本发明涉及一种整体式陶瓷端铣刀。在此披露了可以由陶瓷或其他材料整体制成的多种端铣刀。这些端铣刀的切削部分具有不大于其切削直径的两倍的切削长度以及是其切削直径的至少0.7倍的内芯。它们的轴向刀片具有带负的径向倾角的多个切削刃并且由多个螺旋槽分隔开。它们的切削端具有负的轴向倾角而且在中心点之前开有齿缝，并且具有带负的倾角的多个径向切削刃。此类端铣刀在一个槽上还具有成圆角的多个拐角以及从径向过渡到轴向的多个齿缝。在此还披露了使用此类陶瓷端铣刀对材料进行铣削的方法。
1.一种具有纵向轴线(22b)的整体式端铣刀(2)，该端铣刀(2)包括：
一个沿着该纵向轴线(22b)延伸的柄部分(8a)；以及
至少一个切削部分(6a)，该切削部分从该柄部分(8a)延伸并且包括具有一个腹板(48a)的一个切削刃尖(25a)，该切削部分(6a)具有一个切削直径(10a)，一个切口轴向长度(12a)，该切口轴向长度不大于该切削直径(10a)的两倍，一个内芯直径(26a)，该内芯直径是该切削直径(10a)的至少0.7倍，以及多个刀片，这些刀片沿着该切口轴向长度(12a)从该纵向轴线(22b)以从39到41度的一个螺旋角(20b)而布置并且以一个径向角度延伸到该切削刃尖(25a)以便形成在从-1度到-6度的范围内的一个前锋前角(44a)并且终止在腹板(48a)附近；
其中该多个刀片中的每个刀片(16a)是由一个槽(24a)彼此分开的并且具有在从该切削直径(10a)的0.031倍到0.4倍的范围内的一个拐角(60a)半径、在从0到-4的切向角度范围内的一个负的径向倾角(28a)、以及在-1度到-3度的范围内的一个负的轴向倾角(50a)；并且其中该切削刃尖(25a)具有在从1.5度到3度的范围内的一个凹角(52a)以及多个齿缝，该多个齿缝中的每个齿缝(56a)具有在从15度到30度的范围内的一个齿缝角(58a)并且延伸进入这些槽(24a)之一中。
2.如权利要求1所述的整体式端铣刀(2)，其中该端铣刀(2)是由一种陶瓷构造的。
3.如权利要求1所述的整体式端铣刀(2)，其中该端铣刀(2)是由选自下组的一种材料构造的，该组由以下各项组成：碳化硅晶须增强的氧化铝、氧化铝碳氮化钛、稳定的氧化锆、碳化硅、氮化硅基陶瓷、以及SiAlON陶瓷。
4.如权利要求1所述的整体式端铣刀(2)，其中该端铣刀(2)是由一种SiAlON陶瓷构造的，这种SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，2％到20％的铝、1％到12％的氧、总计为2％到12％的一种或更多稀土元素、其余为硅和氮，并且具有最高达到50％的α相。
5.如权利要求1所述的整体式端铣刀(2)，其中该端铣刀(2)是由一种SiAlON陶瓷构造的，这种SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，3％到7％的铝、1％到4％的氧、3％到8％的镱、最高达到1％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有20％到45％的α相。
6.如权利要求1所述的整体式端铣刀(2)，其中槽(24a)的数量是在从三到八的范围内。
7.如权利要求1所述的整体式端铣刀(2)，其中切削部分(6a)的数量是两个。
8.如权利要求1所述的整体式端铣刀(2)，其中该切口轴向长度(12a)是在从该切削直径(10a)的一倍到两倍的范围内。
9.如权利要求1所述的整体式端铣刀(2)，其中该切削直径(10a)是在从2mm到20mm的范围内。
10.一种对物体进行机加工的方法，该方法包括使该物体与具有一条纵向轴线(22b)的一个端铣刀(2)接触，在该端铣刀(2)在与该物体接触时，该端铣刀(2)围绕其纵向轴线(22b)以预先选择的切削速度旋转，该端铣刀(2)包括一个沿着该纵向轴线(22b)延伸的柄部分(8a)；以及
