CN1184012A - 具有可更换切割刀片的长钻头 - Google Patents

Abstract

一个具有可更换切割刀片的金属切割钻头,其长径比为4∶1或更高,两刀片被准确的径向对置,并等同的与工件相啮合,因而,径向力被精确的相互平衡,该径向力是由于钻头通过工件轴向进给所产生的,通过使用了一个双切割刀片,每旋转半圈便可完整的切削孔的周边一次,因此,提高了轴向进给速率,由于刀片是三角形的,两切割刀片的弯曲角部可以被放置的非常靠近,并且在刀片之间的左侧有一个足够大的空间,以保证在刀片之间钻杆相对较粗,并且在增加长径比的情况下具有足够的强度,由于长径比大于4∶1因而在给定直径的情况下可以加工出比已现有技术的钻头更深的孔。

Description

具有可更换切割刀片的长钻头

本发明涉及一种在金属工件上形成孔的钻头，特别是涉及一种具有可更换切割刀片的钻头。

镗孔工具和钻头通常使用可更换的切割刀片，由于可以仅更换或磨削切割刀片，因而钻轴可以被重复使用，这样可以在较低的制造成本情况下延长钻头的使用寿命，Shallenberger，Jr的美国专利No.3,963,365中公开了这种钻头，这种钻头的刀片可以从孔的周壁上切削掉金属，并且切削是朝着孔的中心，切割弧的宽度与孔的半径相等，另一种刀片为一个内刀片，它由孔的中心切削金属，并且切割是朝向孔的周壁，切割弧基本上与孔大致等宽。

上述专利中公开的钻头己取得了商业上的成功，该钻头的轴向进给速度相对较缓慢，这是由于这个钻头须旋转一周方可切割孔的整个周边一次。

Negishi，等人的美国专利No.4,373,839公开了一种钻头，它的进给速度要比前述的钻头大两倍，这是由于在它上面装有两个切割刀片，因而钻头每旋转半圈便完整的切割孔表面一次。

Shallenberger的美国专利No.5,092,718公开了一种钻头，它具有两个可更换的切割刀片，每个的跨度为钻头的半径，工件中心的左侧是相对小的部位，这样切削的碎屑可以容易的随钻头的轴向进给从其顶端排出，这种设计中切割刀片最好为三角形，但其它的形状也是可以的，在钻杆的开槽中具有一个套以便接纳所说的切割刀片，钻杆在装有切割刀片处的宽度相对较大，以便保证钻头的强度。

具有可更换刀片的金属切割钻头被成功的应用于各种场合，然而在钻较深的较小直径的细长孔时仍显得不足，这种刀片形钻头由于具有良好的金属切削速率，因此切削力相当高，实验表明钻杆必须是相当坚固的才能承受该切削力而不发生弯曲、翘起或变形，这样，实践表明钻的直径减小，钻杆变细则钻的长度不能太长，已知的长径比为一种经验法则，它涉及一定深度钻孔的孔径(也即，工具长度)，并且，实践表明工业上可更换(indexable)刀片钻头的长径比约为3∶1。由于在钻孔过程中刀片与工件之间的相互作用而产生的不平衡的径向力也须要对长径比进行限制。因而由给定直径的钻头在工件上形成的孔也将由此比率受到限制。

本发明的首要目的是提供一种新的或在美国专利No.5,092,718中所公开的那种类型的钻头的改进，但它具有比其直径所能承受的更长的长度，从而在相同的直径情况下可以加工更深的孔。

为此，本发明的一个特征是所提供的钻头具有一个精确平衡的切削刀片，从而使各刀片间切削时产生的径向力相互平衡抵消掉。

本发明另一个特征是提供一种切割刀片，它们同样从杆的槽中向外伸出并与工件相接触，因而在切削过程中承受相同的切削载荷。

本发明的另一个特征是所提供的钻头的刀片具有独特曲线的切削边和一个大倾斜的侧边，它可以保证切割刀片的切割刃彼此相靠近，同时在切割刀片之间留有一个钻头杆的加强部分，从而加强该钻头，甚至于在长径比大于3∶1的情况下。

