РОТАЦИОННЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ РЕЗЕЦ Российский патент 2003 года по МПК B23B27/12 

Изобретение относится к области металлообработки комбинированным инструментом, совмещающим лезвийно-абразивно-алмазную обработку и может быть использовано, главным образом, при точении и растачивании заготовок из труднообрабатываемых вязких материалов и сплавов.

Известен вращающийся резец с режущей кромкой переменного радиуса, образованного пересечением двух конусов, обращенных большими основаниями друг к другу, оси которых параллельны и смещены одна относительно другой, причем поверхность переднего конуса является задней поверхностью резца, а поверхность заднего конуса - передней поверхностью, и его ось расположена эксцентрично относительно оси хвостовика, при этом ось переднего конуса также расположена эксцентрично относительно оси хвостовика с направлением эксцентриситета, противоположным направлению эксцентриситета оси заднего конуса, а оси обоих конусов и хвостовика расположены в одной плоскости [1].

Известный вращающийся резец имеет сложную конструкцию, отличающуюся большой трудоемкостью изготовления и требующей специальной оснастки для переточек, позволяющей регулировать эксцентриситеты переднего и заднего конусов. Незначительные погрешности в изготовлении режущей кромки переменного радиуса ведут к резкому ухудшению качества обработанной поверхности к снижению производительности.

Положительные передний и задний углы известного резца способствуют благоприятному сходу стружки, но не способствуют уменьшению шероховатости обрабатываемой поверхности. Микрорельеф поверхности, обработанной данным резцом, имеет острые "пикообразные" выступы и впадины.

Для обеспечения требуемых выше перечисленных параметров качества необходимо вводить дополнительные отделочные, например, абразивно-алмазные операции, что связано с увеличением трудоемкости и себестоимости изготовления деталей машин.

Известно устройство для обработки валов, содержащее корпус, в котором резцовая головка, установленная с возможностью перемещения, и упрочняющая головка, деформирующие ролики которой расположены в сепараторе, упруго поджимаемом к торцу упорного подшипника, и направляющую поверхность [2].

Основным недостатком данного устройства является его громоздкость и большие габариты, при этом оно требует больших затрат на изготовление, причем отличается ограниченностью применения: рационально применять только для обработки нежестких валов. Кроме того, сочетание обработки резанием и поверхностно-пластическим деформированием (ППД) имеет существенный недостаток. Деформирующие ролики упрочняющей головки должны произвести обработку поверхности за один проход. ППД не терпит повторных проходов по причине отслаивания ранее упрочненного поверхностного слоя.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения выбран известный ротационный комбинированный резец, содержащий державку и режущий элемент, установленный в державке на оси с возможностью вращения и имеющий режущую кромку по всей окружности, верхнее и нижнее основания и боковую поверхность в форме цилиндрической поверхности [3].

Положительные передний и задний углы известного резца способствуют благоприятному сходу стружки, но не способствуют уменьшению шероховатости обрабатываемой поверхности. Микрорельеф поверхности, обработанной данным резцом, имеет острые "пикообразные" выступы и впадины. Для обеспечения требуемых выше перечисленных параметров качества необходимо вводить дополнительные отделочные, например, абразивно-алмазные операции, что связано с увеличением трудоемкости и себестоимости изготовления деталей машин.

Задача изобретения - повышение производительности и улучшение параметров качества, снижение высоты микронеровностей, повышение износостойкости и твердости обработанной поверхности.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого ротационного комбинированного резца, содержащего державку и режущий элемент, установленный в державке на оси с возможностью вращения и имеющий режущую кромку по всей окружности, верхнее и нижнее основания и боковую поверхность в форме цилиндрической поверхности, причем на задней поверхности режущего элемента по образующей цилиндрической поверхности расположена абразивно-алмазную часть.

При этом режущий элемент предназначен для установки с большим отрицательным кинематическим передним углом γ, равным 50...60^o.

Кроме того, резец снабжен двумя коническими роликовыми подшипниками, установленными на оси в сборе с режущим элементом, выполненным в виде их наружного кольца и имеющим в отверстии спрофилированную поверхность в виде двух усеченных прямых конусов, сопрягаемых друг с другом меньшими основаниями.

