专利名称：加工高弹性后效材料中孔的刀具的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及用于在工件中加工孔的切削刀具，具体涉及加工弹性后效较高或具有记忆特性的金属材料中的孔而不发生孔的内壁与刀具的外围咬住的现象的钻头和铰刀。
用于在金属工件中加工孔的切削刀具例如钻头或铰刀在现有技术中是为人熟知的。现有技术的钻头通常具有一根端部与一个由两个或多个相对于转动轴线径向延伸的切削刀片构成的钻头尖部相连接的刀杆，上述的多个切削刀片由多个用于排出在钻头尖部穿入材料中而钻出工件中的孔时产生的切屑和碎末的螺旋形凹槽隔开。钻头的上述带凹槽部分的端部与夹持在由电动机带动的夹盘中的圆柱形的或圆锥形的刀柄相连接。为了保证钻头的带凹槽部分的外围不与钻头尖部钻出的孔相摩擦，通常使上述钻头的带凹槽部分稍微倾斜千分之几英寸，从而使钻头的直径从钻头尖部向刀柄逐渐减小。
铰刀用于对已有的孔进行扩孔和精加工。为此，铰刀具有多个沿刀杆的圆周分布并沿纵向延伸的直的切削刀片，这些切削刀片由用于接纳和排出铰切作业时产生的切屑和碎末的直的凹槽所隔开。与钻头不同的是，上述现有技术的铰刀不是从其前端至其尾端逐渐变细，而是沿其切削刀片的全长保持相同的直径。在铰切作业时切去适度的材料与大多数金属所具有的可抛光性和弹性后效小相结合，通常可使上述铰刀履行其扩孔和精加工功能而不会过分的摩擦或咬住。
虽然上述现有技术的钻孔和铰孔刀具通常可很好地加工由弹性后效小的金属(例如钢)制成的工件，但是，本申请人业已发现，当上述刀具用于加工弹性后效大的合金例如铝合金、钛合金和镍合金中的深孔时，便会出现问题。具体地说，当现有技术的钻头用于加工上述合金制成的工件中的深孔时，由钻头尖部钻出的孔的内径可能在钻头穿入工件时在钻头尖部的后面实际回弹或者说径向收缩千分之几英寸；从而最终使孔的内壁与钻头的带凹槽外表面相接触。由上述摩擦接触产生的热不仅会使钻头由于咬住和磨损而损伤孔的内部(有时使孔破裂)，而且有时还可使由可燃金属例如钛制成的工件燃烧。现有技术的铰刀用于加工高弹性后效材料时还可在铰切作业时产生过量的摩擦。通常，铰刀前端的主要工作是扩孔，所以铰刀刀片的前端仅与孔壁轻微接触，但是，若这些铰刀用于加工高弹性后效合金制成的工件时，铰刀前端后面的孔的缩小可使刀具由于局部熔化而被损伤或破裂，并随后使铰刀刀片的外端与孔的内表面之间发生过度磨损而咬住。
显然，需要有可在弹性后效高的合金制成的工件中加工孔的切削刀具。从理论上讲，这种切削刀具要能够在上述材料制成的工件中钻出或铰扩孔而刀具的侧面与孔的内表面之间极少接触或根本不接触，以便避免任何可能发生的咬住、损伤和破裂现象。这种切削刀具最好是结构较简单，可与现有技术的钻头和铰刀相结合。最后，这种切削刀具应当具有长的使用寿命，并且对弹性后效特性高或低的材料钻孔或铰孔同样有效。
总的说来，本发明是一种用于在由高弹性后效材料(例如钛合金、铝合金和镍合金)制成的工件中加工孔的切削刀具例如钻头或铰刀。这种切削刀具具有一个可转动的刀杆，该刀杆的前端至少具有一个从切削刀片径向延伸的切削刃，该切削刃的径向距离比刀杆其余部分的半径大。上述切削刃沿转动轴线方向的长度等于含有一个斜边的前端与由切口形成的尾端之间的距离。切削刃的径向距离约比刀柄的外径大1％～4％，优选地大约为2.5％。切削刃长度的大约30％～60％大致平行于转轴的轴线，切削刃的长度最好是至少为0.05英寸，以便可以多次磨尖刀具的前端，上述的长度也可以达到0.24英寸。
当切削刀具是钻头时，每个切削刃的前端倾斜45°角；切削刃的大致平行于转动轴线的侧边可稍微向后倾斜1°以内。在最佳实施例中，其相对于转动轴线的后斜角为0.2°或更小。上述的切口由一条大致垂直于转动轴线的直线后边所界定。为了使钻头尖部的刀片与工件中钻出的孔的内壁之间的摩擦减至最小，可使从钻头刀片延伸出来的每条切削刃的圆周长度仅约为刀具圆周长度的0.30％～0.70％，最好为0.4％。
