具有改善型连接件的切削刀头的制作方法

本专利申请要求2014年5月5日提交的美国专利申请序列号No.14/269,808的优先权并要求其权益，该美国专利申请以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及切削刀头和包括切削刀头的刀具。

背景技术：

通常，模块化切削刀头与可重复使用的刀架一起用于切削操作。然而，切削操作通常会对切削刀头和刀具形成很高的应力，造成刀具性能降低并且/或者刀具寿命缩短。在许多情况下，切削刀头与刀架之间的连接机制并不可靠。因此，需要可提供可靠连接机制的改善型切削刀头和/或刀具。

技术实现要素：

一方面，本文描述的切削刀头相较于现有切削刀头能提供一个或多个优点。例如，本文所述切削刀头可以使切削操作过程中形成的应力平衡分布，由此促成更高的扭矩能力，提高生产率。另外，本文所述的切削刀头可以具有一种能够实现切削操作之间的可互换性的结构。此外，本文所述切削刀头可搭配大小和/或形状不同的各种刀具和/或刀架一起使用。

本文所述切削刀头具有一个细长主体部分，该细长主体部分具有切削端以及与切削端间隔开的细长连接部分。该连接部分包含芯部和大体上螺旋延伸的多头螺纹，其中所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕芯部周向设置。该连接部分的各头螺纹可以具有正方形、三角形或梯形螺纹牙型。在有些实施例中，连接部分具有至少双头螺纹。另外，连接部分可以具有至少三头螺纹，如可具有四头螺纹或五头螺纹。此外，各头螺纹可包含或限定起始位置、螺距、螺纹导程、小径、大径、中径或它们的组合。

本文所述切削刀头可以具有变化的横截面形状。例如，连接部分的横截面可以为大致圆形。或者，连接部分的横截面是非圆形的。类似地，连接部分的芯部可以具有变化的横截面形状。在有些实施例中，芯部的横截面为大致圆形。在其他实施例中，芯部的横截面是非圆形的。

另一方面，本文描述的刀具在切削操作过程中可以使在刀具的刀架和/或刀具的头部中形成的应力平衡分布。因此，在有些实施例中，本文所述刀具在刀具操作过程中提供改善的应力分布，从而允许实现更高的扭矩能力，提高生产率。另外，本文所述刀具可以具有使得能够实现切削操作之间的切削刀头可互换性的结构。

本文所述刀具包含刀架和模块化的切削刀头，其中，刀架用于限定带螺纹的接纳部，模块化的切削刀头可旋拧到带螺纹的接纳部之中。模块化的切削刀头包含一个细长主体部分，该细长主体部分具有切削端以及与切削端间隔开的细长连接部分；其中连接部分包含芯部、以及大体上螺旋延伸的多头螺纹，所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕所述芯部周向设置。另外，模块化的切削刀头还可包含具有切屑槽以及切削刃和刀片座中的至少一者的切削端。在有些情况下，模块化的切削刀头的每头螺纹都限定了螺距、螺纹导程、大径、小径和中径。另外，在有些情况下，带螺纹的接纳部包含限定螺距、螺纹导程、大径、小径和中径的带螺纹的内表面。

这些和其他实施例在下文的具体实施方式中更详细地描述。

附图说明

图1示出根据本文所述的一个实施例的刀具的剖视图。

图2A示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的透视图。

图2B示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的透视图。

图3示出本文所述螺纹构造。

图4A示出本文所述的切削刀头的螺纹构造的一部分。

图4B示出本文所述的切削刀头的螺纹构造的一部分。

图4C示出本文所述的切削刀头的螺纹构造的一部分。

图5示出本文所述现有螺纹构造的示意图。

图6示出根据本文所述切削刀头的一个实施例的螺纹构造的示意图。

图7示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的透视图。

图8A示出本文所述现有切削刀头的剖视图。

图8B示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的剖视图。

图9示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的一部分的剖视图。

具体实施方式

参考以下具体实施方式和附图，可更容易地理解本文所述的实施例。然而，本文所述的元件、装置和方法并不限于具体实施方式和附图中所展示的具体实施例。应当认识到，这些实施例仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的情况下，多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