На фиг. 1 изображен предлагаемый резец, частичный продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема обработки цилиндрической поверхности предлагаемым резцом, вид спереди; на фиг.4 - вид В на фиг.3; на фиг. 5 - траектория движения инструмента по цилиндрической поверхности, при совмещенной лезвийно-абразивно-алмазной обработке; на фиг.6 - сечение Г-Г на фиг.3; на фиг.7 - второй вариант режущего элемента, вид спереди.

Условные обозначения, принятые на чертежах:
Д_г - главное движение резания;
Д_и - вращательное движение инструмента;
Д_s - движение продольной подачи;
R, R_р - соответственно, радиусы детали и инструмента;
λ - угол наклона режущей кромки инструмента;
ϕ¹ - угол наклона задней поверхности инструмента;
β - угол подъема винтовой линии траектории точки режущей кромки;
t - глубина резания.

Ротационный комбинированный резец состоит из державки 1, которая имеет корпус с режущим элементом и крепежную часть, устанавливаемую в резцедержатель станка (не показан). В корпусе державки 1 защищенный крышками 2 установлен режущий элемент 3 с возможностью вращения на оси 4.

Режущий элемент 3 устанавливается на оси 4 с помощью двух конических роликовых подшипников 5, которые защищены от воздействия эмульсии и других внешних факторов крышками 2. Регулировка зазоров и натяга подшипников осуществляется гайкой 6, навернутой на ось 4 и стопорящейся стопорным винтом 7.

Кроме того, установка режущего элемента 3 на оси 4 осуществляется в сборе с двумя коническими роликовыми подшипниками 5, роль наружных колец последних играет специально спрофилированная поверхность отверстия режущего элемента 3, выполненная в виде двух усеченных прямых конусов, сопрягаемых друг с другом меньшими основаниями.

В корпусе державки 1 установлена войлочная прокладка 8, контактирующая с режущим элементом 3, полирующая и защищающая его от попадания стружки в процессе обработки.

Крепежная часть державки 1 изготовлена таким образом, что обеспечивает установку ротационного комбинированного резца с большим (γ=50...60^o) отрицательным кинематическим передним углом резания γ.

Режущий элемент 3 установлен в державке 1 на оси 4 с возможностью вращения и содержит верхнее аа¹ и нижнее бб¹ основания и боковую поверхность, выполненную в форме цилиндра, при этом резец имеет режущую кромку по всей окружности и абразивно-алмазную часть 9 - образующую цилиндра, являющуюся задней поверхностью инструмента.

В центральной части режущего элемента 3 выполнена ступица, высота которой позволяет расположить в отверстии подшипники 5.

Ротационный комбинированный резец имеет форму цилиндрического резца, является самовращающимся и имеет режущую кромку по всей окружности и абразивно-алмазную часть - образующую цилиндра, являющуюся задней поверхностью инструмента.

Анализ различных лезвийно-отделочных методов обработки показал, что комбинированные инструменты, основанные на соединении резания и абразивно-алмазной обработки или поверхностно-пластическим деформированием, являются наиболее эффективными для финишной обработки цилиндрических поверхностей. Такие методы обычно основаны на дискретном соединении призматического резца и абразивных кругов или цилиндрических обкатывающих роликов. Вследствие такого искусственного сочетания лезвийного и абразивно-алмазного или деформирующих элементов, работающих по различным кинематическим схемам, основанных на трении скольжения, комбинированным инструментам присущи такие недостатки, как сложность изготовления таких устройств, высокие требования к взаимосвязанной настройке рабочих элементов, значительные различия в стойкости режущих и абразивно-алмазных или деформирующих элементов и, как следствие, повышенная погрешность обработки и др.

При конструировании предлагаемого комбинированного инструмента перспективно использование в качестве лезвийного элемента самовращающийся ротационный резец, который имеет ряд особенностей, определяющих его преимущество перед призматическим резцом - более высокую размерную стойкость, приближающуюся к размерной стойкости абразивно-алмазных кругов при одинаковых режимах обработки. Так как кинематическая схема работы ротационного резца и абразивно-алмазного круга идентичны, то их можно объединить в один рабочий элемент, который будет совмещать в себе особенности, присущие как лезвийному (режущая кромка на торцевой поверхности), так и абразивно-алмазному инструменту. При этом параметры качества обработанной поверхности будут близки к параметрам, получаемых при отделочной абразивно-алмазной обработке, с упрочнением поверхностного слоя.