至少一个切削部分(6a)，该切削部分从该柄部分(8a)延伸并且包括具有一个腹板(48a)的一个切削刃尖(25a)，该切削部分(6a)具有一个切削直径(10a)，不大于该切削直径(10a)的两倍的一个切口轴向长度(12a)，是该切削直径(10a)的至少0.7倍的一个内芯直径(26a)，以及多个刀片，这些刀片沿着切口轴向长度(12a)从该纵向轴线(22b)以从
39到41度的一个螺旋角(20b)来布置并且以一个径向角度延伸到该切削刃尖(25a)以便形成在从-1度到-6度的范围内的一个前锋前角(44a)并且终止在该腹板(48a)附近；
其中该多个刀片中的每个刀片(16a)是由一个槽(24a)而彼此分开的并且具有在从该切削直径(10a)的0.031倍到0.4倍的范围内一个拐角(60a)半径、在从0到-4的切向角度范围内的一个负的径向倾角(28a)、以及在-1度到-3度的范围内的一个负的轴向倾角(50a)；并且其中该切削刃尖(25a)具有在从1.5度到3度的范围内的一个凹角(52a)以及多个齿缝，该多个齿缝中的每个齿缝(56a)具有在从15度到30度的范围内的一个齿缝角(58a)并且延伸进入这些槽(24a)之一中。
11.如权利要求10所述的方法，其中该端铣刀(2)是由一种陶瓷构造的。
12.如权利要求10所述的方法，其中该端铣刀(2)是从选自下组的一种材料构造的，该组由以下各项组成：碳化硅晶须增强的氧化铝、氧化铝碳氮化钛、稳定的氧化锆、碳化硅、氮化硅基陶瓷、以及SiAlON陶瓷。
13.如权利要求10所述方法，其中该端铣刀(2)是由一种SiAlON陶瓷构造的，这种SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，2％到20％的铝、1％到12％的氧、总计为2％到12％的一种或更多稀土元素、其余为硅和氮，并且具有最高达到50％的α相。
14.如权利要求10所述的方法，其中该端铣刀(2)是由一种SiAlON陶瓷构造的，这种SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，3％到7％的铝、1％到4％的氧、3％到8％的镱、最高达到1％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有20％到45％的α相。
15.如权利要求10所述的方法，其中该切削速度是小于每分钟600米，并且该端铣刀是由一种SiAlON陶瓷构造的，这种SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，不大于5％的铝、不大于2％的氧、不大于5％的镱、大于0.3％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有20％到45％的α相。
16.如权利要求10所述的方法，其中该切削速度是每分钟600米或更高，并且该端铣刀是由一种SiAlON陶瓷构造的，这种SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，至少5％的铝、至少2％的氧、至少5％的镱、至少0.8％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有25％到45％的α相。
17.如权利要求10所述的方法，其中槽(24a)的数量是在3与8之间的范围内。
18.如权利要求10所述的方法，其中切削部分(6a)的数量是两个。
19.如权利要求10所述的方法，其中该切口轴向长度(12a)是在从该切削直径(10a)的一倍到两倍的范围内。
20.如权利要求10所述的方法，其中该切削直径(10a)是在从2mm到20mm的范围内。
整体式陶瓷端铣刀
技术领域