一方面，本文描述的切削刀头在有些实施例中展现出了改善的耐久性、模块性和扭矩能力。另外，本文所述切削刀头可提供允许更高螺纹芯部直径与头部直径比的构造。一些仅具有一头螺纹的现有切削刀头连接部分要求相对较小的芯部直径与头部直径比。较大的螺纹芯部直径与头部直径比通常会使刀具强度和刀具性能得到改善。随着所使用的螺纹头数的增多，可相对于头部直径使用更大的螺纹芯部直径，形成更高的螺纹芯部直径与头部直径比，这样可让切削刀头具有更高的强度和性能，对连接部分来说尤其如此。在有些实施例中，本文所述切削刀头包含一个细长主体部分，该细长主体部分具有切削端以及与切削端间隔开的细长连接部分。本文所述的切削刀头的连接部分包含芯部和大体上螺旋延伸的多头螺纹，其中所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕芯部周向设置。该连接部分的各头螺纹可以具有正方形、三角形或梯形螺纹牙型。该连接部分具有至少双头螺纹或至少三头螺纹。在有些实施例中，连接部分具有四头螺纹或五头螺纹。

现在转至特定部件，本文所述切削刀头包含一个细长主体部分。切削刀头的细长主体部分可包含或由不违背本发明目的的任何材料形成。例如，细长主体部分可包含或由硬化碳化物、高速钢、陶瓷、金属陶瓷、烧结碳化物或它们的组合构成，或基本由此类材料组成。细长主体部分可以包含具有不违背本发明目的的任何形状、构造或设计的切削端。例如，切削端可以包含切屑槽、以及切削刃和刀片座中的至少一者，在某些实施例中，对于某些切削操作期望整体切削端构造的情况，可使用切削刃。在有些实施例中，对于期望利用可替换刀片的情况，可使用至少一个刀片座。“刀片座”是刀具切削端上一个被构造用于接纳和/或固定可移除切削刀片的区域。可使用不违背本发明目的的任何刀片座构造。本文所述的切削刀头的刀片座可被构造用于接纳任何切削刀片、铣削刀片或车削刀片。例如，刀片座可构造用于接纳和/或固定可转位切削刀片或铣削刀片。在有些实施例中，被设置在单个切屑槽中的多个刀片座可形成包含多个切削刀片、铣削刀片或车削刀片的切削刃。在其他实施例中，可在切削刀头的多个切屑槽的每一个之内设置一个刀片座。另外，在有些实施例中，可以使用至少一个切削刃和至少一个刀片座的组合。刀片座可被构造用于通过永久性或可移除的机械构造来与刀片连接。

切削刀头的细长主体部分还包含与切削端间隔开的细长连接部分。该连接部分包含芯部和大体上螺旋延伸的多头螺纹，其中所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕芯部周向设置。切削刀头的连接部分的芯部是连接部分的中心部件或中心区域，这个中心部件或中心区域上可设置有螺纹。芯部沿旋转轴远离切削刀头细长主体部分的切削端轴向延伸。至少双头螺旋延伸螺纹围绕芯部周向设置。另外，在有些实施例中，本文所述的切削刀头的连接部分具有至少三头螺纹，如四头螺纹或五头螺纹。本文所述切削刀头的连接部分的芯部可以具有不违背本发明目的的任何横截面形状。例如，在有些实施例中，芯部沿垂直于该芯部的旋转轴的平面的横截面为大致圆形。在有些实施例中，芯部的横截面是非圆形的。例如，芯部的横截面可为椭圆形的，或可具有不规则圆形。

切削刀头的具有多头螺纹的连接部分可以具有不违背本发明目的的任何起始位置。“起始位置”是指刀具上的各头螺纹的起始位置。在有些实施例中，起始位置围绕芯部以基本上相等的距离或在基本上相等的径向/周向位置处彼此间隔开。例如，在具有三头螺纹的实施例中，每头螺纹可以围绕连接部分周向地转向成彼此之间分开120°。或者，起始位置以不相等的距离或在径向位置分开。

