專利名稱：圓頭立銑刀中切削刃幾何形狀的優(yōu)化的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圓頭立銑刀，更具體地涉及對沿圓頭立銑刀的修圓部分的前角和后角的優(yōu)化。
背景技術：
典型的球頭立銑刀(如圖1中所示的)總體上表示為10，包括一個刀柄12，平直的或圓錐形的切削部分14以及修圓的切削部分16。球頭立銑刀在修圓部分16處的切削速度從該球形的外徑18處朝向刀尖20逐漸減小。這個切削速度與直徑直接相關，并且可以用等式V=NJiDsin θ來表示(參見圖2和圖3)。其中V是切削速度或切向速度(米/秒)，N是旋轉速度(轉/秒)，D是外徑18 (米)，而θ (以21表示)是刀具的縱向中心線22與從修圓的切削部分16的中心點沈延伸到切削刃四上的一個測量點28的任意線M之間的夾角。因此切削速度是根據(jù)這個正弦等式與角θ相關聯(lián)的，這意味著速度在靠近刀具的中心處接近于零，在0° <θ<30°的范圍內(nèi)迅速提高，其中對于Θ =30°，速度V是最大速度的一半，并且在30° <θ<90°的范圍內(nèi)緩慢提高至在修圓部分16的外徑18處的最大速度。如圖4 (沿圖3的線A-A截取的一個截面圖)中可見的，切削刃的幾何形狀描繪了通常對應地用希臘字母α、β、Υ來表示的前角30、楔形角32和后角34。慣常通過研磨過程來修磨的實心高速鋼(HSS)和硬質合金刀具典型地沿修圓部分 16的切削刃四具有恒定的前角、楔形角和后角。其結果是，如圖3中以不同θ值來截取的每個A-A截面將具有相同的α、β、Y角。現(xiàn)代研磨技術允許更靈活地對后角進行成形。在美國專利5，558，475中提出了一個實例，它披露了一種刀具帶有沿整個半徑的大小為+8° 士2°的恒定正前角α以及一個連續(xù)的、尺寸依賴于朝向中心在17° 士2°到10° 士2°之間減小的間隙(后)角Y。該前角和間隙角是在一個垂直于切削刃的平面中測量的。在上述專利的一個優(yōu)選實施方案中， 一個球頭立銑刀具有一個從周邊到中心由15°到10°的減少的間隙角。向球頭立銑刀和圓端立銑刀弓丨入一次性硬質合金鑲片已允許了甚至更為復雜的結構。例如在美國專利號6，024，519中說明了這樣一種結構，它披露了一種用于球頭立銑刀的拋棄型鑲片，這種球頭立銑刀帶有多個傾斜的前刀面，由此使得離開這些鼻部越遠，這些前面從凹槽處升起得越陡。這樣，越靠近切削速度較高的那一側，前角就越大。上述專利中給出的一個具體實例是一種刀具，該刀具在其周邊具有在5°至25° 之間的前角α和85°至65°的楔形角β，并且后角Y最小。這樣，除了在這些鼻部中前角α為負外，在切削刃的任何縱向部分處這些前角都是正的。然而，對于旨在用于具有快速的水平進給速率的多軸線CNC機加工的刀具而言， 鄰接刃尖20的一個負的或者甚至為零的前角則在機床、刀具以及工件上施加了非常大的力。通過參考圖4和圖5 (它們示出了沿圖3的線A-A和線B-B截取的截面圖)可以更好地理解這一點。沿著平行于機器的水平進給一條水平線截取的截面B-B代表了涉及水平進給時實際的工作截面。三角學領域的普通技術人員應認識到，在沿著一條徑向直線到沿切削刃四的任意點觀的截面中看到的(如在圖4中所示出的)正前角和正后角α、Y將在平行于水平面、穿過沿切削刃四的同一個點觀的截面中看到的(如在圖5中所示出的)對應地顯得更小(α 1< α，γ 1<γ )。這樣，該刀具鄰近刃尖20的低切削速度與幾何形狀上減小的水平進給前角和后角的這種組合就如上所解釋地產(chǎn)生提高的切削力、熱量和粗糙表面質量。