当切削刀具是铰刀时，上述的侧凹端由一条相对于转动轴线倾斜约35°～55°角的基本上是直的后边界定。沿刀杆的圆周设置多个铰刀片。每个刀片被多个平行于转动轴线的凹槽彼此隔开，每个铰刀片的前端与上述的切削刃相连接。为了使铰刀片与工件中的孔之间的摩擦减至最小，可使设置在铰刀片前端上的每个切削刃的圆周长度仅约为刀具圆周长度的0.30％～0.70％。最后，每个切削刃的前端最初倾斜45°角，同时又在45°前斜边与平行于转动轴线的侧边部分之间形成一个附加的10°倾斜的过渡斜边。
上述的刀具无论是钻孔还是扩孔都有利于在由弹性后效量极大或者有记忆特性的材料制成的工件中顺利地进行切削操作。上述刀具的较大外径可使所加工的孔的内壁与刀柄外围之间形成足够的间隙，所以，刀柄不会在钻头前端穿入工件时与孔壁咬住或者磨损。通过较简单地在刀具后侧上的切口和前侧上的斜边之间形成切削刃，可使本发明方便地与现有的钻头和铰刀相结合。上述切削刃的小的边缘区可减小摩擦和切削力，并延长刀具的使用寿命。上述的刀具可用于加工弹性后效量大或小的材料。
下面结合附图详细说明本发明，附图中
图1是具有本发明切削刃的正在工件上钻孔的钻头的侧视图；图2是图1中划圆区的放大图，示出了本发明的切削刃；图3是图1所示钻头的前视图，示出钻头尖部以及本发明的切削刃与孔壁之间的边缘接触情况；图4是图2所示切削刃的等角视图，具体示出切削刃的侧面是如何倾斜以减小切削刃与工件中钻出的孔之间的边缘接触面积的；图5是具有本发明的切削刃的正在精加工工件中的孔的铰刀的侧视图；图6是图5中划圆圈区的放大图，示出本发明的切削刃；图7是图6所示的切削刃的后视图；图8是沿图5中的8-8线的铰刀的前视图9是图8所示的切削刀片的划圆部位的端部的放大图；和图10是图6所示切削刃的前端的等角视图，示出其切削刃的侧面是如何倾斜以便减小与铰刀加工的孔相接合的边缘接触面积的。
下面参看图1和2(在所有的图中，相同的部件用相同的标号表示)，本发明是一种切削刀具1，例如用于在工件4上钻出孔3的带有切削刃5的钻头2。上述的切削刃5从钻头2的切削刀片沿径向延伸，以便防止发生刀具1被咬住或磨损的现象(下面再说明)。在最佳实施例中，上述切削刀具(钻头2或铰刀35)用一种实心的料块例如高速钢或其他硬质耐磨材料(如烧结碳化钨(钴))整体制成。
钻头2具有一个前端带有钻尖9的可转动的刀杆7，如图1和3所示，上述钻尖9是由3条互成120°角隔开的切削刀片11会聚而形成的。每个刀片11具有一个可在切削操作时向切削刀片11和工件4喷出加压冷却液的冷却液孔12，在本发明的小型钻头中，也可以没有这种冷却液孔12。刀杆7还具有一个从其前端向后延伸的带凹槽的部分13，该部分内的螺旋形槽15有助于排出在钻孔操作过程中由切削刀片11的刀刃切出的切屑和切末及其他材料。如图所示，螺旋形槽15的上端与一个圆柱形部分16相连接，钻头3的末端是一个可插入机动切削机床之夹盘(未示出)的夹口内的刀柄17，上述夹盘既可转动又可使钻头2向工件4推进。
下面具体参看图2，每个切削刃5具有一个前端22和一个从端部22向后延伸的由直径减小的切口形成的侧凹端23。该切口形成一条直的后边27，本发明用于钻头2时，上述直的后边27最好垂直于一条与钻头2的转动轴线X2相平行的直线X1，在图1可以清楚地看出，上述切口的作用可使钻头2的位于前端后面的直径D1减小到位于后边27后面的所有各点处的较小直径D2。钻头2在切削刃5附近的直径D1较大，有利于使孔3的内径大到足以防止钻头2的刀杆7的直径较小(D2)的其余部分与孔3相接触，即使在制造工件4的材料的弹性后效量大并且钻头2最大程度地钻入工件4的情况下也是如此。
但是，为了最好地达到本发明的不发生咬住现象的目的，同时又使刀具具有最长的工作寿命，重要的是必须使D1与D2之差很小，即大约为1.5％～4％，换句话说，由切削刃5形成的外围半径R1必须比钻头2的可转动的刀杆7的其余部分的半径R2约大1.5％～4％。如果半径R1不是至少比半径R2大1.5％，那么，当钻头2钻入由弹性后效大的金属材料制成的工件4时，由切削刃5钻出的孔3的内径可能不够大到足以避免与钻头2的带槽部分13相接触。另一方面，如果切削刃5的半径R1比钻头2其余部分的半径R2大4％以上，那么，当钻头2钻入工件4时，由于沿直线X1产生较大的剪切力而使切削刃5容易破裂或断裂。在最佳实施例中，由切削刃5形成的半径R1比钻头2的刀杆7的其余部分形成的半径R2大2.5％。
