專利名稱：環(huán)形孔刀具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明要求于1997年4月25日申請的美國臨時申請第60/044,952號的優(yōu)先權。
本發(fā)明涉及環(huán)形孔刀具，特別涉及用于切削鐵路軌道上的孔以容納一聯(lián)接螺栓的環(huán)形孔刀具。
在修理和裝配鐵路軌道時，通常要用一鉆頭在一對軌道上鉆或切削孔，以用一鋼板聯(lián)接軌道。該鋼板具有相配的孔和一緊固件，如螺栓，該緊固件穿過鋼板和軌道并用一螺母聯(lián)接。在鐵路軌道上鉆或切削孔存在許多問題。軌道是用很硬的、非常難于切穿的鋼制成的。一般地，鉆或切削可進行很長時間，比如使用鏟形鉆將用2至3分鐘，使用可轉換的硬質合金刀具用40至45分鐘。切削軌道的過程也使切削刀具迅速鈍化，需要重新磨刃或更換刀具。重新磨刃會很困難，因為軌道的工廠可能在很遠的地方，更換會很昂貴。
用來在軌道上形成孔的一般的鉆是鏟形鉆或帶有硬質合金刀頭的可轉換的硬質合金刀具。鏟形鉆慢且需要很大的馬力來驅動鏟形鉆穿過軌道。這是因為鏟形鉆切削了全部的鋼以在軌道上形成孔。鏟形鉆通常使用的動力源是一個非常大的氣動鉆孔電機。這些氣動鉆孔電機不是便攜的，必須安裝在某種車輛上沿軌道移動。與便攜的氣動軌道刀具相比氣動鉆頭購買和操作非常昂貴，且由于氣動鉆頭的尺寸使其操作很麻煩。另外，鉆孔所需時間是一個問題。由于為形成孔要把全部的鋼都切掉，就需要更多的時間完成每個孔。這些鉆在切削完一至十個孔后一般就會變鈍。這些鏟形鉆的使用者一般會將其扔掉，再使用另外的新的鏟形鉆。鏟形鉆的一個優(yōu)點是它比已知的帶有硬質合金刀頭的環(huán)形孔刀具便宜。一個鏟形鉆的價格一般為約$7至$10，一個可轉換的硬質合金刀具價格約$150，硬質合金刀頭為$7至$10。由此，當?shù)额^變鈍時，用新刀頭來代替。
帶有銅焊的硬質合金刀頭的環(huán)形孔刀具能夠比鏟形鉆更快地在軌道上切削孔，且需要的動力少得多。環(huán)形孔刀具具有一基本呈倒置杯形的刀具本體，及一個用于將刀具與鉆孔電機聯(lián)接起來的刀柄。刀具本體端部具有繞其分布的切削齒，該切削齒在軌道上切出一槽或切口。僅有的被切掉的鋼是從切口出來的被分布的刀具齒切削的鋼。當切削完全穿透軌道時，留下一個圓柱形的棒從刀具本體的空腔中彈出。本發(fā)明的受讓人發(fā)明了許多環(huán)形孔刀具，包括例如美國專利第4,813,819號，并通過轉讓成為其它環(huán)形孔刀具的所有者。
由于被環(huán)形刀具切除的鋼的數(shù)量達到最小，需要較低的馬力來驅動刀具穿過軌道。例如，對于一般的軌道鉆頭，只需要一馬力，而鏟形鉆則需要五到十馬力。由于需要較低的馬力，可使用便攜式軌道鉆來驅動刀具。便攜式軌道鉆的一個例子公開在美國專利第5,203,650號中，該專利已轉讓給本發(fā)明的受讓人。這些便攜軌道鉆比大型氣動鉆的搬運容易得多，且購買和維修更便宜。
環(huán)形刀具的問題是其價格以及對其重新磨刃的困難。它們需要硬質合金刀頭以有效地切透軌道的硬質鋼。與鏟形鉆具有一對切削刃不同，環(huán)形刀具具有多個齒，通常是4至6個齒，每個齒需要一個刀頭。這就增加了它的成本并增加了對其重新磨刃的難度。在很遠的地方具備對這些刀頭進行重新磨刃的合適的設備是很困難的。它們必須儲存并送到一個重新磨刃中心才能重新磨刃。這項工作在鐵路工人中是不受人喜歡的。由于它的昂貴，也不能隨便地扔掉。
本發(fā)明通過提供一種沒有硬質合金刀頭，但又能迅速和高效地切穿硬質鋼軌的不昂貴的環(huán)形孔刀具克服了上述問題。
本發(fā)明的環(huán)形孔刀具基本上用于切穿鐵軌的腹板。上述環(huán)形孔刀具有一刀具本體，該刀具本體具有一大致環(huán)形的圓周側壁，多個切削齒環(huán)繞側壁端部在圓周上分布。該刀具本體環(huán)形側壁具有一小于十六分之三(3/16)英寸的窄的寬度，在優(yōu)選實施例中具有一八分之一(1/8)英寸的寬度。多個出屑槽繞側壁從切削齒向上延伸，該出屑槽具有一約等于由切削齒切出的切口寬度的1/2的深度。該出屑槽具有一小于25度的修正的螺旋角，優(yōu)選為15°，和一正的切削前角，優(yōu)選為正5°。
上述切削齒被分成一第一組和一第二組，該第一和第二組齒交替布置，第一組的一個齒位于第二組的兩個齒之間，等等，上述各齒具有至少一個切削刃以從工件的切口切削碎屑，該齒具有交叉于一齒頂?shù)慕徊娴耐吮鼙砻?，該齒頂與切削刃交叉，以使切削刃切削的碎屑具有一小于相鄰出屑槽深度的寬度。