[0001] 本发明涉及可以由陶瓷制成的整体式端铣刀，并且涉及使用此类端铣刀进行机加工的方法。
背景技术
[0002] 端铣刀是用于对多种类型的材料(从金属到塑料)进行机加工的旋转工具。它们是由一个总体上圆柱形的柄来支持的并且被适配为由一个电机驱动的卡盘或者功能上类似的装置来可移动地握持的。这个柄逐渐成为一个单端的端铣刀上的切削部分或者成为一个双端的端铣刀上的两个切削部分。该切削部分延伸到该端铣刀的一个末端上。该切削部分具有由多个槽分隔开的多个切削刀片，这些槽用于带走通过切削操作所生成的这些切屑。这些切削刀片和这些槽可以平行于该端铣刀的纵向轴线，但是更经常地是螺旋状的。该切削部分典型地以多个径向切削特征为终结，这些径向切削特征被设计为补充由这些切削刀片的轴向部分所提供的切削作用。
[0003] 直到现在，差不多所有的端铣刀都已经是用抗冲击材料(诸如，高速钢以及金属陶瓷复合材料，例如烧结碳化钨)制成的。在陶瓷已经被使用的程度来讲，由于其脆性，它们通常已经被限制于被用作切削刃镶片，这些切削刃镶片被可移动地固定到由一种更加抗冲击的材料(例如一种高速钢)制成的一个本体上。很少见的是可能经受到侧面负荷并且由一种陶瓷材料整体制成的一种机加工工具，例如一种端铣刀。
[0004] 尽管如此，陶瓷材料在切削操作中是有吸引力的，因为与金属并且甚至烧结碳化钨类相比，它们能够更好地承受在切削操作过程中在切削区域内所产生的高温。高的切削温度是有益的，因为它们可以使正被切削的材料更加容易地流动，因此增加金属的去除率并且降低切削该材料所要求的力的值。所需要的是具有以下一种设计的整体式端铣刀，这种设计可以利用陶瓷的优势，同时使由其固有的脆性所引起的问题最小化。
发明内容
[0005] 本发明提供可以由陶瓷整体地制成的端铣刀。此类端铣刀可以被制成为单端或双端的端铣刀。根据本发明的这些端铣刀的切削部分具有不大于其切削直径的两倍的切口长度以及是其切削直径的至少0.7倍的内芯。它们的轴向刀片具有带负的径向倾角的多个切削刃，并且由多个螺旋槽分隔开。它们的切削端各自具有负的轴向倾角，而且在中心点的前面开齿缝，并且具有带负的倾角的多个径向切削刃。此类端铣刀在槽上还具有成圆角的多个拐角以及从径向过渡到轴向的多个齿缝。
[0006] 本发明包括由陶瓷和其他材料整体地制成的这类端铣刀。本发明还包括使用这类陶瓷铣刀来铣削多种材料的方法。在本发明的一些优选实施方案中，这些端铣刀是由一种SiAlON陶瓷制成的。
附图说明
[0007] 通过参照附图将会更好地理解本发明的特征和优点的关键程度。然而，应该理解的是附图的设计仅是为了解说的目的并且不是作为对本发明的限制的定义。
[0008] 图1A是根据本发明的一个实施方案的一个具有四个槽的端铣刀的平面图。
[0009] 图1B是根据本发明的一个实施方案的一个具有六个槽的端铣刀的平面图。
[0010] 图2A是在图1A中于平面IIIA-IIIA处截取的端视图。
[0011] 图2B是在图1B中于平面IIIB-IIIB处截取的端视图。
[0012] 图3是更加详细地显示图2A的细节A的局部端视图。
[0013] 图4A是图1A的端铣刀的切削端的端视图。
[0014] 图4B是图1B的端铣刀的切削端的端视图。
[0015] 图5是图1A的端铣刀的切削端附近的平面图，展示了这些刀片之一的细节。
[0016] 图6是图1A的端铣刀的切削端的一部分的透视图。
[0017] 图7是图1A的端铣刀的切削端的一部分的透视图。
具体实施方式
[0018] 在这个部分，对本发明的一些优选实施方案详细地进行了详细说明，足以让本领域的普通技术人员来实践本发明。然而，应该理解的是在此说明了有限数目的优选实施方案这个事实并不以任何方式限制如在所附权利要求书中列出的本发明的范围。
