一种组合式刀具的制作方法

专利名称：一种组合式刀具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种刀具，尤其涉及一种设置有刀头的组合式刀具，其中有不同次的旋转对称的刀头可与一个整体式刀具座一起使用。
采用由各种硬质材料制成的切削刀头是公知的，这种刀头具有圆形、多边形或其它旋转对称的刀刃，并固定于刀具之刀夹的支座内。在机械切削的工作过程(转动、切削等)中，实际上一般仅有部分刀刃切削工件。这部分的大小决定于切削的深度。当规则的刀头(例如多边形的刀头)之部分可转动的刀刃完成切削后，刀头被换位以提供一个全新的刀刃。
在设置有多边形刀刃的刀头之情况下，正确的操作只能通过将刀头可旋转地固定在支座内，以承受在使用过程中产生的切削力而得以实现。传统的现有技术依靠由切削刀头之固有的多边形形状形成的接合表面。可是，尤其是在大力矩作用或具有多个侧面的多边形的情况下，固有的接合形状不足以克服由切削力产生的力矩。
具有圆形刀刃的切削刀头呈旋转对称形，而且在理论上可在任意角度位置连续换位，以调整实际观测到的磨损。实际上，圆形的刀刃也可只限于在不连续的转动位置上使用，这些不连续的转动位置以相等的位差角间隔分布。转动位置之间的位差角被称为刀头的“角距”。
为实现圆形刀刃的最佳应用，在切削作业过程中，最好能够防止刃头在其旋转位置上的旋转，从而将磨损限制在刀刃的指定部分上。这样，实际上就确保重新定位后的刀刃不被使用。
已经提出了许多防止圆形刀头旋转的固定方案。这些方案可被划分为两种类型，即“座-销式”(“seat-pinning”)和“侧向接合式”。座-销式的实例可见授权给Flueckiger的美国专利5,296,288和欧洲专利公报300,172。
侧向接合的方案之实例可见授权给Rescigno的美国专利3,346,336。由于接触表面的不良的尺寸、设置和定位，使得所有这些现有技术都存在抗力矩能力差的缺陷。
从上面的说明中可清楚地看到对切削刀头有效固定的要求一般与刀刃的几何形状密切相关。上述三角形、矩形、方形或圆形的每一种切削刀头都设置有与支座形状对应的专用刀夹。这样，多种刀头的使用往往伴随着准备和存储多种刀夹的费用，并且必然需要在切削作业之间更换整个刀具的额外劳动。
为降低这些成本和劳动，开发出一种基于可更换卡盘的标准装置。这种装置的实例包括“Modulmill”系统和“NOVEX F 2010”系统，“Modulmill”系统可从SANDVIK Coromant公司购得，而“NOVEXF 2010”系统可从Walter GmbH公司购得。这些系统采用可更换的连接卡盘，每个卡盘上都设置有支座，支座具有与特定的切削刀头相配套的夹紧形状。尽管这些系统可使主要的刀夹与不同类型的切削刀头一起使用，但是卡盘的更换还是增加了无用的更换拆卸和装配的步骤。
因此，需要一种组合式的刀具组件，这种刀具部件可在一个刀夹支座内交替使用多种具有不同旋转位置的切削刀头。而且，还需要用于这种组件的切削刀头及刀夹。
本发明提供一种组合式的刀具组件，该刀具组件包括具有不同数目旋转位置或不同切削形状的切削刀头，这些刀头可在通用的刀夹支座结构内交替使用。
根据本发明的一个方面，刀头支座构造成提供外接的“三点”定位或支承特征。
根据本发明的另一方面，一较小对称的切削刀头设置有突出的特征，该特征可防止刀头在不正确角度位置上的错误换位。
本发明的可换位刀头可形成配合的可互换刀头组的一部分，该刀头组可与一种尺寸和形状的刀夹一起使用。本发明的刀头和支座在许多应用领域都具有极高的价值，这些领域包括铣刀、拉刀、车刀等等，但不局限于这些应用。
在一个实施例中，本发明提供一种可换位的刀头，该刀头设置有多个不连续的接合表面，其中三个接合表面同时使用。
根据本发明，提供一种组合式的刀具组件，该组件包括(a)刀夹，刀夹上设置有至少一个刀头支承座，该支承座具有一底面和多个侧向支承表面；(b)可装配在支承座内的第一切削刀头，该第一切削刀头具有一上表面，该上表面被一刀刃、一底面和一圆周侧面所包围，设置圆周侧面以形成具有相对第一切削刀头之中心轴线n次旋转对称的接合特征，从而使第一切削刀头可在n个角位置上或至少为n的一个值的角位置上被固定在侧向支承表面上，其中n≥3，第一切削刀头构造成使得当固定于支座内时，第一切削刀头以相对进给方向的第一主偏角露出刀刃的主要工作部分；和(c)可容纳在支座内的第二切削刀头，第二切削刀头设置有一上表面，该上表面被刀刃、底面和圆周侧面所包围，设置圆周侧面以形成相对第二切削刀头之中心轴线n次旋转对称的接合特征，从而使第二切削刀头可在n个角度位置上固定于侧向支承表面上，第二切削刀头被构造成这样当固定于支座内时，第二切削刀头以相对进给方向的第二主偏角露出刀刃的主要工作部分，其中第二主偏角与第一主偏角不同。
根据本发明的又一特征，第一主偏角与第二主偏角相差180°/n。
