专利名称：高速旋转刀具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速旋转刀具。确切地说，本发明涉及一种采用转盘的铣刀。一条箍圈环绕此转盘以遏制由离心力引起的膨胀。
目前，铣刀被设计成具有一个与刀柄相连的刚性刀体，而所述刀柄与机床相连。这样的设计对于转速低于10000rpm的绝大多数用途来说是有吸引力的。为了在保持优质光洁度的同时提高效率，需要使铣刀以高于10000rpm(转／分)的速率旋转。如今需要提供一种将在转速至少为30000rpm的情况下有效工作的铣刀。
市场上销售的铣刀不可能有这样的转速。铣刀是由具有大比重的钢制成的。由钢制成的铣刀的总重量在高速工作情况下因离心力引起了变形。这导致切削镶齿偏移以及机加工产品尺寸的不一致。
另外，在铣削过程中始终存在振动现象且钢的减振能力差。因此，可能无法有效地减轻振动。
另外，钢制铣刀具有过大的惯量，这拖累了机床并需要较长时间加速或从高速减速。加速也需要更大功率的机床。
标题为“机床主轴”的美国专利NO．5018915使人们认识到了一种机床主轴，它由浸有热固型树脂的卷绕形碳纤维或玻璃纤维制成，从而使主轴适于容纳刀柄部。
另外，在《科普杂志》(XX卷)中的题为“蓄能理想飞轮的研究”的文章使人们知晓了一种采用各种不同的复合材料的高速飞轮的设计方案。
上述参考文献都没有教导或提出铣刀设计方案，而在实际生产中需要一种可用于转速至少为30000rpm场合的铣刀。另外，在如此高的转速下，刀具断裂的可能性变得更重要了。因此，需要某种机构来限制铣刀的径向膨胀并在刀具断裂时实际地限制松脱部分从铣刀上甩下来。
本发明的目的之一是提供一种减轻重量以便最大程度地减小由铣刀转动引起的离心力的铣刀。
本发明的另一个目的是提供一种限制径向膨胀的铣刀。
本发明的再一个目的是提供一种减轻铣刀刀体振动的机构。
本发明的又一个目的是提供一种限制机构，从而在刀具断裂的情况下，使可能松脱的任何部分受到实际限制而不会脱离铣刀刀体。
根据本发明，提供了一种可与机床主轴配合以便绕纵轴高速旋转的旋转刀具。刀具是由一个可装在主轴中的刀柄和一个与刀柄相连且具有一个中心毂和外周边的圆盘构成的。圆盘相对所述纵轴对称。切削镶齿对称地固定在圆盘的周边上。一条由高韧性材料制成的箍圈环绕圆盘的周边以限制由作用于圆盘上的离心力引起的膨胀。一个外罩可环绕圆盘以减轻振动并在圆盘部件脱离盘体时约束该圆盘部件。为减轻重量，可以设置穿过圆盘的通路和穿过中心毂的毂孔。外罩材料也可穿入这些通路和毂孔，以便围绕圆盘地内连在一起。
图1是本发明刀具的等角视图；图2是在图1中用圆圈标出部分的局部等角视图，其中为了清楚起见，颠倒地画出了此部分；图3是与图2相同的但切削镶齿被除去的局部等角视图；图4示出了本发明第二实施例的等角视图，在此实施例中加入了限制材料；图5以与图4所示相反的角度示出了本发明的等角剖视图；图6示出了在图5中用圆圈表示的局部；图7示出了本发明的侧视图；图8示出了本发明的仰视图。
图1示出了具有一个与圆盘14相连的刀柄12的本发明的铣刀10。刀柄12具有标准结构，如采用了两个局部凹槽16以便与匹配键(未示出)接合并采用了一个截头圆锥形外表面18以便与机床的配合主轴(未示出)接合的HSK标准化连接面结构。
切削镶齿20对称地安装在圆盘14的周边上。切削镶齿20可以通过镶齿凸缘22与圆盘14相连。另一方面，切削镶齿20可以安装在圆盘14的凹槽中，从而只有镶齿20的切削部分从圆盘14中凸出。
