ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВИБРОРЕЗЕЦ
HYDRODYNAMIC VIBRATORY CUTTER

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования на токарных станках. Наиболее перспективным представляется применение изобретения при обработке деталей из жаропрочных и титановых сплавов, а также при необходимости дробления стружки.
Известны конструкции режущего инструмента и приспособлений для его установки на станках [Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1986], [Шаповал В.Н. и др. Вибрационные приводы в металлообработке / В.Н. Шаповал и др.- К.: Техника, 1983], [патент RU №2030255], которые позволяют вести обработку деталей с вибрацией инструмента. При правильно подобранных амплитуде и частоте вибрации можно добиться ее положительного влияния на процесс резания металла, например, уменьшить коэффициент трения и адгезионные явления в зоне стружкообразования, которые оказывают отрицательное влияние на стойкость режущего инструмента и качество обработанной поверхности. Вибрация инструмента может также использоваться для дробления стружки в процессе резания металла.
Недостатком указанных выше конструкций режущего инструмента является невозможность получения механических колебаний инструмента, имеющих одновременно высокую частоту и большую амплитуду. Это обусловлено тем, что в таких конструкциях в колебательном движении участвуют детали упругой системы станка (в том числе и сами режущие инструменты), имеющие значительные массы.
К недостаткам относится и сложность (и высокая стоимость) подвода колебательного движения от внешнего источника колебаний (вибровозбудителя). Поэтому указанные выше конструкции обычно работают в режиме автоколебаний, которые часто являются неустойчивыми режимами. Кроме того, наличие вибрации вызывает дополнительные тепловыделения как в зоне резания, так и в деталях самого инструмента, что в ряде случаев требует принудительного охлаждения режущего инструмента.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является конструкция резца [патент RU №2455122], состоящего из державки и рабочей части, имеющей режущую кромку в виде дуги окружности. Рабочая часть соединена с державкой двумя пластинами, образующими между собой прямой угол, причем точка пересечения осевых линий пластин совпадает с центром кривизны дуги окружности, которой очерчена режущая кромка. Особенностью такой конструкции является то, что рабочая часть может относительно легко поворачиваться (за счет упругой изгибной деформации пластин) вокруг точки пересечения осевых линий пластин. В то же время перемещению рабочей части по другим направлениям будет оказываться гораздо большее сопротивление. В результате режущая кромка приобретает возможность вращательного вибрационного движения вокруг центра своей кривизны при гораздо более высокой жесткости виброрезца по всем другим направлениям. Вибрация в таком виброинструменте может возникать как автоколебательный процесс, вызванный силами резания (что далеко не всегда может быть осуществимо), либо подводиться от внешнего источника колебаний.
Недостатком такой конструкции виброрезца является дороговизна подвода вибрации к его рабочей части от внешнего вибровозбудителя, так как обычно используемый для металлообработки магнитострикционный вибровозбудитель (вместе с электронным генератором колебаний) имеет высокую стоимость. Большая масса магнитострикционного вибровозбудителя ухудшает динамические показатели упругой системы станка, что ухудшает качество обработки на станке. Кроме того, дополнительные тепловыделения в зоне резания и двух пластинах, упруго деформирующихся при вибрационном движении рабочей части, вызывают необходимость в принудительном охлаждении пластин и рабочей части резца (при отсутствии охлаждения обработка ведется на заниженных скоростях).
Задачей изобретения является разработка конструкции гидродинамического виброрезца, позволяющей снизить затраты на его изготовление, а также повысить производительность процесса резания этим резцом.
Техническим результатом является улучшение технологических свойств режущего инструмента за счет повышения скорости резания этим инструментом, а также упрощение его конструкции.
