轻型旋转切削工具的制作方法

1.一般来说，本公开涉及用于对工件执行机械加工操作的旋转切削工具。具体地说，本公开涉及一种与常规旋转切削工具相比具有增大的刚度与重量比的轻型旋转切削工具。


背景技术：

2.在某些机械加工应用中，切削工具的重量可能成为显著约束。重型工具对于必须搬运工具的操作者是成问题的。工作场所安全要求还降低了允许员工手动提升的最大重量。许多客户使用手动加载的机器(例如，龙门机床)，其中操作者必须将加工组合件手动提升到主轴中。因此，额外的重量限制已经产生了使切削工具尽可能轻质而不损害性能的客户要求。降低切削工具的重量的挑战在于在使用较少材料的同时保持刚度。用于轻型切削工具的设计方法需要通过根据作用于切削机的所得负载矢量最佳地放置材料来使材料最小化。
3.另外，将工具加速和减速到其所需速度的时间随着工具重量和惯性力矩的减少而减小。此外，具有自动工具更换器的许多机器对于机器可更换的工具也具有重量和倾斜力矩限制。此外，如果工具的倾斜力矩对于机器连接过高，那么重型切削工具可能造成工具更换效率问题，或甚至导致机械加工质量不佳。因此，需要最小化重型常规切削工具的重量，同时保持足够的刚度，以允许更容易的搬运且降低操作成本。


技术实现要素：

4.减小例如铣刀等的旋转切削工具的重量的问题通过以下操作加以解决：使用与增材制造(即，3d打印)组合的拓扑优化技术，以产生大幅度降低旋转切削工具的总重量的支撑结构，同时维持切向、轴向和径向方向上的强度、刚度以及旋转切削工具的功能性。
5.拓扑优化使用有限元分析(fea)或有限元方法(fem)来基于所施加的负载和约束优化给定体积的结构中的材料分布。3d打印机技术的当前激增已允许设计者和工程师在设计新产品时使用拓扑优化技术。拓扑优化与增材制造(即，3d打印)相组合可导致轻型、改善的结构性能以及缩短的设计与制造周期。
6.与常规切削工具相比，本公开中描述的旋转切削工具具有拓扑优化结构，从而在给定材料、体积和负载/约束下导致较高刚度与重量比。拓扑优化结构具有复杂几何形状，现在有可能通过使用增材制造(即，3d打印)直接产生所述复杂几何形状。
7.在一个方面，一种旋转切削工具包括具有周围表面的圆盘状中心主体。外围支撑构件沿着所述圆盘状中心主体的所述外围表面周向地延伸，并且在切削操作期间抵抗施加在插件凹部上的离心力和切削力提供支撑。径向支撑构件沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件。所述径向支撑构件与所述外围支撑构件在结构上交互，以抵抗在切削操作期间施加在所述插件凹部上的离心力和切削力而为所述插件凹部提供额外支撑。所述径向支撑构件和所述外围支撑构件具有使所述旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。
8.在另一方面，一种旋转切削工具包括具有外围表面的圆盘状中心主体。外围支撑构件沿着所述圆盘状中心主体的所述外围表面而延伸。所述外围支撑构件包括在所述插件凹部的两侧上延伸的连续表面，所述连续表面具有相对于所述旋转切削工具的旋转方向r的前导部分和相对于所述旋转切削工具的旋转方向r的拖尾部分。所述外围支撑构件具有使所述旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。
附图说明
9.虽然示出了本公开的各种实施例，但是所示出的特定实施例不应解释为限制权利要求。预期在不脱离本公开范围的情况下可以进行各种改变和修改。
10.图1是根据本公开的实施例的旋转切削工具的后视等角视图；
11.图2是图1的旋转切削工具的侧视图；
12.图3是图1的旋转切削工具的后视图；
13.图4是图1的旋转切削工具的前视图；
14.图5是沿着图4的线5-5截取的旋转切削工具的横截面视图；
15.图6是沿着图4的线6-6截取的旋转切削工具的横截面视图；
16.图7是沿着图4的线7-7截取的旋转切削工具的横截面视图；
17.图8是沿着图4的线8-8截取的旋转切削工具的横截面视图；
18.图9是沿着图4的线9-9截取的旋转切削工具的横截面视图；
19.图10是根据本公开的另一实施例的旋转切削工具的前视图；
20.图11是沿着图10的线11-11截取的旋转切削工具的横截面视图；
21.图12是沿着图10的线12-12截取的旋转切削工具的横截面视图；且
22.图13是沿着图10的线13-13截取的旋转切削工具的横截面视图。
具体实施方式
23.如本文所使用，方向性短语，例如左、右、前、后、顶部、底部及其派生词与附图中所示的元件的定向有关，并且不限制权利要求，除非在权利要求中明确叙述。在所有附图中，相同的部件具有相同的附图标记。