本发明的另一个特征是所提供的钻头的长径比为4∶1或更多。

本发明的这些目的和特征将在下文中结合附图进行详细的描述。

图1为本发明实施例的立视图。

图1A是图1所示的钻头顶部的局部放大透视图。

图2是图1所示在工件上形成的孔及其钻头局部放大侧视图。

图3是为钻头部为放大底视图。

图4为一个三角形刀片的立视图。

图5为该刀片的顶视图。

图6为该刀片的正视图。

图7为图6所示刀片右侧所示的边视图。

图8是一个放大的示意图，显示了正在钻孔的刀片。

图9A为本发明的一个侧示图，它显示了一个由钻头进行钻孔的工件。

图9B为图9A的底视图。

图9C为图9A的顶视图。

图10A为己有技术钻头的示意图，它显示了一个钻头进行钻孔的工件的横切面。

图10B为图10A的底视图。

图10C为图10A的顶视图。

图11A为另一个已有技术钻头的示意图，它显示了一个钻头进行钻孔的工件的横切面。

图11B为图11A的底视图。

图11C为图11A的顶视图。

本发明可以进行各种改进和结构变化，因此在附图及下述的细节描述中仅针对典型的实例进行描述，因此可以理解这并不局限于所公开的内容，相反在不达反权利要求的思想和范围的情况下本发明可以有各种的改进和结构变形和等同的变化。

如图所示，本发明的实施例中使用钻头时，在工件12上形成一个圆孔11(图2和8所示)，该工件为铁、钢或其它的金属材料，钻头10包括一个加长的圆柱形主体部为13，在一个最佳实施例中它是由高碳钢构成的，它具有一个顶部14和一对对置的杆端15，当然也可以采用其它类似物理特性的材料，主体13的杆端15夹在一个动力旋转支架(未示)中，从而驱动钻头10绕其轴线A旋转(图3示)，该旋转如图1和3所示为逆时针旋转，很明显钻头也可以被握持不动，而让工件12绕钻头10的轴线A旋转。

通常在主体13上有两个径向和纵向的开槽16和17，以便将碎屑从顶端14处排出。如图1和图2所示沟槽最好是沿绕着主体13螺旋形的从顶端14处朝向杆端15延伸，以保证金属碎屑从孔11中排出。另外沟槽也可以是直线型的，如图1所示，每个沟槽通常是由一对侧壁18和19形成的V形截面，一般沟槽的侧壁18朝向旋转方向而侧壁19背向旋转方向。

如图1A和3所示，径向的开槽20和21与沟槽16和17的顶端部分相邻并形成于主体13内，而且每个开槽靠近于沟槽的侧壁18一例，尽管在本发明的最佳实施例中，开槽20和21为径向间隔排布的，但可以理解本发明还包括其它一些实施例，其中它们是以另外的等间距形式排布的。可更换切割刀片被置于该开槽20和21中，并且当钻头10逆时针旋转时切削工件12的孔11。

根据本发明每个切削刀片30、31大致为一个三角形并且具有特定的角部外形。很明显，使用三角形刀片可保证钻头10每转半圈刀片完整切割孔11的周边一次。同时钻头的顶端14处被大大的加强以承受刀片30、31上的很大的切削力，另外其它形状的刀片也可以使用。

图7和图4进一步显示了刀片30的细部，很明显在此刀片31被标示为30，如图所示刀片30为一个等边三角形，它具有三个等长的侧边表面33、34和35，它们彼此在三个角部36、37和38处相连接，这三个边表面被夹在相对的两个平面表面40和41之间，每个刀片的表面40和41形成有一个传统的碎屑打碎沟槽42(图4和图6所示)它们正好位于表面的周边内侧。

如图3所示由于每个刀片30、31准确的安置于接收槽20和21中，各刀片30、31的表面40面向旋转方向并形成一个切削面，侧边表面34与表面40形成切割边45，并且当该切割边是从角36延至角37时，它几乎是直的标示为46的长度段，当靠近角37时，切割边45开始凸状的弯曲并弯出表面40的平面而朝向表面41的平面，因而切割边产生一个弯角，切割边45的曲线部分47在点48处与平面41相交(图5所示)，因而平面41上形成的边49不平行于边35。

切割边缘45的曲缘部分47的成形是通过精确的研磨或其它成形方式来成形接靠刀片30，31的边表面35和表面40。因此表面40和表面35所形成的角部分为一个突状的曲面，在图4中标示为50。

