多效材料移除刀具的制作方法

技术领域

本公开内容涉及材料移除刀具和利用该材料移除刀具的加工。具体地，本公开内容涉及具有N效(N-effective)切削表面的材料移除刀具。在一种应用中，本公开内容涉及利用具有可更换的毂的单个材料移除刀具同时地加工阀座的至少两个表面的方法，其中切削刀片安装在所述可更换的毂上，并且本公开内容涉及材料移除刀具和可更换的毂本身。

背景技术：

在下面对背景的论述中，参考了某些结构和/或方法。然而，以下参考不应被解释为承认这些结构和/或方法构成了现有技术。申请人明确保留说明这样的结构和/或方法不足以作为现有技术的权利。

通常，比如燃烧发动机中的阀座具有相互成角度布置的三个表面。图1示意性地示出工件12中的常规的阀座10的表面，具有顶表面14、连接表面16和杆表面18。顶表面14、连接表面16和杆表面18与阀20的表面互补，以在燃烧发动机的操作期间使阀20座靠在阀座10中。选择性的常规阀座可具有2个至4个或更多个表面。

形成具有多于一个表面的阀座的常规方法采用单效材料移除刀具，其中一个刀片(insert)或刀刃(blade)切削三个阀座表面之一。该一个刀片或刀刃通常为可转位刀片且以预定的角度相对于待加工的所述一个阀座表面布置，并随后进行切削操作。为了加工阀座表面，使不同的刀片刀刃、不同的刀片或甚至不同的刀具与工件接合，以加工其余的阀座表面之一。该操作对每个不同的阀座表面进行重复。利用不同的刀具，单效刀具和/或必须转位或改变可转位刀片可能在部件中引入角度误差。然而，诸如阀杆就座表面之类的部件上的公差是非常紧的，且常规的刀具和加工方法可能引入超出在这些部件的规范所容许误差的误差。

技术实现要素：

材料移除刀具的示例性实施方式包括：用于将材料移除刀具附接到机床的主轴的匹配结构、包括多个与其附接的刀片的直径减小的周向刀片壳体、保持器和定位在保持器中且从保持器沿材料移除刀具的轴线纵向地延伸的扩孔器，其中匹配结构、直径减小的周向刀片壳体、保持器和扩孔器沿该轴线轴向地布置，其中匹配结构在最后端，而扩孔器在最前端，其中多个刀片包括相对于材料移除刀具的轴线在不同轴向位置和相对于材料移除刀具的轴线在不同径向位置处的切削表面，其中在不同轴向和径向位置的切削表面布置成与轴线成不同的角度，且其中至少一个刀片上的至少一个切削表面相对于轴线成约45度的角度。

直径减小的周向刀片壳体的示例性实施方式包括：具有孔的主体；多个刀片，其在主体的周向位置处结合至主体，其中多个刀片包括相对于孔的轴线在不同轴向位置和相对于孔的轴线在不同径向位置处的切削表面，其中在不同轴向位置和不同径向位置的切削表面以与轴线成不同的角度布置，且其中至少一个刀片上的至少一个切削表面相对于轴线成约45度的角度。

从工件移除材料的方法的示例性实施方式包括：使安装到机床的主轴的材料移除刀具旋转；将扩孔器插入工件的导引孔内；以及通过使材料移除刀具的多个刀片接触工件，从工件移除材料，其中材料移除刀具包括：匹配结构，其用于将材料移除刀具附接到机床的主轴；直径减小的周向刀片壳体，其包括结合至其的多个刀片；以及保持器；扩孔器定位在保持器中且从保持器沿材料移除刀具的轴线纵向地延伸，其中匹配结构、直径减小的周向刀片壳体、保持器和扩孔器沿轴线轴向地布置，其中匹配结构在最后端，而扩孔器在最前端，其中多个刀片包括相对于材料移除刀具的轴线在不同轴向位置和相对于材料移除刀具的轴线在不同径向位置处的切削表面，其中所述切削表面以与轴线成不同的角度布置，且其中至少一个刀片上的至少一个切削表面相对于轴线成约45度的角度。