24.如本文在整个说明书以及权利要求书中所使用的近似语言可以应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大约”和“大体上”等词语修饰的值并不限于所指定的确切值。在至少一些情况下，近似用语可对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以是组合和/或互换的，除非上下文或语言另外指示，否则此类范围得以确定并且包含其中所含的所有子范围。
25.在整个文本和权利要求中，关于值的范围(例如，“约22wt％到35wt％”)使用词“约”旨在修饰所列举的高值和低值两者，并反映与测量值、有效数字和互换性相关联的变化的模糊程度，这些全是如本公开所属领域的普通技术人员应当理解的。
26.出于本说明书的目的(除在操作实例中之外)，除非另有说明，否则表示成分的数量和范围、工艺条件等的所有数值在所有情况下均应理解为由术语“约”修饰。因此，除非相反地指示，否则本说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可取
决于本公开寻求获得的期望结果而变化。最低限度地，并且不试图将等同原则的应用限于权利要求书的范围，至少应根据所报告的有效数字的数目并且通过应用一般舍入技术来解释每个数值参数。此外，如本说明书和所附权利要求中所使用，除非明确且不含糊地限于一个指示物，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”旨在包含复数指示物。
27.尽管阐述本公开广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体实例中阐述的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值都固有地包含某些误差，这些误差必定是由它们各自的测试测量中发现的标准偏差(包含测量仪器中发现的标准偏差)引起的。同样，应当理解，本文列举的任何数值范围旨在包含其中包含的所有子范围。例如，范围“1至10”旨在包含在所列举的最小值1与所列举的最大值10之间并且包含所述最小值和最大值的所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值的范围。因为公开的数值范围是连续的，所以它们包含最小值和最大值之间的每个值。除非另有明确说明，否则本技术中指定的多种数值范围均为近似值。
28.在以下说明书和权利要求中，引用了具有以下含义的多个术语。
29.除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包含复数指代。
[0030]“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且所述描述包含事件发生的实例和事件不发生的实例。
[0031]
如本文所使用，术语“弓形”被定义为如弓一般弯曲。
[0032]
如本文所用，术语“轴向”或“轴向地”被定义为在基本上平行于中心轴线c
l
的方向上。
[0033]
如本文所使用，术语“径向”或“径向地”被定义为在基本上垂直于中心轴线c
l
的方向上。
[0034]
如本文所使用，术语“3d打印”或“增材制造”是对cad模型或数字3d模型的三维物体的构造。术语“3d打印”可指各种过程，在这些过程中，材料在计算机控制下被沉积、接合或固化以创建三维物体，材料被添加到一起，例如液体分子或粉末颗粒被融合在一起，通常一层一层地进行。在二十世纪八十年代，人们认为3d打印技术仅适用于功能性或美学原型的生产，而那时，更广泛的3d打印术语是快速成型。如今，精度、可重复性和材料范围已增大到3d打印被视为工业生产技术的地步，正式术语为“增材制造”。
[0035]
如本文所使用，术语“拓扑”被定义为组成部件相关或布置的方式。
[0036]
如本文所使用，短语“拓扑优化”被定义为对于一组给定负载、边界条件和约束优化给定设计空间内的材料布局的数学方法，其目标是最大化系统的性能。拓扑优化不同于形状优化和大小优化，因为设计可以在设计空间内实现任何形状，而不是处理预定义配置。
[0037]
常规拓扑优化技术使用有限元分析(fea)或有限元方法(fem)来评估设计性能。使用基于梯度的数学规划技术(例如最优标准算法和移动渐近线的方法)或非基于梯度的算法(例如遗传算法)来优化设计。存在用于拓扑优化的多种市售软件程序，包含但不限于ansys mechanical、altair inspire、siemens nx和solidworks。
[0038]
一般来说，本公开的轻型旋转切削工具是通过增材制造产生，其中切削区由邻近插件凹部的外围支撑结构支撑，并且具有产生具有最佳刚度与重量比的轻型切削工具的结构。另外，本公开的旋转切削工具包含从连接界面延伸到插件凹部的最佳放置的径向支撑结构。这些支撑结构两者主要抵抗由于旋转切削工具的转速引起的变形和由于施加到切削