刀片30，31的沟槽20和21分别包括一个平台55(图1A所示)刀片30、31的表面41贴靠于该平台上，从该平台向外伸出的两个侧壁56和57相互形成一个角度从而使得沟槽20和21为V字形轮廓。当刀片30、31定位于各个沟槽时，边表面33和35分别贴靠在侧壁56和57上，这样每个刀片的角部顶点朝向钻头主体13的钻杆端15。

每个刀片30、31上有一个通孔59，它与刀片的两表面40、41垂直(图4所示)，如图5所示最好是通孔59在接纳螺帽60的两对面上具有一个埋头孔。为了将沟槽20、21中的刀片30、31固定，须将螺栓或连接销60(图2、3示)，从孔59中伸出并拧入平台55的上紧孔61中(图1A所示)。

每个沟槽的平台相对轴线A是倾斜的，从而使得每个刀片30、31的切割边45被定位于一个负的轴向倾斜夹角，也即，每个刀片30、31的主导切削面40位于切削边45的前面，因此，刀片30、31的边表面34被倾斜为形成一个间隙表面，从而避免在钻孔过程中与孔11的底表面摩擦，在此实例中负夹角约为7°。

每个刀片30、31也可以这样进行固定即切割边45被装为负的径向倾角，也就是说，切割边45紧靠于平行切割边的径向线的前面，并且每个刀片30、31的位于切割边45后面的角部36避开孔11的周边以避免与其磨擦，其中，切割边45位于径向线前面约大于半个刀片厚度的距离，刀片切割边45也可以设为约8°的倾角C，由于是这样一个倾角，当该边朝着孔壁11推进时切割边45朝向主体13的钻杆端15形成一个槽，这样使得孔11的中心部为稍先于周边部分被切削并且以利于钻头10钻入工件12中。

借助于上述方式，钻头10旋转使得刀片30、31的切割边45在整个孔径范围内进行切割，(如图8所示)。在钻头10每旋转半圈时每个切割边45转过孔11的半个周边，这样两个刀片共同切割一个完整的周边在仅旋转半圈的情况下，这样可以保证钻头的快速轴向进给。

由于切割边45的曲线部分47的存在，切割操作发生在非常靠近孔11的中心部分。为了避免两刀片30、31之间的干扰，刀片30、31的角部分37必须以此分隔开，并且在刀片之间的孔11的底部的左侧形成一个大致成圆柱形的芯70(图8示)。

图8中显示了刀片30、31大致为一个三角形，两刀片的定位为其角部37彼此非常靠近(也即间距为.15至.5mm)，这样芯70的直径是非常小的，因此芯70可以通过邻接角部的边表面35容易被折断或是在钻头轴向进给时由钻头的顶端14完全被打碎。由于刀片30、31是三角形的则当边表面35由钻头10的顶部14向钻杆端15推进时刀片30、31的边表面35在大约44角度的广角X范围内快速的彼此分离开。由于边表面35较大的分离则在钻头主体13和金属材料之间存有一定的间隙，因此位于边表面35之间的主体部分74可以是相当的厚，并在靠近角部37处被加强，因此使主体13得以加强，尽管三角形刀片的边表面35之间的部分74的厚度较大，边表面35朝向主体13的顶端14收缩，从而使得角部37彼此相互靠近，因而一个小直径的芯70在刀片的左边很容易的被折断。

每个刀片30、31最好是具有可交替使用的切割边45’，它是由表面41与边表面33相结合形成的，另外切割边45’相当于切割边45，它也包括一直线部分和一个曲线部分，与切割边45的直线部分和曲线部分46和47相同，切割边45’的直线部分始于角部分36并伸延至角38处的曲线部分，切割边45’的曲线部分为一个外凸的曲面部为45，它是位于刀片30、31的表面41上。

在刀片30、31的切割边45被磨损后可将它从槽20、21中取出，将两个刀片翻转变位将切割边45’换至到切割位置，这样每个刀片就有两个交替使用的切割边了，这样具有当两边都被磨损后该刀片才被报废。

从己有技术中可以知道这些钻头顶部和刀片的几何形状如象Shallenberger的美国专利No.5,092,718中所详细描述的几何形状那样，其中容纳刀片的沟槽是相互径向对置排布的，并且刀片大约等同的伸入工件。