应理解，前面的一般描述和以下的详细描述都是示例性的和说明性的，并且旨在如权利要求书一样提供本发明的进一步说明。

附图说明

可以结合附图阅读以下详细描述，其中类似的附图标记代表类似的元件，并且其中：

图1示意性地示出常规阀座的表面。

图2示出具有整体式形成的刀片壳体的材料移除刀具的示例性实施方式。

图3示出具有与刀具的主体可分离的刀片壳体的材料移除刀具的另一示例性实施方式。

图4示出具有与刀具的主体可分离的刀片壳体的材料移除刀具的又一示例性实施方式。

图5是显示了相对于材料移除刀具的轴线的、切削表面的角度以及刀片的切削表面的径向和轴向位置的一般示例的示意图。

图6至图13示出安装在刀片壳体上的刀片的额外的可选择的实施方式。图6是具有三种刀片类型的第一实施方式，每种类型具有单个切削表面，如图7至图9中所示的；图10是具有两种刀片类型的第二实施方式，一种类型具有单个切削表面，而第二类型具有两个切削表面，如图11至图12所示。图13是具有两个切削表面的刀片类型的可选择的实施方式。

具体实施方式

材料移除刀具的示例性实施方式利用了结合的刀片来形成具有多个有效切削位置比如五个有效的或六个有效的切削位置的材料移除刀具。通过利用布置在材料移除刀具上的不同切削位置处的不同的刀片类型，即一种刀片类型具有相对于材料移除刀具的轴线定位的共同定位的且成角度的切削表面，可形成精加工的多表面的产品，该多表面产品采用在表面的相交处的直的、成圆角的或混合的角度中的一种或多种。而且，切削刀片的壳体可与材料移除刀具的主体整体形成或与其可分离。切削刀片的可分离的壳体允许更换壳体和结合在其上的刀片，而不必更换材料移除刀具或从机床的主轴移除材料移除刀具，并提高加工操作的灵活性和效率。所公开的材料移除刀具具有加工阀座的特别的应用，但是可以采用该材料移除刀具进行其他材料移除刀具操作。

图2示出具有整体形成的刀片壳体的材料移除刀具的示例性实施方式。在所示的实施方式中，材料移除刀具100包括主体102，主体102具有匹配结构104；直径减小的周向刀片壳体106；保持器108；和扩孔器110。匹配结构104、直径减小的周向刀片壳体106、保持器108和扩孔器110沿轴线112轴向地布置，其中匹配结构104在最后端，而扩孔器110在最前端。多个刀片120周向地定位，比如围绕周围定位在刀片壳体106上，如在本文的各实施方式中所显示和描述的那样。

匹配结构104位于材料移除刀具100的主体102的第一轴向端且将材料移除刀具100附接到机床的主轴(未显示)。匹配结构104可以采取允许附接到期望的机床的主轴的任何合适的形式。举例来说，匹配结构104可包括在操作期间附接到机床比如HAAS VF6铣削机床所需的特征布置。

直径减小的周向刀片壳体106在主体102的第二轴向端。刀片壳体106的直径(D₁)相比主体102的直径(D_b)来说减小且刀片壳体106是周向的，这在于多个刀片120定位在刀片壳体106的径向截面的周围上。多个刀片120自身结合到刀片壳体106。在一个示例性实施方式中，多个刀片120通过钎焊来结合。可以采用其他合适的结合技术，比如粘结剂和焊接。钎焊和其他结合方法允许将粗成形的刀片安装到刀片壳体106并随后在适当位置成形。例如，钎焊的刀片可在刀片壳体106上被安装到位时被线切割、研磨和/或珩磨到最终形状。