根据本发明提供一种刀夹，该刀夹用于交替容纳可在n个旋转位置换位的第一切削刀头和可在m×n个旋转位置换位的第二切削刀头，或至少在n和m中的某一个值的位置上换位，其中n≥3而m≥2，该刀夹包括至少一个刀头支承座，该支承座相对穿过支座的轴线形成，其中支座与切削刀头的中心轴线对准，该支座包括(a)设置一用于外围表面的底面，以形成具有相对第一切削刀头之中心轴线m×n次旋转对称的接合特征，从而使第一切削刀头在m×n个角度位置上固定于侧向支承表面上，或至少为n的某个值及至少为m的某个值的旋转位置上固定于侧向支承表面上，其中n≥3而m≥2；和(c)可容纳于支座内的第二切削刀头，该第二切削刀头具有一上表面、一底面和一圆周侧面，圆周侧面构造成提供相对第二切削刀头之中心轴线具有n次旋转对称的较小对称(reduced-symmetry)的接合特征，从而使第二切削刀头仅在n个角位置上固定于侧向支承表面上，其中第一切削刀头的圆周侧面构造成使得垂直中心轴线通过第一切削刀头下部的下部横截面呈现凹入的形式。
根据本发明的再一特征，第一切削刀头的圆周侧面被构造成这样垂直中心轴线并接近上表面通过第一切削刀头的上部横截面呈现出非凹入的形式。
根据本发明的另一特征，上部横截面与具有n×m条边的规则多边形对应。
根据本发明的又一特征，上部横截面基本为圆形。
根据本发明的再一特征，第二切削刀头的圆周侧面被制造成形，以使在较靠近底面处垂直中心轴线通过第二切削刀头下部的横截面呈现出凹入的形式。
根据本发明还提供一种组合式的刀具组件，它包括(a)一刀夹，该刀夹设置有至少一个刀头支承座，该支承座具有一底面和多个用于支承切削刀头的侧向支承表面；(b)第一、第二和第三侧向支承表面环绕轴线按照一定角度分布，而且距轴线基本等距；(c)一第一侧向凹入部分，设置于第一和第二侧向支承表面之间；及(d)一第二侧向凹入部分设置于第二和第三侧向支承表面之间，其中第一和第二侧向表面被制造成形，以使第一和第二侧向支承表面绕轴线旋转360°/(m×n)的旋转映射分别位于第一和第二侧向凹入部分。
根据本发明的另一特征，第一、第二和第三侧向支承表面分别形成第一、第二和第三平面，第一平面相对第二平面绕轴线旋转360°/n。
根据本发明的又一特征，支座的第二和第三平面基本共面。
根据本发明的再一特征，n＝4、m＝2。
根据本发明，提供一种具有n次旋转对称的切削刀头，其中n≥3，切削刀头只能在刀头支座内的n个旋转位置上换位，其中刀头支承座被构造成可交替容纳具有n次旋转对称和m×n次旋转对称的切削刀头，m≥2，切削刀头包括一个整体结构，该结构具有一上表面，该上表面被刀刃、底面、圆周侧面及中心轴线所包围，其中圆周侧面被制造成形，以使垂直中心轴线通过切削刀头下部的第一横截面的轮廓为一凹入的形式，它包括(a)n个环绕中心轴线按照一定角度分布的角部，角部对应于n次旋转对称的侧向接合特征；(b)从角部之间的圆周侧面向外突出的支承突起，其中支承突起成形为使在角部环绕中心轴线旋转小于360°/n的任意几何图形的映射下，支承突起都超出该轮廓线延伸。
根据本发明的另一特征，圆周侧面被进一步制造成形，以使垂直中心轴线并靠近上表面通过切削刀头的第二横截面呈现出非凹入的形式。
根据本发明的又一特征，角部基本与规则n边形的角部对应。
下面参照附图，通过实施例对本发明说明如下，附图中

图1A为根据本发明构造的第一最佳切削刀头的透视图，其中该切削刀头具有圆形的刀刃；图1B为图1A之切削刀头的侧视图；图1C为图1B之剖面线I-I向上的横剖视图；图1D为沿图1B之剖面线II-II的侧剖视图；图1E图1A之切削刀头的顶视图；图2A为根据本发明的几何每段的示意图，该图示出了说明书中涉及到的某些角度的定义；图2B为通过根据本发明构造的切削刀头之横截面的几何形状，这种几何形状由图2A的每段旋转复制而成；图3为根据本发明构造的机床车刀之局部透视图，它包括四个图1A所示的切削刀头，这些刀头固定于刀夹的支承座内；图4为图3之刀夹的一个支承座的放大透视图；图5为一水平剖视图，该图示出了位于图4之支承座内的图1A之切削刀头的接合几何形状；
图6为一沿图5之剖面线VI-VI的局部垂直剖视图，该图示出了图1A中的切削刀头与图4中支承座的一个支承表面之间接触的最佳几何形状；图7A-7E分别为与图1A-1E相似的视图，这些视图示出了根据本发明构造的第二最佳切削刀头，它具有多边形的刀刃；图8A为根据本发明构造的第三优选切削刀头的透视图，该刀头可固定于图4中的支座内，其中图4具有数量较少的旋转位置；图8B为图8A之切削刀头的侧视图；图8C为图8A之切削刀头的侧剖视图；图8D为图8A之切削刀头的顶视图；图8E为图8A之切削刀头的底视图，同时增加了结构线以突出刀头侧向接合表面的几何形状；图8F为一与图8E相似的视图，同时增加了结构线以将刀头侧向支撑凸出部分的几何形状与图1和7的刀头之高度旋转对称的特征相对比；图9A为根据本发明构造的第四最佳切削刀头的透视图，该刀头可固定于图4的支座内，其中图4具有数量较少的旋转位置；图9B为图9A之切削刀头的侧视图；图9C为图9A之切削刀头的侧向剖视图；图9D为为图9A之切削刀头的顶视图；图9E为图9A之切削刀头的底视图，该图中具有附加的结构线，以突出刀头的侧向接合表面的几何形状；图9F为与图9E类似的视图，该图中具有附加的结构线，以将刀头的侧向支撑突出部分的几何形状与图1和7之高度旋转对称的特征相对比；图10和11为与图5相似的视图，图10和11分别示出了当正确安装在图4的支座内时，图8A和图9A之刀头的接合形状和主偏角；图12和13为与图10和11相似的视图，图12和13分别示出了图8A和9A的刀头不正确地安装在图4之支座内的效果；