Технический результат достигается тем, что в гидродинамическом виброрезце, состоящем из державки и рабочей части, имеющей режущую кромку в виде дуги окружности, соединенной с державкой двумя пластинами, образующими между собой прямой угол с пересечением осевых линий пластин в центре кривизны дуги, которой очерчена режущая кромка, между двумя пластинами расположена прикрепленная к рабочей части пластинка с заостренным краем, а в державке выполнены прямоугольное щелевое сопло, расположенное напротив заостренного края пластинки, и сообщающийся с ним канал для подвода жидкости, причем осевая линия прямоугольного щелевого сопла совмещена с осевой линией пластинки с заостренным краем.
За счет того, что на прикрепленную к рабочей части гидродинамического виброрезца пластинку с заостренным краем подается поток жидкости через прямоугольное щелевое отверстие, эта пластинка начинает вибрировать, передавая свою вибрацию и на рабочую часть резца. Таким образом, отпадает необходимость в применении дорогостоящих и громоздких магнитострикционных, электродинамических или других вибровозбудителей, что упрощает конструкцию и приводит к снижению стоимости изготовления оборудования для металлообработки с применением вибрирующего инструмента.
В то же время масса и габариты гидродинамического виброрезца не увеличиваются, что позволяет сохранить устойчивость упругой системы станка, а жидкость кроме создания вибрации будет еще охлаждать его рабочую часть и пластины, соединяющие рабочую часть и державку резца. Это позволяет повысить скорость резания и производительность обработки по сравнению с обработкой виброрезцом, для которого используются традиционные для металлорезания источники вибрации.
На фиг. 1 изображен гидродинамический виброрезец (вид спереди), а на фиг. 2 - его вид слева.
Гидродинамический виброрезец состоит из державки 1, пластин 2 и 3, рабочей части 4 с режущей кромкой 5 в виде дуги окружности. Осевые линии пластин 2 и 3 пересекаются в точке О под углом 90°. В этой же точке находится и центр кривизны дуги, которой очерчена режущая кромка 5. Пластины 2 и 3 соединяют рабочую часть 4 и державку 1, а между ними к рабочей части 4 прикреплена пластинка 6 с заостренным краем, обращенным в сторону прямоугольного щелевого сопла 7, которое расположено в державке 1 и сообщается с каналом 8. Жидкость под давлением поступает через канал 8 к прямоугольному щелевому соплу 7.
Такая конструкция режущего инструмента позволяет его рабочей части 4 совершать вращательное вибрационное движения вокруг центра кривизны режущей кромки 5 при гораздо более высокой жесткости виброрезца по всем другим направлениям [патент RU №2455122]. Для возбуждения вибрации рабочей части 4 гидродинамического виброрезца используется физическое явление «клиновой тон», имеющее гидродинамическую природу [Майер В.В. Простые опыты со струями и звуком. - М: Наука, 1985, с. 78] и состоящее в появлении звуковых (ультразвуковых) колебаний при натекании узкой струи газа или жидкости на клиновидный край твердой пластинки.
Струя жидкости, вышедшая под давлением из прямоугольного щелевого сопла 7, ударяется о заостренный край пластинки 6, разбивается этим краем так, что с обеих сторон пластинки 6 поочередно появляются вихри, что приводит к упругим изгибам пластинки то в одну, то в другую сторону. По пластинке 6 распространяется упругая изгибная волна, а сама пластинка 6 совершает собственные колебания. Так как пластинка 6 прикреплена к рабочей части 4, то она также будет совершать колебательное движение - вращательное вибрационное движение вокруг точки О (В отличие от известных конструкций пластинчатых гидродинамических излучателей колебания пластинки здесь используются не для возбуждения колебаний в жидкости, а для создания вибрации твердого тела - рабочей части резца).
Кроме возбуждения колебаний рабочей части 4 жидкость, поступающая в полость между пластинами 2 и 3, выполняет еще функцию охлаждения рабочей части 4 и пластин 2 и 3.
В случае если необходимо устранить попадание жидкости в зону резания или на другие детали станка, можно закрыть полость между пластинами 2 и 3 двумя крышками (трапецеидальной формы) из эластичного материала с отверстием для отвода жидкости. Эластичность крышек необходима для того, чтобы не препятствовать изгибу пластин 2 и 3 при вибрационном движении рабочей части.