CN1181031A - 球头立铣刀的刀片 - Google Patents

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Abstract

一种用于球头立铣刀(1)的刀片,它包括一个刀片体(22),该刀片体有一个顶壁(24),一底壁(28)和至少一弧形侧壁(30)。一弧形切削刃(34)由顶壁和侧壁相交形成并包括若干正弦波形(36),以减小切削力,和振动,在切削操作中使切屑断裂从工件(66)排出。当刀片安装在立铣刀具刀体(3)的座中时,该刀片的端部(7)穿过旋转轴(A),波形(36)降低了在此位置加在切削刃(34)上较大的剪切力。切削刃的外形符合球形轮廓可进行圆形加工。刀片体的侧壁(30)包括一直接在切削刃下的上后面(44),它具有一个后角能防止波形在圆形切削面的侧壁产生不希望的擦痕或刀痕。

Description

球头立铣刀的刀片
本发明涉及一种球头立铣刀的刀片，尤其是沿其切削刃具有正弦波形曲线的刀片，以便降低切削力和振动并有利于断屑和排屑。
在现有技术中球头立铣刀的刀片已为人熟知。这种刀片通常包括一个由硬度高、耐磨的材料制成的整体式刃体，并具有至少一个弧形切削面，该切削面可能是扇形的。立铣刀片自身包括一细长圆柱形刀体，该刀体有一柄部连接到旋转工具上；还包括一半球形端部，该端部有一个扇形刀座来容纳、固定刀片。最靠近半球形端部顶点的切削刃穿过立铣刀具旋转轴线向上方一小段距离，从而使刀片的切削刃沿立铣刀刀体的旋转轴线与工件接触，这样就使得立铣刀具在工件上产生切入操作。
事实证明这种球头立铣刀是非常通用的机床工具，它能象钻头一样切入型切削，或者象普通铣刀头一样进行端面铣削，甚至可以进行由切入磨削和端面切削组合成的斜面形机床操作。然而，申请人指出了用于这种立铣刀具的刀片在性能上的一些缺点，而这些缺点能够大大改善。例如，申请人指出由于在旋转轴这点切削刃旋转速度为零，在邻近旋转轴的地方速度也很低，所以与旋转轴交叉的切削刃区域会承受大量发热的剪切力。一些刀片设计者试图通过改变切削刃的形状使之不与旋转轴交叉来解决这个问题。不幸的是，这种设计在立铣刀具刀体的旋转轴与工件交点产生了一个未切削工件材料的小凸起。由于切削操作而加在未切削材料凸起上力的作用使该凸起周期性断裂，在切削面上沿旋转轴会产生一个粗糙的小点。
还有另外一些缺点，包括与传统的(但是通用性更低)铣刀相比，由于采用现有技术的球头立铣刀而产生了相对更高的切削力和振动。申请人观察到产生这种更高的切削力和振动的原因之一在于：在切削操作中，这种立铣刀刀片的切削刃上所有点一直都与工件接触。通过相对刀体旋转轴以一定角度安装刀片(从而给刀片施加了一轴向的前角)，有可能降低切削力和振动，该技术需要应用相对更深的刀座，这反过来削弱了刀体的强度。另外，刀片倾斜安装在立铣刀具切削的侧壁上会产生不希望的凹度，从而在需要真正的半球轮廓时产生切削形状的变形。
最后，申请人指出，这种球头刀具的一些刀片不能有效地脆化某些切削操作加工出的金属切屑。因此，如果用这种刀具来完成高韧性金属的切入磨削的精加工，刀具上的刀片可能不能有效地脆化产生的片状切屑，这就会妨碍它们从刀体排屑槽排出从而影响切削操作。
很明显，用于球头立铣刀的刀片需要能够在切削刃与刀具中心线交叉的地方产生圆形切削而不会产生大的应力和摩擦热。理想的刀具应该能以此现有技术的刀片更低的切削力和更小的振动来切削工件而不需倾斜较大的轴向前角，并且在提高工具寿命的同时降低能量需求。最后，如果这种刀片能给切削操作产生的切屑较大的脆化力，这样在切削操作中即使由高韧性金属产生的非常薄的切屑也能卷曲并断裂成碎片，这是所希望的。
本发明是一种用于球头立铣刀的刀片，它克服或改善了现有技术的刀片所存在的上述缺点。