本发明的几何形状需要精确的平衡性，其中，钻头顶部的几何形状是十分平衡的，并且，钻头的工作长度(见图1)，也即，钻头可伸入钻孔中的部分要比已有技术的可更换的钻头更长，我们发现将刀片30、31精确的相互对置并由槽中伸出，因而与工件12精确等同的进行接触，这将在切割顶部产生一个平衡的切削率，从而不发生钻头的偏转。变形或断裂。

这种实施的方法将通过本发明的示意图，图9A-C，以及图10A-C，和11A-C所示的两个已有技术的钻头来更好的进行理解，首先参照图9A-C对本发明进行描述，在本发明中钻头每旋转半圈，孔11被完整的切割一周“a”。当钻头13通过工件12向前推进时径向力E作用于刀片30上，同时径向力F作用于刀片31上，当刀片30、31被准确等同的径向对置时，所产生的力E和F完全相同并且相互抵消掉。

平衡的重要性最好是通过与图10A-C和图11A-C所示的钻头进行对比来理解，可以看到当钻头主体13’通过工件12’向前推进时，径向力E’作用在30’，同时径向力F’作用在刀片31’上。从图10C中还可以看到完整的切割孔11的外周一次钻头需要旋转一整圈，这是因为刀片30’切割一个a’圈，同时刀片31’切割一个b’圈。由于力E’、F’作用方向相同它们就不能彼此抵消而且叠加在一起，使得钻头偏离这种精密的转动。这种偏转将足以引起刀片30’的边缘100与孔1 1’的内壁相磨擦。这种偏转因此将限制已有技术的钻头具有相对低的长径比(图10A-C示)，因为这种偏转大到一定程度时，啮合磨擦力将大于动力源的旋转动力，或者将引起孔的烧伤或者结疤，或者是将主体13’折断。

类似的，图11A-C所示的钻头包括两个刀片，它们也须旋转一周来完整的切割孔11”的外周一次，如图11A和11B所示，刀片30”包括两个切割表面103和104，现在参照图11C所示的孔的外形，可以看到切割表面101产生了a”的圆周切割同时切割表面102产生了b”的圆周切割，表面103切割了c”，表面104切割了d”。当钻头主体13”通过工件12”轴向推进时，径向力E”作用在表面101上，径向力E2作用在表面102上，径向力F”作用在表面103上，径向力F2作用在表面104上，然而由于表面101切割的周边带a”的面积要大于表面102切割的圆周带b”，因此力E”和F2彼此不能抵消，同样力F”和F2也不能相互抵消，这样钻头将因此发生偏转并引起刀片30”的侧表面105与孔11的内表面磨擦接触，这将必然限制所能获得的钻头的长径比。

因此，根据本发明两个刀片被置于十分精确的平衡对置位置，这将基本上平衡掉作用在刀片上的径向力，另外，由于每个刀片以相同的方式与工件精确的接触，因此，每个刀片作功相同，因而切削力相等，这样本发明的长径比就不会象己有技术中的那样被限制于3∶1内，而可以是4∶1或更高，事实上实验己经成功的做到了10∶1。

最好如图1所示，钻头的工作长度L要远远的大于顶端14的直径，图1所示的实施例，其长度L被表示为直径D的6倍，尽管本发明设计成所有长径比都大于4∶1。在本发明以前这种长径比被认为是不可能的，这是由于切割表面与工件相接触所产生的前述的径向力将引起偏转所致。

然而本发明所提供的切割刀片30和31，它们精确的相互平衡使得力E和F相互抵消掉，因而主体13所具有的长度L要大于直径D的4倍。

因此，本发明的钻头主体13的工作长度L可以远大于顶部14的直径。事实上实验己经成功的完成了长径比L/D高达10∶1。这必然同样要导致孔11相对于给出的直径和外形具有比上文所述的可能性更大的长度。

如前所述，本发明提供了一种新的和改进的钻头10，它的主体13的长度L至少要大于顶部14的直径D的4倍，由于使用了多用的可更换刀片30和31它们切割孔11的一个完整的圆周钻头仅须要旋转半周，因此钻头将以更快的速率轴向进给。由于刀片是三角形的，刀片相邻的角部31可以被布置成相互非常靠近，并且钻头主体13的较厚的部位可以位于刀片之间靠近角37的位置，因而在钻头具有较高的长径比的情况下也可以得以加强，更重要的是由于作用在刀片30和31上的径向力E和F被准确的平衡，因此主体B保持前述的长径比而不发生钻头的偏转。