Отличительной особенностью предлагаемого ротационного комбинированного резца от известных является установка инструмента с большим отрицательным кинематическим передним углом γ = λ≈60^o, что приводит к значительному увеличению действующих сил и позволяет получить дополнительное упрочнение поверхности, а также создать микрорельеф без острых "пикообразных" выступов и впадин в поверхностном слое обработанной детали.

Инструмент, имеющий форму цилиндрического ротационного резца, срезает удаляемый припуск режущей кромкой, реализующей процесс упрочнения, после чего поверхность детали контактирует с задней поверхностью инструмента, представляющую собой абразивно-алмазный круг, реализующий процесс отделочной обработки. За счет самовращения инструмента трение скольжения заменяется трением качения, вследствие чего становится возможным процесс обкатывания детали задней абразивно-алмазной поверхностью инструмента.

Как видно из схемы обработки, представленной на фиг.3, режущая кромка инструмента наклонена к оси обрабатываемой детали на угол γ = λ≈60^o. Это обеспечивает процесс резания с отрицательным передним углом γ = λ. В результате наклона инструмента на угол λ контакт детали и задней поверхности инструмента происходит не по образующей цилиндра, а по кривой, принадлежащей боковой поверхности цилиндра. Наклон оси инструмента к оси Х в плоскости XY на угол ϕ¹ приводит к наклону касательной к этой кривой на тот же угол, что позволяет регулировать площадь контакта и глубину абразивно-алмазной обработки, с которой происходит обкатывание поверхности детали задней поверхностью инструмента.

Траектория отдельной точки режущей кромки, показанная на фиг.5, представляет собой кривую с периодом 2π типа винтовой линии с углом подъема β (кривая 1). По винтовой линии с тем же углом подъема β, но с некоторым сдвигом Δх относительно траектории точки, принадлежащей режущей кромке, будет перемещаться пятно, являющаяся областью контакта задней поверхности инструмента с обрабатываемой деталью (лента 2). В результате этого последовательно образуются единичные поверхности, подвергнутые обработке резанием и абразивно-алмазной обработке. При наличии движения подачи инструмента Д_s образуется семейство таких единичных поверхностей, где каждая последующая смещена относительно предыдущей, образующее цилиндрическую поверхность. Таким образом, одним инструментом реализуются два различных метода обработки - лезвийное и абразивно-алмазное резание.

Основное влияние на величину площади пятна контакта по задней поверхности оказывают размеры и геометрические параметры режущей части инструмента - угол наклона режущей кромки λ и вспомогательный угол в плане ϕ¹.
Достичь максимального эффекта отделочной абразивно-алмазной обработки можно путем обеспечения контакта обрабатываемой поверхности со всей шириной абразивно-алмазной части, которая обеспечивается специальным профилированием задней абразивно-алмазной поверхности резца (фиг.6). Это может быть поверхность, выполненная в форме однополостного гиперболоида вращения (фиг.7). Прямолинейная образующая гиперболоида ве совпадает с образующей цилиндрической обрабатываемой поверхности детали, при этом угол наклона прямолинейной образующей гиперболоида боковой поверхности к его верхнему основанию с режущей кромкой равен λ.

Гиперболический ротационный резец обеспечивает плавность работы, снижение вибраций и повышение качества обработанной поверхности.

