轻型旋转切削工具的制作方法

一般来说，本公开涉及用于对工件执行机械加工操作的旋转切削工具。具体地说，本公开涉及一种与常规旋转切削工具相比具有增大的刚度与重量比的轻型旋转切削工具。

背景技术：

1、在某些机械加工应用中，切削工具的重量可能成为显著约束。重型工具对于必须搬运工具的操作者是成问题的。工作场所安全要求还降低了允许员工手动提升的最大重量。许多客户使用手动加载的机器(例如，龙门机床)，其中操作者必须将加工组合件手动提升到主轴中。因此，额外的重量限制已经产生了使切削工具尽可能轻质而不损害性能的客户要求。降低切削工具的重量的挑战在于在使用较少材料的同时保持刚度。用于轻型切削工具的设计方法需要通过根据作用于切削机的所得负载矢量最佳地放置材料来使材料最小化。

2、另外，将工具加速和减速到其所需速度的时间随着工具重量和惯性力矩的减少而减小。此外，具有自动工具更换器的许多机器对于机器可更换的工具也具有重量和倾斜力矩限制。此外，如果工具的倾斜力矩对于机器连接过高，那么重型切削工具可能造成工具更换效率问题，或甚至导致机械加工质量不佳。因此，需要最小化重型常规切削工具的重量，同时保持足够的刚度，以允许更容易的搬运且降低操作成本。

技术实现思路

1、减小例如铣刀等的旋转切削工具的重量的问题通过以下操作加以解决：使用与增材制造(即，3d打印)组合的拓扑优化技术，以产生大幅度降低旋转切削工具的总重量的支撑结构，同时维持切向、轴向和径向方向上的强度、刚度以及旋转切削工具的功能性。

2、拓扑优化使用有限元分析(fea)或有限元方法(fem)来基于所施加的负载和约束优化给定体积的结构中的材料分布。3d打印机技术的当前激增已允许设计者和工程师在设计新产品时使用拓扑优化技术。拓扑优化与增材制造(即，3d打印)相组合可导致轻型、改善的结构性能以及缩短的设计与制造周期。

3、与常规切削工具相比，本公开中描述的旋转切削工具具有拓扑优化结构，从而在给定材料、体积和负载/约束下导致较高刚度与重量比。拓扑优化结构具有复杂几何形状，现在有可能通过使用增材制造(即，3d打印)直接产生所述复杂几何形状。

4、在一个方面，一种旋转切削工具包括具有周围表面的圆盘状中心主体。外围支撑构件沿着所述圆盘状中心主体的所述外围表面周向地延伸，并且在切削操作期间抵抗施加在插件凹部上的离心力和切削力提供支撑。径向支撑构件沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件。所述径向支撑构件与所述外围支撑构件在结构上交互，以抵抗在切削操作期间施加在所述插件凹部上的离心力和切削力而为所述插件凹部提供额外支撑。所述径向支撑构件和所述外围支撑构件具有使所述旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。

5、在另一方面，一种旋转切削工具包括具有外围表面的圆盘状中心主体。外围支撑构件沿着所述圆盘状中心主体的所述外围表面而延伸。所述外围支撑构件包括在所述插件凹部的两侧上延伸的连续表面，所述连续表面具有相对于所述旋转切削工具的旋转方向r的前导部分和相对于所述旋转切削工具的旋转方向r的拖尾部分。所述外围支撑构件具有使所述旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。

技术特征：

1.一种旋转切削工具，其包括：

2.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件具有远离所述旋转切削工具的旋转方向弯曲的中心线。

3.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件具有沿着其长度改变的高度。

4.根据权利要求3所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件的所述高度随着所述径向支撑构件在径向向外方向上延伸而增大。

5.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件具有沿着其长度改变的宽度。

6.根据权利要求5所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件的所述宽度随着所述径向支撑构件在径向向外方向上延伸而减小。

7.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其进一步包括沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件的第二径向支撑构件。

8.根据权利要求7所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件具有朝向所述旋转切削工具的所述旋转方向弯曲的中心线。

9.根据权利要求7所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件具有沿着其长度改变的高度。

10.根据权利要求9所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件的所述高度在径向向外方向上连续地增大。

11.根据权利要求7所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件具有沿着其长度改变的宽度。

12.根据权利要求11所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件的所述宽度在径向向外方向上连续地减小。

13.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述圆盘状中心主体还包括耦合界面。

14.根据权利要求13所述的旋转切削工具，其中所述耦合界面包含中心腔体和从所述中心腔体径向向外延伸的键槽。

15.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件包括在所述插件凹部的两侧上延伸的连续表面，所述连续表面具有相对于所述旋转切削工具的旋转方向r的前导部分和相对于所述旋转切削工具的所述旋转方向r的拖尾部分。

16.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件具有内部腔体以使所述旋转切削工具的所述刚度与重量比最大化。

17.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件在多个方向上具有改变的厚度。

18.根据权利要求17所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件的厚度在接近所述圆盘状中心主体处最大，并且在接近所述插件凹部处最小。

19.一种旋转切削工具，其包括：

20.根据权利要求19所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件具有内部腔体以使所述旋转切削工具的所述刚度与重量比最大化。

21.根据权利要求19所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件在多个方向上具有改变的厚度。

22.根据权利要求21所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件的厚度在接近所述圆盘状中心主体处最大，并且在接近所述插件凹部处最小。

技术总结
一种旋转切削工具包含具有外围表面的圆盘状中心主体。外围支撑构件沿着所述圆盘状中心主体的所述外围表面周向地延伸，并且在切削操作期间抵抗施加在插件凹部上的离心力和切削力提供支撑。径向支撑构件沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件。所述径向支撑构件与所述外围支撑构件在结构上交互，以抵抗在切削操作期间施加在所述插件凹部上的离心力和切削力而为所述插件凹部提供额外支撑。所述径向支撑构件和所述外围支撑构件具有使所述旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。所述旋转切削工具可包含第二径向支撑构件，所述第二径向支撑构件沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件。

技术研发人员：A·布克海默,L·塞姆尼斯基
受保护的技术使用者：肯纳金属公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15