一种带有内冷射流结构的刀具发明专利

专利名称：一种带有内冷射流结构的刀具

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210698598.0

专利申请（专利权）人：山东大学
权利人地址：山东省济南市历下区经十路17923号

专利发明（设计）人：王兵,刘战强,解振威,王鑫,赵金富,蔡玉奎

专利摘要：本发明提供一种带有内冷射流结构的刀具，涉及切削加工刀具领域，包括钻头，钻头内设有螺旋线状的冷却通道，冷却通道一端延伸至钻头钻尖作为出口；冷却通道通过钻头侧面预设的射流孔连通外部，靠近出口的冷却通道内设有收缩部，收缩部的径向截面积小于冷却通道其他区域的径向截面积，以使冷却液在出口位置雾化；针对目前钻头刀具加工时冷却效果较差的问题，通过冷却通道输送冷却液，冷却液由钻头钻尖处出口及侧面射流孔喷出，出口输出分散雾化后的冷却液能够对切削位置进行冷却、润滑，射流孔输出的冷却液射流能够切屑从钻头刃沟处冲出，从而满足冷却和润滑需求。

主权利要求：
1.一种带有内冷射流结构的刀具，其特征在于，包括钻头，钻头内设有螺旋线状的冷却通道，冷却通道一端延伸至钻头钻尖作为出口；冷却通道通过钻头侧面预设的射流孔连通外部，靠近出口的冷却通道内设有收缩部，收缩部的径向截面积小于冷却通道其他区域的径向截面积，以使冷却液在出口位置雾化；
所述冷却通道的轨迹线与钻头的刃带轨迹线相同，冷却通道与钻头侧面保持间距；所述冷却通道轨迹线与刃带轨迹线平行布置，沿钻头径向上，冷却通道的断面形状与钻头刃沟的断面形状为相似图形；
所述冷却通道外边缘轮廓与钻头主体外轮廓及刃沟之间的距离a均为0.3倍钻头半径（即R1），冷却通道内边缘圆弧段圆心与钻头中心距离同样为0.3倍钻头半径，冷却通道内边缘圆弧是通过对靠近刃沟两侧的两曲线段进行倒圆角获得，其半径值R2为钻头半径的0.12倍；
所述射流孔位于刃沟内，射流孔轴向一端连通冷却通道，另一端延伸至刃沟；
每个刃沟内均设置有射流孔，沿刃沟的延伸方向上，多个射流孔依次间隔布置；
所述收缩部与出口之间的冷却通道形成扩张段，收缩部与钻头钻柄之间的冷却通道形成输送段；沿钻头径向上，输送段的截面积大于扩张段的截面积；
所述收缩部形成收缩段；所述扩张段总长度为钻头主体长度的1/8，冷却通道收缩段与扩张段长度之比为2:1；冷却通道常规段横截面、收缩‑扩张界面（即喉部）横截面、出口处横截面（即冷却通道钻尖出口在钻头轴向的投影面积）尺寸之比为7:5:6。
2.如权利要求1所述的带有内冷射流结构的刀具，其特征在于，所述钻头内设有多条冷却通道，冷却通道与刃带一一对应布置。
3.如权利要求1所述的带有内冷射流结构的刀具，其特征在于，所述出口位于钻头钻尖的后面上，钻头轴线两侧的后面上均布置有出口。
4.如权利要求1所述的带有内冷射流结构的刀具，其特征在于，所述钻头钻柄内设有直孔通道，直孔通道一端对接连通螺旋通道远离出口一端，直孔通道另一端延伸至钻头钻柄末端作为入口。
5.如权利要求4所述的带有内冷射流结构的刀具，其特征在于，所述直孔通道与螺旋通道一一对应连通，多个直孔通道环绕钻头轴线间隔布置。 说明书 : 一种带有内冷射流结构的刀具技术领域[0001] 本发明涉及切削加工刀具领域，具体涉及一种带有内冷射流结构的刀具。背景技术[0002] 为降低切削温度过高对加工过程和刀具寿命造成的不利影响，通常使用冷却介质对刀具进行冷却和润滑。对于传统浇注切削液冷却方式，存在的主要问题包括冷却液压力较低、渗透能力较差，难以进入切削区域进行有效冷却，而且随着切削速度提高冷却效果显著降低，切削效率受到限制。因此，开发新型冷却结构刀具，增强冷却液在切削区的换热效率，对提高刀具切削性能、延长刀具寿命和保障加工质量具有重要意义，特别是对于钛合金、高温合金、高强钢、蠕墨铸铁等难加工材料零件的高效加工尤为重要。[0003] 内冷钻头的应用使上述问题得到一定缓解。内冷钻头的特点是其内部有贯穿钻头柄部到钻尖的冷却孔，在钻削加工时将压缩空气、冷却液或冷却油通过内冷孔喷射到加工区域，以快速冷却加工表面和钻尖，降低刀具切削温度。内冷钻头相比常规钻头具有更优良的工作性能，可减少钻头高速加工时高温对钻头的损伤，延长其使用寿命。