图14为图8A之切削刀头的一种变型的底视图，这种刀头的变型具有凹入的切削几何形状；图15为一水平剖视图，该图示出了设置有三角形和六角形对称的一组切削刀头的接合形状；图16为一水平剖视图，该图示出了设置有五角形和十角形对称形状的一组切削刀头的接合形状。
本发明为一种组合式的刀具组件，该组件采用圆形和多边形的切削刀头和相应的刀夹支座，这种刀头设置有圆周侧面，其中圆周侧面被成形为可提供抵抗大力矩的接合表面。接合表面的几何形状能够实现多组刀头的使用，这些装配在给定支座形状内的刀头具有不同数量的旋转位置和不同的主偏角。
参照附图和及其说明，可更好地理解根据本发明的刀具组件及作为刀具组件组成部分的刀头和刀夹之运作和原理。
参照附图，图1A-1E示出根据本发明构造的切削刀头之第一实施例，该刀头总的由标号10表示。
概括地说，切削刀头10具有一上表面12，该上表面由刀刃14、底座16和圆周侧面18包围而成。圆周侧面18的形状沿切削刀头10的高度变化。在圆周侧面18附近，其形状与刀刃的圆形或多边形几何形状相一致，以便为刀刃14提供支承。从切削刀头10向下，圆周侧面18成形为提供横向接合表面。这些横向的接合表面最好由凹入的特征来形成，例如沟槽，并且在某些情况下最好是V形沟槽。后者将会形成较小的横截面形状，而且其形状接近n角星形。
本说明书和权利要求书所使用的术语“n角星”是指一种旋转对称的形状，同时这种n角星的n个最外面的点与其最邻近的点通过向里指向的人字纹或“V形”线连接起来。一个五角星的实例如图2B所示。应该注意到由于这些点和/或V形的底座可能被修平，因此本发明之某些优选刀头的下部圆周侧面被描述为“接近”或“基本”为n角星的形状，如下文更详细地说明。
应该知道本发明可应用于很多种具有旋转对称的刀刃的切削刀头。在本说明书和权利要求书中所引用的“旋转对称”是指在旋转通过360°/n的角度后，其形状不变，其中n至少为3。这样限定的形状包括三条边或更多边的规则多边形，这些多边形或者是直边或者是直边与曲线段的更复杂组合。它也包括圆形。而且还包括上述形状的变形，这种变形是指在基本形状之上叠加相同的图形。这种图形的实例包括锯齿形和扇形或波浪形的刀刃。应该注意到除非另有说明，否则本发明之刀头的对称是指接合特征的对称性。切削刀头可具有与接合表面相同的对称性，或具有高于接合表面的对称性。
应该理解不论是旋转对称还是n角星形都意味着映射对称。如果具体的切削应用主要在一个方向上产生力矩，那么就可用接合表面不对称地构造本发明的结构，以抵抗主要的力矩分量。但可仅通过用于抵抗相对中心轴线之力矩的对称实施例来说明两种情况下的本发明。
在整个说明书和权利要求书中引入了刀头的中心轴线。该中心轴线是刀刃的旋转对称轴。而且还引入了刀头的“顶部”和“底部”。只要这些术语出现，那么就假设刀头向下与底座固定在一起，以使其刀刃向上、轴线垂直。
接合表面的几何形状允许使用这些支座内的下部对称刀头，其中所说的支座还用于安装具有更高对称性的切削刀头，这在下文中将会具体说明。
在说明书和权利要求书中还引入了凹入形状和非凹入形状。应该理解说明书和权利要求书中所使用的术语“凹入”是指部分形状或表面凹入，或者形成一凹槽。更精确地说，凹入部分可被定义为任何位于虚拟的直线内部的形状或表面，其中虚拟的直线连接着形状或表面的邻近部分。反之，在任何位置上都不具有凹入部分的形状就被称为“非凹入的”形状。这样，人字形或n角星就构成了本文所定义的“凹入部分”，而规则的多边形则被划分为非凹入的形状。
现在更详细地观察切削刀头10的特征，在本实例中，上表面或前倾面12具有一向里倾斜的周边环形部分20，该环形部分在其周边与刀刃14交界；一平直的内环部分22垂直于切削刀头10的轴线。
上表面12还可设置附加的切屑控制(chip control)特征，例如凹痕或隆起。这种设置如图1E所示。应该注意到不管上表面的标记和各种其它特征是否与这种对称相匹配，切削刀头都是旋转对称的。
从图1D中可看到内环部分22在其内端与标准的中心孔26之圆筒形的延伸部分24相交，被称为“部分圆筒形的”中心孔26被用作标准埋头固定螺钉(未示出)的通道。应该知道用于将切削刀头10固定于刀夹内的固定技术并非本发明的一部分，在不脱离本发明之保护范围的前提下，可根据任意其它的固定技术作出变化。
现在来看圆周侧面18，它是本发明之某个优选切削刀头的一个特定特征，圆周侧面18被成形为使垂直中心轴线并靠近上表面12通过切削刀头的第一横截面以非凹入的形式被包围，而在比较接近底座16的位置上垂直中心轴线通过切削刀头的横截面为n次旋转对称图形，而且包括凹入的特征，从而为抵抗关于中心轴线的力矩提供接合表面。
为此，圆周侧面18可沿切削刀头10的高度细分为至少两个部分，通常细分为三个部分。邻近刀刃14的第一部分表示后角侧面28，该部分具有一非凹入的横截面轮廓。圆周侧面18的下部构成一个肋状的侧面30。肋状的侧面30最好通过一过渡侧面部分32与后角侧面28连接起来，该过渡部分在二者之间形成一个渐进的过渡，如下所述。这些部分形成了具有接合表面的特征，这些接合表面用于抵抗关于中心轴线的力矩。