连接部分的每头螺纹可以限定螺距、螺纹导程、大径、小径和中径。一头螺纹的“螺距”是一条螺纹的两个相邻螺纹牙顶在平行于旋转轴的轴向方向的距离。如果是具有单头螺纹的带螺纹的刀具，两个牙顶对应于同一螺纹。如果是具有多于一头螺纹的带螺纹的刀具，形成螺距的两个牙顶对应于不同螺纹。一头螺纹的“螺纹导程”是该头螺纹围绕刀具的周向旋转一整圈时沿刀具的带螺纹部分的轴向方向覆盖的距离。如果是具有单头螺纹的带螺纹的刀具，则螺距和螺纹导程相同。如果是具有双头或更多头螺纹的带螺纹的刀具，则螺纹导程大于螺距。一头螺纹的“大径”是界定在横截面上观察到的螺纹牙型的高度的两个极限直径中较大的那个。相反，一头螺纹的“小径”是螺纹的最小极限直径。换句话说，一头螺纹的小径对应的是本文所述切削刀具连接部分的芯部的圆周表面。特定螺纹的“中径”是在螺纹脊的宽度等于螺纹槽的宽度的水平线切割螺纹牙型得到的直径。

本文所述的切削刀具的连接部分的螺距、螺纹导程、大径、小径和中径的尺寸、取向和构造可以采用不违背本发明目的的任何形式。例如，在有些实施例中，至少一头螺纹的小径在远离切削端的轴向方向上保持恒定。在有些实施例中，至少一头螺纹的小径在远离切削端的轴向方向逐渐减小。类似地，在有些实施例中，至少一头螺纹的大径在远离切削端的轴向方向上保持恒定。在某些实施例中，至少一头螺纹的大径在远离切削端的轴向方向逐渐减小。另外，在有些实施例中，至少一头螺纹的中径在远离切削端的轴向方向上保持恒定。在有些实施例中，至少一头螺纹的中径在远离切削端的轴向方向逐渐减小。在有些情况下，大径、小径和中径中的两者或更多者在远离切削部分的轴向逐渐减小，从而形成锥体，并且这种锥形连接部分可形成圆锥形或截头圆锥形的形状。

本文所述的切削刀头的连接部分的横截面可以采用不违背本发明目的的任何形状。例如，沿垂直于连接部分旋转轴的平面的横截面可以为大致圆形。在某些其他实施例中，连接部分的横截面是非圆形的，诸如是椭圆形或不规则圆形的形状。此外，螺纹导程可为螺距的倍数，该倍数等于围绕芯部周向设置的螺纹头数。例如，在有些实施例中，本文所述的具有双头螺纹的连接部分具有为螺距两倍的螺纹导程。

另外，本文所述各头螺纹可以具有不违背本发明目的的任何横截面形状或构造。例如，各头螺纹可以具有可具有正方形、三角形或梯形形状的螺纹牙型。正方形螺纹横截面形状具有基本上平行于芯部径向外部部分的平直部分。正方形螺纹横截面形状还具有基本上垂直于该平直部分的侧边。三角形螺纹横截面形状可以具有等腰三角形、等边三角形和/或不等边三角形形状。在有些实施例中，形成的是梯形螺纹形状，其基本形状对应于被截去顶部的三角形螺纹牙型形状。在三角形螺纹牙型延伸成为尖锐“V”形的地方，梯形螺纹牙型具有基本上平行于芯部径向外表面的平直部分。在具有梯形螺纹牙型的实施例中，平直部分形成螺纹牙型的大径。在有些情况下，螺纹的大径等于中径。在其他情况下，螺纹的大径大于中径。

可在不违背本发明目的的情况下使用上述材料、形状和螺纹牙型的任何组合。例如，在有些实施例中，切削刀头的连接部分的大径、小径和中径在远离切削部分的轴向方向上逐渐减小，连接部分形成截头圆锥形形状。此类实施例还可具有梯形螺纹牙型形状，其中螺纹牙型的平直部分或截顶部分提供比中径更大的大径，并且其中平直部分基本上平行于芯部的外表面。

另一方面，本文描述的刀具具有切削、铣削或研磨实用性，同时还能使在切削操作过程中在刀具的刀架和/或刀具的头部中形成的应力平衡分布，由此增强高扭矩的操作下刀具的可用性和耐久性，并且提供期望的模块性。本文所述刀具包含刀架和模块化的切削刀头，其中，刀架限定带螺纹的接纳部，而模块化的切削刀头可旋拧到带螺纹的接纳部之中，以便直接地连接到彼此。模块化的切削刀头包含一个细长主体部分，该细长主体部分具有切削端以及与切削端间隔开的细长连接部分。该细长主体部分的连接部分包含芯部和大体上螺旋延伸的多头螺纹，其中所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕芯部周向设置。

