专利名称：用于高速铣刀的切削刀片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高速铣刀的切削刀片。更具体地说，本发明涉及一种用于铣削金属工件例如铝等的长刃高速铣刀的可转位切削刀片。
背景技术：
用于执行对金属工件机械加工操作的铣刀在本领域是众所周知的。这种刀具通常包括可拆开地连接在旋转驱动轴上的圆柱形或盘形主体。绕刀具主体外圆周安装多个刀片以对工件产生一系列金属修整切削。在操作中，在金属工件与刀具主体上的刀片接合的同时所述铣刀通常以几千rpm的速度旋转。
最近，日益提高的要求是铣刀能够以远超过几千rpm的旋转速度操作。这种与高速铣削操作相关的优点是更快的切削动作导致工件上更高的金属去除率，减小通过工件施加在铣刀上的切削力，以及使最终的切口更平滑。这种减小的切削力延长了刀片的使用寿命，从而不仅降低了与刀片更换相关的成本，而且降低了重新定位可转位刀片的切削刃所需的停机时间。由于更高的切削力需要更精准且更刚性的固定以获得所需精度，因此还降低了固定的成本和时间。
鉴于这些优点，高速铣刀不仅降低了机械加工成本同时提高了生产率，而且因切削动作更平滑且形成更好的表面光洁度而提高了最终加工而成的工件的质量。将会认识到实现所有上述优点所需的旋转速度的极大提高还导致在刀具主体上产生的离心力的极大提高。一般说来，离心力Fc取决于支承切削刀片的刀具主体的质量(m)、刀具主体的半径长度(r)、以及主体角速度(Ω)的平方。这些参数之间的关系可以用公式Fc＝(mΩ2)(r)来表达。在刀具主体上的离心力(以及由此产生的拉伸应力)随着角速度的平方而提高这一事实到目前为止已经对能够以高于几千rpm的速度操作的铣刀的发展产生相当大的障碍。以10,000rpm旋转的铣刀沿其外周离心感应的拉伸应力是以2,000rpm操作时的25倍。如果同一刀具以20,000rpm旋转，其将具有超过100倍的离心感应的拉伸应力。
另外，实现所有上述优点所需的旋转速度的极大提高还导致在刀具刀片上产生的离心力的极大提高。具体地说，该离心力往往导致刀片在高速铣削操作过程中离开刀片凹槽。因此，需要提供一种能够以高速例如大约20,000rpm操作的高速铣刀，在所述高速下也能够可靠且确定地保持切削刀片处于刀具主体的刀片凹槽内。理想地，这种高速铣刀和切削刀片的制造应该相对廉价，并且应该采用廉价、容易更换的切削刀片以将制造成本和装置的操作成本降至最小。
最后，有关加工材料例如铝的现有技术具有如下教导，即趋势是结合真空系统以使切削材料(切屑)的工作区域摆脱与工具直接相邻。如果切屑的形状和/或尺寸不被控制在可管理的等级，则这些系统会迅速堵塞。因此，效果良好的工具是刀片外形产生可控切屑的工具。
发明内容
本发明的发明人已经认识到与高速铣刀相关并与切削刀片相关的这些和其他问题。简要地说，根据本发明，提供一种用于高速、长刃铣刀的可转位切削刀片。在此采用的术语“长刃铣刀”指的是铣刀采用具有切削刃大于大约1英寸的5/8的刀片。所述切削刀片包括具有基本上平的中心部分、基本上平的底面以及多个侧面的顶面；一个侧面包括从底面延伸的平面以及从顶面延伸到平面的刃带；限定在顶面和一个侧面的刃带之间的相交区域的长切削刃；限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的角半径切削刃；限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的棱面半径切削刃；以及限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的斜切削刃。刃带绕所述切削刀片的刀尖半径延伸并接合成所述平面。由刃带形成的刃带角小于由所述平面形成的安装角。
在本发明的另一方面，一种高速、长刃铣刀包括具有刀片凹槽的柄以及至少一个切削刀片，所述切削刀片具有基本上平的中心部分、基本上平的底面以及多个侧面的顶面；一个侧面包括从底面延伸的平面以及从顶面延伸到平面的刃带；限定在顶面和一个侧面的刃带之间的相交区域的长切削刃；限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的角半径切削刃；限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的棱面半径切削刃；以及限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的斜切削刃。刃带绕所述切削刀片的刀尖半径延伸并接合成所述平面。由刃带形成的刃带角小于由所述平面形成的安装角。
