СВЕРЛИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И ИНСТРУМЕНТ С АВТОМАТИЧЕСКИ ПОДДЕРЖИВАЕМОЙ ВИБРАЦИЕЙ
DRILL AND TOOL WITH AUTOMATICALLY SUSTAINED VIBRATION

Настоящее изобретение относится к области сверления материалов и, в частности, сверлению глубоких отверстий посредством режущего инструмента.
В процессе сверления материала при помощи режущего инструмента, такого как сверло, указанный режущий инструмент создает стружку, снимаемую с обрабатываемого материала.
Хорошо известно, что эта стружка должна быть удалена из отверстия в процессе работы во избежание забивания режущего инструмента, следствием которого может быть быстрое ухудшение режущих свойств инструмента, а также изменение размеров отверстия и состояния поверхности стенок отверстия в ходе сверления. В худшем случае забивание может вызвать заклинивание и поломку инструмента с негативными последствиями для обрабатываемого изделия и для циклов изготовления этих изделий. Эти проблемы становятся особенно критическими при выполнении глубоких отверстий, для которых естественное удаление стружки является затруднительным.
Для снижения указанных рисков используют множество методов.
В частности, известны попытки дробления стружки, чтобы таким образом облегчить ее удаление при помощи традиционных средств, таких как спиральные канавки в режущем инструменте или продувка воздухом или маслом по центру инструмента.
В целях дробления стружки при помощи режущего инструмента регулярно производится отделение инструмента от снимаемого материала посредством возвратного осевого движения относительно поступательного направления сверления, с последующим возобновлением продвижения в направлении сверления.
Первый метод состоит в том, чтобы форсировать периодическое возвратное осевое движение инструмента, чередующееся с направлением поступательного движения сверления при помощи специально оборудованного механизма, но это задаваемое движение, с возобновлением контакта инструмента с материалом для продолжения сверления, создает повторяющиеся толчки, которые приводят к быстрому ухудшению технических характеристик инструмента.
Второй метод, описанный во французской патентной заявке, опубликованной за номером 2765505, заключается в том, что инструмент фиксируется на спаренном со сверлильной головкой резцедержателе, включающем в себя средства осевого направления движения резцедержателя относительно суппорта сверлильной головки и средства связи при движении, деформирующиеся в осевое направление перемещения, так что инструмент может вибрировать при работе в направлении осевого перемещения под воздействием усилий, генерируемых сверлением. Путем согласования характеристик деформирующихся элементов с массой режущего инструмента и резцедержателя и с параметрами резания осевая вибрация поддерживается колебаниями, генерируемыми самой операцией сверления.
Для обеспечения осевого движения, сочетаемого с вибрацией инструмента, средства осевого направления движения поддерживают ось инструмента совпадающей с осью сверлильной головки. Первый вариант этих средств включает два разнесенных по оси сверлильной головки кольца, которые деформируются в направлении оси, исключая радиальные перемещения и изменение направления оси инструмента относительно оси сверлильной головки. В другом варианте осуществления указанные средства осевого направления движения содержат кулису с шариком, жестко соединенную со сверлильной головкой, в которой резцедержатель перемещается в направлении оси вращения, исключая также изменение направления оси инструмента относительно оси сверлильной головки.
Такие средства отличаются механической сложностью и приводят к значительному увеличению размеров и снижению прочности сверлильной головки, в частности по причине вибрации, поддерживаемой устройством, и чувствительности средств осевого направления движения к радиальным усилиям. Кроме того, средства осевого направления движения являются источниками трений, которые нарушают автоматически поддерживаемое вибрирующее функционирование, очень чувствительное к изменениям параметров устройства, и указанные средства направления движения нуждаются в выполнении специальных сверлильных головок, которые могут потребовать существенных изменений в сверлильных устройствах и режимов механической обработки применительно к типам сверления.