后角侧面28一般对应所用刀刃的几何形状。这样，在切削刀头10上，后角侧面28具有一锥台的形状，并具有一与上述圆形刀刃对应的圆形截面。这样，后角侧面28就可被描述为一个具有基本不变的截面之几何结构，尽管其形状的大小可能随高度有所变化，但其截面在其整个高度上都垂直于中心轴线。后角侧面28最好从切削刀刃14延伸至少十分之一切削刀头10的高度。
后角侧面28一般相对切削刀头10的中心轴线以一锐角ψ倾斜。角度ψ通常表示刀头的“主正后角”(primary normal relief angle)，该角度最好小于20°，一般约为7°。对于消极式刀头而言，ψ可为0°以使后角侧面28为圆柱形。
现在更具体地观察肋状的侧面30之特征，该侧面最好被制造成平截头棱锥体的肋状表面，同时该表面上设置有沟槽34，该沟槽形成于凸出的脊36之间。沟槽34最好具有V形的截面。
肋状的侧面30从底面16延伸至一垂直于刀头轴线的平面，该平面在图1B中由平面I-I表示。肋状侧面30最好延伸1/8切削刀头的高度，一般延伸1/4切削刀头的高度。根据过渡侧面32的设计，肋状侧面30可沿圆周侧面18的大部分高度延伸。
肋状侧面30可被认为具有“n”个脊36，每个脊都具有脊顶，脊顶与一对平面状的相互倾斜的侧向接合表面38平滑交叠。在相邻脊的接合处，相邻的接合表面38在平滑的根部区域40相交。脊的数量与刀头换位的位置数量相同。对于圆形的刀刃而言，n最好至少为5，一般为8或更大。
现在参照图2A和2B，图中示出了肋状侧面30的横截面形状，图示的n＝5，这可被认为是由一凹入的V形“母段”(图2A)旋转复制n-1次而形成的n角星(图2B)，其中所说的母段在平分半径的任意一侧都具有一对称分支部分。该母段所对应的中心节面角等于360°/n。
如下文进一步的说明，切削刀头10之某些最佳实施例的一个特征在于两个间隔开的接合表面38是共面的。在一个简单的n＝8的实例中，这可通过确保母段的对称分支部分相对平分半径形成等于(90°-β/2)的γ角而得以实现。相应的角α等于(90°-β°)。这样，在图示的八个角的实例中，α＝45°，β＝45°，γ＝67.5°。当采用更多数目的角时，共面的表面可被两个或更多的脊隔离开。
切削刀头10之某些最佳实施例的另一特征在于两个间隔开的接合表面38垂直相交，同时通过切削刀头10的横截面垂直于其轴线。由于肋状侧面30逐渐变细，因此这些表面本身可随垂直面而变化。为方便起见，这样的表面被称为“垂直的接合表面”。该项要求也可由简单的几何条件所限定，例如设置上述八个角刀头的角度。此外，至少一些相互垂直的接合表面的存在使得n恰好为4的倍数。
在一个优选的情况下，肋状侧面30理想地为平截头棱锥体，就是说，所有的侧向接合表面38相对切削刀头10的轴线形成了相同的角η，如图1B所示。从而，成对的侧向表面38之间的假想相交直线与垂直底座的垂直面形成一对应的角，角是α和η的函数＝arctan[sin(α)tan(η)]，其中成对的侧向表面38之间还设置有脊36，脊36穿过上面限定的理论上的星形多边形截面的对齐的角部，如上所述。角大于相对最上部后角侧面部分28的后角ψ。假定压力角小于90°，那么＞ψ。当然，所有理论上的星形截面都是相似的，即可仅通过比例的变化就能得到相似的星形截面。
图1C示出了肋状侧面30通过图1B之平面I-I的截面，即通过肋状侧面30与过渡侧面32间的接合处的截面。从图中可以看到星形多边形的侧面30从理论上的形状修改为脊36和根部区域40已被截短或倒成圆形。实际上，在最下部主体部分之水平面上的所有星形多边形一般以相同的形式被修整，即使脊36和根部区域40被截成相同宽度的倒角以形成相同宽度的脊和底部区域，如图1B所示。由于脊36和根部区域40沿其各自的长度方向具有均匀的宽度，并相对垂直底座的平面形成与侧向接合表面38之间的假想交线相同的角度。
由于根部区域40与过渡侧面32的起始部分一起变化成斜面42，因此最靠近根部区域40的那部分星状多边形就会逐渐消失。另外，靠近脊36的接合表面38之几何形状则保持不变，直到过渡侧面部分32与后角侧面28之间的接合处为止，该接合处是脊36与后角侧面28的汇合处。
过渡侧面部分32本身由肋状侧面30的肋状部分之延长部分与斜面42的重叠部分形成，如图1D所示。这样，过渡侧面32就形成了一个渐进的过渡部分，圆周侧面18上沟槽34的深度沿该过渡部分朝向后角侧面28逐渐减小。该过渡侧面部分32最好至少延伸约1/3切削刀头的高度。
由于粉末冶金的技术原因，以及结构上的原因，上部后角侧面28和刀刃14最好支承在斜面42上。斜面42的具体形状可变化。最佳实施例包括锥台形(即被倒圆)或平截头棱锥体(即被削成平面)部分。
现参照图3-6，图中示出了据本发明构造和操作的机床的刀具夹或刀夹，整体由50表示，这种刀夹采用多个切削刀头10，这些刀头10固定于刀头支承座52内。