现在转至特定部件，本文所述刀具包含限定带螺纹的接纳部的刀架。带螺纹的接纳部包含限定螺距、螺纹导程、大径、小径和中径的带螺纹的内表面。由于带螺纹的接纳部在内部具有螺纹，因此小径对应一头螺纹上的牙顶，大径对应螺纹牙底。可使用不违背本发明目的的任何尺寸、取向或构造。例如，大径、小径和中径中的一者或多者可以在远离于刀架中的开口的轴向方向上保持恒定，其中开口被构造用于接纳切削刀头。在有些情况下，大径、小径和中径中的一者或多者可以在远离于开口的轴向方向上逐渐减小。另外，大径、小径和中径中的两者或更多者可以在远离于开口的轴向方向上逐渐减小，从而在带螺纹的接纳部中形成锥体。

本文所述刀具还包含模块化的切削刀头，所述模块化的切削刀头可旋拧到带螺纹的接纳部之中。模块化的切削刀头包含一个细长主体部分，该细长主体部分具有切削端以及与切削端间隔开的细长连接部分。该连接部分包含芯部和大体上螺旋延伸的多头螺纹，其中所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕芯部周向设置。可使用与前述内容相符的任何切削刀头。例如，在有些实施例中，本文所述的切削刀头的连接部分具有围绕芯部周向设置的至少双头螺纹。在有些实施例中，本文所述的切削刀头的连接部分具有围绕芯部周向设置的至少三头螺纹。刀架连接部分的螺纹牙型可以形成与本公开相符的任何横截面形状。例如，螺纹牙型可以具有正方形、三角形或梯形形状。

刀架和切削刀头可被构造或形成彼此对应的尺寸、参数或取向。另外，刀架和切削刀头可被构造用于在无另外的部件或结构的情况下，直接地连接到彼此。例如，带螺纹的内表面可以具有对应于设置在模块化的切削刀头的连接部分上的螺纹头数的多头螺纹。在有些情况下，带螺纹的内表面具有至少双头螺纹。在有些实施例下，带螺纹的内表面包括至少三头螺纹。另外，在有些实施例中，带螺纹的接纳部的螺纹导程等于本文所述刀具的连接部分的螺纹导程。或者，带螺纹的接纳部的螺纹导程与连接部分的螺纹导程不相等。切削刀头连接部分和刀架连接部分的螺纹牙型的一个或多个尺寸可被构造为彼此对应。在有些情况下，切削刀头的各头螺纹和带螺纹的接纳部的各头螺纹可以具有大径、小径和/或中径相匹配的螺纹。根据螺纹牙型形状以及相匹配的大径、小径和/或中径而定，在切削刀头的各头螺纹和带螺纹的接纳部的螺纹的相互作用中可能会有不同的接触面。例如，如果在具有相匹配小径的切削刀头连接部分和刀架连接部分两者中使用梯形螺纹牙型，则沿与带螺纹的接纳部中各头螺纹的大径接触的连接部分每条螺纹的大径形成接触表面。在具有匹配中径的实施例中，沿螺纹侧面形成接触表面，而非沿各头螺纹的大径和小径形成接触表面。在有些情况下，沿各头螺纹的大径、小径和侧面形成接触表面。

另外，刀架和切削刀头的构造可被构造用于提供期望的配合特性。例如，切削刀头连接部分的大径、小径和中径可大于对应刀架的大径、小径和中径。在此类实施例中，切削刀头和刀架的直接连接造成刀架产生弹性变形，从而形成过盈配合。另外，在有些实施例中，切削刀头连接部分的锥体可以大于刀架连接部分的锥体。

下文将参考附图进一步描述部分实施例。如本领域的普通技术人员所理解的那样，附图中描绘的各种元件和/或部件仅是示意图，并且未必按比例绘制，图1示出根据本文所述的一个实施例的刀具的剖视图。图1中的刀具100包含限定带螺纹的接纳部310的刀架300、以及模块化的切削刀头200，其中模块化的切削刀头可旋拧到带螺纹的接纳部310之中。模块化的切削刀头200包含细长主体部分201，该细长主体部分具有切削端210以及与切削端210间隔开的细长连接部分220。连接部分220包含芯部221以及大体上螺旋延伸的多头螺纹222，所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕芯部221周向设置。

