CN115555627A - 一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其可减少切削屑在前刀面的停留时间，可提升刀刃强度，其包括刀柄、设置于刀柄一端的刀头，刀头包括刀刃、第一容屑槽、第二容屑槽，刀刃包括设置于刀头外壁面的若干非等分分布的周刃、设置于刀头前端切削端面的端刃，各周刃沿刀头呈螺旋状延伸，并与相应端刃连接成一体，各第一容屑槽呈螺旋状延伸并与相应第二容屑槽连接成一体，前刀面顶端设置有两个复合前角：第一复合前角、第二复合前角，第一复合前角、第二复合前角所在平面为倾斜面；第二容屑槽内设置有双切齿结构，双切齿结构包括第一切齿、与第一切齿呈一定角度连接的第二切齿，第一切齿与第二切齿之间设置有齿隙加强圆弧。

Description

一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀

技术领域

本发明涉及铣刀技术领域，具体为一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀。

背景技术

硬质合金铣刀是指用硬质合金为材料制成的铣刀，硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴(Co)或镍(Ni)、钼(Mo)为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。

以刀刃直径为D20mm规格的铣刀为例，在转速S800转、进给速度F100mm/min、轴向切削深度Ap3.0mm、径向切削深度Ae3.0mm铣削参数条件下，铣刀铣削加工3小时左右时，刀尖(刀刃)开始破损，刀具切削寿命较短。分析加工过程中刀具刚度、排屑、切削振动等情况可知，导致铣刀寿命较短的原因在于：为提高铣削效果，制备的刀具刀刃为单刃角结构a，且相邻两个端刃之间第二容屑槽较深，例如图1所示铣刀结构，其端刃采用不等分分布且单刃角结构a的第一端刃(即底刃)、第二端刃、第三端刃、第四端刃，刀刃的前刀面开有弧形凹槽a1，采用此类铣刀铣削加工过程中，切削屑极易存储于弧形凹槽内，增加了切削屑在前刀面停留时间，并且单刃角刀刃强度较差，切削屑对刀刃产生冲击、磨损，极易导致刀尖破损，使用寿命低的问题出现。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其可减少切削屑在前刀面的停留时间，可提升刀刃的强度，可提高铣刀使用寿命。

一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其包括刀柄、设置于刀柄一端的刀头，所述刀头包括刀刃、第一容屑槽、第二容屑槽，所述刀刃包括设置于刀头外壁面的若干非等分分布的周刃、设置于刀头前端切削端面的端刃，所述第一容屑槽设置于相邻两个周刃之间，所述第二容屑槽设置于相邻两个端刃之间，各所述周刃沿所述刀头呈螺旋状延伸，并与相应端刃连接成一体，各所述第一容屑槽呈螺旋状延伸并与相应第二容屑槽连接成一体；

所述周刃包括周刃前刀面、周刃后刀面，所述周刃前刀面与所述周刃后刀面的连接面为周刃切削刃，其特征在于，所述前刀面顶端设置有两个复合角：第一复合角、第二复合角，所述第一复合角、第二复合角所在平面为螺旋状倾斜面，所述倾斜面的一端与所述周刃切削刃连接，另一端与所述第二容屑槽连接，在铣刀旋转中心任取一点q，点q到所述周刃切削刃的垂线作为基准线，在所述倾斜面的另一端任取一点m，点m到所述周刃切削刃的垂线与所述基准线的夹角为第一复合前角；所述垂线与所述周刃切削刃相交的点为垂点n，经过所述垂点n的周刃切削刃的横向切线与所述垂线相交于点k，点k连接点m形成的连接线与所述垂线的夹角为第二复合前角；

所述第二容屑槽内设置有双切齿结构，所述双切齿结构包括第一切齿、与第一切齿呈一定角度连接的第二切齿，所述第一切齿、第二切齿的两端分别与相邻两个端刃前刀面、后刀面底端连接。

其进一步特征在于，

所述第一复合前角为-1°，所述第二复合前角为5°，所述第二复合前角的侧边宽度为1.0mm；

所述周刃为变螺旋角不等分齿结构，所述周刃包括四个：第一周刃、第二周刃、第三周刃、第四周刃，所述第一周刃的分度角为0°起始，所述第一周刃的螺旋角度为36°，所述第一周刃与所述第二周刃之间的夹角为84°，所述第二周刃的螺旋角度为39°，所述第一周刃与所述第三周刃之间的夹角为180°，所述三周刃的螺旋角度为36°，所述第一周刃与所述第四周刃之间的夹角为264度，所述第四周刃的螺旋角度为39°；