每个支承座52设有一个用于支承底座的底座支承表面54和至少两个最好为三个侧向支承表面，表面位于与倾斜设置的间隔的接合表面38相邻接，表面38设置于切削刀头10上。在所述的实施例中，这些表面包括第一支承表面60，第二支承表面58和第三接合表面56。这些侧向支承表面的组合形成了一个侧向支承/约束装置，该装置在结构上能够抵抗相当大的力矩。
支座可以是刀夹的一个组成部分或以任意合适的方式连接到刀夹上的连接器。对于后者的情况而言，可制造出一个一体的刀夹，以在适合范围的连接器内容纳相应范围内的可换位刀头。
每个支座本身都能够装配全套的刀头，这在下文中将要说明。
支座52的其它特征如剖视图5和6所示。支座52具有两个基本垂直的侧壁62和64，同时侧向支承表面56和58与侧壁62和支承表面60成整体，而支承表面60又与侧壁64成整体。支承表面56、58和60最好不要一直延伸到刀头支座52的底面54。在其最下部的边界处，支承表面与凹入的底部汇合，该凹入的底部倾离刀头。作为实例，图6示出了侧壁62的支承表面58及与侧壁62相连接的凹入底部68，图6为图5中通过剖面VI-VI的局部剖视图。
应该理解最里面的支承表面，即侧壁62的支承表面58可被省去，因为其余的支承表面56和60可以完全形成一个有效的侧向支承/约束装置。但在大部分情况下，三点或更精确的三面支承的几何形状效果更好。
如图6所示，支承表面位于一些平面上，该平面以与刀头侧向接合表面38的斜度相配套的方式倾斜，即它们与垂直支座平台之底面的平面形成一个角度，该角度大致等于由刀头的侧向表面38形成的角η。应该注意到为说明清楚，图6中的角度被放大。新的支座制成具有接合面之倾角有一定公差使当刀头与其支座开始装配时，在支承表面的上部区域二者开始接触。在大多数开始夹紧的过程中，由于该表面的塑性变形，二者之间的接触从上部区域扩展，并逐渐包围支承表面的整个区域。这样，就在相关的侧向表面38上朝肋状侧面30的顶部方向以深度为“b”的条带形式形成了与接合表面之“轨迹”对应的接合面38a，而且支承表面38a伸入过渡表面部分32约b/2。
现在来看看刀夹50的附加特征。图4示出了支座52，其中底面54与中心螺纹孔72大体共面。当通孔26通过固定螺钉被牢固安装在支座内时，螺纹孔72略微偏移刀头的通孔。这样就保证刀头的接合面偏离支座上相应的支承表面。
侧壁62包括前述的支承表面56和58、凹入的底部66和68、后角凹入部分74。侧壁64包括支承表面60、凹入的底部70和后角凹入部分76。支承表面56、58和60一般基本为平面的，而且可被用于形成接触面。应该注意到其它形式的接合表面，例如突出的表面也可被使用。所有的支承表面一般都大体与支座的中心轴线等距。
对应于上述接合表面38的几何形状，支承表面60一般垂直于共面的表面56和58。在上下文中“垂直”的定义是这样的当在垂直支座轴线(当固定于支座内时，其本身与刀头的轴线对应)的截面观察时，两个表面成90°。假定支承表面58和60被设计成用于支承接合表面38并旋转90°，那么表面58也相对表面60旋转90°。
必须构造侧向的后角凹入部分74和76，以容纳刀头的脊36’和36“(见图5)，其中脊36’和36”尚未被用于定位刀头。该条件可以支座52之几何特性的形式表达出来。具体地说，凹槽76的开口可设成使侧向支承表面60朝向支承表面58绕支座轴线转动45°的几何映射位于凹槽76内。类似地，凹槽74的开口可设成使侧向支承表面58朝向支承表面56绕支座轴线转动45°的几何映射位于凹槽74内。在上下文中，应该注意到引用的“支承表面”是用于支承刀头相应的侧向接合表面38之表面的一部分。
参照图1A，图示的切削刀头10具有八个换位位置，这可从上表面12的环形部分22上由相应的罗马数字识别出来，而且可由八个旋转对称的脊表示出来。应该知道本发明可以设置更多的换位位置。
参照图7A-7E，这些图示出了根据本发明构造的切削刀头之第二形式，该刀头整体由80表示。总之，除切削刀头80具有8个可换位的刀刃84之特征之外，切削刀头80与切削刀头10相似。该刀刃与8脊的侧面86配合，该侧面86与上述的肋状侧面30类似。
从图7A中可清楚地看到这种情况下的后角侧面88就会具有与刀刃82匹配的多边形形状，并且过渡表面部分的斜面90最好为平截头的棱锥体。任选地，根据支座之支承表面的最佳几何形状，相对刀刃的几何形状旋转侧面的脊。在图示的实施例中，从图7D中可清楚地看到引入了15°的旋转。
现在来看看本发明的其它特征，我们发现所述的接合形状可被用作组合式刀具组件的基础。已经清楚地看到切削刀头80可与支座52内的切削刀头10通用，从而可被用作一套标准的可替换刀头中的两个部件。此外，本发明的最佳实施例还提供一种具有可替换刀头的刀具组件，其中刀头具有用于不同加工场合的不同的旋转位置和不同的主偏角。参照图9-13，通过对两个可用于同一支座52内(见图3)的附加刀头100和102，对本发明的这些特征和其它特征进行说明。
在对其它附图进行直接说明之前，阐明一些用于说明书其它部分及权利要求书中的术语是很有帮助的。为此，引入了具有给定次数的旋转对称形状的切削刀头，所给的次数与给定的旋转位置的数目对应。为便于说明，其被称为“n次对称”。这样，就必须对应不同数量的旋转位置将具有不同次数旋转对称形状的可互换切削刀头区别开来。