从圆盘14上凸起的镶齿凸缘22和镶齿20被安装到圆盘14上，这产生了偏移量，而这种偏移破坏了否则将对称的圆盘14的结构。尽管这样的结构可能会在动态中得到平衡，但是离心力将造成镶齿凸缘22和镶齿20沿径向向外地偏移，由此在镶齿凸缘22的部位施加了一个绕一圆盘14的切线的弯曲力矩。这将致使圆盘14因其在各凸缘22所在的地方弯曲而变成凹形。这将影响铣刀10的结构完整性，同时还影响各切削镶齿20相对于工件的位置。这样的弯曲(它在高速情况下会扩大)是人们不希望看到的。
为此，平衡凸缘24在与镶齿凸缘22相同的圆盘14的径向位置上但在圆盘14的相反侧上从圆盘14伸出。各平衡凸缘24的重心在纵向上与镶齿凸缘22／镶齿20组合件的重心对准并且也在纵向轴线上与圆盘中心间隔相同的距离，从而平衡凸缘24产生了与由镶齿凸缘22／镶齿20组合件产生的力大小相等但方向相反的力。由此消除了由因镶齿凸缘22和镶齿20的安装引起的弯曲造成的圆盘14的变形。
为了限制由因转动引起的径向膨胀造成的径向变形，各平衡凸缘24和镶嵌凸缘22可与中心毂28的辐条26相连。这些辐条的高度可约等于有关凸缘的高度的一半。
为了减轻铣刀10的质量，从圆盘14上除去了不必要的材料。具体地说，除去了凸缘对之间的圆盘材料以构成穿过圆盘14的通路30。另外，从中心毂28上除去材料以构成径向通孔或毂孔32。材料的去除不仅减轻了与铣刀有关的重量，而且还省去了否则将有助于形成刀具所承受的离心力的物质。
可以加工出用除了钢以外的材料制成的圆盘。在这种情况下，可降低除去材料以减轻重量的要求。
即使在从圆盘14和中心毂28上除去材料的情况下，剩余的径向支承件即辐条26和在通路30之间的残余圆盘材料仍然可能因刀具10的高速旋转而发生径向膨胀。为了限制这种膨胀，将由高韧性材料作成的箍圈34紧固在圆盘14的周围。
高韧性材料将具有高的抗拉强度和高的弹性模量以保证刚性。可以由联合有树脂的石墨碳纤维或具有高抗拉强度的金属如某些钢种制成箍圈。这样一来，可获得从铣刀上除去材料的优点且同时因存在箍圈34而消除了结构支承件少所带来的不利。
图2和图3示出了在图1中用圆圈标示的镶齿20和镶齿凸缘22的其它细节。为了清楚起见，图2和图3与图1所示取向相反。参见图2，装有镶齿20的镶齿凸缘22从圆盘14凸起。镶齿20是由L形基片35构成的，此基片具有一个与凸缘22上的配合侧面38(图3)接合的唇部36。另外，镶齿具有分别与凸缘22的匹配前面44和匹配底面46配合的背面40和底面42。可用螺钉48将镶齿20紧固在凸缘22上，此螺钉穿过镶齿的中心开孔50并接合在凸缘22的匹配前面44后面的螺纹孔52。
也可以通过其它传统方式将镶齿20紧固到镶齿凸缘22上，如将镶齿20钎焊到镶齿凸缘22上。
应该注意的是，在图1-图3中，表面间的过渡段在多数情况下是弯曲的或成圆角状的。众所周知的是，在任何设计方案中，尖角造成可能在结构中引起薄弱点的应力集中。为此，可以通过在表面间形成圆滑的过渡段而降低在这些区域中的应力。尽管未在各例子中示出这样的结构，但显然一个优选的实施例必须采用圆滑的过渡段以连接间断的各表面。
再次参看图1，设有一条环绕中心毂28的外围延伸的周向槽54，它具有位于此槽上方的第一凸缘56和位于此槽下方的第二凸缘58。尽管第一凸缘56的目的可能是将刀柄12准确地定位于机床的主轴中，但凸缘56的厚度和槽54的存在完全是由对机械手的要求决定的，而机械手在自动的刀具更换过程中插入槽54中。
因此，应该这样理解周向槽54、第一凸缘56和剩下的刀柄部分12都可以易于经过改造而适用于所有商用刀具的更换方案，无论这些方案可能是或不是自动换刀类型的。
刀柄12和凸缘56、58通常是由钢或合金钢制成的。但是，尽管可由相同的材料制成圆盘，由此造成刀柄和圆盘成为一整体构件，但完全可以用传统材料制造刀柄12而用具有所需性能如高的平面刚度的其它材料制成圆盘。