本发明的刀片一般包括一个具有一顶面、一底面、至少一个弧形侧面的刀片，和至少一个顶面和侧面相交形成的弧形切削刃，该切削刃包括若干正弦波形。该波形有利地降低了刀片切削中的切削力和振动，而不需要使刀片倾斜一轴向的前角，而削弱刀具夹持器的强度，并且进一步保证了切削产生的金属屑的卷曲，断裂和排除。
此刀片尤其适用于绕某轴旋转的立铣刀刀体上，该刀体一端有一柄部把刀体连接到旋转工具上，刀体的另一端有一个刀片座用来安装刀片，这样弧形切削刃一端部就绕着旋转轴转动。切削刃的轮廓是弧形的，设计成在立铣刀体转动同时作半球形切削。弧形边缘的一段跨过立铣刀体的旋转轴。切削刃的波形进一步有助于降低在切削刃与旋转轴轴交叉的段产生的较大的剪力。
刀片的侧面包括沿刀片底面终止的下后面，和在波形切削刃终止的上后面。上后面位于波形切削刃和下后面之间至少为工件提供一最小后角。这种组合使得波形切削刃精确地进行圆形加工，它的切削壁基本上不会产生不希望的擦痕或其它不希望的刀痕图案。
刀片的顶面包括一个为加强切削刃而给于切削刃后的刃背段。在最佳实施例中，该刃背段相对于顶平面倾斜5°到10°从而给切削刃施加一正前角，这有助于降低切削力。
刀片的顶面还包括位于刃背段后面的卷屑槽，它具有圆形底壁，前壁，及尾壁，前壁及尾壁的端部相对于顶平面倾斜约15°到30°。卷屑槽的宽度是每个波形波谷处的最低点与波峰最高点之间的高度的5倍左右。这样的尺寸设计，同时通过背刃给切削刃施加的正前角，给切削刃产生的切屑提供了相当的卷屑力，它反过来加工硬化切屑。另外，每个波形的波峰和波谷段交替地给切屑提供拉力和压力，它们进一步通过对切屑打褶使它们加工硬化。卷曲力和打褶力会使切屑明显地脆化，这反过来会使切屑很容易断裂成碎屑，通过铣刀排屑槽从切削操作区排出。
图1是安装在球头立铣刀上的本发明刀片的透视图；
图2是图1所示刀片的放大的透视图，图中未显示立铣刀体；
图3是刀片沿图2中线3-3的侧剖图；
图4A到4C是刀片分别沿图2中线3-3，4B-4B，和4C-4C的放大的侧剖图；
图5是图1所示的刀片的透视图，说明了刀片切削刃施加在工件上的力怎样产生类似于如图6所示形状的打褶切屑；
图6是如图1所示的刀片和立铣刀具正在工件上做切削操作的侧剖图。
参照图1，在所有这几幅图中同样的序号代表相同的元件，本发明尤其适用于在进行切削操作时有绕轴线A旋转的细长刀体3的球头立铣刀1。立铣刀体3包括一柄部5，该柄部有一平面7并可抵御地连接到旋转工具(未图示)上立铣刀体3还包括一个具有槽形座11的半球形端部9，与本发明的切削刀片15相配合。刀片15通过装配螺钉17安装在座11上。一个止动凸肩18***刀片15的一个端槽以阻止刀片绕装配螺钉17旋转。
根据图2和图3，本发明的刀片15是由刀片体22构成的，该刀片体是由硬度高、耐磨的材料，如碳化钨整体制成，当然在现有技术中众所周知的一些材料也可以用于此目的。刀片体22包括一顶壁24，该顶壁有一平面段26，和一平面底壁28。顶壁24和底壁28通过一对相对的弧形侧壁30互相连接。刀片体22还包括一对相对的端槽32，如前所说，该端槽与立铣刀具刀体3的止动凸肩18配合从而固定座11中的刀片15。
刀片体22包括一对相对的，转位的切削刃34，它由弧形侧壁30和顶壁24相交形成。每个切削刃34包括至少两个波形36，而且最好是有3到5个波形，参见图2。每个波形包括一个波峰段为38和波谷段40，它们一起组成了一个单正弦波。在最佳实施例中，每个波形36有相同的周期和峰值。每个波形36的高h最好不超过刀片体22最大厚度T的40％，如果高h比厚度T的40％大得多，那么刀片体22在波形36的波谷段40的强度大大降低，从而导致刀片15断裂。另一方面，如果高h小于刀片厚度T的15％，本发明降低切削力和振动的好处就大大削弱了。在最佳实施例中，高h大约是厚度T的25％。