[0004] 目前应用的内冷钻头主要有中心单孔内冷钻、双冷却管式内冷钻和双螺旋孔内冷钻等类型，其中双螺旋孔内冷钻的加工效果较好。然而，目前应用的内冷钻头均存在一共性问题，即冷却液通过冷却孔由钻头柄部直接喷射到钻尖时，虽然对切削刃及钻尖区域起到一定冷却效果，但冷却液对钻头切削刃及钻尖部位的覆盖面及冷却液流量不足，冷却面分配不合理，且对刃沟处堆积的切屑没有足够的冲刷作用，排屑效果不理想。此外，目前内冷钻头的冷却通道截面多为规则圆形，且内冷通道尺寸缺乏设计依据，尚未充分发挥内冷却加工的技术优势。发明内容[0005] 本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种带有内冷射流结构的刀具，冷却通道能够输送冷却液，冷却液由钻头钻尖处出口及侧面射流孔喷出，出口输出分散雾化后的冷却液能够对切削位置进行冷却、润滑，射流孔输出的冷却液射流能够切屑从钻头刃沟处冲出，从而满足冷却和润滑需求。[0006] 一种带有内冷射流结构的刀具，采用以下方案：[0007] 包括钻头，钻头内设有螺旋线状的冷却通道，冷却通道一端延伸至钻头钻尖作为出口；冷却通道通过钻头侧面预设的射流孔连通外部，靠近出口的冷却通道内设有收缩部，收缩部的径向截面积小于冷却通道其他区域的径向截面积，以使冷却液在出口位置雾化。[0008] 进一步地，所述冷却通道的轨迹线与钻头的刃带轨迹线相同，冷却通道与钻头侧面保持间距。[0009] 进一步地，所述冷却通道轨迹线与刃带轨迹线平行布置，沿钻头径向上，冷却通道的断面形状与钻头刃沟的断面形状为相似图形。[0010] 进一步地，所述射流孔位于刃沟内，射流孔轴向一端连通冷却通道，另一端延伸至刃沟。[0011] 进一步地，每个刃沟内均设置有射流孔，沿刃沟的延伸方向上，多个射流孔依次间隔布置。[0012] 进一步地，所述钻头内设有多条冷却通道，冷却通道与刃带一一对应布置。[0013] 进一步地，所述收缩部与出口之间的冷却通道形成扩张段，收缩部与钻头钻柄之间的冷却通道形成输送段；沿钻头径向上，输送段的截面积大于扩张段的截面积。[0014] 进一步地，所述出口位于钻头钻尖的后面上，钻头轴线两侧的后面上均布置有出口。[0015] 进一步地，所述钻头钻柄内设有直孔通道，直孔通道一端对接连通螺旋通道远离出口一端，直孔通道另一端延伸至钻头钻柄末端作为入口。[0016] 进一步地，所述直孔通道与螺旋通道一一对应连通，多个直孔通道环绕钻头轴线间隔布置。[0017] 与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：[0018] (1)针对目前钻头刀具加工时冷却效果较差的问题，通过冷却通道输送冷却液，冷却液由钻头钻尖处出口及侧面射流孔喷出，出口输出分散雾化后的冷却液能够对切削位置进行冷却、润滑，射流孔输出的冷却液射流能够切屑从钻头刃沟处冲出，从而满足冷却和润滑需求。[0019] (2)钻头设置有随形内冷螺旋线状冷却通道和位于刃沟内的射流孔，高压冷却液可分别到达钻头钻尖与刃沟处，对钻削区域起到良好的冷却和润滑作用，同时可将钻尖及刃沟处堆积的切屑及时排出，有助于减轻钻头磨损。[0020] (3)钻头内冷螺旋线状冷却通道的截面形状与刃沟截面形状相似，同时，冷却通道的轨迹线与钻头切削刃带的分布轨迹线及刃沟的分布轨迹线相同，能够提高冷却液对钻头切削刃及钻尖部位的冷却效果，冷却通道接近刃带和刃沟，能够从内部预先对刃带和刃沟进行降温，另外能够实现更为合理的冷却液流量分布。附图说明[0021] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。[0022] 图1为本发明实施例1中钻头的外部结构示意图。[0023] 图2为本发明实施例1中钻头内部冷却通道的分布示意图。[0024] 图3为本发明实施例1中钻头内部冷却通道扩张段的示意图。[0025] 图4为本发明实施例1中钻头钻尖的端面示意图。[0026] 图5为本发明实施例1中入口压力为20bar时冷却通道流体动力学仿真结果对比示意图。