具体地说，虽然刀柄通常是由钢制成的，但圆盘14可以由金属如钢或钛，或具有低密度和高刚度的材料如用纤维增强的复合材料制成。在工业领域中目前正在使用许多这样的材料。可以采用传统装置如通过螺栓连接的两个匹配凸缘而使由一种材料制成的刀柄12与由另一种材料制成的圆盘配合。由于中心毂28的径向长度小于到圆盘14周围的径向距离，所以使作用于这些配合部件上的离心力变小。
如图1所示，箍圈34可以在环绕圆盘14的周边的槽60中与圆盘14联接在一起。在替换实施方式中，可以取消槽60而将箍圈34固定在圆盘14的外周上。
切削镶齿20可具有一个带凹槽64的基片35，多晶金刚石(PCD)刀头66可钎焊到所述凹槽中。在这种情况下，最好在PCD刀头66和基片62之间设置一块垫板68以便为易碎的PCD刀头66提供足够的支承。也可以直接将PCD刀头66固定在凸缘上，但是在这种情况下不容易更换刀头66。最后，可以采用由除了PCD外的其它材料如硬质合金材料或包层的硬质合金材料制成的刀头。
在这里描述的是能够高速旋转的铣刀，它之所以能够高速旋转是因为进行了结构改动以提高强度，并去除了材料以减少质量和与这些物质有关的力。尽管此方案是有效果的，但是就象在任何旋转刀具的情况下出现的那样，仍然可能在工作中出现突然失效。
图4描述了本发明的第二实施例，其中图1-3所示的圆盘14被包裹在一个外罩80中。该外罩被设计成在发生突然失效时用作为限制材料。如图4所示，外罩的顶部82和外罩侧面84完全覆盖了圆盘14的侧面和顶部。另外，如图4和图5所示，外罩的底部86覆盖了铣刀底部的大部分。
也如图4、图5所示，外罩材料穿入圆盘14中的通路30和中心毂28上的毂孔32中。结果，外罩材料穿过铣刀圆盘地内连在一起，由此最大程度地限制了任何可能松脱的圆盘14的部分。另外，如图5、图6所示，箍圈34也被包裹在外罩材料中。
应该从图4、图6中看到，外罩材料完全包围圆盘14并尽可能多地包围镶齿凸缘22，而这不会影响容易地更换切削镶齿的能力。当镶齿被永久地固定在镶齿凸缘22上时，此特征变得不重要了。
由于铣刀是设计用于在高速下工作的，所以平衡变得十分重要。尽管可以在动态中精确地平衡铣刀刀柄12和有关的圆盘14以及切削镶齿20，但对外罩材料的均匀且平衡的分布的控制是不力的。因此，铣刀有可能需要附加平衡，而附加平衡可以通过引入任何可获知的工业用平衡技术而得以实现。这可能包括采用如授予Kennametal公司的、名称为“平衡旋转刀具组件的方法和装置”的US5074723中所述的平衡圈。
外罩材料可以是任何种类的弹性材料，它能够包围并约束可能会脱离的圆盘14的部分。具体地说，外罩可以由包括碳纤维增强聚合物(CFRP)、芳香烃聚酰亚胺纤维、碳-玻璃纤维增强聚合物的多种材料制成。这些材料被注塑在圆盘14的周围或被卷绕在圆盘的周围，从而这些材料将穿过通路30和毂孔32并也遍布外罩80的顶部82和底部86。
如此形成的结构是外罩材料内连成一体的结构，它能够裹住圆盘14的松脱部分。对外罩材料来说，无需将上述松脱部分保持在其原有的位置上。因此在脱离时，可能在铣刀中出现明显的不平衡，而外罩只是一直裹住这些部分，直到刀具停转为止。
图6示出了在圆盘14的槽60中的箍圈34的断面局部。值得注意的是，箍圈34就象圆盘14的其它部分那样被包围在外罩80中。
图7示出了本发明第二实施例的侧视图，其中圆盘(未示出)被包裹在外罩80中。图7不仅示出了外罩包裹圆盘的能力，而且还示出了外罩给图1所示的否则会相当不连续的外型结构提供流线形轮廓的能力。在高速旋转的情况下，旋转部件的不规则部分将产生由空气动力湍流造成的不平衡和噪音。为此，外罩产生了使铣刀轮廓成流线形的第二个优点，由此减弱了由表面不规则性引起的振动和噪音。