[0019] 无论何时在此或者在所附权利要求书中使用术语“大约”来修改本发明的一个实施方案的一个特征的尺寸时，应当解释为是指与构成该相关特征有关的这些机加工公差。无论何时在此或者在所附的权利要求书中使用一个范围来描述本发明的一个实施方案的一个特征的尺寸时，该范围应当被解释为包括该范围的规定端点以及其间的每个点。
[0020] 图1A和图1B对应地示出了根据本发明的、具有四个槽和六个槽的整体式端铣刀2、4的实施方案的侧视图。参见图1A，端铣刀2具有从一个柄部分8a延伸的一个切削部分
6a。切削部分6a具有一个切削直径10a和切口轴向长度12a，该切口轴向长度不大于该切削直径10a的两倍。注意，虽然在这个实施方案中柄的直径14a与切削直径10a基本上是相同的，但在本发明的考虑之内的是这些直径实质上可以是不同的。当使用不同的柄与切削直径时，优选的是在这两个直径之间的过渡区域中应力集中特征(例如尖的拐角)被避免了。
[0021] 现参见图1B，端铣刀4具有多个刀片，例如刀片16b，18b，这些刀片是以从端铣刀6的纵向轴线22b的一个螺旋角20b而布置的并且限定了切削直径10b。相邻的刀片，例如刀片16b，18b，由一个槽(例如槽24b)分隔开。这些刀片沿着切口轴向长度12b延伸并且延伸到端铣刀4的切削端25b。
[0022] 图2A和图2B对应地示出了在切削平面IIIA-IIIA和IIIB-IIIB处截取的端铣刀2，4的端视图。这些附图更加清晰地示出了由多个槽，例如槽24a，将相邻的多个刀片，例如刀片16a，18a，分隔开。端铣刀2，4的内芯直径26a，26b对应地不大于其对应的切削直径
10a，10b的0.7倍。优选地，内芯直径26a是端铣刀2的切削直径10a的大约0.715倍，并且内芯直径26b是端铣刀4的切削直径10b的大约0.75倍。
[0023] 图3更加详细地示出了端铣刀2的代表性刀片16a的一部分。刀片16a具有在其侧面或面30a上相对于半径32而测量的一个负的径向倾角28a。刀片16a具有在其侧面30a与其径向主台面36a的相交处的一个切削刃34a。径向主台面36a优选地被布置为相对于在切削刃34a处截取的切线40来形成一个径向的主离隙角38a。刀片16a还优选地配备有相对于切线40随轴向主台面36a的一个径向的副离隙角42a。
[0024] 图4A和图4B对应地示出了端铣刀2，4的切削端25a，25b。参见图4A，可以看到端铣刀2的这些刀片，例如刀片16a，相对于半径46a以一个负的径向角或前锋前角(endrake)44a延伸到切削端25a并且终止在腹板48a附近。类似地，参见图4B，可以看到端铣刀4的这些刀片，例如刀片16b，相对于半径46b以一个负的径向角或前锋前角44b延伸到切削端25b，并且终止在腹板48b附近。
[0025] 现参见图5，显示在端铣刀2的切削端25a附近的刀片16a的一部分的平面图。刀片16a具有相对于包含了端铣刀2的纵向轴线22a的一个平面51a而测量到的一个负的轴向倾角50a。图5还展示了以下事实。即，切削端25a具有相对于平面54a的一个凹角52a，该平面垂直于纵向轴线22a并且与切削端25a相切。与刀片16a相邻的齿缝56a也被展示在这个图中。刀片16a还具有一个轴向主台面62a，该轴向主台面是从切线平面54a以一个轴向主离隙角64a并且以相对于切线平面54a尾随着轴向主台面62a的一个轴向副离隙角66a而布置的。
[0026] 图6展示了图5中所示的刀片16a的一部分的另一个视图。在此可以看出齿缝56a在它过渡进入槽24a时如何从径向优选螺旋地融合到轴向。如在图7中可以看到，齿缝
56a是从切削端的切线平面54a以一个齿缝角58a而布置的。
[0027] 再次参见图1A和图1B，可以看到端铣刀2，4的这些刀片在它们到切削端25a，25b的过渡处具有成圆角的拐角，例如拐角60a，60b。