在本申請人作出的一個實驗性研究中，已經(jīng)顯示切削刃的幾何形狀的進一步優(yōu)化提供了更好的性能和表面質量并且延長刀具的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個目的是提供沿圓頭立銑刀的修圓部分的前角和后角的優(yōu)化，從而進一步改進刀具性能。本發(fā)明的另一個目的是提供一種同等地適用于不同工件材料的一般性解決方案。這些目的是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案來通過以下方式實現(xiàn)的，即提供一種通過對沿修圓部分的切削刃的前角和后角二者的幾何參數(shù)進行優(yōu)化而改良的圓頭立銑刀，其中該前角和該后角沿該切削刃從修圓部分的外徑到刃尖逐漸增加。前角或后角沿切削刃的增加率相對于角位置可以通過選自下表中的一個術語來表達，即線性地、三次方地、指數(shù)地、對數(shù)地表達、或者與任何其他數(shù)學表達相符，并且由通過線性插值而關聯(lián)的一個列表數(shù)值集合來限定。此外，前角或后角的這種增加不是受限于特定的值，而是額外加在原先應該已經(jīng)為一個等效的未改良刀具對于同一種工件材料而規(guī)定的一個初始數(shù)值上。


為了理解本發(fā)明并且弄清在實踐中可以如何將其實現(xiàn)，現(xiàn)在僅通過非限制性實例并參照附圖對多個實施方案予以說明，在附圖中圖1是標準球頭立銑刀的正視圖；圖2是如圖1中的立銑刀在修圓部分處的局部截面圖；圖3是如圖2中的立銑刀的修圓部分的放大截面圖；圖4是沿圖3中的線A-A截取的放大截面圖，示出了沿一條徑向直線的切削幾何形狀；圖5是沿圖3中的線B-B截取的放大截面圖，示出了沿一條水平直線的切削幾何形狀；圖6是根據(jù)一個第二實施方案的立銑刀的修圓部分如圖3的放大截面圖；圖7是配裝有可更換的硬質合金鑲片的球頭立銑刀的正視圖；圖8是一個圓端立銑刀如圖3的放大截面圖；以及圖9是配裝有可更換的硬質合金鑲片的圓端立銑刀的正視圖。
具體實施例方式通過參考這些附圖，應該指出這些附圖在總體上表示了該刀具的切削幾何形狀，因此它們等同地應用于對現(xiàn)有技術以及本發(fā)明所提出的新技術的闡述中。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種通過對沿修圓部分16的切削刃四(圖1)的前角30 ( α ) 和后角34 ( γ ) 二者(圖4)的幾何參數(shù)進行優(yōu)化而改良的一種圓頭立銑刀，它總體上表示為10 (圖1)。因為楔形角32 ( β )是將前角30 ( α )與后角!M(Y)的和補足到90°的部分，即(β=90° - (α + Υ))，故以下將不作考慮。在本發(fā)明的第一實施方案中，前角30 ( α )和后角34 ( γ )沿切削刃四從外徑18 (此處對于直切削部分14而言θ =90° )到刃尖20 (此處θ =0° )逐漸增加。前角30 ( α ) 的總的增加量在1°到10°的范圍內(nèi)，而后角34 (Y)的總的增加量在1°到15°的范圍內(nèi)。例如，根據(jù)這個實施方案的一個球頭立銑刀可以配備有在θ =90°處為10°、并且沿著切削刃逐漸增加到在θ=0°處為15°的一個前角，以及在Θ =90°處為5°、并且沿著切削刃逐漸增加到在θ=0°處為12°的一個后角。應理解的是該前角或后角沿切削刃四的增加率相對于角θ可以線性地、三次方地、指數(shù)地、對數(shù)地表達、或者可以與任何其他數(shù)學表達相符、或者是由通過線性插值而關聯(lián)的一個列表數(shù)值集合來限定。