所述第一切齿、第二切齿与所述端刃前刀面之间通过齿隙加强圆弧连接，所述齿隙加强圆弧半径为0.9mm；

所述第一切齿的齿隙角为20°～25°，所述第二切齿的齿隙角为35°～45°；

所述第一容屑槽为U型结构。

所述周刃前刀面、周刃后刀面、端刃前刀面、端刃后刀面的粗糙度均小于Ra0.15；

端刃前刀面与端刃后刀面的连接面为端刃切削刃，所述周刃切削刃呈螺旋状延伸，并与所述端刃切削刃连接为一体，所述周刃切削刃、端刃切削刃的钝化圆弧半径为0.008mm～0.010mm；

所述刀柄、刀头的材质均为硬质合金。

一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀加工方法，其特征在于，该方法包括：

S1、采用线切割方式对原材料进行切割，获得柱状刀体；

S2、依次采用无心磨、粗磨、精磨方式磨削加工所述刀体的外圆；

S3、采用砂轮磨削方式对柱状刀体进行开槽处理，获得第一容屑槽；

S4、采用砂轮磨削方式依次加工第一切齿、第二切齿，获得第二容屑槽；

S5、采用工具磨方式开刃，获得所述周刃、端刃；

S6、采用工具磨方式依次磨削加工第一复合前角、第二复合前角；

S7、采用喷砂工艺对周刃、端刃进行喷砂钝圆处理；

S8、在周刃、端刃的外表面做PVD涂层工艺处理。

其进一步特征在于，

所述第一容屑槽采用成型砂轮磨削获得U型结构槽型，所述砂轮的几何形状为磨削基准面夹角为50度，圆周磨削点圆弧弧度为1.4mm。

应用上述复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀加工板料的方法，将复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀安装于数控加工中心机床上，采用铣刀刀刃在板料左右两侧各铣削加工出一个型腔，其特征在于，所述铣刀端刃以中心坡铣3°进刀方式对所述型腔进行加工；

加工过程中，以每个小时为周期观察所述铣刀的刀尖破损状态。

其进一步特征在于，

铣削加工过程中，所述铣刀的转速为800r/min，进给速度为100mm/min，轴向切削深度3.0mm、径向切削深度3.0mm；

所述板料为航空高强度钢；

所述板料的长度、宽度、高度分别为200mm、200mm、40mm，所述型腔的长度、宽度、高度分别为180mm、87mm、30mm。

采用本发明上述结构可以达到如下有益效果：1、铣刀周刃的前刀面设置有两个复合前角：第一复合前角、第二复合前角，第一复合前角、第二复合前角所在平面为倾斜面，因此，采用该铣刀刀刃进行铣削加工时，切削屑能够沿倾斜面快速排出，实现了切削屑排出方向控制，从而减少了切削屑在周刃前刀面的停留时间，避免了切削屑在周刃处停留时间久而对刀刃产生冲击、磨损，导致刀刃损坏的问题出现，提高了铣刀的使用寿命。

2、第二容屑槽内设置有第一切齿与第二切齿连接的双切齿结构，该双切齿结构支撑于相邻两个端刃前刀面与后刀面之间，对端刃起到支撑加强作用，从而强化了端刃强度；周刃前刀面的两个复合前角结合相邻两个端刃之间的双切齿结构，强化了铣刀的整体强度，提升了铣刀的使用寿命。

3、复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀加工方法中，采用砂轮磨削方式对柱状刀体进行开槽处理，获得第一容屑槽，砂轮磨削方式有利于增加周刃的刚性，该磨削方式结合周刃前刀面的两个复合前角及相邻两个端刃之间的双切齿结构，强化了铣刀的整体强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有铣刀的立体结构示意图；

