专利名称：刀夹和带有断屑面的金属切削刀片的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及金属加工，具体地说，涉及一种金属切削刀片以及用于夹持金属切削刀片的刀夹。
背景技术：
具有各种各样的切屑控制形状的金属切削刀片在本领域内是已知的。美国专利No.3654681公开了一种金属切刀，其特征在于，其切削部分设有断屑面，该断屑面包括位于切削刃之后的相对的倒棱面，其有助于提供用于除屑目的的间隙。美国专利No.3815191介绍了一种切屑成形刀片，该刀片使切屑具有纵向延伸的凸出部分，以使切屑变硬并改变其形状。美国专利No.3973308介绍了一种具有若干凹部或凹口的切削工具，这些凹部相互间分开，并位于切削刃的内侧且与之间隔开。Huston的美国专利No.4629372公开了一种具有断屑面的切削刀片，其可用作分离或切断工具。
当将已知的刀片设计用在低强度的韧性钢上时，其会固有地存在若干问题。低强度韧性钢的例子包括304L和316L不锈钢，以及1010和1026碳素钢，为了更容易地在心轴上拉拔以形成管材，其具有较低的强度。
在切断操作期间，当采用一定的引导角(lead angle)以确保已制出部分可以干净利落地从管料和棒料上切断下来时，会使得控制切屑的任务更加困难。由具有一定引导角的切刀所形成的切屑趋向于沿着垂直于切削刃的方向流动。由于轴向上的作用力分量，导致在与工件初始接触时所产生的断屑更容易地流动成螺旋形状，而不是更希望有的更容易控制的像钟表弹簧的形状。已经采用了大量的技术来补偿断屑的趋向，该断屑主要受到引导角的引导，以致形成了螺旋形切屑。在这些技术中采用了一种相对于刀具的中心线为不平衡的断屑器，以便可阻碍螺旋化的趋向。另一所尝试的技术提供了一种具有与引导角大小相等但方向相反的后壁的断屑器。另一所尝试的技术采用了非均匀高度的切削刃，该切削刃通过尝试向引导角的轴向作用力中引入反作用力来阻碍引导角的影响。尽管这些技术对于某些工作来说是足够用的，但是它们在应用范围上还是非常有限的，并且为了获得切屑控制要在加工中经常性地提高切削压力，这样会牺牲刀具的寿命。
例如上面提到的那些切削刀片通常夹持在形成了切削刀具组件的一部分的刀夹中。刀夹通常是滑动机构的一部分，该滑动机构可使刀片处于由待执行的操作所决定的预定工作位置上。应当清楚，当进行机加工操作例如开槽、切断或仿形切削时，会在切削刀片和刀夹上施加较大的作用力。给定的切削刀具组件通常可采用各种各样的切削刀片，包括具有定位成具有一定引导角的切削刃的刀片，以及具有定位成相对于刀片的纵向轴线成直角的切削刃的刀片。
在本领域中已知有整体柄式刀夹，其采用了挠性的上部，该上部铰接成使得当紧固器上紧时可使该上部偏转，以便刚性地夹紧双头的V形底的刀片。除了具有可以确保切削刀片正交于工件的单件刚性结构的优点之外，刀夹还可通过用作用于各种刀片构造的标准平台而简化仓储、定货和设计。希望有一种可以通过同一刀夹来容纳具有特定宽度但具有可变转角半径的V形底开槽刀片、V形底仿形切削刀片以及切断刀片，允许用公用刀夹来执行多种组合的功能。对于要确保所有这些切削刀片具有一致的性能来说，重要的是克服刀片之下和之后的切向和径向切削作用力来支承刀片的能力。V形底的支承构造可确保这种位于切削刀片之下的公用刚性支承。通常将刀夹设计成具有精确加工的定位面，双头刀片的未使用的切削刃可定位在该表面上。该定位面可执行至少两种功能，即，可确保抵抗径向上的切削作用力，还可使刀片在径向上精确地定位，以确保正确的开槽深度或者完全的切断。刀夹的定位面通常是平面的，并定位成具有一定角度，以便与将要定位在其上的切削刀片前部的配对的平面型留隙面精确地相匹配。该表面定位成平行于工件的轴向中心线。
