CN103128373A - 用于加工孔壁非连续的孔的聚晶金刚石铰刀 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于加工非连续孔的铰刀。该非连续孔包括孔中心轴线和具有孔壁非连续部分和实体部分的孔壁，该孔壁非连续部分关于该孔中心轴线限定出孔壁非连续部分的中心角。该铰刀包括限定出铰刀中心轴线的刚性刀体、从该刀体延伸成型的平行间隔布置的至少三个齿状基部、和分别固定在各个齿状基部上的相应的聚晶金刚石刀片。每片聚晶金刚石刀片包括位于轴向远端的切削刃和与该切削刃相连的修光刃。在各相邻的刀片的修光刃之间关于该铰刀中心轴线分别限定出与刀片数目相等的刀片中心夹角。所述刀片中心夹角是非等分的且最大的中心夹角与最小的中心夹角之差大于等于所述孔壁非连续部分的中心角。

Description

用于加工孔壁非连续的孔的聚晶金刚石铰刀

技术领域

本发明涉及用于加工孔的铰刀，尤其是一种用于加工孔壁非连续的孔的聚晶金刚石铰刀。

背景技术

铰刀是用于金属孔表面进行最后一道工序的精加工刀具，以保证孔的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度。生产中常用的铰刀有整体硬质合金铰刀和高速钢铰刀；目前，在有色金属的孔加工中正在大量使用聚晶金刚石(PCD)铰刀，聚晶金刚石铰刀与整体硬质合金铰刀和高速钢铰刀相比，可以达到更小的表面粗糙度值和稳定的尺寸精度

目前，常用的硬质合金铰刀轴向工作部分长度一般为铰刀直径的0.8-3倍，校准部分长度一般为铰刀直径的0.8-1.5倍，但聚晶金刚石铰刀刃口的轴向总长度只有7mm以下长度，实际轴向工作长度(修光刃)≤5mm；因此，对孔壁非连续的孔(指被加工孔壁上有类似键槽的轴向槽或贯穿孔)进行加工时，由于孔壁非连续，当某一齿进入非连续部分(空隙部分，没有被加工金属)时，此齿的切削力骤然会降为零，铰刀可能会因此而失去平衡发生振动；而该振动在孔壁上造成的影响很难消除。另外，由于上一工序(钻、扩)后余量不均匀(对于孔壁非连续工件，极易发生余量不均匀)的影响，现有的铰刀通常设计成各个刀齿之间夹角等分布置的形式，在有刀齿进入不连续部分时，铰削工作中可能发生的振动会导致其余刀齿影响被加工孔壁部分的精度，导致出现孔倾斜和孔椭圆现象。而现有聚晶金刚石铰刀由于齿的轴向长度很短，更容易因为上述原因产生孔倾斜和孔椭圆的现象，更严重会损坏刀具。本发明希望提供能解决或缓解聚晶金刚石铰刀铰削加工孔壁非连续的孔时容易出现的孔倾斜和孔椭圆的现象。

发明内容

因此，本发明的任务是针对上述问题，提出一种用于加工非连续孔的聚晶金刚石铰刀。所述孔包括孔中心轴线和围绕该孔中心轴线限定出的孔壁，该孔壁形成有孔壁非连续空槽(或贯穿孔)部分和实体部分，所述孔壁非连续部分关于该孔中心轴线限定出孔壁非连续部分的中心角。该铰刀包括限定出铰刀中心轴线的刚性刀体、从该刀体延伸成型的平行间隔布置的至少三个齿状基部、和分别固定在各个齿状基部上的相应聚晶金刚石刀片，每片聚晶金刚石刀片包括位于轴向远端的切削刃和与该切削刃相连的修光刃；在各相邻的刀片的修光刃之间关于该铰刀中心轴线分别限定出与刀片数目相等的刀片中心夹角，中心夹角可以是非等分的，其中所述刀片中心夹角是非等分时，其最大的中心夹角与最小的中心夹角之差大于等于所述孔壁非连续部分的中心角。