在示例性实施方式中，多个刀片由包括硬质合金或立方氮化硼的成分形成。然而，其他硬质材料可以根据需要被采用以用来进行切削应用。

保持器108轴向地定位在刀片壳体106的前面且容纳扩孔器110，使得扩孔器110沿材料移除刀具100的轴线112从保持器108纵向延伸。保持器108允许将扩孔器可移除地附接到材料移除刀具100。合适的保持器的示例包括卡盘，卡盘的一个示例是夹头，或者是缩配合的保持器等。

材料移除刀具100可具有整体形成的刀片壳体106，如关于图2的示例性实施方式所显示和描述的那样，或者材料移除刀具100可具有与主体102可分离的刀片壳体106。图3示出具有与刀具100的主体102可分离的刀片壳体106的材料移除刀具100的示例性实施方式。在所示示例中，可分离的刀片壳体106为毂130的形式且包括孔132或定位在保持器108上且匹配于主体102的其他开口。主体102和毂130的各自的匹配表面134、136相互互补。在主体102上，匹配表面134比如为径向延伸的表面。同样，毂130上的互补的匹配表面136比如为径向延伸的表面。

可选地，互补的匹配表面134、136可包括在匹配表面上的互补特征。这些互补特征可为任何合适的形式，比如，导向件、突脊和凹槽或锯齿。互补特征有助于将毂130定位在材料移除刀具100上并防止毂130相对于材料移除刀具100旋转。互补特征如果不是承载所有所产生的力话也是承载当材料移除刀具100被操作以通过使多个刀片120接触工件来从工件移除材料时所产生的大部分力。图3示出形式为导向件140的互补特征的示例。导向件140位于主体102的匹配表面134上且轴向向前突出。毂130具有位于其匹配表面136上的互补接纳特征(未显示)以接纳导向件140。可选择地，毂130的匹配表面136可具有导向件，而主体102的匹配表面134可具有接纳特征。示例性导向件140可具有从底端142至远端144的向内锥形。

保持装置或其他偏置装置，比如螺母152可定位在保持器108和毂130上。螺母152接触毂130的径向延伸的表面的周向部分154且将压缩的预加负载作用于毂130和主体102的匹配表面134、136上。在图3所示的实施方式中，螺母152具有内螺纹156且被旋拧到主体102上的螺纹158上。螺母152中的孔160容纳紧固装置，比如活动扳手，以施加紧固扭矩。

可分离的毂130的使用允许具有不同的刀片、刀片类型或不同的毂形状的毂之间的方便的更换。可分离的毂130允许在不同的毂之间进行更换，而不必从机床的主轴移除材料移除刀具100。当被移除时，可分离的毂130上的刀片120可被修整以便随后使用。通常，在刀片120的太多部分被移除且修整不再可行之前，可以通过多次再研磨各个刀片上的切削表面122，比如两次至三次来修整刀片120。当刀片120被修整时，切削表面122的轴向位置可改变。当再安装到材料移除刀具100上时，切削表面122的轴向位置可通过利用设置在毂130和主体102的匹配表面134、136之间的一个或多个隔离物138来恢复到其大概的初始位置。隔离物138的示例是垫片。图4示出具有从刀具的主体可分离的刀片壳体的材料移除刀具的又一示例性实施方式。图4的实施方式基本上与关于图3显示和描述的实施方式类似，但是另外示出设置在毂130和主体102的匹配表面134、136之间的隔离物138。隔离物138可包括匹配表面134、136的互补特征，比如导向件、突脊和凹槽或锯齿。在图4中，隔离物138具有开口146，导向件140可穿过开口146。

多个刀片120可具有切削表面122的各种不同的组合且可设置在直径减小的刀片壳体106上的各种不同的周向位置。此处的示例描述了切削表面122布置为用以形成阀座的就座表面，所述就座表面包括顶表面、杆表面和连接表面。