一些切断刀片利用引导角来确保某一部分被完全切断，而没有在该部分上留下不希望有的尖端或突起。当这种类型的刀片安装到上述类型的刀夹上时，可靠地支撑了开槽刀片或纵向切断刀片的平面型刀夹的支撑定位面不再能够提供较大的接触面积，而只是弱得多的且尺寸上更不连贯的线接触。在本领域内已知有可解决这种问题的若干技术。这些技术并不能完全令人满意，在一些情况下还会给刀片的制造成本增加不必要的开支。
发明内容
本发明提供了一种用于切削金属的新型的改进刀片，其提供了多个断屑面，这种构造在切削低强度的韧性钢时尤其有效。在具有定位成一定引导角的切削刃的切削刀片内，多个断屑面在提高切屑控制的方面也是有效的。在该优选的所示实施例中，切削刀片包括从前切削刃延伸到一对相关的第一断屑面上的一对前刀面。一对第二断屑面设置在第一断屑面的下游，并通过过渡面而分隔开。当切屑离开刀具的切削刃时，第一断屑面使切屑产生初始的卷曲。
通过导致在切屑中部形成硬化的肋，具有入口部分和出口部分的中心槽道趋向于使切屑变硬。至少对于一些材料来说，第一断屑面所施加的初始卷曲比所希望的更小。随着带有比所希望的更小卷曲的切屑沿着刀片继续移动，切屑会遇到趋向于向切屑施加更大卷曲的第二断屑面，在刀片具有引导角的情况下，第二断屑面趋向于将切屑的构造改变成更像钟表弹簧的形状，而不是螺旋形状。
在该优选的所示实施例中，金属切削刀片包括设置于柄部两侧上的一对切削部分。由刀片所形成的夹紧结构可与切削刀片夹相接合。在该示范性实施例中，设置于柄部的任一端上的切削部分基本上是一样的，并且包括上述的第一断屑面和第二断屑面。在该优选实施例中，金属切削刀片由碳化物材料模制而成，并适合于用作一次性使用的碳化物刀片。本发明同样适合于具有定位成非零度和大致零度引导角的切削刃的金属刀片的切削部分。
本发明还提供了一种用于上述切削刀片以及其它类型刀片的刀夹，所述其它类型刀片包括带有和不带有引导角的刀片。为了容纳各种各样的刀片，刀夹包括一对对接面，其中一个对接面与给定的刀片相接合。在所示实施例中，对接面是平面型的，并且是相邻接的。对于带有引导角的切削刀片来说，刀夹提供了可与形成于刀片上的倾斜平坦表面相接合的倾斜平坦表面。对于具有正交切削刃(相对于刀片的纵向轴线而言，即切削刃大体上平行于工件的旋转轴线)的切削刀片来说，该刀夹提供了定位成可与刀片上的定位面完全接合的对接面。
根据本发明，具有定位成基本上零度引导角的切削刃的金属切削刀片包括刀片定位面，该定位面定位成一定的角度，使得通过该平面型定位面的平面所画的横向线与切削刀片的纵向轴线正交。该定位面可与刀夹所形成的其中一个对接面面对面地接合。如果金属切削刀片的前切削刃具有非零度的引导角，那么定位面形成为以不同于前留隙面的角度而远离刀片的前留隙面延伸，并且定位成使得通过定位面的平面所画的横向线与切削刀片的纵向轴线正交。该定位面可与刀夹所形成的另一对接面面对面地接合。
在所示实施例中，刀夹包括底部和夹紧臂，夹紧臂可与刀片所形成的夹紧结构相接合。刀夹适于容纳并紧固具有形成于柄部任一侧的基本上相同的切削部分的切削刀片，以便定位其中一个切削部分来对旋转工件执行机加工操作，而另一切削部分容纳于刀夹中，并定位成使其定位面与刀夹所形成的其中一个对接面面对面地接合。
通过结合附图来阅读下文中的具体介绍，可以清楚本发明的其它特点，并且可获得对本发明的更全面的了解。
图1是根据本发明的优选实施例来构造的切削刀片的顶视平面图；图2是图1所示切削刀片的侧视图；图3是切削刀片的端视图；图4是切削刀片的局部透视图；图5是图1所示刀片的局部侧视图；图6是根据本发明的优选实施例来构造的刀夹的透视图；图7是显示了处于工作位置的带有图1所示类型的切削刀片的图6所示刀夹的局部视图；图8是显示为安装在图7中的切削刀片的局部透视图；图9是带有显示为安装在工作位置中的备选切削刀片的图6所示刀夹的局部视图；以及，图10是显示为安装在图9中的备选切削刀片的局部透视图。