工具的切削力引起的变形。
[0039]
现参考图1-9，示出了根据本公开的实施例的旋转切削工具10。在所说明实施例中，旋转切削工具10包括端面铣刀，所述端面铣刀在切削操作期间在旋转方向r上围绕中心轴线c
l
旋转。虽然在所说明实施例中旋转切削工具10包括端面铣刀，但应了解，本公开的原理可应用于用于金属切削操作的任何旋转切削工具，例如任何铣刀、旋转镗杆、绞孔器及类似物。另外，本文中对特定应用的描述不应限制使用旋转切削工具的范围和程度。
[0040]
一般来说，旋转切削工具10一体地形成，并且包括圆盘状中心主体12和外围表面14。中心主体12具有在切削操作期间面向轴向向前方向的前端16，以及在切削操作期间面向轴向向后方向的后端18。中心主体12包含耦合界面20，所述耦合界面具有中心腔体22和在腔体22的相对侧上从中心腔体22径向向外延伸的一对键槽24。中心腔体22和键槽24充当导引件以将旋转切削工具10适当地定位到例如配接器(未示出)的机器安装构件。
[0041]
中心腔体22具有基本上圆形的侧壁22a和底壁22b，以增大旋转切削工具10的径向刚度。应注意，当从旋转切削工具10的后端18观察时，腔体22凹入到中心主体12中，如图1中所示，并且当从旋转切削工具10的前端16观察时，所述腔体从中心主体12突出，如图2中所示。旋转切削工具10可以通过使用穿过中心主体12形成的一个或多个安装孔26安装到配接器(未示出)。
[0042]
旋转切削工具10包含与圆盘状中心主体12一体地形成的多个径向支撑构件28。具体地说，如图1和2中所示，每个径向支撑构件28沿着圆盘状中心主体12从中心腔体22径向延伸到插入凹部30附近的外围支撑构件38。径向支撑构件28在切削操作期间抵抗施加在切削插件32上的离心力和切削力为插件凹部30提供支撑。
[0043]
在所说明实施例中，旋转切削工具10总共具有四个径向支撑构件28和四个插件凹部30(即，一一对应)。然而，应了解，本发明不限于径向支撑构件28和插件凹部30的数目，并且本发明可取决于旋转切削工具10的尺寸和应用要求而用任何期望数目的径向支撑构件28和插件凹部30来实践。
[0044]
如图4中所示，每个径向支撑构件28具有具有曲率半径r1的中心线34。在所说明实施例中，径向支撑构件28的中心线34远离旋转切削工具10的旋转方向r弯曲。在所说明实施例中，径向支撑构件28的一端从中心腔体22的侧壁22a延伸到插件凹部30附近。
[0045]
如图5中所示，每个径向支撑构件28具有沿着其长度改变的高度h。具体地说，随着径向支撑构件28在径向向外方向上从中心腔体22延伸，每个径向支撑构件28的高度h连续增大。另外，每个径向支撑构件28具有沿着其长度改变的宽度w，如图4中所示。具体地说，随着径向支撑构件28在径向向外方向上从中心腔体22延伸，宽度w连续地减小。如图5-7中所示，每个径向支撑构件28具有内部腔体36，以减小旋转切削工具10的总重量，同时维持旋转切削工具10的刚度。以此方式，径向支撑构件28具有使旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。
[0046]
旋转切削工具10进一步包含沿着圆盘状中心主体12的外围表面14延伸的多个外围支撑构件38。外围支撑构件38的一部分延伸到插件凹部30，并且完全抵抗所有力支撑插件凹部30，并且是插件凹部30的主要支撑件。另外，外围支撑构件38与径向支撑构件28在结构上交互，以抵抗切削操作期间施加在切削插件32上的离心力和切削力而为插件凹部30提供额外支撑。
[0047]
在所说明实施例中，旋转切削工具10总共具有四个外围支撑构件38和四个插件凹部30(即，一一对应)。然而，应了解，本发明不限于外围支撑构件38和插件凹部30的数目，并且本发明可取决于旋转切削工具10的尺寸和应用要求而用任何期望数目的外围支撑构件38和插件凹部30来实践。
[0048]
每个外围支撑构件38为在插件凹部30的两侧上延伸的连续表面，所述连续表面具有相对于旋转切削工具10的旋转方向r的前导部分38a和相对于旋转切削工具10的旋转方向r的拖尾部分38b。前导部分38a具有切屑槽40，以辅助在切削操作期间排空切屑。
[0049]
如图2中所示，每个外围支撑构件38在多个方向上具有改变的横截面。具体地说，使用具有与中心轴线c
l
对齐的轴向方向(z轴)的圆柱形坐标系来描述外围支撑构件38的形状，r-z平面中的横截面积随着外围支撑构件38从插件凹部30沿切线方向(θ方向)延伸而减小。在θ-z平面中，随着外围支撑构件38在正r方向上远离中心轴线c
l
延伸，横截面的高度增大，而横截面的宽度减小，从而导致横截面积的净减小。随着外围支撑构件38在z方向上远离圆盘状中心主体12延伸，横截面积在r-θ平面(俯视图)中减小。外围支撑构件38的厚度在圆盘状中心主体12附近宽得多，并且当外围支撑构件38接近插件凹部30附近时，形状基本上渐缩。材料的这种分布导致外围支撑构件的比常规设计更高的刚度与重量比。