切削表面122的第一示例在图2和图3中示出。此处，每个刀片包括三个切削表面122a、122b、122c，或者可选择地，其基本上由三个切削表面122a、122b、122c组成。切削表面在相对于材料移除刀具100的轴线112的不同轴向位置P₁、P₂、P₃处且在相对于材料移除刀具100的轴线112的不同径向位置R₁、R₂、R₃处。在不同径向位置和轴向位置处的切削表面122a、122b、122c布置成与轴线112成不同的角度θ₁、θ₂、θ₃。

图5是相对于材料移除刀具的轴线显示出了表示刀片的切削表面的径向和轴向位置以及切削表面的角度的一般示例。考虑切削表面的轴向分布时，多个刀片120包括在相对于材料移除刀具100的轴线112的不同轴向位置(P₁、P₂、P₃)处的切削表面122a、122b、122c。轴向位置由各个切削表面的轴向最前面的位置来决定，如图5所示。相应地，对于所示的示例，各个切削表面可与最前面的切削表面即在轴向位置P₁处的切削表面122a、最后面的切削表面即在轴向位置P₃处的切削表面122c以及相对于轴线轴向地定位在最前面的切削表面和最后面的切削表面之间的切削表面即在轴向位置P₂处的切削表面122b相关联。考虑切削表面的径向分布时，多个刀片120的切削表面122a、122b、122c在相对于材料移除刀具100的轴线112的不同径向位置(R₁、R₂、R₃)处。径向位置由各个切削表面的径向最内侧的位置决定，如所示的那样。相应地，对于图5所示的示例，各个切削表面可与最内侧的切削表面即在径向位置R₁处的切削表面122a、最外侧的切削表面即在径向位置R₃处的切削表面122c以及相对于轴线径向地定位在最内侧的切削表面和最外侧的切削表面之间的切削表面即在径向位置R₂处的切削表面122b相关联。

而且，在不同轴向和径向位置处的切削表面122a、122b、122c以与材料移除刀具100的轴线112成不同的角度布置。相对于轴线112的角度(θ₁、θ₂、θ₃)由包含各个切削表面的平面的投影与轴线112的线的交点来决定，如图3所示。相应地，对于图5所示的示例，在轴向位置P₁和径向位置R₁处的切削表面122a具有角度θ₁；在轴向位置P₂和径向位置R₂处的切削表面122b具有角度θ₂；且在轴向位置P₃和径向位置R₃处的切削表面122c具有角度θ₃。

在图2和图3中，具有六个刀片120且每个刀片具有相同的切削表面的位置和角度。可选择的实施方式可采用周向地布置的多于或少于六个刀片的刀片，比如三个、四个、五个和七个以及八个刀片。根据所采用的刀片的数量(N)，刀具100可被认为是“N效”材料移除刀具。一般地，刀片的数量(N)越多，每个刀片的使用寿命越长。

在示例性实施方式中且如图2和图3所示，切削表面全都布置在单个刀片120上，其中切削表面122b在第一端处与切削表面122a连续且在第二端处与切削表面122c连续。

图6和图10(以及分别地相关联的放大视图图7至图9和图11至图13)示出安装在刀片壳体102上的刀片120的类型的两个另外的可选择的实施方式。图6是具有如图7至图9所示的三个刀片类型的第一实施方式，每个刀片类型具有单个切削表面；图10是具有图11和图12所示的两个刀片类型的第二实施方式，一种类型具有单个切削表面，而第二类型具有两个切削表面。图13是具有两个切削表面的刀片类型的可选的实施方式。

参考图6至图9，图6是轴向地即平行于轴线112看到的材料移除刀具的一部分的平面图。作为参考，图6显示了直径减小的刀片壳体106和保持器108。保持器108在没有扩孔器的情况下示出。没有描绘直径减小的刀片壳体106的具体形式，且提到的特征既可应用于整体形成的刀片壳体也可应用于可分离的刀片壳体。图6所示的实施方式具有周向地布置在刀片壳体106上的三个刀片类型220a、220b、220c。这些刀片类型围绕刀片壳体106的周围交错，其中同一刀片类型在周向上非顺次布置。每个刀片具有用于有效加工的相关联的凹座170。