实施发明的最佳方式图1到4显示了根据本发明的优选实施例来构造的金属切削刀片10的总体结构。在使用中，刀片10被夹紧在刀夹100中(见图6)。通常来说，刀夹形成了滑动机构的一部分，该滑动机构可将切削刀片10的切削刃14定位成与旋转工件(未示出)相接触，以便在工件上执行切削操作。
在所公开的实施例中，刀片10包括一对位于柄部10c两侧上的切削部分10a、10b。在使用中，刀片10的柄部10c被夹紧到刀夹100(如图6中所示)上，该刀夹100使切削部分之一即10a定位并支撑在机加工位置上。在该切削部分10a磨损后，刀片10在刀夹100中旋转180°，以便将另一切削部分10b定位于机加工位置。如在图2和3中可清楚看到的那样，刀片10包括向上延伸的突起16，如下文将要介绍的那样，该突起16可与刀夹相接合。突起16与刀夹100的接合用来将刀片刚性地安装在其工作位置，并且其中一个切削部分之处于可对旋转工件执行机加工操作的位置上。
在该优选实施例中，刀片10可由相对较硬的材料如碳化物、金属陶瓷、陶瓷等制成。刀片优选采用本领域已知的粉末冶金技术模制而成。然而，本发明也可采用其它的用于形成或制造刀片的方法和技术，也可以采用不同于以上所述的那些材料。
在所示实施例中，切削部分10a、10b基本上是一样的，因此，只对切削部分10a进行介绍。如上所述，切削部分10a包括前切削刃14。优选为平面的前留隙面20从前切削刃14中向下延伸。在所示实施例中，如在图1中可清楚看到的那样，切削刃14定位成角θ。通常将该角度叫做引导角。然而，本发明的原理还可适用于切削刃14并未定位在引导角下、即θ＝0度的实施例。应当指出的是，引导角通常从与切削刀片10的纵向轴线正交的平面或线25开始测量。
一对间隔开的下凹前刀面26a、26b从切削刃14中向后延伸(如图1所示)。具体参考图2和4，前刀面26a、26b相对于前切削刃14下降，然后向上升起，并连接到或融入到相对较短的凸面28a、28b中。前刀面26a、26b的向上弯曲部分与凸面28a、28b一起形成了第一断屑面。
参考图1，下凹前刀面26a、26b设于凹谷形槽道30的两侧。槽道30在切削部分10a内基本上居中设置。槽道30包括入口部分30a，其从刀片的前切削刃14处或其附近开始，并形成了切削刃14的中间部分14a。入口部分30a包括底部31(见图5)，该底部31相对于前切削刃14下降(如图2和5所示)，还包括向上弯曲的侧部，这些侧部经由中间融合面32a、32b融入到前刀面26a、26b中。中心槽道30的入口部分30a还可包括渐增的横向尺寸。
入口部分30a经由过渡面29a、29b、29c平滑地过渡到凹部或槽道30的出口部分30b中。出口部分30b的底面33(见图5)以与入口部分30a的底面31相比稍微不同的轮廓向下延伸，然后向上升起(如图5所示)。椭圆形曲面从底面33中向上升起，并经由椭圆形过渡面40连接到刀片的顶面上。
随着切削刃14切入工件，切削操作所产生的切屑在下凹前刀面26a、26b上运动。由于中间凹部或槽道30的存在，切屑的中部没有受到支撑。当切屑的中部弯向槽道时，支撑的缺乏会导致在切屑的中部形成硬化肋，从而会使切屑变硬且变窄。随着切屑移动到前刀面26a、26b的向上弯曲的部分，切屑就产生了卷曲。
根据本发明，在第一断屑面26a、26b、28a、28b的上面和后面设有第二断屑面。如图4最佳地显示，第二断屑面包括较短的凹面44a、44b，它们从相应的过渡面46a、46b中延伸出来，并与相关凸面48a、48b合并，而凸面48a、48b融入到基本上水平的表面50a、50b中。在所示实施例中，过渡面46a、46b基本上是水平的，并将第一断屑面与第二断屑面互连起来。应当理解的是，将描述为“水平”或“垂直”表面进行分类是为了从图中所示的方位来方便介绍。然而，本发明不应限制为具有“水平”或“垂直”表面的刀片。