[0050]
如图6-9中所示，每个外围支撑构件38具有内部腔体42，以减小旋转切削工具10的总重量，同时对旋转切削工具10的刚度具有最小影响。以此方式，外围支撑构件38具有使旋转切削工具10的刚度与重量比最大化的三维拓扑。
[0051]
如上所述，旋转切削工具10具有单个径向支撑构件28(即，一一对应)，用于提供对插件凹部30的额外支撑，同时增大旋转切削工具10的刚度与重量比。然而，应了解，本公开不受用于支撑每个插件凹部30的径向支撑构件28的数目限制，并且本发明可用用于支撑每个插件凹部30的任何所需数目的径向支撑构件28来实践。
[0052]
现参考图10-13，示出了根据本公开的另一实施例的旋转切削工具10'。一般来说，旋转切削工具10'与旋转切削工具10基本上相同，不同之处在于旋转切削工具10'具有用于支撑插件凹部30的第二径向支撑构件44。
[0053]
如图10中所示，每个第二径向支撑构件44具有具有曲率半径r2的中心线46。与远离旋转方向r弯曲的径向支撑构件28的中心线34不同，第二径向支撑构件44的中心线46朝向旋转切削工具10'的旋转方向r弯曲。在所说明实施例中，第二径向支撑构件44的一端的一部分从中心腔体22的侧壁22a和邻近的下游径向支撑构件28延伸到插件凹部30附近。
[0054]
如图13中所示，每个第二径向支撑构件44具有沿着其长度改变的高度h2。具体地说，随着径向支撑构件44在径向向外方向上从中心腔体22延伸，高度h2连续地增大。另外，每个第二径向支撑构件44具有沿着其长度改变的宽度w2，如图10中所示。具体地说，随着径向支撑构件44在径向向外方向上从中心腔体22延伸，宽度w2连续地减小。如图12和13中所示，每个第二径向支撑构件44具有内部腔体48，以减小旋转切削工具10'的总重量，同时对旋转切削工具10的刚度具有最小影响。以此方式，第二径向支撑构件44具有使旋转切削工具10'的刚度与重量比最大化的三维拓扑。
[0055]
与常规旋转切削工具相比，旋转切削工具10和10'具有约1.4-1.5的归一化所得刚度与重量比，同时将质量降低约40-60％。因此，旋转切削工具10和10'的所得刚度与重量比常规旋转切削工具大40-50％，而质量小约50％。归一化刚度与重量比在切向、径向和轴向
方向上改变，并且可为常规工具的1.1到2倍。
[0056]
尽管已经描述了当前的优选实施例，但是本公开可以在所附权利要求的范围内以其它方式实施。
[0057]
部件清单
[0058]
10 旋转切削工具
[0059]
12 圆盘状中心主体
[0060]
14 外围表面
[0061]
16 前端
[0062]
18 后端
[0063]
20 耦合界面
[0064]
22 中心腔体
[0065]
22a 侧壁
[0066]
22b 底壁
[0067]
24 键槽
[0068]
26 安装孔
[0069]
28 径向支撑构件
[0070]
30 插件凹部
[0071]
32 切削插件
[0072]
34 中心轴线
[0073]
36 内部腔体
[0074]
38 外围支撑构件
[0075]
40 切屑槽
[0076]
42 内部腔体
[0077]
44 第二径向支撑构件
[0078]
46 中心轴线
[0079]
48 内部腔体

技术特征：
1.一种旋转切削工具，其包括：具有外围表面的圆盘状中心主体；沿着所述圆盘状中心主体的所述外围表面周向延伸的外围支撑构件，所述外围支撑构件在切削操作期间抵抗施加在插件凹部上的离心力和切削力提供支撑；以及径向支撑构件，所述径向支撑构件沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件，其中所述径向支撑构件与所述外围支撑构件在结构上交互，以抵抗在切削操作期间施加在所述插件凹部上的离心力和切削力而为所述插件凹部提供额外支撑，且其中所述径向支撑构件和所述外围支撑构件具有使所述旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。2.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件具有远离所述旋转切削工具的旋转方向弯曲的中心线。3.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件具有沿着其长度改变的高度。4.根据权利要求3所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件的所述高度随着所述径向支撑构件在径向向外方向上延伸而增大。5.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件具有沿着其长度改变的宽度。