三个刀片类型通过其上的切削表面而使一个刀片类型区别于其他刀片类型，如图7至图9所示，其中第一刀片类型220a在图6、图7中显示，第二刀片类型220b在图8中显示，而第三刀片类型220c在图9中显示。在图7至图9中的每个图中，刀片和切削表面以径向即垂直于轴线112观察的平面视图示出。在该实施方式中，每个刀片类型220a、220b、220c分别具有单个切削表面222a、222b、222c，即在相对于轴线112的不同径向和轴线位置处。通常，每个刀片类型220a、220b、220c上的切削表面222a、222b、222c具有相对于材料移除刀具的轴线112的径向和轴向位置，如比如关于图2至图5所显示和描述的类似地定位的切削表面122a、122b、122c。

尽管单个切削表面222a、222b、222c在不同的径向和轴向位置，但是当在操作期间材料移除刀具旋转(ω)时，单个切削表面222a、222b、222c以组合其加工效果的方式旋转经过加工部位，以从工件移除材料，从而形成一种结构，比如阀座的顶表面、连接表面和杆表面。为防止刀片220a、220b、220c的邻接表面180与切削表面222a、222b、222c干涉，切削表面222a、222b、222c相对于邻接表面180延伸成在邻接表面180和工件的由不同刀片类型上的其他切削表面之一加工出来的相应表面之间提供间隙。

参考图10至图13，图10是轴向地即平行于轴线112观察的材料移除刀具的一部分的平面图。作为参考，图10显示了直径减小的刀片壳体106和保持器108。保持器108在没有扩孔器的情况下示出。没有描绘直径减小的刀片壳体106的具体形式，且提到的特征既可应用于整体形成的刀片壳体也可应用于可分离的刀片壳体。图10所示的实施方式具有周向地布置在刀片壳体106上的两个刀片类型320d、320b。该刀片类型围绕刀片壳体106的周围交错，同一刀片类型在周向上非顺次布置。每个刀片具有用于有效加工的相关联的凹座160。

两个刀片类型通过其上的切削表面而使一个刀片类型区别于另一个刀片类型，如图11和图12所示，其中第一刀片类型320d在图11中显示，而第二刀片类型320b在图12中显示。如前面陈述的，图13是具有两个切削表面的第一刀片类型320d的可选择的实施方式。在图11至图13中每个图中，刀片和切削表面以径向即垂直于轴线112观察的平面视图示出。在该实施方式中，每个刀片类型320d分别具有两个切削表面322a、322c，所述两个切削表面中每个切削表面在相对于轴线112的不同径向和轴向位置处。另外，每个刀片类型320b具有处于与第一刀片类型320d上的任一切削表面322a、322c不同的相对于轴线112的轴向和径向位置的单个切削表面322b。通常，每个刀片类型320b、320d上的切削表面322a、322b、322c具有相对于材料移除刀具的轴线112的径向和轴线位置，比如例如关于图2至图5所显示和描述的类似地定位的切削表面122a、122b、122c，但是在该实施方式中，两个切削表面122a和122c被组合在一个刀片320d上。

尽管切削表面322a、322b、322c在不同径向和轴向位置，但是当在操作期间材料移除刀具旋转(ω)时，切削表面322a、322b、322c以组合其加工效果的方式旋转经过加工部位，以从工件移除材料，从而形成一种结构，比如阀座的顶表面、连接表面和杆表面。为防止刀片320b、320d的邻接表面180与切削表面322a、322b、322c干涉，切削表面322a、322b、322c相对于邻接表面180延伸成在邻接表面180和工件的由不同刀片类型上的其他切削表面之一加工出来的相应表面之间提供间隙。