本發(fā)明的原理不受限于一種特定的工件材料，前角和后角的這種增加是額外加在原先應該已經(jīng)對于同一種工件材料規(guī)定的初始數(shù)值上。例如，已知的是，在對軟材料(像鋁) 進行機加工時采用較大的前角和后角而在對鋼進行機加工時采用較小的前角和后角。因此用于對鋁進行機加工的一個典型的球頭立銑刀根據(jù)該第一實施方案可以具有在θ =90° 處為15°、并且沿著切削刃四逐漸地線性增加到在θ=0°為22°的一個前角，以及在 θ =90°處為10°、并且沿著切削刃四逐漸地線性增加到在θ =0°為20°的一個后角。用于對鋼進行機加工的一個典型的球頭立銑刀根據(jù)該第一實施方案可以具有在θ =90°處為 5°、并且沿著切削刃四逐漸地指數(shù)增加到在θ =0°為10°的一個前角，以及在θ =90°處為4°、并且沿著切削刃四逐漸地線性增加到在θ=0°為12°的一種后角。在本發(fā)明的一個第二實施方案中，切削刃四的弧線被分成至少兩個獨立的圓扇段。例如參見圖6，限定了三個扇段，一個第一扇段40用于90° >θ>70°的范圍，一個第二扇段42用于70° >θ>30°的范圍以及一個第三扇段44被限定用于30° > θ >0°的范圍。對于這些扇段40、42、44中的每一個而言，采用了前角30和后角34的一個不同的增加量。例如，沿第一扇段40，前角30的總增加可以在0°到1°的范圍內(nèi)，沿第二扇段44，前角30的總增加可以在0.5°到3°的范圍內(nèi)，并且沿第三扇段44，前角30的增加可以在2° 到10°的范圍。因此，沿第一扇段40后角34在0°到2°的范圍內(nèi)增加，沿第二扇段44， 后角34在1°到5°的范圍內(nèi)增加，并且沿第三扇段44，后角34在3°到15°的范圍內(nèi)增加。本發(fā)明并不受限于上述通過參考圖1至圖6說明的實心高速鋼(HSS)或硬質合金刀具，而是還可以在相同的程度上應用于具有其他適合的切削刀具材料(像陶瓷)的球頭立銑刀以及配備有硬釬焊的或是可替換的、具有適合的切削刀具材料的一次性鑲片的那些刀具。例如，圖7示出了一種配備有硬釬焊的或是可替換的一次性硬質合金鑲片48的球頭立銑刀，它典型地具有一個小的或為零的槽螺旋角。參見圖8和圖9，示出了總體上表示為50的一個圓端立銑刀的修圓部分，其中切削刃53弧線的中心52是在刀具50的旋轉軸線M之外。本發(fā)明根據(jù)該第一和第二實施方案的原理以相同的方式沿切削刃53弧線是可應用于θ的正值的。然而，進一步限定了一個額外的圓扇段58，它優(yōu)選在0°到5°的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明涉及一個圓端立銑刀的第三實施方案，處于角θ的負值部分中但仍然屬于同樣的0° >θ>-5°的范圍的這個額外的扇段 58配備有一個直的切削刃59，該切削刃從切削刃53上的最低接觸點60以一個角62朝向刀具50的旋轉軸線M升起，這個角可以在0°到2°的范圍內(nèi)。額外的扇段58沿切削刃59的這種切削幾何形狀，優(yōu)選地跟隨按參照上述第一和第二實施方案對于θ=0°而定義的前角和后角。這個第三實施方案同等地適用于如在圖8 中所示出的實心高速鋼或硬質合金刀具，以及如在圖9中所示出的帶有硬釬焊的或可替換的一次性鑲片64的刀具。雖然已經(jīng)參照一種兩槽的圓柱形立銑刀對本發(fā)明進行了說明，但是同樣的原理可適用于帶有在圓周圓上被均勻地或者不均勻地間隔開的一個、三個、四個、五個或者任何數(shù)量的槽，以及其他刀具形狀(例如圓錐形的、球形的或者多齒的平面銑刀)，它們?nèi)柯淙霗嗬髸姆秶畠?nèi)。