当将所公开的切削刀片10用于加工韧性材料如低碳钢和奥氏体不锈钢时，第一断屑面可使在切削操作中产生的切屑形成初始的卷曲。然而，随着其继续朝着切削刀片的后方(如图2所示)移动，其会遇到第二断屑面，该第二断屑面可使切屑进一步地更紧密卷曲。这种情况与槽道30所提供的变硬相结合，可以导致切屑最终破裂。还已发现，当该公开的切削刀片制成在前切削刃14上带有引导角时，第二断屑面趋向于阻碍切屑形成为螺旋结构的趋势，而代之以促使切屑变形成为形状上更类似于钟表弹簧的结构。
在该优选构造中，刀片由相对较硬的材料如碳化物、金属陶瓷或陶瓷制成。刀片可采用本领域已知的粉末冶金技术模制而成。在优选实施例中，刀片采用已知的技术模制而成，并用于一次性使用。采用该优选的构造，在切削刀片的切削部分磨损之后就可将其丢弃，而不再用于重磨或改制。
如上所述，在该优选实施例中，切削刀片是模制而成的。当采用模制工艺生产本发明的切削刀片时，应当理解，如图所示的表面构造并不一定要与图中所示的一样地清楚界定。另外，通常在模制工艺之后在切削刀片上涂上涂层，例如氮化钛、碳氮化钛或氮化铝钛，其可改善切削性能并延长刀片的寿命。采用涂层还可使所公开的表面构造在外观上更不明显。不过，本发明仍可构思出具有所公开特性而不太清楚界定的表面构造的切削刀片。
图6显示了根据本发明的优选实施例来构造的切削刀片夹100的整体结构。所公开的刀夹100包括一定的特征，这些特征可允许图1到5所公开类型的刀片以及具有各种构造的其它类型刀片安装到其上。
刀夹100包括底部102和夹紧臂104。在所公开的实施例中，刀夹100是单体式构造(底部102和夹紧臂104由单件材料整体式形成)。然而，应当理解的是，本发明的原理可适应于其它类型的刀夹构造，不应局限于图6中所示的单体式构造。
刀夹100包括安装柄100a，通过该安装柄100a便可将刀夹100适当地安装或连接到机床上。如上所述，刀夹通常紧固到滑动机构上，其可使刀夹以及与其相关的切削刀片移动到各个位置，以便对旋转工件如棒料或管料(未示出)执行切削操作。
在夹紧臂104和底部102之间形成有间隙106。切削刀片例如前面所介绍的切削刀片10可拆卸地安装于该间隙106内。图7显示了切削刀片10在间隙106内的定位和安装。
在所示实施例中，底部102包括V形槽道110，其适合于容纳形成于刀片10底部的互补形V形部分112，该V形部分112在图4和8中最佳地示出。夹紧臂104包括适合于与形成在刀片10上的突起16相接合的倒V形面。
根据本发明，刀夹100包括一对邻接的平面型对接面120、122，其中的至少一个与形成于切削刀片上的定位面对接。如下文将要介绍的那样，两个对接面120、122使得刀夹100能够容纳各种各样的切削刀片。
具体参考图7和8，当图1到5所示类型的刀片10由刀夹100夹持住时，由刀夹100所形成的上对接面122与由刀片10所形成的定位面124对接。如上所述，切削刀片10包括具有引导角θ的切削刃。在图1中最佳地显示了引导角的方位。为了提供与刀夹上对接面122的平面型的面对面接合，形成在刀片10上的表面124可形成为向下延伸的倾斜(相对于垂直面)平面。如图4和8所示，定位平面124相对于前留隙面20倾斜，它们的相对角度取决于切削刃14的角θ。定位平面124优选相对于切削刀片的纵向轴线垂直地定位，即通过定位平面124所画的水平线或横向线垂直于刀片10的纵向轴线。这样，在该优选实施例中，形成于刀片10上的定位面124可与形成于刀夹上的对接面122完全接合，因此就实现了与切削刃14的引导角无关的完全平面型的表面接触。