一个刀片320d上的两个切削表面320a、320c可为分离结构，如图11所示，或者可位于一个刀片结构上，如图13所示。在图13中，与切削表面相交的虚线显示了假想位置，其中切削表面的径向和轴向位置使得切削表面322b起主要作用。换句话说，刀片320d上的位于虚线之间的切削表面在加工操作期间不接触工件，而是刀片320b上的切削表面322b接触工件。在两个实施方式中，切削表面320a、320c都与刀片320b上的切削表面322b径向重叠。

尽管此处关于图10至图13描述了切削表面322b在分离的刀片320b上，而切削表面320a、320c在分离的刀片320d上，但是可对该布置进行修改和调整，以形成另外的实施方式。例如，切削表面320a、320c之一和切削表面322b可在同一刀片上，而切削表面320a和320c中的另一个则单独地在分离的刀片上，比如，切削表面322b和322a可在同一刀片上，或者切削表面322b和322c可在同一刀片上。

对于示例性的阀座应用，至少一个刀片上的至少一个切削表面相对于轴线112成约45度的角度。优选地，相对于轴线112成约45度的角度的所述至少一个切削表面是轴向地和径向地处在轴向地最前面的和径向地最内侧的切削表面122a、222a、322a以及轴向地最后面的和径向地最外侧的切削表面122c、222c、322c之间的切削表面。在本文的各实施方式中，相对于轴线112成约45度的角度的这一至少一个切削表面被认为是切削表面122b、222b、322c，且相对于轴线112的约45度角度为θ₂。

不管是将轴向地最前面的和径向地最内侧的切削表面122a、222a、322a以及轴向地最后面的和径向地最外侧的切削表面122c、222c、322c布置在分离的刀片类型120a、120c和220a、220c上或布置在同一刀片类型320d上，将这些表面设置在与轴向地和径向地在其间的切削表面122b、222b、322b不同的刀片上可被采用，以提供由不同切削表面加工出来的表面之间的有利的会合角度。例如，如果轴向地最前面的和径向地最内侧的切削表面122a、222a、322a和/或轴向地最后面的和径向地最外侧的切削表面122c、222c、322c与轴向地和径向地在其间的切削表面122b、222b、322b重叠，例如，切削表面延伸经过其间的有效相交点，则在工件中通过加工出来的表面的会合而形成的角度将是非圆角的。可选择地，如果所有的切削表面在一个刀片上，则加工刀片以形成切削表面的结果将在加工出来的表面的相交处留下圆角。该圆角可例如通过利用比如电火花加工(EDM)的切削工艺来产生，其中电极丝直径(wire diameter)防止形成非圆角的角度。在阀杆应用中，引入一个或多个圆角可有利于阀杆操作期间的空气流动。

类似于图13，刀片的切削表面322可刚好大于有效地切削工件的表面。此外，刀片和切削表面的布置不限于此处描述的几何形状。例如，刀片可具有切削表面的组合，且切削表面322可与相邻的切削表面322重叠。

所公开的材料移除刀具可用于加工工件。在一个示例性实施方式中，材料移除刀具可用于加工阀座。在从工件移除材料的示例性方法中，此处公开的材料移除刀具安装到机床的主轴且旋转。扩孔器插入工件的引导孔内，且工件的材料通过使材料移除刀具的多个刀片接触工件而被移除。

当采用可分离的刀片壳体时，刀片壳体可在材料移除刀具保持安装在主轴上时被更换。在其中刀片的轴向位置需要被调整的情形中，比如，在修整切削表面之后，直径减小的周向刀片壳体的轴向位置可通过被置于材料移除刀具的主体和直径减小的周向刀片壳体的匹配表面之间的隔离物来进行调整。

尽管结合本发明的优选实施方式进行了描述，但是本领域技术人员应理解，可以进行未具体描述的添加、删除、修改及替换，而不会偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。