将要说明的可互换的切削刀头组或“族”必须具有一定数量的换位位置，该数目应该是某个最小次对称刀头的倍数。这样，一组刀头可能包括3次、6次、9次甚至11次对称，而另一组刀头则可能包括5次和10次对称。根据引用的一般原则，一组中的两个切削刀头可被分别描述为n次对称和m×n次对称，其中n为大于等于3的整数，而m为大于等于2的整数。
通过实施例，所述的切削刀头100和102都是具有4次形状对称，而切削刀头10和80都具有8次旋转对称。这样所述对称的两种次数就对应着条件n＝4、m＝2。
现在来看图8A-8F，图中示出了第一切削刀头，该刀头整体由100表示，它具有n次(在这种情况下为4次)的旋转对称。切削刀头100之最佳实施例的具体特征在于刀头只能在刀头支承座内的n个旋转位置上换位，其中所说的刀头支承座被构造成可交替容纳具有n次旋转对称和m×n次旋转对称的切削刀头，在该实施例中，分别为4次和8次旋转对称。
总之，切削刀头100具有一个整体结构，该结构可形成一个上表面104，上表面104由刀刃106、底面108和圆周侧面110所包围。圆周侧面被构造成形，以使垂直于中心轴线通过切削刀头下部的第一截面的轮廓呈凹入的形状，它包括n个环绕中心轴线按照一定角度分布的角部112，从而形成n次形状对称的侧向接合特征，和支承突起114，突起114在角部之间的圆周侧面向外凸出。支承突出114最好被制造成这样的形状在角部112的轮廓线绕中心轴线旋转360°/n的几何映射下，支承凸起延伸超过轮廓线。
参照图8E和8F，将会更好地理解这些几何关系。图中示出了类似的切削刀头100的底视图，但为便于说明，增加了不同的结构线。顺便地说，应该注意到在示出的实施例中，所需的几何形状出现在刀头的下部，并且继续出现在底面108。从而，底视图可被用来说明所需几何形状的特征。一般情况下，这些特征不必延伸到底面。但是，等同的特征将会出现在刀头下部某一位置上的横剖视图上。在本文中，词组“下部”用来指刀头下部70％处，一般是指刀头的下半部分。
图8E示出了底面108，同时增加了四条直的结构线118，这些结构线连接于角部112之间。从该图中可看到与上述侧面脊36等同的角部112基本与n边的规则多边形之角区域相对应，在本实施例中，多边形是方形。这些角部以等同于上述刀头10和80的接合表面之结构形成了接合表面，但其仅具有4次对称。在此，接合表面的几何形状可相对刀刃的几何形状逆时针旋转，例如15°，以达到用于给定支座结构之刀刃的所需主偏角(在本实施例中，从图9中可看出K＝90°)。图10示出了当刀头被正确插入时，这些接合表面与支座52对准的情况。
图8F示出了底面108，同时示出了与切削刀头10和80下部之高度对称的8脊结构对应的高对称性线119的重叠。角部112与脊的形状大体对应，这说明它们被构造成可形成等同的接合表面。另外，支承突起114被构造成与脊的形状明显不同，从而防止刀头在中间位置上的非正确换位。在一基本的实施例中，突起114可被完全省略，以形成一方形的底面。于是不正确的换位迅速被“松”配合所识别，并完成非精确的对中。但，支承突起114最好被构造成尽可能靠近刀刃，以形成附加的支承。此外，在最佳实施例中，突起114被构造成可机械阻塞刀头在支座内的不正确换位。
上述机械阻塞的准则在于突起114不会“装配”在支座52的支承表面内。在更精确的表达方式下，支承突起114最好成形为对应于所述的脊，角部112的轮廓旋转任意小于两个旋转位置之间角距的角度，在4次对称的情况下两个旋转位置之间的角距为90°，支承突起114的一部分延伸超过轮廓线。该几何特性保证如果刀头以不正确的角度装配在支座内，那么它就不能正确的安装，从而使错误不说自明。这样，刀头设计可被认为是“安全自锁”的。图12示出了试图将刀头100不正确地固定在支座52内的效果。
一般情况下，尽管不是必须的，刀刃106的几何形状最好呈非凹入的形式，其中刀刃的形状是由垂直于中心轴线并接近上表面104通过切削刀头100的截面轮廓形成的。在本实施例中，刀刃的几何形状大体为方形。所示的刀刃形状本身是惯用的，每个旋转位置都在约90°的主偏角K呈现出主要的刀刃和次要的清除刃106’(见图10)。在说明书和权利要求书中所用的“主偏角”被定义为当固定于刀具内时形成于刀头的主要刀刃之间的角度K和刀具的进给方向116。
参照图9A-9F，图中示出了第二切削刀头，该刀头整体由102表示，其具有n次(本实施例中为4次)旋转对称形状。刀头102在概念和结构上与刀头100相似，等同的特征已被类似地表示出来。刀头102与刀头100的区别之处在于将刀头修改为具有约45°的主偏角。这样，如图9E所示，角部112的定向可通过相对主刀刃的形状顺时针旋转30°而实现。如图11所示，当固定于支座52中时，就形成了所需约45°的主偏角。试图将切削刀头102不正确地固定于支座52内的效果如图13所示。
这里，刀头102的切削形状本身为传统的45°方形刀头的结构。
至此，应该清楚切削刀头102和100的特征限定了支座52的附加几何要求。具体地说，还必须设置侧向后角凹入部分74和76，以形成成套的刀头之所有部件的支承突起114，其中刀头与支座52一起被使用。