在優(yōu)選實施例中，各齒被分成兩個切削刃，齒頂與切削刃最外端交叉。切削齒用兩個齒切削三個碎屑。第一組齒具有一從上述工件上切削一第一碎屑的切削刃，上述第二組齒具有從上述工件上切削兩個碎屑的一對切削刃。切削的碎屑限定了上述切口的寬度。第一組齒沿槽的外緣切削碎屑。第二組齒從槽的中部和內(nèi)部切削碎屑。優(yōu)選地，有六到十個齒，最優(yōu)選地，有八或十個齒。
通過將切削齒的切削幾何外形、正的出屑槽切削角和修正的螺旋角組合起來，本發(fā)明的環(huán)形孔刀具可不需要硬質合金刀頭就能迅速而高效地切穿鐵軌的腹板。這大大降低了制造這些刀具的成本。另外，其性能遠遠超過了硬質合金刀頭環(huán)形孔刀具的性能，從而進一步降低了這種刀具的成本。由于制造的低成本及通過這些切削刀具獲得的長壽命，使用者可以扔掉它而不是對其重新磨刃再使用。
通過下面對優(yōu)選實施例、附屬權利要求和附圖的說明，本發(fā)明的其它優(yōu)點和有價值的特征將得到更全面的理解，其簡要說明見下。


圖1是本發(fā)明環(huán)形刀具的透視圖；圖2是刀具的局部端面視圖，示出成組的切削齒；圖3是刀具端部的平面圖，示出正的出屑槽切削角；圖4是第一組和第二組中的齒的局部視圖，示出這些齒的切削角。
本發(fā)明的環(huán)形刀具在圖1中用10表示。該刀具包括一本體12和一刀柄14。在優(yōu)選實施例中，刀具10由M-42高速鋼制成。刀具本體12呈一基本倒置的杯形，具有一側壁16，該側壁16的長度大于要鉆孔的工件的厚度。在該刀具中，刀具本體的優(yōu)選長度約為一又四分之一英寸(1.250＂)，略長于軌道腹板的寬度，該寬度約為一英寸(1＂)。包括刀柄14的刀具10的全長略大于二又八分之一英寸(2.125＂)至約2.145＂。
本刀具成功的一個重要因素是使用一薄壁以產(chǎn)生一窄的切口。本發(fā)明的刀具切出一大約八分之一英寸(1/8＂)的切口。這意味著刀具10的壁厚約為八分之一英寸(1/8＂)。這是與環(huán)形刀具的通常的壁厚約十六分之三英寸(3/16＂)相比較。變薄的壁厚實質上減少了驅動刀具所需的馬力。通常認為，這樣薄的壁厚將會產(chǎn)生一個很脆弱的刀具，但由于對標準環(huán)形孔刀具所作的其它重要改變，刀具10的薄的壁厚并不脆弱，且在鐵路應用上是更加優(yōu)良的刀具。其它關鍵因素是使用一減小的出屑槽螺旋角，使用切削的碎屑少于出屑槽深度的切削刃的幾何形狀，尤其是用兩個齒切削三個碎屑，以及使用正的出屑槽切削前角，以將碎屑從所鉆孔的壁上導走。這些特征可導致使用較小動力來驅動刀具10，并使鉆孔更快，刀具的磨損減小，用一單個刀具能鉆二至四倍的更多的孔，且制造成本降低到約為現(xiàn)有環(huán)形軌道刀具的三分之一。這些因素將在下面作詳細討論。
側壁16的下端具有多個圓周分布的切削齒。在本發(fā)明軌道刀具的優(yōu)選實施例中，有八(8)到十(10)個切削齒。切削齒分成兩組或兩套，第一套用18表示，第二套用20表示。這些套的齒18和20交替分布使一個齒20在圓周上位于連續(xù)的齒18之間。一螺旋出屑槽22繞與各齒相鄰的刀具的外圓周向上延伸。連續(xù)的出屑槽22由刀具外表面上的齒背24分隔開。各齒背24的前緣由一窄邊緣25形成。在公開的實施例中，該齒背25大約為千分之二十英寸(.020＂)到約千分之三十英寸(.030＂)。刀具環(huán)形側壁16位于連續(xù)的齒18、20之間的部分包括鉆心26。各鉆心26的徑向的外表面28限定了各出屑槽22的徑向的內(nèi)壁。出屑槽22的深度約等于或略大于鉆心26的厚度。各出屑槽包括一圓周前側壁30及一圓周后側壁32。
如圖3所示，出屑槽切削角為正的，且在優(yōu)選實施例中為2°至7°，最好為5°。見圖4中的箭頭21。圖4表示當齒頂在齒上磨成形之前處于平的狀態(tài)的出屑槽。該正的出屑槽切削角相信能進行更好的碎屑排放，因為碎屑是從孔的壁上排走的，因此不會沿孔壁滯動，而如果出屑槽切削角為負的話，則將會如此。出屑槽還有一個約為十五度(15°)的出屑槽螺旋角，見圖1中的箭頭23。該低的螺旋角減少了對刀具齒的磨損，并提供了一個更強的切削孔邊緣。申請人的環(huán)形刀具的標準出屑槽螺旋角要大得多，約在二十五度(25°)的范圍。