从以下参照附图的详细描述中将会清楚地了解到本发明的其他特征以及从中得到的优点，其中图1表示根据本发明实施方式的可转位切削刀片的透视图。
图2表示图1所示切削刀片的侧面正视图。
图3表示图1所示切削刀片的端视图。
图4表示图1所示切削刀片的顶视图。
图5表示图1所示切削刀片的底视图。
图6表示沿图1中的线6-6截取的切削刀片的横截面图。
图7表示根据本发明实施方式的高速、长刃铣刀。
具体实施例方式
参照图1-6，其中相同的附图标记代表同一元件，可转位切削刀片10大体包括顶面12、底面14以及侧面16，18，20，22。
侧面18进一步由第一侧面18a以及相对于第一侧面18a成小于九十(90)度角的第二侧面18b构成。同样，侧面20进一步由彼此相对也成一定角度的侧面20a，20b构成。第一或长切削刃24，26分别限定在顶面12和侧面16，20的相交区域。第二或角半径切削刃28，30大体限定在顶面12和侧面16，18，20和22之间的相交区域。同样，角半径切削刃28大体限定在侧面16，22的相交区域并且角半径切削刃30大体限定在侧面18，20的相交区域。第三或棱面半径切削刃32，34和第四或斜切削刃36，38分别大体限定在顶面12和侧面18，22之间的相交区域。
过渡刃或半径离隙40，42定位在顶面12分别和棱面半径切削刃32，34之间以及顶面分别和斜切削刃36，38之间的角相交区域。同样，过渡刃或半径离隙44，46分别定位在顶面12和斜切削刃36，38之间以及顶面12分别和长切削刃24，26之间的相交区域。过渡刃40，42，44，46在图中是半径，但可以是同样满足所述概念的任意所需的可制造的形状例如倒角、尖角等等。
尽管其他角度在本发明的构想范围内，但图示实施方式的棱面半径切削刃32，34相对于长切削刃24，26形成了大致九十(90)度的角度。另一方面，斜切削刃36，38相对于斜切削刃36，38形成了小于九十(90)度的角度，例如在大致四十五(45)度-大致八十五(85)度的范围内。当切削刀片10执行向下倾斜操作时，可以采用斜切削刃36，38最靠近其相对应的棱面半径切削刃32，34的部分，其被定义为随工具沿工件(未示出)的前进而增加的轴向切削深度。然而，斜切削刃36，38远离其相对应的棱面半径切削刃32，34的其余部分是不参与工件切削的后刃。
切削刀片10的顶面12还包括基本上平的中心部分48，其大体上平行于基本上平的底面14。顶面12还包括提供过渡的多个前刀面和多个半径接合部，以形成顶面12在切削刀片10的中心部分18和各个前刀面之间的外形。例如半径接合部可以在横截面上略凹以在中心部分48基本上平的外形和向上向其相对应的切削刃倾斜的前刀面之间提供过渡。具体地说，半径接合部50，52定位在中心部分48和分别向上向长切削刃24，26倾斜的前刀面70，72之间。半径接合部54，56定位在中心部分48和分别向上向角切削刃28，30倾斜的前刀面74，76之间。半径接合部58，90定位在中心部分48和分别向上向棱面切削刃32，34倾斜的前刀面78，80之间。半径接合部62，64定位在中心部分48和分别向上向斜切削刃36，38倾向的前刀面82，84之间。半径接合部66，68定位在中心部分48和分别向上向过渡刃44，46倾斜的前刀面86，88之间。需要指出的是非常小的半径接合部定位在中心部分48和分别向上向过渡刃40，42倾斜的前刀面之间。前刀面被用于有效地排出铣削操作过程中顶面12产生的切屑。
参照图1和2，为了便于切削刀片10在下文所述的刀片凹槽上的插入和取下，设置埋头孔99，其从切削刀片10的顶面12延伸到底面14，并优选位于切削刀片10的顶面12的中心部分48上。
本发明的一方面是切削刀片10的顶面12的外形被设计成用于金属工件例如铝等的高速铣削操作。具体地说，从切削刀片10的半径50，52延伸到长切削刃24，26的前刀面70，72以大致十五(15)度-二十五(25)度范围的角度A例如以相对于顶面12(还有底面14)平的中心部分48成大致二十(20)度的角度向上倾斜，如图6所示。该向上的角度被设计成提供切削刀片10改进的切屑形成和切削动作。另外，从半径接合部54，56延伸到角半径切削刃28，30、前刀面78，80、前刀面82，84以及前刀面90，92的前刀面74，76以相对更小的角度例如以相对于顶面12的中心部分48成大致五(5)度-十五(15)度的角度向上倾斜。例如，从半径接合部54，56延伸到角半径切削刃28，30的前刀面74，76可以以大致七(7)度的角度向上延伸。