参看图2和3，每个切削刃5具有一条大致平行于与钻头2的转动轴线X2相平行的直线X1的直侧边29。在最佳实施例中，侧边29并不完全平行于直线X1，而是向后倾斜一个很小的角度A，该角度是相对于与钻头2的转动轴线X2相平行的直线X1倾斜约0.1°～0.5°。在最佳实施例中，角度A为0.2°。业已发现，上述的十分轻微的向后倾斜与斜边25(该斜边25相对于侧边29的倾斜角度约为45°)的设置相结合，可加强钻头2的钻削作用，因为可使切削刃5更容易钻入工件4中。在最佳实施例中，直侧边29的轴向长度L1至少为切削刃5的总的轴向长度L2的40％，更好是至少为其总的轴向长度L2的60％。总的轴向长度L2最好不大于0.25英寸，以避免切削刃5与钻头2钻出的孔3的内壁之间的过度摩擦。
图3和4示出每条切削刃5的侧边29的斜边25是如何由径向壁30与圆周壁31相交而形成的。圆周壁31具有一个斜面33(见图4)，以减小切削刃5与工件4之间的边缘接触区34。在最佳实施例中，斜面33的尺寸做成可使边缘接触区34的圆周长度C与由切削刃5限定的外径的圆周长之比约为0.3％～0.7％，最好约为0.4％。上述的较小的边缘接触长度C可减小切削刃5与工件4中钻出的孔3的壁之间的边缘接触区34，并显著减少切削刃5与工件4之间产生的摩擦量。这种摩擦量的减小不仅减小了切削力和延长刀具1的使用寿命，而且可减少由可燃金属例如钛制成的工件4发生燃烧的危险。
图5、6和7示出本发明如何应用于铰刀35之类的切削刀具。铰刀35具有一个前端41带有本发明的切削刃42的可转动的刀杆39。上述切削刃42从多条沿刀杆39的圆周不对称隔开的切削刀片43延伸出来。几个刀片、也可以是全部刀片43可带有向刀片43和工件4喷出增压冷却液的冷却液孔44，刀片43由纵向凹槽45分开，该凹槽45与钻头2的凹槽15一样，用于排出加工和扩大孔3时产生的金属切屑。凹槽45的上端与刀杆39的圆柱形刀柄47相连接。在使用时，刀柄47的自由端夹紧在机动机床的夹盘内，该夹盘一边转动，一边推进铰刀35的前端41进入工件4的孔3内。
下面具体参看图6和7，在前端51与侧凹端53之间形成切削刃42。前端51具有斜边55。虽然斜边55的绝大部分由相对于与铰刀35的转动轴线X2相平行的直线X1成45°角的斜边57形成，但是，斜边55还含有一段将45°斜边57接入侧边61的10°的斜边59。斜边55的这种双重倾斜可使铰刀35在扩孔和加工过程中更顺利地进入孔3内。每个切削刃42的切口53的尾部形成后边62，该后边62与钻头2的后边27不同，它向后倾斜45°角。
从图6可以清楚地看出，由切削刃42的侧边61形成的径向距离R1比铰刀35的其余部分的径向距离R2约大1.5％～4％。另外，侧边61的长度至少为切削刃42的总长度的40％，最好是至少为60％。最后，每条切削刃42的总长度不大于0.25英寸，最好约为0.20英寸。这种尺寸可使切削刃42与所加工的孔3的内壁之间的摩擦量最小，同时又保持足够的总长度可使铰刀35的切削刀片43再磨锐几次。
下面参看图8、9和10，由径向壁63与圆周壁65相交形成了构成切削刃42的主工切削刃的侧边61，做出斜面67以减小每个切削刀片43与所加工的孔3的内壁之间的边缘接触区69，如同钻头2的情况那样，边缘接触区69的圆周长度C约为转动的切削刃42构成的总周长的0.3％～0.7％，最好为0.4％，这样设定尺寸可使切削刃42与所加工的孔3的内壁之间的切削力减至最小，还可有利地使加工操作过程中摩擦产生的热量减至最少。
虽然上面结合两个最佳实施例说明了本发明，但是上述的切削刃5、42实际上适应于用于在工件中形成或者说加工出孔的任何切削刀具。一般熟悉本技术的人们将会明白本发明的各种改进、补充和改型。所有的这些改进、补充和改型都应纳入仅由所附权利要求书限定的本发明的范围内。