通过本发明如此设置，可有效地弥补当有刀齿进入孔壁中的孔壁非连续部分而瞬间失力时造成的振动而导致其它刀齿在壁面中造成的影响。

根据一个优选实施例，所述中心夹角中任两个刀片中心夹角之差的绝对值大于所述孔壁非连续部分的中心角。

根据进一步优选的实施例，实体部分包括铰刀的所有刀片均位于实体部分时所形成的第一走刀部分和当任一片刀片行经过所述孔壁非连续部分时，位于实体部分的其余刀片在该实体部分中分别地相应形成的多个第二走刀部分；所述刀片的中心夹角如此布置从而使得所述多个第二走刀部分之间的重叠区域最小化。

根据一个特别优选的实施例，铰刀构造成在给定孔壁非连续部分的中心角为A1且给定刀片数目为n情况下，且当所述孔壁非连续部分的中心角和所述刀片数目满足(n²-n+1)A1≤360°时，多个第二走刀部分彼此之间不重叠。优选地，所述铰刀构造成当所述孔壁非连续部分的中心角和所述刀片数目满足(n²-n+1)A1＞360°时，多个第二走刀部分构造成其重叠区域的中心角之和大约等于(n²-n+1)A1减去360°的差值。

优选地，所述修光刃构造成相对于铰刀中心轴线朝远端方向是渐缩的，且倾斜角的正切值在0.06/100-0.1/100的范围内，优选大约为0.08/100。

更优选地，所述切削刃与所述铰刀中心轴线形成夹角在70°-80°之间的主偏角，且具有孔的铰削余量2倍以上的径向尺寸。

根据一个优选实施例，所述刀片具有在周向上位于该修光刃前侧的前刀面、紧跟在该修光刃之后的周向柱面刃带、紧跟在周向柱面刃带之后的一个或多个后角部，其中所述周向柱面刃带具有0.2mm-0.35mm的宽度。

更优选地，所述前刀面具有在-1°-3°之间的前角，且所述后角部包括第一和第二后角，该第二后角在12°-18°的范围内。

根据另一优选实施例，所述至少三个齿状基部布置成与该铰刀中心轴线倾斜地延伸，且具有在0°-10°范围内的螺旋倾角。

附图说明

现结合附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的聚晶金刚石(PCD)铰刀的正视图；

图2示出了图1中A部分的局部放大视图；

图3示出了从铰刀轴向远端看的侧视图，其中示出了不等分的刀片中心夹角；

图4放大示出了聚晶金刚石刀片的侧视图；

图5a-d示意性地对照示出在孔壁的孔壁非连续部分和铰刀齿数给定的情况下，当有一片刀片位于孔壁非连续部分中时，现有技术铰刀以及本发明铰刀的其余刀片的走刀部分。

具体实施方式

现参考以下的说明以及附图，详细说明本发明铰刀(以及作为对照的现有技术铰刀)的示意性方案。尽管提供附图是为了呈现本发明的一些实施方案，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，且某些特征可被放大、移除或部分剖切以更好地示出和解释本发明的公开内容。

说明书中涉及“示例性示出”或类似用语意指结合示例性方案描述的特定特征、结构和特性被包括在至少一个图中，但在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考全部附图。在本发明中，相同或相似的部件用相同或相似的附图标记指代以便统一和对照。

在本发明中的术语“约”或“大约”将会被本领域普通技术人员理解且将根据用到该术语的上下文在一定范围内变化。如果该术语的使用在给定的用到该术语的上下文中对于本领域技术人员来说不清楚，那么“约”或“大约”将指具体数值或参数值的加减5％。从大约X到Y意指从大约X到大约Y，其中X和Y是具体值。

本文中术语“中心角”或者“中心夹角”的含义是本领域技术人员所知的，指在垂直于中心轴线的平面中以中心轴线为角顶点所形成的角。

在本发明中的术语“非连续部分”指的是在孔壁中形成的在铰孔时不被加工的凹入部分，例如在孔壁中形成的键槽、沟槽或相贯孔；而“实体部分”则是指除上述非连续部分之外的孔壁部分，实体部分基本上是指在铰孔时被铰削加工的部分。