[0028] 在多个优选实施方案中，本发明的端铣刀的以上标识出的这些特征是处于以下这些尺寸范围内：(a)切口长度小于该切削直径的两倍，并且更加优选地在从该切削直径的大约一倍到大约两倍的范围内；(b)该内芯直径是该切削直径的至少0.7倍；(c)这些刀片相对于该纵向轴线进行布置的螺旋角是在从大约39度到大约41度的范围内；(d)刀片的数量或者槽的数量是在从三到八的范围内；(e)前锋前角是在从大约-1度到大约-6度的范围内；(f)拐角半径是在该切削直径的大约0.031倍到大约0.4倍地范围内，并且更加优选地在该切削直径的大约0.063倍到大约0.25倍的范围内；(g)径向倾角是在大约0到大约-4的切向角度的范围内；(h)轴向倾角是在大约-1度到大约-3度的范围内；(i)凹角是在从大约1.5度到大约3度的范围内；并且(j)齿缝角是在大约15度到大约30度的范围内。还优选的是该切削直径沿着切口长度保持恒定，但是对于沿着切口长度将存在正的或负的锥度也是在本发明的考虑之内。虽然该切削直径可以具有任何值，但是本发明的优选实施方案具有在从大约2毫米到大约20毫米的范围内的切削直径，并且甚至更加优选的实施方案具有在大约4毫米到大约16毫米的范围内的切削直径。还优选的是内芯直径随着刀片数量的增加而增加。
[0029] 虽然本发明的这些端铣刀可以是由任何常规的端铣刀材料制成的，例如高速钢或者烧结碳化钨，但是优选的是由一种陶瓷材料来制成这些端铣刀。这类陶瓷材料的实例包括：碳化硅晶须增强的氧化铝、氧化铝碳氮化钛、稳定的氧化锆、碳化硅、以及氮化硅基陶瓷。更加优选地，这种陶瓷是一种硅铝氧氮化物(SiAlON)陶瓷。优选的SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，2％到20％的铝、1％到12％的氧、总计为2％到12％的一种或更多稀土元素、其余为硅和氮，并且具有最高达到50％的α相。此类优选的SiAlON陶瓷的实例包括，以重量百分比计，3％到7％的铝、1％到4％的氧、3％到8％的镱，最高达到1％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有20％到45％的α相。在更加优选的SiAlON陶瓷之列的是从美TM国宾夕法尼亚州拉特罗布市的Kennametal Inc.可以商购的以下等级：KY1540 SiAlON，它包括，以重量百分比计，6.5％的铝、3.7％的氧、7.2％的镱，并且其余为硅和氮，并且具有TM
在25％与40％之间的α相；KYS30 SiAlON，它包括，以重量百分比计，6.8％的铝、3.5％的氧、5.5％的镱、0.7％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有在23％与35％之间的α相；以及TM
SP1300 SiAlON，它包括，以重量百分比计，3.9％的铝、1.7％的氧、4.0％的镱、0.5％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有在25％与45％之间的α相。对于小于600米/分钟的切削速度而言，优选的是这种SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，不大于5％的铝、不大于2％的氧、不大于5％的镱、不大于0.3％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有20％到45％的α相。
对于等于或大于600米/分钟的切削速度而言，优选的是这种SiAlON陶瓷包括，以重量百分比计，至少5％的铝、至少2％的氧、至少5％的镱、至少0.8％的镧，并且其余为硅和氮，并且具有25％到45％的α相。