Claims (8)

1、一种钻头，包括一个加长的大致圆柱形的具有预定轴线的主体，该主体具有一个杆端部分，一个顶端部分，它具有一个外周边以及一个轴向工作长度L，该长度为在钻孔时所说的钻头可以伸入孔中的长度，在所说的主体的顶端具有两个沟槽，它们相对于轴心平面准确的径向对置，两个切割刀片位于所说的两个沟槽内。另外，所说的刀片可移动的固定于所说的主体上。每个刀片具有由至少三个侧面所界定的大致扁平且平行的两个表面，至少一个所述刀片的侧面具有一切割边，它横向延伸靠近顶端的主体，因而是从位于外周边向外的第一角部位至位于不到所说轴线的第二角部位，该第一角部位至第二角部位的距离为钻头的直径D，钻头主体的工作长度L至少为直径的4倍。

2、根据权利要求1的钻头，其中，所说的主体的工作长度至少为直径的10倍。

3、根据权利要求1的钻头，其中，切割边从所说的第一角至所说的第二角为一个直线，和一个曲线部位，它由第一个平面凸起并朝向所说的第二表面的靠近第二角部分。

4、根据权利要求所述的钻头，其中所说的切割边的曲线部分与所说的第二表面相接。

5、一个钻头，包括一个加长的大致圆柱形的具有预定轴线的主体，并且它可绕其轴线旋转，该主体具有一个顶端部分和一个相对的杆端部分，顶端部分具有一个外周边；

在主体上大致径向相对的位置具有第一和第二沟槽，它们从顶端朝向杆端延伸，它们的径向横截面大致为V形，它们有一对侧壁构成，该第一和第二沟槽其长度至少为L；

在主体的顶端位部径向对置设有第一第二槽，该第一个槽与前述的第一沟槽的一个侧壁相邻接，第二槽与前面所说的第二沟槽的一个壁相邻接，这两个槽也大致成V形，它们由朝向杆的旋转方向的平面和一对从该平面延伸的侧面构成，每个槽的V形顶点指向主体的杆的部分；

并且，第一、第二切割刀片被设置在第一、第二槽中，并且，可以相对主体移动，由于两刀片径向相对的配置，因而，当钻旋转和轴向进给时，作用在每个刀片上的径向力在顶端的一预定轴线上相互平衡掉，因而避免了顶端的偏转，每个刀片大致为三角形并且具有一个与接收槽的平台相接靠的表面，另外相对的一个表面朝向主体的旋转方向并形成一个切割面，每个切割刀片还具有三个大致等长的边表面，并且，它们位于前述的两表面之间，三个边表面在其连接处形成三个角部，三个表面中的两个表面位于贴靠于相应的槽的侧壁上，另一个表面朝向连接顶点的钻杆的方向伸展，刀片第三表面与切割表面结合形成一个切割边，每个切割边沿主体槽向伸展，它是从朝向外圆周第一角伸向第二角，第一角和第二角之间的距离为钻头的钻削直径D，每个切割边具有一个直线部分和一个曲线部分，直线部分是从第一角到第二角之间，曲线部分是从直线段开始绕过第二角朝向相应的平台，每个刀片上均作用直径向力，因此当钻头通过工件径向进给时，由于刀片的精确的定位，每个刀片所受的力相等因而彼此被平衡抵消掉，钻头的工作长度L可以至少为钻削直径D的4倍。

6、根据权利要求5所述的钻头，其中，钻头的工作长度L至少为钻削直径D的10倍。

7、根据权利要求5所述的钻头，其中，每个刀片的切削面基本上是平的，但是朝向平台靠近第二角处稍微凸起，因此在切割边上形成了一个曲线的切割边部分。

8、根据权利要求5所述的钻头，其中，每个刀片包括一个第三角部，从第一角部到第三角部之间形成一个备用的切割边，它是位于第一表面和一个边表面的结合线上，该备用切割边具有一个从第一角延伸的直线段部分和靠近第三角的一个外凸的曲线部分。

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