应该清楚本发明的刀具组件并非仅限于具有非凹入部分切削形状的切削刀头。通过实施例，图14示出了与上述切削刀头100类似的切削刀头120，但刀头120具有凹入的刀刃122。
如上所述，本发明的组合式切削刀头组件和相应的支座及切削刀头并非仅限于所述的4次和8次对称，理解这一点是非常重要的。通过图示的说明，图15和16分别示出了成套的刀头3次和6次、5次和10次对称之可能的接合形状。在每种情况下，切削形状可以是任意所需的恰当对称的切削形状。在各种情况下，下部对称刀头的底部侧面或者是如图所示的规则结构，或者是一种“安全自锁”结构，该结构具有侧向支承突起(未示出)，该突起起到与上述突起114等同的作用。
应该注意到每组刀头可包括两种以上不同等级的对称。例如，上述具有最小配合的支座52也可被用于11次对称的刀头。
参照具体的实施例，通过说明已对本发明作出了描述，应该理解所述的实施例及变型仅是说明性的，在不脱离权利要求书的范围内，本发明可在许多其它机械变型的前提下来实施。
权利要求
1.一种刃夹，用于交替容纳可在n个旋转位置换位的第一切削刀头和可在n×m个旋转位置换位的第二切削刀头，对其中n≥3而m≥2的n和m中至少一个值，该刀夹包括至少一个刀头支承座，该支承座参照通过所说支承座的轴线形成，切削刀头的中心轴线与其对准，所说的支座包括(a)用于支承切削刀头的底面；(b)环绕所说的轴线按照一定角度分布并与所说的轴线等距的第一、第二和第三侧向支承表面，；(c)一第一侧向凹入部分设置于第一和第二侧向支承表面之间；(d)一第二侧向凹入部分设置于所说的第二和第三侧向支承表面之间，其中所说的第一和第二侧向凹入部分制成使所说的第一和第二侧向支承表面环绕轴线旋转360°/n的几何形状映射分别位于第一和第二侧向凹入部分内。
2.根据权利要求1所说的刀夹，其特征在于所说的第一、第二和第三侧向支承表面分别形成第一、第二和第三平面，所说的第一平面相对所说的第二平面环绕所说的轴线旋转360°/n。
3.根据权利要求2所说的刀夹，其特征在于所说支座的第二和第三平面大体共面。
4.根据权利要求1所说的刀夹，其特征在于n＝4，m＝2。
5.一种切削刀头，具有n次旋转对称的形状，对其中n≥3的一些n值，该切削刀头只能在刀头支承座内的n个旋转位置换位，构造所说的支承座以交替容纳具有n次旋转对称和m×n次旋转对称的形状，对其中m≥2的一些m值，所说切削刀头包括一个整体结构，该结构具有一上表面，该上表面被刀刃、底面、圆周侧面和中心轴线所包围，其中所说的圆周侧面被构造成这样垂直所说的中心轴线通过切削刀头下部的第一横截面呈现出凹入的形式，它包括(a)环绕所说中心轴线按照一定角度分布的n个角部，这些角部对应于n次旋转对称的侧向接合特征；(b)从位于所说的角部之间的所说圆周侧面向外突出的支承突起，其中所说的支承突起制成使在所说角部的轮廓线环绕中心轴线旋转小于360°/n的任意几何映射下，所说的支承突起超出所说的轮廓线延伸。
6.根据权利要求5所说的切削刀头，其特征在于所说的圆周侧面被进一步成形为垂直所说的中心轴线并靠近所说的上表面通过切削刀头的第二横截面的轮廓线呈现出非凹入的形式。
7.根据权利要求5所说的切削刀头，其特征在于所说的角部基本与规则n边形的角区域对应。
8.根据权利要求5所说的切削刀头，其特征在于所说圆周侧面被进一步成形为垂直所说的中心轴线并靠近所说的上表面通过切削刀头的第二横截面的轮廓线呈现出凹入的形式。
9.根据权利要求5所说的切削刀头，其特征在于n＝4，m＝2。
10.一种组合式刀具组件，它包括(a)根据权利要求5所述的切削刀头；(b)一刀夹，该刀夹设置有至少一个刀头支承座，用于容纳切削刀头，所述的支承座包括(i)用于支承切削刀头的底面；(ii)第一、第二和第三侧向接合表面，用于与所说切削刀头的相应的三个侧向接合特征相接合；(iii)一第一侧向凹入部分，设置于所说的第一和第二侧向支承表面之间，用于装配所说的第一支承突起；(iv)一第二侧向凹入部分，设置于所说的第二和第三侧向支承表面之间，用于装配所说的第二支承突起。
11.一种组合式刀具组件，包括(a)一刀夹，设置有至少一个刀头支承座，支承座上设置有一个底面和多个侧向支承表面；(b)可容纳于所述的支座内的第一切削刀头，所述的第一切削刀头具有一上表面、一底面和圆周侧面，构造所述的圆周侧面，以形成具有绕所说第一切削刀头的中心轴线m×n次旋转对称的接合特征，从而使所说的第一切削刀头可在m×n个角度位置上固定于所说的侧向支承表面上，至少在n和m中的某一角度位置上固定于所说的侧向支承表面上，其中n≥3而m≥2；(c)一可容纳于所说的支座内的第二切削刀头，所说的第二切削刀头具有一个上表面、一个底面和圆周侧面，构造所说的圆周侧面，以形成仅具有环绕第二切削刀头之中心轴线的n次旋转对称的接合特征，该接合特征对称的次数较小，从而使所说的第二切削刀头能够在n个角度位置上固定于所说的侧向支承表面上，其中所说第一切削刀头的圆周侧面构造成使得垂直中心轴线通过所说的第一切削刀头的上部横截面成非凹入的形式。