所示的刀具基本上屬于美國專利第5,145,296；4,952,102；4,871,287；4,813,819；4,632,610號及再公告專利第28,416號的類型；每一個在這里都被結合以進行參考。本發(fā)明的刀具10具有兩個切削刃，內(nèi)切削刃35和外切削刃38。在優(yōu)選實施例中，切削刃35延伸跨過鉆心26的全寬。刃38位于出屑槽22的后表面32的下端，并通過位于出屑槽22下端的一肩部54從切削刃35向后分布。
各齒18、20具有將外切削刃38分成兩部分38a和38b的退避表面(back-off face)。齒18和20具有退避表面56、58。徑向內(nèi)退避表面56沿軸向向上傾斜，徑向向內(nèi)，而徑向外退避表面58沿軸向向上傾斜，徑向向外。另外，這些退避表面中的每一個沿圓周方向從其各切削刃向上輕微傾斜約8°至10°，從而當?shù)毒咝D時為切削刃提供必要的間隙。兩個退避表面56、58在向下延伸的齒頂60處交叉，該齒頂60與位于徑向外端的切削刃38交叉，將切削刃38分成徑向外刃部分38a和徑向內(nèi)刃部分38b。退避表面58與水平面的徑向傾斜角在5°至35°范圍內(nèi)，最好是10°。內(nèi)退避表面56相對于水平面徑向傾斜角度在-3°至+25°范圍內(nèi)，最好是約15°。由于退避表面56、58在徑向和圓周方向上的傾斜，切削刃在圓周方向，見圖2，和垂直方向，見圖4，交錯。垂直的交錯接近千分之四英寸(.004＂)，接近正常交錯的一半。
將注意到，齒18上的齒頂60相對于齒20的齒頂60徑向向內(nèi)地設置。位于刀具的連續(xù)齒上的徑向交錯齒頂60是由于在各齒18中，退避表面58在向上的全部徑向范圍內(nèi)相對于各齒20的退避表面58垂直地分離而造成的。這本身將使各齒18的齒頂60相對于各齒20的齒頂60徑向向內(nèi)地設置。相似地，各齒20的退避表面56在向上的全部徑向范圍內(nèi)相對于各齒18的退避表面56垂直地分離。齒20的退避表面56的分離使齒頂60從齒18的齒頂60徑向向外分開一附加的距離。
如圖4所示，本發(fā)明的環(huán)形刀具10用兩個齒18和20切削三個碎屑。齒20在刃部38a切削單一的碎屑31，齒18在切削刃35的刃部38b切削兩個碎屑33和35。在優(yōu)選實施例中，所切削的碎屑都比出屑槽深度窄，以使從各相鄰出屑槽中無阻礙地排出碎屑。這種無阻礙的排出，由于碎屑不會阻塞在出屑槽中而減少了鉆孔所需動力。在優(yōu)選實施例中，出屑槽接近所切削的切口或槽寬度的一半(1/2)。因此，各切削刃的寬度小于所切削切口或槽寬度的一半(1/2)。所切削切口由于刀具的薄壁而接近八分之一英寸(1/8＂)。所需的出屑槽深度是十六分之一英寸(1/16＂)+.001/+.005英寸。
前面的詳細說明表明，本發(fā)明的優(yōu)選實施例非常適于完成本發(fā)明的目的。已經(jīng)認識到，本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神的前提下，可以對選擇用來表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行各種改變和增加。因此應理解，尋求保護的主題應被認為延伸到附屬權利要求包括全部等同物所限定的主題。
權利要求
1.一種用于切削工件上的孔的環(huán)形孔刀具，上述環(huán)形刀具通過切削一切口和產(chǎn)生一余料部分而切削孔，上述環(huán)形刀具包括一個刀具本體，該刀具本體具有一大致環(huán)形圓周側壁，該側壁帶有多個環(huán)繞其端部在圓周上間隔分布的切削齒，上述刀具本體的環(huán)形側壁具有一小于3/16英寸的窄的寬度；多個繞側壁從切削齒向上延伸的出屑槽，上述出屑槽具有約等于由切削齒切出的切口寬度的1/2的深度，上述出屑槽具有小于25度的螺旋角和一正的切削前角；上述切削齒被分成一個第一組和一個第二組，上述第一和第二組齒交替布置，第一組的一個齒位于第二組的兩個齒之間，上述各齒具有至少一個切削刃以從工件的切口切削碎屑，上述齒具有交叉于一齒頂?shù)慕徊娴耐吮鼙砻?，該齒頂與切削刃中的一個交叉，上述切削刃切削的碎屑具有小于相鄰出屑槽深度的寬度。
2.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述刀具本體環(huán)形壁厚度約為八分之一英寸(1/8)。