如图2所示，每个切削刃34相对于半径为R的圆的圆心C沿它的长度方向是弧形的，该圆圆心C与顶壁24的平面段26共面。如图3所示，每个切削刃34在宽度方向也是弧形的，这样每个刃34与具有相同中心C的球S的壁一致。这种轮廓有利于切削刃34在工件上做半球形切削而且也利用了切削刃34上的波形36带来的好处。
每个侧壁30包括一下后面42和上后面44。下后面最好相对于与顶壁24的平面段26垂直的线倾斜7°到15°的角度“α”。角度更小可能不能保证切削刃34与工件接触而不干涉侧壁30，而更大的角度会大大削弱切削刃34。
如图4A到4C所示，切削刃34从波形36的波谷段40上升到波峰段38的时候，它会与上后面44相交。实际上，上后面44在球形切削刃34和下后面42的之间从而在保护切削刃34的球形轮廓的同时在切削刃34和刀片15的侧壁之间产生了一后角f1-f3。图4A表示了切削刃34与波形36的波谷段40相交的情况。在这种情况下，几乎没有上后面44，由下后面42产生了一个相对较宽的后角f1。然而，在图4B的情况下，切削刃34与波峰38和波谷40段之间的中部相交，上后面44使切削刃34的底边与下后面42的上边互连，产生了一后角f2。在此图中，h1表示球形切削刃34的高度，而h2表示上后面44的高度，h1+h2等于h。图4C表示了切削刃34与波形36的波峰段38相交的情况。这儿，上后面44的长度h2最大，与波形36的高h相等。在图中明显可以看出，上后面44继续给切削刃34提供一后角f3。在所有情况下，后角至少是3°。
再次具体参考图3，顶壁24包括一紧位于切削刃34后面的窄刃背46。该刃背46有效地加强了切削刃34，从而提高了刀片15的寿命。在最佳实施例中，刃背46相对于顶面24的平面段26有-5°到10°的前角“b”。这种正前角保证切削刃34由相对于刮擦动作的切削动作切削工件66(如图5所示)，有助于降低切削力。
紧位于刃背46后是一个卷屑槽48。该槽48基本上呈弧形断面，有一圆形底壁50，一圆形前壁52，和一个圆形尾壁54。圆形尾壁54在直的背壁56处结束，该背壁垂直于顶壁24的平面段26。槽48的前壁52和尾壁54与顶壁24的平面段26成角“d”和“e”，这有助于切削刃34产生的切屑在刀片15的顶壁24上滑过时卷曲。在最佳实施例中，与顶面24平面段的夹角d和e最好是在约20°到30°之间。由于这些壁是弧形的，这些角是由前壁52和尾壁54的外边缘的切线确定的。
位于刀片体22中心的孔58用来容纳先前提到的装配螺钉17。该孔58包括一柄部60和头部62分别用来容纳装配螺钉17的柄部和头部。
图5和6表示了当本发明的刀片15安装在一个立铣刀具刀体3的半球形端部9的座11上并绕旋转轴A转动时它是怎样工作的。切削刃的一小段67延伸到旋转轴A的上方，圆形切削面64的每一部都被切削刃34加工出来。由于切削刃在这点的旋转速度为零所以在切削刃段67附近产生的剪力和热量比切削刃34其它地方的大，通过降低沿切削刃34的切削力，并进一步通过降低切削操作中的振动，波形36使剪力和热量有所减小。切削力，热量，和振动下降的好处得益于切削刃34并不总是沿同一条线来切削工件66。相反，波形36的波峰段38形成了切屑刃的领头段并最先与工件66接触，而波谷段40形成了切削刃34的拖尾段。另外，这些波形36有利于产生有脆性打褶70的金属切屑68。如图5所示，这种打褶是由以下这种情况造成的：在切削操作中，每个波形36的波峰段38试图把切屑向外扩展，从而产生了薄的段71，而每个波形36的波谷段40试图在切屑68上产生压缩段72。交替变薄变厚的段71和72形成的打褶70，再加上刃背46的正前角为切屑68提供的卷曲力以及卷屑槽48的应用，即使非常精细的切屑也能有效地脆化，这反过来使他们能断裂并易于从立铣刀具刀体3的半球形端部9上的槽19中排出。