[0027] 图6为本发明实施例1中入口压力为30bar时冷却通道流体动力学仿真结果对比示意图。[0028] 图7为本发明实施例1中射流孔流场分布规律结果对比示意图。[0029] 图中，1、钻柄，2、钻头，3、刃沟，4、出口，5、直孔通道，6、冷却通道，7、直孔，8、直孔，9、直孔，10、直孔，11、直孔，12、收缩部，13、扩张段。具体实施方式[0030] 实施例1[0031] 本发明的一个典型实施例中，如图1‑图7所示，给出一种带有内冷射流结构的刀具。[0032] 如图1、图2所示带有内冷射流结构的刀具，用于对难加工材料进行钻削加工，尤其是带有双螺旋刃沟3的钻头2，内部设置冷却通道6作为随形内冷高压射流结构，钻削过程中高压冷却液由钻头2钻柄1直接注入内部冷却通道6，冷却液由钻尖处冷却通道6出口4及刃沟3处射流孔直孔喷出，起到冷却润滑和将切屑从钻头2刃沟3处冲出的作用，可延长钻头2寿命，提高加工质量，适合于高温合金、淬硬钢等难加工材料的高速高效钻削加工。[0033] 如图1所示，带有内冷射流结构的刀具，主要包括钻头2钻柄1与钻头2主体，两部分为整体式结构，能够保证刀具刚度，有利于加工稳定性。[0034] 如图2所示，钻头2内设有螺旋线状的冷却通道6，冷却通道6一端延伸至钻头2钻尖作为出口4。冷却通道6可以设置为多条，布置在钻头2主体内，对应钻头2上的螺旋形刃沟3的数目，在布置有多条冷却通道6时，所有冷却通道6绕钻头2轴线环向间隔布置，且冷却通道6相离分布，每条冷却通道6均能够单独对钻头2进行冷却。[0035] 冷却通道6通过钻头2侧面预设的射流孔连通外部，靠近出口4的冷却通道6内设有收缩部12，收缩部12的径向截面积小于冷却通道6其他区域的径向截面积，以使冷却液在出口4位置雾化。[0036] 钻头2的钻柄1内设有直孔通道5，直孔通道5一端对接连通螺旋通道远离出口4一端，直孔通道5另一端延伸至钻头2钻柄1末端作为入口。[0037] 如图2所示，本实施例中，以钻头2内布置两条冷却通道6和两条直孔通道5为例，位于钻柄1内的两条直孔通道5相对于钻头2轴线对称布置，位于钻头2主体内的两条对称布置的冷却通道6，直孔通道5与螺旋通道一一对应连通，多个直孔通道5环绕钻头2轴线间隔布置。[0038] 钻头2内冷却通道6与刃沟3的螺旋角及螺距一致，冷却通道6的轨迹线与钻头2的刃带轨迹线相同，冷却通道6与钻头2侧面保持间距，保证对钻头2端部切削刃和钻头2外壁刃带切削刃具有良好的冷却效果。[0039] 在钻头2刃沟3处均布有与冷却通道6相通的直孔，该直孔作为输出冷却液形成射流的射流孔，冷却液经由冷却通道6由刃沟3处射流孔喷出，通过冷却液射流对刃沟3处切屑起到足够压力的冲刷作用。[0040] 以双螺旋钻头2为例，对应布置两条冷却通道6，钻头2的两个冷却通道6对称设置在钻头2主体内靠近侧面的刃带切削刃处，射流孔位于刃沟3内，射流孔轴向一端连通冷却通道6，另一端延伸至刃沟3；每个刃沟3内均设置有射流孔，沿刃沟3的延伸方向上，多个射流孔依次间隔布置。[0041] 可以理解的是，如图1所示，刃沟3处射流孔数目依据侧壁上刃带切削刃头数及螺距进行调节，可以配置直孔间距与刃沟3螺距相等。[0042] 如图2所示，头内设有多条冷却通道6，冷却通道6与刃带一一对应布置，内冷通道的外轮廓形状与钻头2切削刃及刃沟3形状相仿，冷却通道6轨迹线与刃带轨迹线平行布置，沿钻头2径向上，冷却通道6的断面形状与钻头2刃沟3的断面形状为相似图形，保证冷却液流量能够根据切削刃位置合理分布，充分发挥冷却润滑效果。[0043] 如图4所示，冷却通道6外边缘轮廓与钻头2主体外轮廓及刃沟3之间的距离a均为0.3倍钻头2半径(即R1)，冷却通道6内边缘圆弧段圆心与钻头2中心距离同样为0.3倍钻头2半径，冷却通道6内边缘圆弧是通过对靠近刃沟3两侧的两曲线段进行倒圆角获得，其半径值R2约为钻头2半径的0.12倍。[0044] 收缩部12与出口4之间的冷却通道6形成扩张段13，收缩部12与钻头2钻柄1之间的冷却通道6形成输送段，作为如图2所示的内螺旋孔常规段；钻柄1作为钻头2直孔段；沿钻头2径向上，输送段的截面积大于扩张段13的截面积，收缩部12形成收缩段。