图2为本发明铣刀的立体结构示意图；

图3为本发明铣刀端刃前视的剖视结构示意图；

图4为本发明部分周刃放大结构示意图；

图5为本发明周刃分度角的结构示意图；

图6为本发明第二周刃螺旋角的结构示意图；

图7为图5中局部A放大的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1提供了一种现有的铣刀结构，该铣刀结构的端刃包括不等分割角度的第一端刃、第二端刃、第三端刃、第四端刃，从该图1中可以看出，相邻两个端刃之间的第二容屑槽为底部较为平整的深槽结构a2，端刃前刀面仅设置有一个复合前角(即单刃角结构a)，且刀刃的前刀面顶端开有弧形凹槽a1，使用这种铣刀进行铣削加工时，单刃角结构a的刀刃耐磨性较差，并且切削屑极易存储于弧形凹槽a1内，增加了切削屑在弧形凹槽内的停留时间，切削屑对端刃产生冲击、磨损，导致刀尖破损，使用寿命短的问题出现。

针对现有技术中存在的单复合前角结构的刀刃耐磨性较差，切削屑易存储于刀刃前刀面的弧形凹槽内，增加了切削屑在弧形槽内的停留时间，切削屑对刀刃产生冲击、磨损，导致刀尖破损、使用寿命短的技术问题，以下提供了一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀的具体实施例，见图2～图7，其包括刀柄1、设置于刀柄1一端的刀头2，刀头2包括刀刃、第一容屑槽21、第二容屑槽22，刀刃包括设置于刀头外壁面的若干非等分分布的周刃23、设置于刀头前端切削端面的端刃24，第一容屑槽21设置于相邻两个周刃23之间，第二容屑槽22设置于相邻两个端刃24之间，各周刃23沿刀头呈螺旋状延伸，并与相应端刃24连接成一体，各第一容屑槽21呈螺旋状延伸并与相应第二容屑槽11连接成一体，第一容屑槽21为U型结构。

周刃23包括周刃前刀面、周刃后刀面，端刃包括端刃前刀面、端刃后刀面，为提高切削效果，减少切削毛刺、划痕等缺陷，周刃前刀面、周刃后刀面、端刃前刀面、端刃后刀面的粗糙度均小于Ra0.15；周刃前刀面与周刃后刀面之间的周刃切削刃230、端刃前刀面与端刃后刀面之间端刃切削刃240的钝化圆弧半径均为0.008-0.010mm，周刃切削刃230、端刃切削刃240的钝化圆弧半径较小，有利于提升刀刃的切削效果。

周刃前刀面顶端设置有两个复合前角：第一复合前角31、第二复合前角32，第一复合角31、第二复合角32所在平面为螺旋状倾斜面3，倾斜面3的一端与周刃切削刃230连接，另一端与第二容屑槽22连接，在铣刀旋转中心任取一点q，点q到周刃切削刃的垂线作为基准线，在倾斜面的另一端任取一点m，点m到周刃切削刃的垂线与基准线的夹角为第一复合前角31；垂线与周刃切削刃相交的点为垂点n，经过垂点n的周刃切削刃的横向切线与垂线相交于点k，点k连接点m形成的连接线与垂线的夹角为第二复合前角32，第一复合前角31为-1度，第二复合前角32为5度，倾斜面3的宽度L为1.0mm，见图7。

第二容屑槽22中设置有双切齿结构，双切齿结构包括第一切齿41、与第一切齿41呈一定角度连接的第二切齿42，第一切齿41、第二切齿42的两端分别与相邻两个端刃24的端刃前刀面、端刃后刀面底端连接，第一切齿41的齿隙角为20°～25°，本实施例中为20°，第二切齿42的齿隙角为35°～45°，本实施例中为35°；第一切齿41、第二切齿42的一端通过齿隙加强圆弧5与相邻的端刃前刀面连接，齿隙加强圆弧5的圆弧半径为0.9mm，相比于现有的第二容屑槽22与前刀面呈直角或钝角连接的方式，本申请齿隙加强圆弧5的设置，进一步增强了端刃的刚性，从而有利于提升端刃强度。第一切齿41与第二切齿42的双切齿结构支撑于相邻两个端刃前刀面与端刃后刀面之间，对端刃24起到支撑加强作用，从而强化了端刃强度，提高了铣刀寿命。

周刃23为变螺旋角不等分齿结构，周刃23包括四个：第一周刃231、第二周刃232、第三周刃233、第四周刃234，第一周刃231的分度角为0°起始角，第一周刃231的螺旋角度为36°，第一周刃231与第二周刃232之间的夹角为84°，第二周刃232的螺旋角度为39°，第一周刃231与第二周刃232之间的夹角为180°，第三周刃233的螺旋角度为36°，第一周刃231与第四周刃234之间的夹角为264度，第四周刃234的螺旋角度为39°，见图5、图6，其中，螺旋角为各周刃切削刃的径向切线与旋转中心线的夹角。