图1示出了根据本发明的聚晶金刚石(PCD)铰刀正视图，该铰刀包括刚性刀体1(其例如是硬质合金刀体)和从该刀体延伸成型的平行间隔布置的至少三个齿状基部，在图3中为4个齿状基部T1、T2、T3和T4。该铰刀还包括分别固定在相应的一个齿状基部上的聚晶金刚石PCD刀片2。如本领域技术人员已知的，刚性刀体可以包括刀颈和用于夹持的刀柄，所述齿状基部布置在刀颈上。如图所示，D为刀齿直径，其对应于要被加工的工件孔直径，D1为刀颈直径，D2为刀柄直径，O-O′示出为铰刀中心轴线，也称作该铰刀的工作回转轴。本领域技术人员将明白，该铰刀中心轴线在工作时与待铰孔的中心轴线理论上是重合的。工作时，刀片绕铰刀中心轴线O-O′为工作回转轴转动，且在图1中沿左方向做轴向进给运动，且例如在图3中做逆时针的旋转运动，从而通过聚晶金刚石刀片2铰出精加工的孔壁面。

图2示出了图1中区域A的放大视图。结合图1和2所示，本领域技术人员将明白，铰刀的刀片包括位于刀体的轴向远端的切削刃3和与该切削刃相连的修光刃4。切削刃3用于在铰孔过程中在轴向进给时首先遇到并切除加工余量，而修光刃4是用于进一步修光孔壁面以使其符合精度要求，这在本领域中是已知的，在此不再详述。如图2所示，该切削刃3与所述铰刀中心轴线形成有夹角，在此定义为切削刃的主偏角κ，其优选在70°-80°之间。通过设置上述较大的主偏角，可以减小铰削加工时的径向力，以减小非连续切削时由径向切削力不对称引起的振动和径向偏移。另外，所述切削刃3还限定出其径向尺寸e，该径向尺寸e优选为大于等于2倍的孔的铰削余量(单边)。这样设置防止了上一工序的加工造成余量不均而造成的单边余量大于切削刃的径向尺寸e，导致刀具振动而影响加工。

如图1所示，所述齿状基部相对于该铰刀中心轴线是倾斜布置的，但也可以想到齿状基部与铰刀中心轴线平行延伸。优选的是，齿状基部相对于铰刀中心轴线形成在0°-10°范围内的螺旋倾角β。设置大于0的螺旋倾角β，可以使得以使刀具端齿切削刃的前刀面(图2)有一定的前角，使刀具在轴向进给切削时的切削力减小。β值越大，切削力减小效果越明显。但β值过大，使得端齿前角过大，从而容易使得切削刃3崩坏。

继续参考图1，所述修光刃构造成朝远端方向相对于铰刀中心轴线是渐缩的，即这些修光刃(从图4将明白，还包括位于修光刃周向后侧的周向柱面刃带)在朝远端方向形成了倒锥结构DZ。且优选的是，所述修光刃与所述铰刀中心轴线的夹角的正切值在大约0.06/100至大约0.1/100的范围内，更优选为0.08/100左右。在铰刀中，如果倒锥设置得过小，铰孔时会产生振动，在孔壁产生振纹；而如果倒锥过大，可能会造成铰出的孔径大于规定孔径，且在孔壁上有回转刀痕。

现参考图3，其是从铰刀轴向远端看的侧视图，该侧视图垂直于铰刀的回转轴线O-O′。结合图1和3，如图所示，示出了4个倾斜且彼此平行布置的齿状基部T1、T2、T3、T4，且在所述齿状基部之间限定出排屑槽。排屑槽的方向和角度与螺旋倾角相同。在满足排屑的前提下，排屑槽的深度越小越好，以增加刀具的刚性。尽管在图1和3中示出了4个齿状基部，但也可以是其他数目，例如图5b中示意性地示出了3个齿状基部，还可以是其它更多的数目。但是根据本发明的齿状基部T≥3。如图1和3所示，在齿状基部T1、T2、T3、T4上具有凹槽，其用于固定(例如焊接或胶粘)聚晶金刚石PCD刀片2，从而形成铰刀的数个周齿。