[0030] 当本发明的这些端铣刀是由常规的端铣刀材料构造的时，可以使用生产端铣刀的起始坯的常规工艺，接着是常规的机加工和精加工技术以生产该端铣刀。当本发明的这些端铣刀是由一种陶瓷构造的时，优选的是通过将适当的前体微粒材料进行压制和烧结、接着进行无中心研磨以便形成起始坯，来生产起始坯。这种压制和烧结可以包括诸如热或冷单轴压制以及热或冷等静压压制的多个分步骤。考虑到所涉及的陶瓷材料的特性，于是可以使用常规的机加工和精加工技术来对这些陶瓷坯进行加工。优选地，这些端铣刀是使用一种高压的、含研磨颗粒的液体介质来轻轻进行珩磨的以便从这些切削刃处去除颗粒，同时避免微裂缝的形成。
[0031] 实例
[0032] 实例1到4
[0033] 根据本发明的多个实施方案的端铣刀实例1到4是从SiAlON加工的以便具有表1中所述的这些特征。
[0034] 表1
[0035]特征 实例1 实例2 实例3 实例4
总长度(mm) 62.00 62.00 62.00 62.00
柄的直径(mm) 8.00 12.00 8.00 12.00
切削直径(mm) 8.00 12.00 8.00 12.00
内芯直径(mm) 5.74 8.59 5.99 9.02
切削长度(mm) 4.01 5.99 4.01 5.99
槽的数量 4 4 6 6
拐角半径(mm) 1.00 1.50 1.00 1.50
螺旋角(度) 40 40 40 40
径向倾角(切向角度) -2 -2 -2 -2
径向主台面(mm) 0.33 0.48 0.33 0.48
径向主离隙角(度) 8 8 8 8
径向副离隙角(度) 18 18 18 18
轴向倾角(度) 2 2 2 2
轴向主台面(mm) 0.48 0.71 0.48 0.71
轴向主离隙角(度) 8 8 8 8
轴向副离隙角(度) 18 18 18 18
齿缝角(度) 27 27 18 18
前锋前角(度) 5 5 2 2
腹板厚度(毫米) 0.69 1.04 0.28 0.41
凹角(度) 2.5 2.5 2 2
[0036] 实例5
[0037] 根据本发明的具有实例3的尺寸端铣刀是由KYS30TM SiAlON制成的并且被用于在没有冷却剂的情况下、以720米/分钟的高切削速度并且以大约14,500mm3/分钟的金属去除率来切削Inconel 718。对该端铣刀进行检查并发现有着很少的碎屑或金属的堆积，并且没有达到其终止寿命。测量出的径向小面磨损为0.4mm。
[0038] 实例6到8
[0039] 根据本发明的具有实例1和实例3的尺寸的端铣刀是由KY1540TM SiAlON(实例6)、KYS30TM SiAlON(实例7)和SP1300TMSiAlON(实例8)制成的。每个都被用于在没有冷却剂的情况下、以300米/分钟的低切削速度、以5,150mm3/分钟的金属去除率来切削Inconel
718。在从工件上去除2400立方毫米的金属后，对每个刀具进行检查并发现有着很少的碎屑或金属的堆积，并且没有一个达到其终止寿命。对于实例8(SP1300TM SiAlON)测量出的小面磨损为0.16mm、实例6(KY1540TM SiAlON)为0.30mm，并且实例7(KYS30TMSiAlON)为
0.40mm。
[0040] 这些结果是出人意料的，因为没有人预想到SiAlON端铣刀在其中碎屑是切削寿命的主导因素的高切削速度下工作良好(如实例5所证实的)，在其中磨损是主导因素的低切削速度下也工作良好(如实例6到8所证实的)。此外，鉴于这些结果，优选的是将类似于SP1300的SiAlON材料用于低速切削(即，600米/分钟以下)，并且将类似于KY1540和KYS30的那些用于高切削速度(即，600米/分钟或更大)。
[0041] 尽管仅示出和说明了本发明的几个实施方案，但对于本领域的普通技术人员而言明显的是可以对其作出许多变化以及变更而不背离如在以下权利要求书中说明的本发明的精神和范围。在此引用的所有专利申请、专利，以及所有其他的出版物都在法律容许的全部程度上以其全部结合在此。