最后，无论铣刀可以多大程度地得到平衡，但总是存在一定程度的振动。与铣刀形状无关地，这种振动甚至可能是由工件的不均匀造成的。尽管这样的振动可能无法完全受到控制，但是外罩材料可以裹住刀柄12和圆盘14以便有效地减轻在铣刀中的这种振动。这是有利的，因为在某些应用场合中，在没有减轻这种振动的情况下，如图1所示的未包套的铣刀可能承受着会造成不希望有的切削镶齿20的位移的振动。
因此，外罩80的好处有三种其一，外罩包围并限制铣刀部件；其二，外罩降低了噪音和空气动力振动；其三，外罩的作用是减轻铣刀的内部振动。
图8示出了铣刀的仰视图和由外罩材料形成的圆滑外型。
如上所述，旋转刀具应该具有高的刚度、稳定的切削镶齿、抗振性以及用于包裹可能因刀具断裂而变松动的部分的外罩。
用于任何刀具部分的碳纤维的种类必须具有高强度。在这些材料中，芳族聚酰胺纤维含有具有负膨胀系数的纤维。这样的纤维可与热固性树脂、热塑性树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、聚酰亚胺树脂结合。
纤维增强复合材料的施加方法包括直接绕丝法、片材缠绕法和粗纱缠绕法。
尽管根据两个优选实施例描述了本发明，但是各种修改、补正和补充对本领域中的普通技术人员来说是显而易见的。尽管本文的目标是用于铣刀设计方案，但这种设计方案不应该局限于这种刀具且它可以用于其它的任何采用与刀柄相连的圆盘且圆盘直径大于刀柄直径的旋转刀具。申请人意图在本发明的范围内涵盖所有这样的补正、修改或补充，而在这里只是由后附的权利要求限定了本发明的范围。
权利要求
1．一种可与机床的主轴配合以便绕一纵轴高速旋转的旋转刀具，它包括a)一个可装在主轴内的刀柄；b)一个相对于纵轴对称的圆盘，它与刀柄相连并具有一个中心毂和一个外周边；c)对称地安装到圆盘的外周边上的切削镶齿；d)一条由高韧性材料制成的箍圈，它环绕圆盘的外周以限制由作用于圆盘上的离心力造成的膨胀。
2．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，该箍圈是由碳纤维制成的。
3．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述箍圈是由石墨碳纤维制成的。
4．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，该箍圈是由金属制成的。
5．如权利要求4所述的刀具，其特征在于，该箍圈是由钢制成的。
6．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，镶齿沿纵向从圆盘上凸起。
7．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，圆盘还包括沿纵向从圆盘的外周边凸起的镶齿凸缘，而且所述镶齿固定在这些凸缘上。
8．如权利要求7所述的刀具，其特征在于，圆盘还包括沿与镶齿凸缘相反的方向从圆盘的外周边纵向地凸起的平衡凸缘。
9．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，各镶齿是由一块带有唇部的基片构成的，所述唇部与一个圆盘的配合边缘配合以便径向固定镶齿。
10．如权利要求9所述的刀具，其特征在于，各镶齿是由一块装有多晶金刚石刀头的基片构成的。
11．如权利要求9所述的刀具，其特征在于，各镶齿是由具有硬质合金材料的基片构成的。