3.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述螺旋角相對于上述刀具的中心線約為15°。
4.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述出屑槽切削前角約為正5°。
5.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述切削齒用兩個齒切削三個碎屑。
6.如權利要求5所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述第一組齒具有一從上述工件上切削一第一碎屑的切削刃，上述第二組齒具有從上述工件上切削兩個碎屑的一對切削刃，上述切削的碎屑限定了上述切口的寬度。
7.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述刀具具有六至十個齒。
8.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述刀具具有八個齒。
9.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述刀具具有十個齒。
10.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述齒由與最外端切削刃交叉的上述齒頂分成兩個切削刃。
11.一種用于在硬的窄材料上切削孔的環(huán)形刀具，上述環(huán)形刀具從材料和一組合排料口上切削一切口，上述環(huán)形刀具包括一具有一大致中空的圓柱外形的刀具本體，該本體帶有一從其一端延伸的刀柄和繞相對端分布的切削齒，沿刀具本體從切削齒延伸的多個出屑槽，上述切削齒具有切削刃，以從孔中切削碎屑，所切削的碎屑小于出屑槽的深度，上述刀具本體具有一窄的環(huán)形壁，以切出一窄的切口；上述出屑槽具有一螺旋角和一正的出屑槽切削角，以引導由上述切削齒從切口的壁上切走的碎屑，從而減少了驅動刀具所需的動力，并減少切削齒的摩擦。
12.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述刀具本體環(huán)形壁厚度約為八分之一英寸(1/8″)。
13.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述螺旋角相對于上述刀具的中心線約為15°。
14.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述出屑槽切削前傾角約為正5°。
15.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述切削齒用兩個齒切削三個碎屑。
16.如權利要求5所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述第一組齒具有一從上述工件上切削一第一碎屑的切削刃，上述第二組齒具有從上述工件上切削兩個碎屑的一對切削刃，上述切削的碎屑限定了上述切口的寬度。
17.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述刀具具有六至十個齒。
18.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述刀具具有八個齒。
19.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述刀具具有十個齒。
20.如權利要求1所述的環(huán)形孔刀具，其特征在于，上述齒由與最外端切削刃交叉的上述齒頂分成兩個切削刃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種特別適用于鐵路軌道的環(huán)形孔刀具(10)。鐵路軌道非常硬,并通常需要具有硬質合金鑲塊的鉆頭或刀具。本發(fā)明提供了獨特設計的刀具(10),該刀具(10)帶有改進的刀具幾何形狀、出屑槽設計及薄壁結構,以使環(huán)形刀具(10)用一更低馬力的鉆孔電機就可使用,使鉆孔電機便攜,從而產(chǎn)生一便攜的軌道切削系統(tǒng)。
文檔編號B23B51/04GK1253518SQ98804443
公開日2000年5月17日 申請日期1998年4月24日 優(yōu)先權日1997年4月25日
發(fā)明者杰弗里·S·吉爾 申請人:豪根制造公司