如图3所示，在各相邻的刀片(具体而言是修光刃)之间关于该铰刀中心轴线分别限定出与刀片数目相等的四个刀片中心夹角W1、W2、W3、W4，可以想到的是，如果有不同数目的刀片，也将会有该数目的刀片中心夹角。在本发明中，刀片中心夹角优选是不等分的，这将在下文进详述。

接下来参考图4，示出了聚晶金刚石铰刀的侧视图中一个齿状基部T1和PCD刀片部分的局部放大图。如图4所示，刀片具有在周向上位于该修光刃前侧的、作为金属屑流出表面的前刀面5、紧跟在该修光刃之后的周向柱面刃带b、紧跟在周向柱面刃带之后的一个或多个后角部(在图中为两个，即第一后角和第二后角)，这是本领域技术人员已知的结构。在所示的实施例中，修光刃投影成一点，且前刀面与过刀具回转中心O和修光刃投影点的连线之间的夹角为修光前角γ，修光前角γ＝0°左右，例如在-1°至3°的范围内。优选地，该周向柱面刃带b具有大约0.2mm-0.35mm的周向宽度。如图所示，第二后角α在12°-18°的范围内。

对于周向柱面刃带b，可更具体地如此设置，即铰刀直径越大，周向柱面刃带越宽；但周向柱面刃带过窄或过宽，都不利于保证孔表面的粗糙度。在下文表1中示意性示出铰刀直径D与周向柱面刃带b的宽度的关系。

表1——铰刀直径与周向柱面刃带的关系

对于第一后角，其要求是要比第二后角α小，但是保证加工后的避让主要是依据第二后角α。在本发明中限定α＝大约12°-18°。但更优选地，铰刀直径越大，周齿第二后角α越小，防止后刀面或刀体与被加工工件表面之间磨擦而影响被加工工件表面的粗糙度。在下文表2中示意性示出铰刀直径D与第二后角α的关系。

表2——铰刀直径与第二后角的关系

下面结合图3和5a-d描述本发明的思想。现有的铰刀在设计时，为了加工方便，通常采用等分的刀片(更精确地说，修光刃)中心夹角；而如上文所述，本发明针对具有不连续孔的加工，选用不等分的修光刃中心夹角，并且还精心设置各中心夹角的角度，以实现当某一刀齿进入非连续部分(空隙部分，或者说非加工金属部分)时(在此情况下，该齿的切削力骤然降为零)，减轻铰刀失去平衡而发生振动的程度，并且能够使得其余刀齿在该过程中对孔壁造成的影响能够在之后得到弥补，从而有效避免出现孔倾斜或孔变椭圆。

如图3以及图5所示的铰刀主要是设计用于加工这样的孔，该孔包括孔中心轴线和围绕该孔中心轴线限定出的孔壁，该孔壁形成有未被加工的孔壁非连续部分和实体部分，所述孔壁非连续部分关于该孔中心轴线限定出孔壁非连续部分的中心角(例如见图5a和c的孔壁非连续部分的中心角A1)。这些孔可以是大体呈圆形，但是有部分不需要加工的形状，即该孔有至少部分是有给定半径的圆柱面，但是其余部分是相比于该给定半径的圆柱面更凹入的孔壁非连续部分。尽管在图5a-d中是针对一个孔壁非连续部分进行的说明，但可以想到本发明也适用于多个孔壁非连续部分。

图3示意性地示出了根据本发明的一个铰刀，包括其上相应设置有一片PCD刀片的四个齿状基部T1、T2、T3、T4并进而限定了四个刀片中心夹角W1、W2、W3、W4。在根据本发明的设定中，规定了刀片中心夹角是非等分设计的，且优选最大的中心夹角与最小的中心夹角之差要大于等于孔壁非连续部分的中心角，更优选的是，这些刀片中心夹角中任两个刀片中心夹角之差的绝对值大于孔壁非连续部分的中心角。通过这样设置，当有刀齿进入孔壁非连续部分时，其余刀齿走刀部分可以被很好地弥补。