12.根据权利要求11所述的组合式刀具组件，其特征在于所说第一切削刀头的圆周侧面构造成使得垂直所说中心轴线并靠近所说上表面通过所说第一切削刀头的上部横截面呈现出非凹入的形式。
13.根据权利要求12所述的组合式刀具组件，其特征在于所说的上部横截面与规则的m×n边形大体对应。
14.根据权利要求12所述的组合式刀具组件，其特征在于所说的上部横截面基本为圆形。
15.根据权利要求11所述的组合式刀具组件，其特征在于所说第一切削刀头的圆周侧面构造成使得垂直所说的中心轴线并靠近所说的上表面通过所说第一切削刀头的上部横截面呈现出凹入的形式。
16.根据权利要求11所述的组合式刀具组件，其特征在于所说第二切削刀头的圆周侧面构造成使得在较靠近所说底面处垂直所说的中心轴线通过所说第二切削刀头下部的下部横截面呈现出凹入的形式。
17.根据权利要求16所述的组合式刀具组件，其特征在于所说第二切削刀头的下部横截面包括(a)环绕所说的中心轴线按照一定角度分布的n个角部，所说的角部对应于n次旋转对称的侧向接合特征；(b)从位于所说的角部之间的圆周侧面向外突出的支承突起，所说的支承突起构造成使得在所说角部绕中心轴线旋转360°/n的轮廓线之任意几何形状的映射下，所说的支承突起延伸超出所说的轮廓线。
18.根据权利要求17所述的组合式刀具组件，其特征在于所说的角部基本与规则n边形的角部对应。
19.根据权利要求16所述的组合式刀具组件，其特征在于所说第二切削刀头的圆周侧面构造成使得垂直中心轴线并靠近所说的上表面通过所说第二切削刀头的上部横截面呈现出非凹入的形式。
20.根据权利要求11所述的组合式刀具组件，其特征在于所说支座的多个侧向支承表面包括第一、第二和第三侧向支承表面，所说的侧向支承表面环绕所说的支座按照一定角度分布，并且距所说的中心轴线等距，所说的支座还包括(a)设置于所说的第一和第二侧向支承表面之间的第一侧向凹入部分；(b)设置于所说的第二和第三侧向支承表面之间的第二侧向凹入部分，其中所说的第一和第二侧向凹入部分设成使得所说的第一和第二侧向支承表面旋转360°/(m×n)的几何映射分别位于第一和第二侧向凹入部分内。
21.根据权利要求20所说的组合式刀具组件，其特征在于所说第一、第二和第三侧向支承表面分别形成第一、第二和第三平面，所说的第一平面相对所说的第二平面绕所说的轴线旋转360°/n。
22.根据权利要求20所说的组合式刀具组件，其特征在于所说的第二和第三平面大体共面。
23.根据权利要求11所说的组合式刀具组件，其中n＝4，m＝2。
24.一种组合式刀具组件包括(a)一刀夹，该刀夹设置有至少一个刀头支承座，该支承座具有一个底面和多个侧向支承表面，相对所说的侧向支承表面引入进给方向；(b)一第一切削刀头，可容纳于所说的支座内，所说的第一切削刀头设置有一上表面，该上表面被一刀刃、一底面和一圆周侧面所包围，所说的圆周侧面构造为提供具有所说第一切削刀头绕中心轴线n次旋转对称的接合特征，从而使所说的第一切削刀头可在n个角度位置上被固定于所说的侧向支承表面上，至少在n的某一值的角度位置上固定于所说的侧向支承表面上，其中n≥3，所说的第一切削刀头构造成使得当固定于所说的支座内时，所说的第一切削刀头在相对所说进给方向的第一主偏角处露出所说刀刃的主要工作部分；(c)一第二切削刀头，可容纳于所说的支座内，所说的第二切削刀头设置有一上表面，该上表面被一刀刃、一底面和一圆周侧面所包围，所说的圆周侧面构造成提供所说第二切削刀头绕中心轴线的n次旋转对称的接合特征，从而使所说的第二切削刀头可在n个角度位置上固定于所说的侧向支承表面上，所说的第二切削刀头构造成使得当固定于所说的支座内时，所说的第二切削刀头在相对第二进给方向的第二主偏角处露出所说刀刃的主要工作部分，所说的第二主偏角与所说的第一主偏角不同。
25.根据权利要求24所说的组合式刀具部件，其特征在于所说的第一主偏角与所说的第二主偏角相差180°/n。
26.根据权利要求24所说的组合式刀具部件，其中n＝4。
全文摘要
一种组合式刀具部件包括一刀夹(50),该刀夹上设置有至少一个刀头支座(52),和第一刀头(10、80)、第二刀头(100、102),第一和第二刀头可交替装配在支座(52)内。第一切削刀头(10、80)具有圆周侧面(18),构造该圆周侧面以为关于刀头中心轴线mxn次旋转对称的结构提供接合表面,从而可使其在m×n的任一角位置上固定在侧向支撑表面(56、58、60)内,至少在m和n中的某一个值的角度位置上固定于所说的侧向支承表面上,其中n大于等于3,而m大于等于2。第二切削刀头(100、102)具有一圆周侧面(110),构造该圆周侧面以形成仅具有n次旋转对称的接合特征,该接合特征与n×m次旋转对称的情形相比对称的次数较小,从而使第二切削刀头可在n个角度位置上固定于侧向支承表面上。至少第一切削刀头的圆周侧面(18、110)被构造成这样:垂直中心轴线通过第一切削刀头的下部横截面具有凹入的形式。
文档编号B23B27/16GK1240378SQ97180686
公开日2000年1月5日 申请日期1997年12月16日 优先权日1996年12月16日
发明者阿米尔·萨特兰, 伊格尔·瓦尔沙夫斯基, 尤里·梅恩 申请人:伊斯卡有限公司