在另一实例中，从半径接合部58，60延伸到棱面半径切削刃32，34的前刀面82，84可以以大致十(10)度的角度向上倾斜。在另一实例中，从半径接合部62，64延伸到斜切削刃36，38的前刀面86，88可以以大致十一(11)度的角度向上倾斜。在另一实例中，从半径接合部58，60，62，64之间延伸到过渡刃或半径离隙40，42，44，46的前刀面90，92可以以大致九(9)度的角度向上倾斜。这些向上的角度被设计成与常规的切削刀片相比提供更坚固的角半径切削刃28，30、更坚固的棱面半径切削刃32，34、以及更坚固的斜切削刃36，38。将会认识到本发明并不受前刀面从其相对应的接合半径向其相对应的切削刃向上倾斜的量的限制，并且利用任何所需的角度量实施本发明以提供改进的切屑形成和强度。因此，本发明切削刀片10的顶面12的外形被设计成使得中心部分48基本上是平的并且在高度上是最低的，其以凹入方式向上向切削刃24，26，28，30，32，34，36，38逐渐倾斜。
尽管其他变化是可行的，但应该注意到在每个切削刃上向上倾斜的量与中心部分48到相对应的切削刃的距离成反比。例如，中心部分48和切削刃24，26之间的距离最短，但切削刃24，26具有最大的向上倾斜量，而中心部分48和切削刃28，30之间的距离最大，但切削刃28，30具有最小的向上倾斜量。以这种方式，所有的切削刃24，26，28，30，32，34，36，38，40，42位于由图6中虚线所示的同一平面上，其基本上平行于沿中心部分48的平面并且平行于沿切削刀片10的底面14的平面。
如图1-6所示，切削刀片10优选但不必须包括上述切削刃、前刀面、半径接合部以及在斜对角上的其他特征。因此，切削刃10是可转位的并且沿穿过斜切削刃36，38的线或穿过长切削刃24，26的线镜面对称。切削刃10的这种镜面对称使得在处理之前可以通过旋转切削刀片大致180度而使切削刀片10被使用两次。
如图2和5所示，侧面16，20优选但不必须包括在图3和4中可见的分别从底面14延伸的倾斜平面94，96。每个倾斜平面92，94分别包括圆弧上刃95，97。平面94，96作为主退刀面用于使刀片10安放在铣刀的刀片凹槽内，如图7所示。弧形上刃95，97便于在工件上形成九十(90)度圆柱形壁，这在本领域中是常用的。另外，侧面16，20包括分别在圆弧上刃95，97之间以及分别在长切削刃24，26之间延伸的刃带87，89。刃带87和89具有大约21英寸的相等半径R1，其形成了长切削刃24和26。刃带87和89在调节铣刀以包含轴向前角时便于在工件上形成线性壁，这在本领域内是公知的。如图3所示，刃带87和89以及表面94和96相对于底面14成一定角度。例如，刃带87和89相对于底面14(并还相对于顶面12)处于大约六十(60)度-八十(80)度之间、更优选是大约七十五(75)度的刃带角C。表面94和96相对于底面14(并还相对于顶面12)处于例如大约六十五(65)度-八十五(85)度之间、更优选是大约七十(70)度的安装角B。
无论安装角B的量值多大，刃带角C都比安装角B更小以形成圆弧长切削刃24，26并提供平面以将刀片10安放在铣刀的刀片凹槽内。刃带角B以及刃带87和89绕刀片10的刀尖半径延伸并在刀尖半径的角半径切削刃28，30和棱面半径切削刃32，34之间的相交区域100，102接合成表面18a，18b的安装角B。将会认识到实现这一点以向刀片10的所有切削刃提供平滑过渡，使得在相邻切削刃之间的相交区域不会产生任何尖点(半径小于0.005英寸)。此外，侧面16，20包括分别在底面14和平面94，96之间延伸的棱面91，93。
现在参照图7，根据本发明的实施方式示出了用于切削刀片10的铣刀100。总的来说，铣刀100包括柄102、前部104以及柄102和前部104之间的过渡表面106。刀具100优选由热处理钢例如H13工具钢或者本领域技术人员已知的其他材料制成。所采用的具体材料因刀具100所需的设计特征而变化。刀具100限定了旋转轴线108。刀具100还包括在刀具100前端的前部104上形成的总体由110表示的刀片凹槽。当安装在铣刀100的刀片凹槽110内时，切削刀片10提供大约十五(15)度-大约三十五(35)度的有效正径向前角。
为了将切削刀片10安装在刀片凹槽110内，刀片凹槽110的底面可以包括具有螺纹孔的凸台(未示出)，当切削刀片10被准确地安装在刀片凹槽110上时所述螺纹孔基本上与切削刀片10的埋头孔99对准。螺纹孔的尺寸和位置被设置成通过螺纹容纳定位在埋头孔99中的螺纹紧固件112例如护圈螺钉等，由此刀片10可以可靠地但可释放地安装在刀片凹槽110上。由于凸台从刀片凹槽110的底面向外延伸，因此与常规的刀片凹槽相比护圈螺钉112的长度可以按凸台的高度缩短。由于这一高度被缩短，护圈螺钉112包含更少的螺纹，这样使护圈螺钉112与常规铣刀相比在高速铣削操作过程中以更小的弯曲力矩操作。