现参考图5a-d来对照示出在孔壁的孔壁非连续部分和铰刀齿数给定的情况下，当有一片刀片位于孔壁非连续部分中时，现有技术铰刀以及本发明铰刀的其余刀片的走刀部分。在图5a-d中，选定了刀齿为3个，即T1、T2、T3，并相应地形成了三个刀片中心夹角W1、W2、W3，在图5a的现有技术铰刀中，W1＝W2＝W3＝120°。且在图5a-d中，规定孔壁非连续部分相对于孔中心轴线的孔壁非连续部分的中心角A1＝15°。在本文中，规定铰刀的所有刀片均位于实体部分时所形成的为第一走刀部分。如图5b所示，如图5a所规定的等分的刀片中心夹角的情况下，任一刀齿经过孔壁非连续部分中时，其余两个刀齿相应地在孔壁上相同的位置重复地形成第二走刀部分B1，B1’，B2”和C1，C1’，C1”，且加工精度较高且振动性较低的第一走刀部分与第二走刀部分完全不重合，因此不仅铰刀容易失去平衡而发生振动，而且在有刀齿行经孔壁非连续部分时对其余刀齿造成的影响(第二走刀部分)也未能得到弥补，因此容易出现孔倾斜或孔变椭圆。而如图5c所示的本发明，本发明设定了W1＝100°，W2＝140°且W3＝120°的齿状基部(以及刀片)布置方式，从而当第一、第二和第三齿状基部T1依次行经(逆时针)孔壁非连续部分时，其余两个刀片相应地走过第二走刀部分为B2，C2；B2’，C2’；B2”，C2”，如图5d所示，这些第二走刀部分彼此之间均未重合，因此，可以在之后被其余刀齿的第一走刀部分再继续加工该部分以弥补在有刀齿行经孔壁非连续部分时对其余刀齿造成的影响。

总之，根据本发明的刀片中心夹角应该如此布置从而使得所述多个第二走刀部分之间的周向重叠区域最小化。更具体地是这样实现周向重叠区域最小化，当所述铰刀构造成在给定孔壁非连续部分的中心角为A1且给定刀片数目为n情况下，则当任一刀片行经所述孔壁非连续部分时，其余刀片相应地形成了总和为(n-1)A1的第二走刀部分中心角；那么在每个刀片均经过所述孔壁非连续部分时，则所形成的所有第二走刀部分的中心角总和为n(n-1)A1。由此，将可以明白当n(n-1)A1≤360°-A1，即(n²-n+1)A1≤360°时，第二走刀部分总和的中心角(或者说周向尺寸)小于孔的实体部分的中心角(周向尺寸)，从而本发明可以通过合理地设置各个不同的刀片中心角使得每片刀片的第二走刀部分彼此之间不重叠。而当(n²-n+1)A1＞360°时，则(n²-n+1)A1-360°之差，即是第二走刀部分不得不重合的最小角度(周向重叠区域中心角)，从而本发明可以通过合理地设置各个不同的刀片中心角使得其第二重叠区域的中心角之和大约等于上述差值。注：在此所指重叠区域中心角，如有两个以上第二走刀部分的重叠，其实际的重叠区域中心角应指B_总＝(m-1)B，(m指重叠的第二走刀部分数目，B指该重叠区域按几何意义测得的中心角)。

通过本发明的上述设置，在针对非连续孔壁加工中，由于齿在间断的空槽中不受力，铰刀易失去平衡发生振动，进行了齿的中心角W的优化设计；而且对上一钻(扩)工序后余量不均匀的影响，进行了其它参数的优化设计，以减小径向力，使铰刀有一定的纠偏能力，并能有效弥补在有刀齿进入孔壁非连续部分时对被加工孔壁部分造成的影响，从而保证了聚晶金刚石(PCD)铰刀对孔壁非连续孔的加工质量。减少了不良品，提高了产品质量，降低了生产成本，并提高了生产效率。