一旦切削刀片10安装在图7所示的位置，就通过螺栓(未示出)将刀片10可靠地夹紧住，该螺栓延伸穿过形成于夹紧臂104中的开孔140，并与在底部102(未示出)中形成的螺纹孔相接合。采用夹紧螺栓来使夹紧臂104向下弯曲以与刀片10紧密接合被认为是常规的手段。本发明可以构思出用于在切削刀片10上产生夹紧或夹持力的其它构造。
下对接面120用于与形成在其它类型的切削刀片上的定位面对接式接合。图9和10显示了在构造上与刀片10相类似的刀片10′，不同之处在于前切削刃14′未定位成具有引导角。切削刀片10′包括类似的V形面112′和16′，它们分别由底部102和夹紧臂104所容纳并与之接合。如图10所示，刀片10′包括与图4中关于刀片10所示的表面20类似的向下延伸的前留隙面20′。然而，刀片10′包括基本上竖直的并可与由刀夹100所形成的下对接面120接合的下平面定位面124′。
采用本发明，在刀夹100上可安装各种各样的切削刀片，包括在图1到5中所示类型的具有引导角的切削刀片，以及其它构造的切削刀片，包括带有相对于旋转工件的旋转轴线无倾斜的切削刃的切削刀片，例如图9和10中所示的类型。
尽管在一定程度上具体地对本发明进行了介绍，但是应当理解，在不脱离如权利要求所限定的本发明的精神或范围的前提下，本领域的技术人员可以对其进行各种改变。
权利要求
1.一种具有前留隙面的金属切削刀片，所述前留隙面的上边缘形成了切削刃，一对间隔开的第一前刀面从所述切削刃中延伸出来，各所述第一前刀面至少部分地形成了第一断屑面，所述第一前刀面设于槽道的两侧，所述槽道包括从所述切削刃附近开始的入口部分，一对第二断屑面从所述第一断屑面中延伸出来，各所述第二断屑面通过过渡面与相关的第一断屑面互连，各所述第二断屑面相对于与其相关的第一断屑面向上升起，当切屑从旋转工件上切下时，所述第一断屑面使切屑产生初始卷曲，同时所述槽道可促使所述切屑的中部硬化，所述第二断屑面使所述切屑进一步卷曲，以便减小所述切屑的卷曲直径。
2.根据权利要求1所述的金属切削刀片，其特征在于，各所述第一前刀面是下凹的，并且包括相对于所述切削刃下降的第一部分以及向上升起并融入到相对较短的凸面中的第二部分，各所述第一断屑面由所述第一前刀面和所述凸面限定。
3.根据权利要求2所述的金属切削刀片，其特征在于，各所述第二断屑面包括从所述过渡面中延伸出来的较短凹面，所述过渡面将所述凸面与所述短凹面互连。
4.根据权利要求1所述的金属切削刀片，其特征在于，所述槽道包括b)可与切削刀片夹接合的夹紧结构，通过所述切削刀片夹可将所述金属切削刀片夹持在工作位置，在此处所述切削部分中的一个位于相对于旋转工件的工作位置；以及，c)所述切削部分的至少一个具有前留隙面，所述前留隙面的上边缘形成了切削刃，一对间隔开的第一前刀面从所述切削刃中延伸出来，各所述第一前刀面至少部分地形成了第一断屑面，所述第一前刀面设于槽道的两侧，所述槽道包括从所述切削刃附近开始的入口部分，一对第二断屑面从所述第一断屑面中延伸出来，各所述第二断屑面通过过渡面与相关的第一断屑面互连，各所述第二断屑面相对于与其相关的第一断屑面向上升起，当切屑从旋转工件上切下时，所述第一断屑面使切屑产生初始卷曲，同时所述槽道可促使所述切屑的中部硬化，所述第二断屑面使所述切屑进一步卷曲，以便减小所述切屑的卷曲直径。
13.根据权利要求12所述的金属切削刀片，其特征在于，所述一个切削部分由碳化物材料模制而成。
14.根据权利要求12所述的金属切削刀片，其特征在于，所述刀片全部由碳化物材料模制而成，并且适于用作一次性使用的碳化物刀片。
15.根据权利要求12所述的金属切削刀片，其特征在于，所述切削刀片夹形成有可与所述刀片的另一切削部分所形成的定位面相接合的对接面。
