬质合金棒料，通过慢丝电加工或数控磨床磨削的方法制备开槽球形刀头2以及刀杆1上的锥部12，再通过激光加工去除材料，形成切削齿214和排屑槽23，此时切削齿214与球形刀头2一体化设置，增强了切削齿214与球形刀头2之间连接的稳定性。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种球头铣刀，包括刀杆和连接在所述刀杆一端的球形刀头，所述球形刀头上设有切削结构，所述球形刀头的远离所述刀杆侧具有和所述刀杆中心线相交的中心端，其特征在于，所述切削结构包括设置于所述球形刀头的第一切削刃组、第二切削刃组以及设置于所述中心端的球心微刃结构，所述球心微刃结构包括设于所述中心端的端面的至少两间隔排布的切削微刃；所述第一切削刃组和所述第二切削刃组均包括环绕所述中心端间隔排布的至少两切削齿，所述切削齿沿着所述球形刀头的表面朝远离所述中心端的方向延伸，所述第一切削刃组的切削齿的向心端比所述第二切削刃组的切削齿的向心端更为靠近所述中心端，所述第二切削刃组的切削齿数量多于所述第一切削刃组的切削齿数量。
2.根据权利要求1所述的球头铣刀，其特征在于，所述第二切削刃组的切削齿的数量为所述第一切削刃组的切削齿数量的整数倍。
3.根据权利要求1所述的球头铣刀，其特征在于，所述第一切削刃组的各所述切削齿环绕所述中心端等角度间隔排列，所述第一切削刃组的各所述切削齿与所述中心端连接；所述第二切削刃组的各所述切削齿环绕所述中心端等角度间隔排列。
4.根据权利要求3所述的球头铣刀，其特征在于，所述第二切削刃组的切削齿环绕于所述第一切削刃组的外侧，每一所述第一切削刃组的切削齿均一体连接有一所述第二切削刃组的切削齿，所述第一切削刃组中两相邻的切削齿之间设有至少一所述第二切削刃组的切削齿。
5.根据权利要求1所述的球头铣刀，其特征在于，所述切削齿包括连接在所述球形刀头表面的前刀面、与所述前刀面的远离所述球形刀头侧连接的刃带、与所述刃带的远离所述前刀面侧相连的第一后刀面以及连接于所述第一后刀面和所述球形刀头表面之间的第二后刀面。
6.根据权利要求5所述的球头铣刀，其特征在于，所述前刀面的板面与垂直于所述刃带的板面的方向之间具有刀具前角，所述第一后刀面的板面与平行于所述刃带的板面的方向之间具有第一后角，所述第二后刀面的板面与平行于所述刃带的板面的方向之间具有第二后角，所述第二后角的值大于所述刀具前角的值和所述第一后角的值。
7.根据权利要求6所述的球头铣刀，其特征在于，所述刀具前角的取值范围为3-20°，所述第一后角的取值范围为5-25°，所述第二后角的取值范围为30-70°。
8.根据权利要求5所述的球头铣刀，其特征在于，所述刃带的宽度取值范围为0.003-0.05mm，所述刃带的表面与所述球形刀头表面之间具有预定距离，所述预定距离的取值范围为0.01-0.5mm。
9.根据权利要求1所述的球头铣刀，其特征在于，所述刀杆包括刀身和连接在所述刀身一端的锥部，所述锥部远离所述刀身的一端连接在所述球形刀头，所述锥部朝靠近刀头的方向收缩。
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