权利要求
1．一种用于在工件上加工孔的切削刀具，它具有一个可转动的刀杆，该刀杆的前端具有至少一个最先与工件接合的切削刃，该切削刃沿上述刀杆的转动轴线的长度等于前端与侧凹端之间的距离，上述切削刃沿其总长度与上述轴线的径向距离大于上述刀杆之其余部分的径向距离，并且从上述切削刃的中心部位向上述前端逐渐变小。
2．根据权利要求1的切削刀具，其特征在于，上述切削刃的上述径向距离约比上述刀柄的半径大的量小于4％。
3．根据权利要求1的切削刀具，其特征在于，上述切削刃的上述长度的至少一部分大致平行于上述的转动轴线。
4．根据权利要求1的切削刀具，其特征在于，上述切削刃的上述长度的至少约30％的大致平行于上述的转动轴线。
5．根据权利要求1的切削刀具，其特征在于，上述切削刀具特别适用于在记忆金属中加工孔。
6．根据权利要求5的切削刀具，其特征在于，上述的金属可以是铝合金、钛合金和镍合金中的一种。
7．根据权利要求5的切削刀具，其特征在于，上述的切削刃可防止上述工件的孔壁与上述可转动的刀杆的上述其余部分之间发生咬住现象。
8．根据权利要求1的切削刀具，其特征在于，上述的切削刀具是钻头和铰刀中的一种。
9．根据权利要求1的切削刀具，其特征在于，上述切削刃的上述长度约为0.05～0.24英寸，以便可以多次磨快切削刃。
10．根据权利要求1的切削刀具，其特征在于，上述切削刃相对于上述转动轴线的上述倾斜角度约为30°～60°。
11．一种用于在工件中加工孔的切削刀具，它具有一个可转动的刀杆，该刀杆的前端具有至少一条最先接合上述工件并可防止上述刀杆的其余部分咬住在上述工件内的切削刃，该切削刃沿转动轴线的长度等于其倾斜的前端与侧凹端之间的距离，其特征在于，上述切削刃的上述长度的至少一部分大致平行于上述的转动轴线。
12．根据权利要求11的切削刀具，其特征在于，上述切削刃的上述平行部分与上述的转动轴线间的径向距离比上述可转动的刀杆的其余部分的径向距离约大1％～4％。
13．根据权利要求11的切削刀具，其特征在于，上述切削刃的上述大致平行于转动轴线的部分至少约为上述切削刃的上述长度的30％。
14．根据权利要求11的切削刀具，其特征在于，上述的前端相对于上述转动轴线的倾斜角约为35°～55°。
15．根据权利要求11的切削刀具，其特征在于，上述的切削刀具是一种钻头，上述的切削刃的上述大致平行于其转动轴线的部分相对于上述的转动轴线向后倾斜不大于1％。
16．根据权利要求15的切削刀具，其特征在于，上述的侧凹端由一条大致垂直于上述转动轴线的基本上是直线的后边所限定。
17．根据权利要求11的切削刀具，其特征在于，每个上述切削刃的边缘接触区的宽度约为环绕上述刀具的上述前端的圆周长度的0.30％～0.70％。
18．根据权利要求11的切削刀具，其特征在于，上述的刀具是一种铰刀，上述的侧凹端由一条与上述转动轴线大约呈35°～55°倾斜的基本上为直线的后边所界定。
19．根据权利要求18的切削刀具，其特征在于，上述的铰刀具有多个沿上述刀杆的圆周设置的铰刀刀片，每个上述的铰刀刀片的前端与上述的切削刃相连接。
20．根据权利要求19的切削刀具，其特征在于，一个上述切削刃的圆周长度与由上述可转动的刀杆的外径限定的圆周长度之比约为0.30％～0.70％。
全文摘要
一种用于在工件(4)中加工出孔(3)的切削刀具(1)例如钻头(2)或铰刀(35),在其前端具有扩大的径向范围的至少一个切削刃(5),该切削刃(5)位于倾斜的前端(22)与侧凹端(23)之间,其径向距离比刀杆(7)的半径(R1)约大2.5%。上述切削刃(5)的至少40%的长度大致平行于刀杆(7)的转动轴线。
文档编号B23B51/00GK1324280SQ99812739
公开日2001年11月28日 申请日期1999年6月10日 优先权日1998年11月3日
发明者威廉·C·麦吉尔, 加里·D·巴尔德温, 威廉·B·图尼斯 申请人:钴碳化钨硬质合金公司