在图2可以看到，埋头孔99从切削刀片10的顶面12延伸到底面14。埋头孔99在顶面12上的边缘直径比底面14上的埋头孔99的直径更大。埋头孔99优选具有比凸台高度略大的深度。通过这种方式，切削刀片10能够安装在刀片凹槽110上，使得凸台被布置在切削刀片10的埋头孔99内，同时切削刀片10的底面14接合刀片凹槽110的底面。另外，切削刀片10的侧面18，20(根据切削刀片10安装在刀片凹槽110上的定位或者是16，22)分别接合刀片凹槽110的侧面以将切削刀片10可靠地固定在刀片凹槽110上。
如上所述，本发明的铣刀100提供了辅助的安全特征，包括刀片凹槽110的凸台与切削刀片10的埋头孔99的结合，从而使切削刀片10能够被用于高速铣削操作。另外，本发明的铣刀10，100提供了与常规铣刀相比具有未由附加材料(也就是凸台28)接合和环绕的更短长度，从而使护圈螺钉112能够在高速铣削操作过程中以更小的弯曲力矩操作。
刀片10优选由本领域技术人员已知的硬质合金或其他材料制成以铣削金属工件(未示出)例如铝等。在图7中可以看到，切削刀片10根据刀具尺寸以大致十五(15)度-二十五(25)度的轴向前角B以及正十(10)度-负二十(20)度的径向前角C安装在刀片凹槽110上。
在图7所示的铣刀100的示意性实施方式中，铣刀100能够在相应刀片凹槽110内安装彼此相隔大约120度定位的三个切削刀片10。然而，将会认识到本发明的铣刀并不受可以安装在刀片凹槽110上的切削刀片10的数目的限制，并且可以采用仅由铣刀材料属性的物理限制限定的任何所需数目的切削刀片实施本发明。例如，铣刀可以被设计成在相应刀片凹槽110内安装更少的切削刀片10或更多的切削刀片10。
在此涉及的文献、专利以及专利申请在此引入作为参考。
尽管已经结合本发明的多种实施方式对其进行了具体描述，但应该理解到这是示例方式的而不是限制，并且附加权利要求的范围应该被解释得与现有技术容许的同样宽。
权利要求
1.一种用于高速、长刃铣刀的可转位切削刀片，其包括具有基本上平的中心部分、基本上平的底面以及多个侧面的顶面；一个侧面包括从底面延伸的平面以及从顶面延伸到该平面的刃带；限定在顶面和一个侧面的刃带之间的相交区域的长切削刃；限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的角半径切削刃；限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的棱面半径切削刃；以及限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的斜切削刃，其中，刃带绕所述切削刀片的刀尖半径延伸并且并入所述平面，以及由刃带形成的刃带角小于由所述平面形成的安装角。
2.如权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，顶面包括在基本上平的中心部分和多个向上倾斜的前刀面之间延伸的多个向上倾斜的半径接合部，所述多个向上倾斜的前刀面在各个半径接合部和各个切削刃之间延伸，使得前刀面相对于切削刀片的顶面基本上平的中心部分形成五度至二十五度的角度A，从而使所有的切削刃位于同一平面。
3.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，从一个半径接合部延伸到长切削刃的前刀面以相对于切削刀片的顶面平的中心部分大致成十五度至二十五度范围的角度向上倾斜。
4.如权利要求3所述的切削刀片，其特征在于，所述角度相对于切削刀片的顶面平的中心部分大致成二十度。
5.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，从一个半径接合部延伸到角半径切削刃的前刀面以相对于切削刀片的顶面平的中心部分大致成五度至十五度范围的角度向上倾斜。
6.如权利要求5所述的切削刀片，其特征在于，所述角度相对于切削刀片的顶面平的中心部分大致成七度。
7.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，从一个半径接合部延伸到棱面半径切削刃的前刀面以相对于切削刀片的顶面平的中心部分大致成五度至十五度范围的角度向上倾斜。
8.如权利要求7所述的切削刀片，其特征在于，所述角度相对于切削刀片的顶面平的中心部分大致成十度。
9.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，从一个半径接合部延伸到斜切削刃的前刀面以相对于切削刀片的顶面平的中心部分大致成五度至十五度范围的角度向上倾斜。
10.如权利要求9所述的切削刀片，其特征在于，所述角度相对于切削刀片的顶面平的中心部分大致成十一度。