[0045] 具体的，在本实施例中，如图2、图3所示，钻头2冷却通道6包括常规段、收缩段和扩张段13三部分，其中靠近钻尖部位的冷却通道6收缩‑扩张段13总长度为钻头2主体长度的1/8，冷却通道6收缩段与扩张段13长度之比为2:1，冷却通道6常规段横截面、收缩‑扩张界面(即喉部)横截面、出口4处横截面(即冷却通道6钻尖出口4在钻头2轴向的投影面积)尺寸之比为7:5:6。[0046] 靠近钻头2钻尖部位的内冷通道收缩‑扩张结构能够提高钻头2出口4冷却液的喷射速度并提高其雾化程度，以充分发挥冷却通道6的冷却及润滑效果；如图4所示，出口4位于钻头2钻尖的后面上，钻头2轴线两侧的后面上均布置有出口4。[0047] 刃沟3处射流孔直径为钻头2主体部位直径的0.05‑0.1倍，以兼顾钻头2整体强度和冷却液流量的双重需求。[0048] 如图1所示，钻头2的顶角角度α选取范围为120°‑140°，具体角度值可根据被加工工件的材料属性进行确定，材料强度越高时可选取较大的顶角角度；选取不同顶角角度时可以改变钻削过程中轴向钻削力和径向钻削力分配比例，增强加工过程稳定性，保证钻头2具有足够的刚度和钻削稳定性。[0049] 另外，在本实施例中，钻头2的螺旋角选取范围为20°‑40°，具体角度可根据被加工工件的材料属性进行确定，高粘性难断屑材料加工时可适当选取较大的螺旋角。[0050] 其中，钻头2整体采用超细晶粒硬质合金制造，表面涂覆TiAlN涂层，能够兼顾优异的刀具韧性、刀具高温强度和耐磨性，可实现难加工材料高效钻削，保证加工质量和钻头2寿命。[0051] 钻头2的刃沟3表面粗糙度Ra＝0.15，以减轻切屑与刃沟3表面的摩擦及钻头2刃沟3处的粘结磨损，并保证切屑顺利排出。[0052] 如图5、图6所示，以直孔作为射流孔，选取直孔7、直孔8、直孔9、直孔10、直孔11以及出口4进行流量和流速检测，对布置常规冷却通道6的钻头2与本实施例中的钻头2进行比对，其中对比的常规圆形截面内冷钻头2的冷却通道6横截面面积与本实施例中钻头2冷却通道6横截面面积相等。[0053] 图6和图5是在不同的冷却液入口压力条件下(以20bar和30bar为例)，本实施例中钻头2和常规圆形截面内冷通道钻头2各个射流孔的冷却液流速对比，图中示出刃沟3内射流孔和钻尖部位的出口4位置的流速。结果表明，在相同的入口压力条件下，本实施例中各个射流孔及出口4的冷却液流速均高于常规圆形截面内冷钻头2，且冷却液流量更大，冷却液流速和流量最高可提高30％以上。[0054] 图7是在入口冷却液压力为20bar时，本实施例中钻头2和常规圆形截面内冷钻头2各出口4截面的冷却液流速分布规律，可见在各个冷却液出口4位置处，本实施例中钻头2的出口4冷却液流速均显著高于常规圆形截面内冷钻头2，而且靠近切削刃的冷却通道6外轮廓区域流速最高。[0055] 综合上述结果，本实施例中在钻头2内布置冷却通道6可以为加工过程带来更好的冷却效果，且冷却效率更高，将有助于保证深孔难加工结构和难加工材料钻削的加工效率及表面质量。[0056] 相较于现有技术，本实施例的钻头2设置有随形冷却通道6和刃沟3处直孔，高压冷却液可分别到达钻尖与刃沟3处，对钻削区域起到良好的冷却和润滑作用，同时可将钻尖及刃沟3处堆积的切屑及时排出，有助于减轻钻头2磨损。[0057] 本实施例的钻头2冷却通道6截面形状为随形异形结构，内冷通道轮廓与钻头2切削刃及刃沟3轮廓呈相似形状，能够提高冷却液对钻头2切削刃及钻尖部位的冷却效果和实现更佳合理的冷却液流量分布。[0058] 本实施例的钻头2结构简单，使用方便，钻头2的生产及加工制造成本较低，有利于进行大规模推广与应用。同时，本实施例中给出的冷却通道6、直孔通道5和射流孔结构还可以适用于整体式钻头2以及皇冠钻、铲钻等可换头式钻头2，并可扩展应用于其它旋转加工用刀具结构。[0059] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：山东

专利申请日期：2022-06-20

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114932253B