12．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，它还包括一个外罩，此外罩至少包围了圆盘的外周边。
13．如权利要求12所述的刀具，其特征在于，外罩还包住了圆盘的顶部和圆盘的一部分底部，未覆盖镶齿。
14．如权利要求12所述的刀具，其特征在于，外罩是由碳纤维增强聚合物(CFRP)材料制成的。
15．如权利要求12所述的刀具，其特征在于，外罩是由芳香烃聚酰亚胺纤维材料构成的。
16．如权利要求12所述的刀具，其特征在于，外罩是由碳-玻璃纤维增强聚合材料制成的。
17．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，圆盘具有一系列的辐条，所述辐条使中心毂与圆盘的外周边连在一起。
18．如权利要求17所述的刀具，其特征在于，如此地确定辐条的位置，即它们沿圆周对准镶齿。
19．如权利要求17所述的刀具，其特征在于，它还包括一个外罩，此外罩包住了圆盘的一部分底部、外周和顶部，没有盖住切削镶齿。
20．如权利要求17所述的刀具，其特征在于，除去辐条间的材料以构成一系列穿过圆盘的通路。
21．如权利要求20所述的刀具，其特征在于，它还包括一个外罩，此外罩包住了圆盘的一部分底部、外周和顶部，没有盖住切削镶齿，而且此外罩穿入通路并由通路内连成一体。
22．如权利要求20所述的刀具，其特征在于，圆盘的中心毂具有一系列毂孔，它们沿径向取向并位于中心毂的四周上。
23．如权利要求22所述的刀具，其特征在于，外罩还穿过毂孔且由毂孔内连在一起。
24．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，刀柄和圆盘是一体的且由钢制成。
25．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，刀柄和圆盘是一体的且由钛制成。
26．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，刀柄由钢制成，圆盘由钛制成。
27．如权利要求1所述的刀具，其特征在于，刀柄由钢制成，圆盘由纤维增强复合材料制成。
28．一种可与机床的主轴配合以便绕一纵轴高速旋转的旋转刀具，它包括a)一个可装在主轴内的刀柄；b)一个相对于纵轴对称的圆盘，它与刀柄相连并具有一个中心毂和一个外周边；c)一系列沿纵向从圆盘的外周边凸起的且对称地布置在圆盘的周边上的镶齿凸缘；d)固定在各镶齿凸缘上的切削镶齿；e)一系列沿与镶齿凸缘相反的方向从圆盘的外周边纵向地凸起的平衡凸缘；f)一条由高韧性材料制成的箍圈，它环绕圆盘的周围以限制由作用于圆盘上的离心力造成的膨胀；以及g)一个包住圆盘的顶部、侧面和一部分圆盘底部但未覆盖切削镶齿的外罩。
全文摘要
本文披露了一种可与机床主轴配合以便高速旋转的旋转刀具(10)。此刀具是由圆盘(14)和刀柄(12)构成的。在圆盘(14)的周边上固定有切削镶齿(20)。这些镶齿(20)可直接固定在圆盘上的凹槽中或固定在从圆盘(14)凸起的凸缘(22)上。如果镶齿被固定在凸缘(22)上,则圆盘(14)还将具有从圆盘(14)沿反向凸起的对置的平衡凸缘(24)。一条由高韧性材料制成的箍圈(34)环绕圆盘(14)以限制径向膨胀。另外,圆盘(14)可能被包裹在限制材料中以约束任何可能脱离圆盘体的圆盘部分。
文档编号B23C5/00GK1205661SQ96199273
公开日1999年1月20日 申请日期1996年10月22日 优先权日1996年10月22日
发明者蒂莫西·R·费尔德西内 申请人:钴碳化钨硬质合金公司