16.根据权利要求12所述的金属切削刀片，其特征在于，各所述切削部分基本上相同，并且各部分的所述切削刃定位成具有非零度的引导角，各所述部分还包括平面型的刀片定位面，所述刀片定位面从所述前留隙面中向下延伸，并且定位成具有一定的角度，使得通过所述平面型定位面的平面所画的横线与所述切削刀片的纵向轴线正交，所述定位面可与所述刀夹形成的对接面面对面地接合。
17.根据权利要求12所述的金属切削刀片，其特征在于，各所述切削部分基本上相同，并且各部分的所述切削刃定位成具有基本上零度的引导角，各所述部分还包括平面型的刀片定位面，所述刀片定位面位于所述前留隙面之下，并且定位成具有一定的角度，使得通过所述平面型定位面的平面所画的横线与所述切削刀片的纵向轴线正交，所述定位面可与所述刀夹形成的对接面面对面地接合。
18.根据权利要求16所述的金属切削刀片，其特征在于，所述刀夹形成有第一和第二对接面，所述定位面可与所述第一对接面面对面地接合。
19.根据权利要求17所述的金属切削刀片，其特征在于，所述刀夹形成有第一和第二对接面，所述定位面可与所述第二对接面面对面地接合。
20.一种用于可靠地安装金属切削刀片的刀夹，所述类型的刀片包括设置于柄部两侧的一对切削部分，以及可与所述切削刀片夹接合的夹紧结构，通过所述切削刀片夹可将所述金属切削刀片夹持在工作位置，在所述位置中所述切削部分之一位于相对于旋转工件的工作位置，所述刀夹包括底部和夹紧臂，所述夹紧臂与所述底部一起形成了用于容纳所述切削部分之一的间隙，所述夹紧臂可与所述切削刀片形成的所述夹紧结构相接合，所述刀夹形成了第一和第二平面型对接面，所述第一对接面适于与具有定位成非零度引导角的切削刃的切削刀片的切削部分所形成的定位面相接合，所述第二对接面适合于与具有基本上零度引导角的切削刃的切削刀片的切削部分所形成的定位面面对面相接合。
21.根据权利要求20所述的刀夹，其特征在于，所述夹紧臂和底部由单件材料整体式地形成。
22.根据权利要求20所述的刀夹，其特征在于，所述刀夹还包括安装柄，所述刀夹可通过所述安装柄连接到机床上。
23.根据权利要求20所述的刀夹，其特征在于，所述底部包括适于容纳形成于切削刀片底部上的互补形状部分的V形槽道。
24.根据权利要求20所述的刀夹，其特征在于，所述第一和第二对接面相邻接。
25.根据权利要求20所述的刀夹，其特征在于，所述切削刀片夹持在形成于所述夹紧臂和所述底部之间的间隙内，夹紧螺栓推动所述夹紧臂与夹持在所述间隙内的刀片形成夹紧式接合。
全文摘要
一种金属切削刀片，具有设于柄部两侧的一对切削部分，各切削部分具有前余隙面，其上边缘形成有切削刃。一对间隔开的断屑面在切削刃处或其附近开始并从切削刃中延伸出来。一对第二断屑面位于第一断屑面的下游，并通过过渡面与相关的第一断屑面互连。中心槽道位于断屑面之间，并包括开始于切削刃或其附近的入口部分。当切屑从旋转工件上切下时，第一断屑面使切屑形成初始的卷曲，同时槽道可促使切屑的中部硬化。第二断屑面使切屑进一步卷曲，以便减小切屑的卷曲直径。一种用于可靠地安装金属切削刀片的刀夹，包括底部和夹紧臂，该夹紧臂与该底部一起形成了用于容纳切削刀片的其中一个切削部分的间隙。该刀夹包括第一和第二平面型对接面。对接面中的一个用于与具有非零度引导角的切削刃的切削部分所形成的定位面面对面地接合；另一对接面用于与具有基本上零度引导角的切削刃的切削部分所形成的定位面面对面地接合。
文档编号B23PGK1774318SQ200380105905
公开日2006年5月17日 申请日期2003年10月17日 优先权日2002年10月18日
发明者V·辛普森三世, N·P·C·童 申请人:曼彻斯特工具公司