应当指出，尽管示出了本发明的优选实施例并通过这些实施例描述了本发明铰刀的许多细节，但申请人不打算将本发明的范围局限于这些细节。本领域技术人员在阅读本发明的公开内容之后，将很容易明白本发明其它的优点和对这些技术方案做出的改变。因此，本领域技术人员能在不脱离申请人所要求的本发明的思想和范围的情况下做出组合、替换或改变。本发明的说明书将理解为包括这些组合、替换或改变的所有新颖的且非显而易见的、基于本发明思想的方案，从而可在本申请的权利要求中呈现这些方案。由此，本发明的范围不是参考上述说明进行确定，而应是参照所附的权利要求书以及这些权利要求所具有的所有等同范围确定。

Claims (10)

1.一种用于加工孔的铰刀，其中，所述孔包括孔中心轴线和围绕该孔中心轴线限定出的孔壁，该孔壁包括孔壁非连续部分和实体部分，所述孔壁非连续部分关于该孔中心轴线限定出孔壁非连续部分的中心角；该铰刀包括限定出铰刀中心轴线的刚性刀体、从该刀体延伸成型的平行间隔布置的至少三个齿状基部、和分别固定在各个齿状基部上的相应的聚晶金刚石刀片，每片聚晶金刚石刀片包括位于轴向远端的切削刃和与该切削刃相连的修光刃；其中，在各相邻的刀片的修光刃之间关于该铰刀中心轴线分别限定出与刀片数目相等的刀片中心夹角，其中，所述刀片中心夹角是非等分的且最大的刀片中心夹角与最小的刀片中心夹角之差大于等于所述孔壁非连续部分的中心角。

2.根据权利要求1所述的铰刀，其特征是，所述至少三个刀片中心夹角中任两个刀片中心夹角之差的绝对值大于所述孔壁非连续部分的中心角。

3.根据权利要求1所述的铰刀，其特征是，实体部分包括铰刀的所有刀片均位于实体部分时所形成的第一走刀部分和当任一片刀片行经过所述孔壁非连续部分时，位于实体部分的其余刀片在该实体部分中分别地相应形成的多个第二走刀部分；所述刀片的中心夹角布置成使得所述多个第二走刀部分之间的重叠区域最小化。

4.根据权利要求3所述的铰刀，其特征是，所述铰刀构造成在给定孔壁非连续部分的中心角为A1且给定刀片数目为n情况下，且当所述孔壁非连续部分的中心角和所述刀片数目满足(n²-n+1)A1≤360°时，所述多个第二走刀部分彼此之间不重叠。

5.根据权利要求4所述的铰刀，其特征是，所述铰刀构造成当所述孔壁非连续部分的中心角和所述刀片数目满足(n²-n+1)A1＞360°时，所述多个第二走刀部分构造成其重叠区域的中心角之和大约等于(n²-n+1)A1减去360°的差值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的铰刀，其特征是，所述修光刃构造成朝远端方向相对于铰刀中心轴线是渐缩的，且该修光刃与该铰刀中心轴线的夹角的正切值在0.06/100至0.1/100的范围内。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的铰刀，其特征是，所述切削刃与所述铰刀中心轴线形成夹角在70°-80°之间的主偏角(κ)，且具有该孔的铰削余量2倍以上的径向尺寸(e)。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的铰刀，其特征是，所述刀片具有在周向上位于该修光刃前侧的前刀面、紧跟在该修光刃之后的周向柱面刃带、紧跟在周向柱面刃带之后的一个或多个修光刃后角部，其中所述周向柱面刃带具有0.2mm-0.35mm的宽度。

9.根据权利要求8所述的铰刀，其特征是，所述前刀面具有在-1°至3°之间的修光刃前角，且所述修光刃后角部包括第一和第二后角，该第二后角在12°-18°的范围内。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的铰刀，其特征是，所述至少三个齿状基部布置成与该铰刀中心轴线倾斜地延伸，且具有在0°-10°范围内的螺旋倾角。

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