图2A示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的透视图。图2A的实施例示出切削刀头200，切削刀头包含细长主体部分201，该细长主体部分具有切削端210以及与切削端210间隔开的细长连接部分220。切削端210具有至少一个切屑槽211和至少一个切削刃212。连接部分220包含芯部221以及大体上螺旋延伸的多头螺纹222，所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕芯部周向设置。

图2B示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的透视图。图2B的实施例示出切削刀头200，切削刀头包含细长主体部分201，该细长主体部分具有切削端210以及与切削端210间隔开的细长连接部分220。切削端210具有至少一个切屑槽213和至少一个刀片座214。连接部分220包含芯部221以及大体上螺旋延伸的多头螺纹222，所述大体上螺旋延伸的多头螺纹围绕芯部周向设置。

图3示出本文所述螺纹构造。图3示出螺纹构造的小径(d₁)、大径(d)和中径(d₂)。

图4A示出具有单头螺纹的本文所述切削刀头的螺纹构造。图4B示出具有双头螺纹的本文所述切削刀头的螺纹构造。图4C示出具有三头螺纹的本文所述切削刀头的螺纹构造。结合来看，图4A、4B和4C示出在形成多头螺纹的方法的一个非限制性实例中，本文所述切削刀头的一个实施例的连接部分的各个阶段。虽然可使用其他方法或工艺来形成本文所述切削刀头，但是图4A、图4B和图4C所绘方法示出了在本文所述的切削刀头的一个实施例中多头螺纹相对于彼此的定位。

图5示出本文所述现有螺纹构造的示意图。如图5所示，在切削操作过程中沿一个平面施加力，所施加的力的方向由箭头F_a指定。如图5所示，该力未对称地施加在连接部分内，这造成沿切削刀头旋转轴的应力分布以及跨90°横截面内的应力分布不平衡。

图6示出根据本文所述切削刀头的一个实施例的螺纹构造的示意图。图6的实施例具有形成一定螺距和一定螺纹导程的双头螺纹。在图6的实施例中，螺纹导程是螺距长度的两倍。另外，图6中还示出了在切削操作过程中施加的力，用箭头F₁和F₂指示。F₁和F₂展示了沿横截面平面施加的对称的力，这样的力使得沿切削刀头旋转轴的应力分布是平衡的。

图7示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的透视图。图7的实施例具有三头螺纹，这三头螺纹的螺纹起始位置围绕连接部分的圆周等距分布。

图8A示出本文所述现有切削刀头的剖视图。图8B示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的剖视图。如图8A和图8B所示，在有些实施例中，增加围绕连接部分周向设置的螺纹头数会造成愈发对称的横截面形状。在有些实施例中，随着螺纹头数的增加，横截面形状会变得越来越圆。图8B示出具有三头螺纹的本文所述切削刀头的一个实施例的横截面。

图9示出根据本文所述的一个实施例的切削刀头的一部分的剖视图。图9示出芯部直径与头部直径之间的关系。

实例1

切削刀头

两个切削刀头以电子方式建模，并且对两个切削刀头进行平衡分析。两个切削刀头模型被建模为具有不包含切削几何形状的16mm头部直径。模型A被制备为现有连接部分构造的比较例，具有单头螺纹连接构造。模型B根据本文所述的切削刀头的一个实施例制备，其连接部分具有双头螺纹。两个模型在30,000.0RPM的操作条件下，以密度为14.5g/cm³的坯料进行仿真。模型A的刀具总重为98.112g，在分析过程中展现出-115.112°的角位移、0.005mm的径向位移，并且提供12.964g的不平衡力。模型B的刀具总重为103.612g，展现出-108.234°的角位移、0.0mm的径向位移，并且提供0.002g的不平衡力。

模型B表明，切削刀头连接部分中的多头螺纹在力和应力的分布方面能提供改善特性。另外，平衡分析结果表明，有多头螺纹的连接部分也可适用于高RPM应用。

本公开所属领域中的技术人员在得益于上述描述以及关联附图中呈现的教导的情况下将想到本文所述的公开内容的许多修改形式以及其他实例。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定具体实施，并且修改形式以及其他具体实施旨在包括在随附权利要求书的范围内。此外，虽然上述描述以及关联附图在元件和/或功能的某些例示性组合的上下文中描述了示例性的具体实施，但是应当理解，在不背离随附权利要求书的范围的情况下，可由替代具体实施来提供元件和/或功能的不同组合。