6.根据权利要求5所述的旋转切削工具，其中所述径向支撑构件的所述宽度随着所述径向支撑构件在径向向外方向上延伸而减小。7.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其进一步包括沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件的第二径向支撑构件。8.根据权利要求7所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件具有朝向所述旋转切削工具的所述旋转方向弯曲的中心线。9.根据权利要求7所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件具有沿着其长度改变的高度。10.根据权利要求9所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件的所述高度在径向向外方向上连续地增大。11.根据权利要求7所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件具有沿着其长度改变的宽度。12.根据权利要求11所述的旋转切削工具，其中所述第二径向支撑构件的所述宽度在径向向外方向上连续地减小。13.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述圆盘状中心主体还包括耦合界面。14.根据权利要求13所述的旋转切削工具，其中所述耦合界面包含中心腔体和从所述中心腔体径向向外延伸的键槽。15.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件包括在所述插件凹部的两侧上延伸的连续表面，所述连续表面具有相对于所述旋转切削工具的旋转方向r的前导部分和相对于所述旋转切削工具的所述旋转方向r的拖尾部分。16.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件具有内部腔体以使所
述旋转切削工具的所述刚度与重量比最大化。17.根据权利要求1所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件在多个方向上具有改变的厚度。18.根据权利要求17所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件的厚度在接近所述圆盘状中心主体处最大，并且在接近所述插件凹部处最小。19.一种旋转切削工具，其包括：具有外围表面的圆盘状中心主体；外围支撑构件，所述外围支撑构件沿着所述圆盘状中心主体的所述外围表面而延伸，其中所述外围支撑构件包括在所述插件凹部的两侧上延伸的连续表面，所述连续表面具有相对于所述旋转切削工具的旋转方向r的前导部分和相对于所述旋转切削工具的旋转方向r的拖尾部分，且其中所述外围支撑构件具有使所述旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。20.根据权利要求19所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件具有内部腔体以使所述旋转切削工具的所述刚度与重量比最大化。21.根据权利要求19所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件在多个方向上具有改变的厚度。22.根据权利要求21所述的旋转切削工具，其中所述外围支撑构件的厚度在接近所述圆盘状中心主体处最大，并且在接近所述插件凹部处最小。

技术总结
一种旋转切削工具包含具有外围表面的圆盘状中心主体。外围支撑构件沿着所述圆盘状中心主体的所述外围表面周向地延伸，并且在切削操作期间抵抗施加在插件凹部上的离心力和切削力提供支撑。径向支撑构件沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件。所述径向支撑构件与所述外围支撑构件在结构上交互，以抵抗在切削操作期间施加在所述插件凹部上的离心力和切削力而为所述插件凹部提供额外支撑。所述径向支撑构件和所述外围支撑构件具有使所述旋转切削工具的刚度与重量比最大化的三维拓扑。所述旋转切削工具可包含第二径向支撑构件，所述第二径向支撑构件沿着所述圆盘状中心主体径向延伸到所述外围支撑构件。中心主体径向延伸到所述外围支撑构件。中心主体径向延伸到所述外围支撑构件。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：肯纳金属公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/9/25