刀柄1、刀头2的材质均为硬质合金，采用硬质合金材质，有利于进一步提升铣刀的整体刚性和强度，从而进一步提高铣刀使用寿命。

加工获得上述复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀结构，具体加工步骤包括：

S1、采用线切割方式对原材料进行切割，获得需求长度的柱状刀体；

S2、依次采用无心磨、粗磨、精磨方式磨削加工刀体的外圆。无心磨主要通过导轮带动柱状刀体在磨削砂轮上转动，实现柱状刀体的外表面研磨，无心磨精度高，有利于快速获得形状规则的柱状刀体。无心磨后，再依次采用粗磨、精磨方式对柱状刀体外表面粗糙度进行加工，以提高柱状刀体圆柱面的表面光滑度。

S3、采用砂轮磨削方式对柱状刀体进行开槽处理，获得第一容屑槽。本实施例中，采用成型砂轮的圆周进行磨削，砂轮磨削刃圆弧弧度为1.4mm，该弧度基于待加工柱状刀体的直径计算获得，砂轮磨削面圆弧弧度＝7％*D，其中，D为柱状刀体的直径，本实施例中，柱状刀体直径为20mm，砂轮的磨削刃夹角为50度。相比于采用普通砂轮磨削的处理方式，本申请采用圆周磨削点圆弧弧度为1.4mm的成型砂轮磨削获得第一容屑槽U型结构成型槽型，可以在保证强度的前提下获得更大的排屑空间，有利于精确控制第一容屑槽的宽度，增加第一容屑槽空间，并且磨削过程中对其外周其它材料影响较小，避免了刀具整体刚性降低。

S4、采用砂轮磨削方式依次加工第一切齿、第二切齿；采用砂轮进行切齿加工过程中，在数控机床中输入不同的砂轮方位角，加工第一切齿时，砂轮方位角为20°～25°，本实施例中为20°，加工获得的第一切齿的齿隙角为20°，加工第二切齿时，砂轮方位角为35°～45°，本实施例中为35°，加工获得的第二切齿的齿隙角为35°。

S5、采用数控工具磨开刃，获得周刃、端刃，即采用数控工具磨的方式对刀刃表面进行磨削加工。

S6、采用数控工具磨依次磨削加工第一复合前角、第二复合前角；磨削过程中，在工具磨机床中输入不同的磨削周刃前角，获得-1度第一复合前角，5度第二复合前角。

S7、采用喷砂工艺对周刃、端刃进行喷砂钝圆处理，本实施例中，获得的切削刃钝化圆弧半径为0.008-0.010mm，本实施例中为0.008mm；

S8、在刀刃的外表面做PVD涂层工艺处理。

上述加工工艺S3中，砂轮开槽方式，有利于增加周刃的刚性，步骤S4中，采用砂轮切削方式依次加工第一切齿、第二切齿，获得双切齿结构，以及步骤S6中，采用工具磨磨削方式获得的第一复合角与第二复合角的双复合前角结构，有利于增强端刃的强度，周刃与端刃强度的增强，强化了铣刀的整体强度，从而有利于提高铣刀寿命。

应用上述复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀加工板料，板料为航空高强度钢；板料的长度、宽度、高度分别为200mm、200mm、40mm，型腔的长度、宽度、高度分别为180mm、87mm、30mm。对板料型腔进行加工时，首先将复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀安装于数控加工中心机床上，采用铣刀刀刃在板料左右两侧各铣削加工出一个型腔，铣刀端刃以中心坡铣3°进刀方式对型腔进行加工；铣削加工过程中，铣刀的转速为800r/min，进给速度为100mm/min，轴向切削深度3.0mm、径向切削深度3.0mm。加工过程中，以每个小时为周期观察铣刀的刀尖破损状态。

在铣刀的转速为800r/min，进给速度为100mm/min，轴向切削深度3.0mm、径向切削深度3.0mm条件下，现有技术中铣刀切削寿命基本维持在3小时左右开始破损，而在相同铣削参数条件下，采用本申请铣刀切削寿命可维持在5小时以上不破损，使用寿命显著提升。