11.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，还包括位于顶面和棱面半径切削刃之间以及顶面和斜切削刃之间的相交区域的半径离隙。
12.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，还包括位于顶面和斜切削刃之间以及顶面和长切削刃之间的相交区域的半径离隙。
13.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，一个侧面包括基本上垂直于相邻侧面的第一表面以及以相对于第一表面成小于九十度的角度形成的第二表面。
14.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，棱面半径切削刃以相对于长切削刃成大致九十度的角度形成。
15.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，斜切削刃以相对于斜切削刃成大致四十五度至大致八十五度范围的角度形成。
16.如权利要求2所述的切削刀片，其特征在于，一个侧面包括从底面延伸的倾斜平面，并且所述倾斜平面包括圆弧上刃。
17.如权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，所有的切削刃都位于与沿中心部分的平面基本上平行的平面上，并且所有的切削刃都位于与沿底面的平面基本上平行的平面上。
18.如权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，刀片的顶面平行于底面。
19.如权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，刃带角在大约六十度至八十度的范围内。
20.如权利要求1所述的切削刀片，其特征在于，刃带角在大约六十五度至八十五度的范围内。
21.一种高速、长刃铣刀，其包括具有刀片凹槽的柄；以及至少一个切削刀片，所述切削刀片具有基本上平的中心部分、基本上平的底面以及多个侧面的顶面；一个侧面包括从底面延伸的平面以及从顶面延伸到该平面的刃带；限定在顶面和一个侧面的刃带之间的相交区域的长切削刃；限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的角半径切削刃；限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的棱面半径切削刃；以及限定在顶面和一个侧面之间的相交区域的斜切削刃，其中，刃带绕所述切削刀片的刀尖半径延伸并且并入所述平面，以及由刃带形成的刃带角小于由所述平面形成的安装角。
22.如权利要求21所述的铣刀，其特征在于，顶面包括在基本上平的中心部分和多个向上倾斜的前刀面之间延伸的多个向上倾斜的半径接合部，所述多个向上倾斜的前刀面在各个半径接合部和各个切削刃之间延伸，使得前刀面相对于切削刀片的顶面基本上平的中心部分形成五度至二十五度的角度A，从而使所有的切削刃位于同一平面。
23.如权利要求21所述的铣刀，其特征在于，所有的切削刃都位于与沿中心部分的平面基本上平行的平面上，并且所有的切削刃都位于与沿底面的平面基本上平行的平面上。
全文摘要
一种可转位切削刀片(10)具有顶面(12)，所述顶面包括基本上平的中心部分(48)、基本上平的底面(14)以及多个侧面(16，18，20，22)。长切削刃(24，26)、角半径切削刃(28，30)、棱面半径切削刃(32，34)以及斜切削刃(36，38)限定在顶面(12)和一个侧面(16，18，20，22)之间的相交区域。刃带(87，89)绕侧面(16，18，20，22)的刀尖半径延伸。刃带(87，89)绕切削刀片(10)的刀尖半径延伸并接合成所述平面(94，96)。由刃带(87，89)形成的刃带角C小于由平面(94，96)形成的安装角B。顶面(12)包括在基本上平的中心部分(48)和多个向上倾斜的前刀面(70，72，74，76，80，82，84，86，88，90，92)之间延伸的多个向上倾斜的半径接合部(50，52，54，56，58，60，62，64)，所述多个向上倾斜的前刀面在各个半径接合部和其各个切削刃之间，使得前刀面相对于顶面(12)基本上平的中心部分(48)形成五度至二十五度的角度A。
文档编号B23B27/16GK1980762SQ200580022504
公开日2007年6月13日 申请日期2005年6月13日 优先权日2004年7月15日
发明者T·J·朗二世, S·E·弗赖伊, K·A·克雷格 申请人:钴碳化钨硬质合金公司