Рассмотрим условия абразивно-алмазной обработки. Вращательное движение Д_и инструмент получает фрикционным путем за счет обкатывания с обрабатываемой деталью. Ось вращения инструмента развернута по отношению к оси вращения детали, т. е. они перекрещиваются под углом λ и скорость детали V_Дг раскладывается на две составляющие: окружную скорость
V_ок=V_Дг/sinλ,
приводящую во вращение резец, и осевую скорость
V_ос=V_Дг/cosλ
(фиг. 3). Действительная скорость вращения резца V_Ди меньше окружной скорости V_ок из-за проскальзывания. Разность этих скоростей определяет скорость абразивно-алмазной обработки
V_е=V_ок-V_Ди
Осевая скорость V_ос суммируется со скоростью продольного движения V_Дs. В результате получается обработанная поверхность с направлением траекторий абразивно-алмазных зерен под углом λ к оси вращения детали (фиг.5). Такую обработку можно отнести согласно [4] к шлифохонингованию, особенностью которого является прерывистый контакт траектории вследствие чередования, находящихся в контакте с деталью зерен. Благодаря локальной зоне контакта и смене режущих зерен аббазивно-алмазной части резца улучшается тепловой баланс инструмента, повышается его стойкость и уменьшается засаливаемость. Свободный подвод смазочно-охлаждающей жидкости в зону обработки также повышает производительность токарно-шлифохонинговальной обработки.

Рассматриваемый инструмент позволяет повысить эффективность обработки за счет достижения эффекта отделки одновременно с процессом резания и упрочнения, поэтому применение данного ротационного комбинированного резца для обработки цилиндрических поверхностей позволяет исключить из технологического процесса все остальные отделочные и упрочняющие операции и обеспечить заданное качество поверхностного слоя.

Для применения предложенного инструмента не требуется сложной оснастки и специального оборудования, так как разработанная конструкция резца позволяет устанавливать его в резцедержатель универсального токарного станка.

Использование процесса совмещенной лезвийно-абразивно-алмазной упрочняющей обработки является одним из решений проблемы формообразования цилиндрических поверхностей с одновременным получением поверхностного слоя заданного качества.

Источники информации, принятые во внимание
1. А.с. СССР 385676, МКИ В 23 В 27/12. Вращающийся резец. Е.Г. Коновалов и Г.Ф. Шатуров. Заяв. 1657553/25-8, завл. 09.04.71, опуб. - 14.06.73. Бюл. 26 - аналог.

2. А. с. СССР 831583, МКИ В 24 В 39/04. Устройство для комбинированной обработки цилиндрических поверхностей. Заяв. 2537613/25-08, завл. 27.10.77, опуб. 23.05.81. Бюл. 19.

3. А. с. СССР 114066, МКИ В 23 В 27/12. Ротационный комбинированный резец. 1958 г. - прототип.

4. Ермаков Ю. М. , Степанов Ю. С. Современные тенденции развития абразивной обработки. (Машинстр. Пр-во. Сер. Технология и оборуд. обработки металлов резанием: Обзор. Информ./ВНИИТЭМР. Вып. 3) - М., 1991. С. 24-25.

Изобретение относится к области металлообработки комбинированным резцом, совмещающим лезвийную и абразивно-алмазную обработку при точении и растачивании труднообрабатываемых материалов. Резец содержит державку и режущий элемент, установленный в державке на оси с возможностью вращения и имеющий режущую кромку по всей окружности, верхнее и нижнее основания и боковую поверхность в форме цилиндрической поверхности. Для повышения производительности и улучшения качества обработанной поверхности на задней поверхности режущего элемента по образующей цилиндрической поверхности расположена абразивно-алмазная часть. Режущий элемент может быть предназначен для установки с большим отрицательным кинематическим передним углом, равным 50 - 60^o. Резец также может быть снабжен двумя коническими роликовыми подшипниками, установленными на оси в сборе с режущим элементом, выполненным в виде их наружного кольца и имеющим в отверстии спрофилированную поверхность в виде двух усеченных прямых конусов, сопрягаемых друг с другом меньшими основаниями. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ротационный комбинированный резец, содержащий державку и режущий элемент, установленный в державке на оси с возможностью вращения и имеющий режущую кромку по всей окружности, верхнее и нижнее основания и боковую поверхность в форме цилиндрической поверхности, отличающийся тем, что на задней поверхности режущего элемента по образующей цилиндрической поверхности расположена абразивно-алмазная часть. 2. Резец по п.1, отличающийся тем, что режущий элемент предназначен для установки с большим отрицательным кинематическим передним углом γ, равным 50-60^o. 3. Резец по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен двумя коническими роликовыми подшипниками, установленными на оси в сборе с режущим элементом, выполненным в виде их наружного кольца и имеющим в отверстии спрофилированную поверхность в виде двух усеченных прямых конусов, сопрягаемых друг с другом меньшими основаниями.