根据具体实施例已经对本发明做了描述，那么，对这个发明的各种增加，改进，和变化对此技术领域的技术人员来说将是明显的。所有这些改进，增加，和变化都在本发明的范围内，关于这一点附加的权利要求做了限制。

Claims (19)

1.用在球头立铣刀具上的一种刀片，当它绕某一轴旋转时，通过排除切屑它能在工件上进行圆形切削，它包括：
一个刀片体包括一顶壁，一底壁，一弧形侧面，和顶壁和侧壁相交形成的弧形切削刃，该弧形切削刃包括若干正弦波形用来降低切削力，振动，并使切屑断裂从工件上排除。
2.如权利要求1所述刀片，其特征在于：所述刀片切削刃的端部都穿过旋转轴，并且正弦波形降低了切削操作中刀片端部的剪力。
3.如权利要求1所述刀片，其特征在于：所述刀片体的侧壁包括一下后面，和位于该下后面与切削刃之间的上后面，并且切削刃的外形符合球形轮廓从而防止产生刀痕。
4.如权利要求3所述的刀片，其特征在于：所述上后面的外形产生了一个后角。
5.如权利要求4所述的刀片，其特征在于：所述后角最小为3°。
6.如权利要求4所述的刀片，其特征在于：所述顶壁包括一个平面段，侧壁的下后面与该平面段的垂直平面以5°到15°的后角倾斜。
7.如权利要求1所述的刀片，其特征在于：所述顶壁还包括一个位于切削刃后面用来加强该刃的刃背。
8.如权利要求7所述的刀片，其特征在于：所述顶壁包括一平面段，并且刃背相对顶壁的该平面段倾斜5°到10°给切削刃加一个正前角。
9.如权利要求7所述的刀片，其特征在于：所述顶壁包括一个位于刃背后面的卷屑槽。
10.如权利要求9所述的刀片，其特征在于：所述槽包括一个底壁，以及相对与顶壁的平面段倾斜15°到30°的前壁和尾壁。
11.如权利要求10所述的刀片，其特征在于：所述槽还包括一后壁，它与尾壁相交并且垂直于顶壁的平面段。
12.用于球头立铣刀上的刀片，当它绕某一轴转动时通过排除切屑可在工件上进行圆形加工，它包括：
-刀片体包括一个顶壁，一底壁，一弧形侧壁，以及顶壁和侧壁相交形成的弧形切削刃，该切削刃包括若干正弦波形用来降低切削力和振动从而保证切屑断裂并排除，每个波形包括一个波峰段和一个波谷段，该刃至少包括具有相同周期和幅值两个波形。
13.如权利要求12所述的刀片，其特征在于：每个波形的波峰和波谷段的高度差在刀片最大厚度的20％和35％之间。
14.如权利要求12所述的刀片，其特征在于：所述刀片切削刃的端部穿过旋转轴，正弦波形降低了在切削操作中刀片端部的剪力。
15.如权利要求12所述的刀片，其特征在于：所述刀片体的侧壁包括一个下后面，和一个位于下后面和切削刃之间的上后面，并且该切削刃符合球形轮廓以防止产生不希望的刀痕。
16.如权利要求15所述的刀片，其特征在于：所述上后面的外形提供了一个后角。
17.如权利要求16所述刀片，其特征在于，所述后角至少为3°。
18.一个用于球头立铣刀的刀片，当它绕某一轴转动时通过排除切屑在工件上进行圆形加工，它包括：
一刀片体包括一顶壁，一底壁，一具有下后面和上后面的弧形侧壁，和顶壁和侧壁的上后面相交形成的弧形切削刃，该切削边包括若干正弦波形用来降低切削力和振动并且保证切屑的断裂和排除，每个波形包括一波峰段和一波谷段，该切削刃至少包括具有相同的周期和幅值的两个波形。
其特征在于切削刃的外形符合球形轮廓。
19.如权利要求18所述刀片，其特征在于：该刀片包括两相对弧形切削刃，并且是转位的。
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