以上的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其包括刀柄、设置于刀柄一端的刀头，所述刀头包括刀刃、第一容屑槽、第二容屑槽，所述刀刃包括设置于刀头外壁面的若干非等分分布的周刃、设置于刀头前端切削端面的端刃，所述第一容屑槽设置于相邻两个周刃之间，所述第二容屑槽设置于相邻两个端刃之间，各所述周刃沿所述刀头呈螺旋状延伸，并与相应端刃连接成一体，各所述第一容屑槽呈螺旋状延伸并与相应第二容屑槽连接成一体；

所述周刃包括周刃前刀面、周刃后刀面，所述周刃前刀面与所述周刃后刀面的连接面为周刃切削刃，其特征在于，所述前刀面顶端设置有两个复合前角：第一复合角、第二复合角，所述第一复合角、第二复合角所在平面为螺旋状倾斜面，所述倾斜面的一端与所述周刃切削刃连接，另一端与所述第二容屑槽连接，在铣刀旋转中心任取一点q，点q到所述周刃切削刃的垂线作为基准线，在所述倾斜面的另一端任取一点m，点m到所述周刃切削刃的垂线与所述基准线的夹角为第一复合前角；所述垂线与所述周刃切削刃相交的点为垂点n，经过所述垂点n的周刃切削刃的横向切线与所述垂线相交于点k，点k连接点m形成的连接线与所述垂线的夹角为第二复合前角；

所述第二容屑槽内设置有双切齿结构，所述双切齿结构包括第一切齿、与第一切齿呈一定角度连接的第二切齿，所述第一切齿、第二切齿的两端分别与相邻两个端刃前刀面、后刀面底端连接。

2.根据权利要求1所述的复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其特征在于，所述第一复合前角为-1°，所述第二复合前角为5°，所述倾斜面的宽度为1.0mm。

3.根据权利要求2所述的复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其特征在于，所述周刃为变螺旋角不等分齿结构，所述周刃包括四个：第一周刃、第二周刃、第三周刃、第四周刃，所述第一周刃的分度角为0°起始，所述第一周刃的螺旋角度为36°，所述第一周刃与所述第二周刃之间的夹角为84°，所述第二周刃的螺旋角度为39°，所述第一周刃与所述第三周刃之间的夹角为180°，所述三周刃的螺旋角度为36°，所述第一周刃与所述第四周刃之间的夹角为264度，所述第四周刃的螺旋角度为39°。

4.根据权利要求1或3所述的复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其特征在于，所述第一切齿、第二切齿与所述端刃前刀面之间通过齿隙加强圆弧连接，所述齿隙加强圆弧半径为0.9mm。

5.根据权利要求4所述的复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其特征在于，所述第一切齿的齿隙角为20°～25°，所述第二切齿的齿隙角为35°～45°。

6.根据权利要求1所述的复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其特征在于，所述第一容屑槽、第二容屑槽为U型结构。

7.根据权利要求1所述的复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其特征在于，所述端刃前刀面与所述端刃后刀面的连接面为端刃切削刃，所述周刃切削刃呈螺旋状延伸，并与所述端刃切削刃连接为一体，所述周刃切削刃、端刃切削刃的钝化圆弧半径为0.008mm～0.010mm。

8.根据权利要求1所述的复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其特征在于，所述刀柄、刀头的材质均为硬质合金。

9.一种加工方法，用于加工权利要求1所述的复合前角、双切齿变螺旋硬质合金铣刀，其特征在于，该方法包括：

S1、采用线切割方式对原材料进行切割，获得柱状刀体；

S2、依次采用无心磨、粗磨、精磨方式磨削加工所述刀体的外圆；

S3、采用砂轮磨削方式对柱状刀体进行开槽处理，获得第一容屑槽；

S4、采用砂轮磨削方式依次加工第一切齿、第二切齿，获得第二容屑槽；

S5、采用数控工具磨方式开刃，获得所述周刃、端刃；

S6、采用数控工具磨方式依次磨削加工第一复合前角、第二复合前角；

S7、采用喷砂工艺对周刃、端刃进行喷砂钝圆处理；

S8、在周刃、端刃的外表面做PVD涂层工艺处理。

10.根据权利要求9所述的加工方法，其特征在于，所述第一容屑槽采用成型砂轮磨削获得，所述砂轮的几何形状为磨削基准面夹角为50度，圆周磨削点圆弧弧度为1.4mm。

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