對于本領域的普通技術人員不言而明的是本發(fā)明不受限于以上展示的實施方案的細節(jié)并且本發(fā)明可以通過其他具體形式來實施而不背離其精神或者本質屬性。這些實施方案因此在所有方面應被理解為說明性的并且非限制性的，本發(fā)明的范圍是由所附的權利要求書表明的而不是由以上說明表明的，并且因此旨在將權利要求書的等效表述的含義和范圍之內(nèi)發(fā)生的所有變更包括在其中。
權利要求
1.一種通過對沿修圓部分的切削刃的前角和后角二者幾何參數(shù)進行優(yōu)化而改良的圓頭立銑刀，其中該前角和該后角沿該切削刃從該修圓部分的外徑到刃尖逐漸增加。
2.如權利要求1所述的圓頭立銑刀，其中，該前角的總的增加量是在1°到10°的范圍內(nèi)，而該后角34的總的增加量是在Γ到15°的范圍內(nèi)。
3.如權利要求1或2所述的圓頭立銑刀，其中，該前角或后角沿該切削刃的增加率相對于該角位置是從選自下表的一個函數(shù)，即線性函數(shù)、三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)，或者與任何其他數(shù)學表達相符，或者是由通過線性插值來關聯(lián)的一個列表數(shù)值集合來限定。
4.如權利要求1所述的圓頭立銑刀，其中，所述前角或后角的增加是額外加在一個等效的未改良刀具對于同一種工件材料的一個初始數(shù)值上。
5.如權利要求1所述的圓頭立銑刀，其中，該切削刃弧線被分成至少兩個單獨的圓扇段，對于這些扇段中的每一個采用前角和后角的不同的增加量。
6.如權利要求1所述的圓頭立銑刀，其中，所述立銑刀是由實心高速鋼或者硬質合金或者陶瓷制成的。
7.如權利要求1所述的圓頭端銑刀，其中，所述立銑刀裝備有釬焊的或可替換的拋棄型硬質合金鑲片。
8.如權利要求1所述的圓頭立銑刀，其中，該切削刃弧線的中心在該刀具的旋轉軸線之外。
9.如權利要求8所述的圓頭立銑刀，其中，一個額外的圓扇段被進一步限定在0°到 5°的范圍內(nèi)，并且配有一個直的切削刃，該直的切削刃從該切削刃弧線上的該最低接觸點以一個在0°到2°的范圍內(nèi)的角朝向該刀具的該軸線升起。
10.如權利要求9所述的圓頭立銑刀，其中，所述額外的圓扇段沿所述直的切削刃的這種切削幾何形狀，跟隨按照對于所述最低接觸點而定義的該前角和后角。
11.如權利要求9所述的圓頭立銑刀，其中，所述立銑刀是由實心高速鋼或者硬質合金或者陶瓷制成的。
12.如權利要求9所述的圓頭立銑刀，其中，所述立銑刀配備有硬釬焊的或可替換的拋棄型硬質合金鑲片。
13.如權利要求1所述的圓頭立銑刀，具有選自下表中的一種旋轉刀具結構，即單槽、 在圓周圓上被均勻地或者不均勻地間隔開的多槽。
14.如權利要求1所述的圓頭立銑刀，具有從下表中選定的一種旋轉刀具形狀，即平直形的、圓錐形的、球形的以及多齒的平面銑刀。
全文摘要
一種通過對沿修圓部分(16)的切削刃(29)的前角(30)和后角(34)二者的幾何參數(shù)進行優(yōu)化而改良的圓頭立銑刀(10)，其中該前角和該后角沿該切削刃從該修圓部分的外徑到刃尖逐漸增加。
文檔編號B23C5/12GK102596464SQ201080051027
公開日2012年7月18日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權日2009年11月17日
發(fā)明者L·B·沙里夫克, S·布拉霍夫, V·D·沃洛克 申請人:鈷碳化鎢硬質合金公司