Использование спиральных сверл, по соображениям симметрии радиальных усилий, прикладываемых сверлом данного типа к сверлильной головке, позволяет ограничить силы трения в средствах осевого направления движения, которые вызваны радиальными усилиями.
Эта чувствительность становится критической всякий раз, когда используются сверла, имеющие лишь одну режущую кромку, то есть так называемые сверла 3/4, и/или выполняются глубокие отверстия относительно диаметра указанного сверления. В случае сверла 3/4 сверлильная головка не обеспечивает правильное направление движения, так как радиальные усилия на инструмент, вызванные операцией сверления, больше не являются симметричными. Сверла 3/4 используют для выполнения отверстий и расточек большой точности и высокого качества, таких, которые необходимы, например, в сборках конструкций, подвергающихся большим нагрузкам, в самолетостроении.
Настоящее изобретение предлагает сверлильное устройство с автоматически поддерживаемой осевой вибрацией для создания короткой стружки, которое позволяет использовать без проблем сверла 3/4 для выполнения отверстий большой точности и содержит простые и прочные средства, которые могут быть применены в большинстве существующих машин для выполнения такого типа отверстий.
Преимущественно средства указанной сверлильной головки могут быть применены на имеющихся сверлильных агрегатах без существенного изменения указанных сверлильных агрегатов.
Для осуществления такого сверления с автоматически поддерживаемой вибрацией сверлильное устройство включает в себя:
- приводной блок вращения, содержащий передаточный вал, приводимый во вращение вокруг оси,
- режущий инструмент с осью вращения,
- средства соединения режущего инструмента с выходным валом.
Средства соединения способны передавать крутящий момент на режущий инструмент и содержат упругие средства, выполненные с тем, чтобы создавать автоматически поддерживаемую осевую вибрацию режущего инструмента во время операции сверления. Кроме того, средства соединения выполнены таким образом, чтобы обеспечить угловое отклонение между направлением оси режущего инструмента и направлением оси передаточного вала под действием радиальных усилий, приложенных к режущему инструменту во время операции сверления с целью недопущения гиперстатической конфигурации, которая образовалась бы в случае монтажа инструмента, в котором направление оси инструмента было бы заданным относительно направления приводного вала.
Для привода вращения инструмента, не задавая специально направление указанному инструменту, средства соединения содержат первый концевой элемент, снабженный средствами соединения с выходным валом приводного блока, и второй концевой элемент, снабженный средствами крепления инструмента, а также включают в себя промежуточную зону между указанными первым и вторым концевыми элементами, жесткую на деформацию кручения, упругую в осевом направлении и податливую на изгиб.
Предпочтительно, чтобы промежуточная зона содержала первые средства, жесткие на деформацию кручения, податливые в осевом направлении и податливые на изгиб, и содержит вторые средства, отличные от первых, упругие в осевом направлении.
Чтобы обеспечить передачу момента во время сверления и сохранить возможность перемещения инструмента по его оси и углового перемещения оси инструмента относительно оси передаточного вала, первые средства промежуточной зоны содержат по меньшей мере три плеча, расположенные не радиально между первым кольцом, жестко связанным с первым концевым элементом, и вторым кольцом, жестко связанным со вторым концевым элементом.
Пружинные средства, способные к сжатию между опорными поверхностями первого и второго концевых элементов, вызывают автоматически поддерживаемую осевую вибрацию инструмента. Предпочтительно, чтобы первый и второй концевые элементы и средства промежуточной зоны были выполнены таким образом, чтобы избежать прямых контактов между указанными первым и вторым концевыми элементами во время операции сверления.
Предпочтительно также, чтобы промежуточная зона содержала элемент, упругий в осевом направлении, который также способен передавать крутящие усилия сверления и способен к деформации изгиба во время вращения инструмента, которая позволяет оси указанного инструмента получить направление, отличающееся от оси передаточного вала.
Такой элемент, упругий в осевом направлении и способный передавать движение инструмента, когда этот инструмент не соосен с приводным валом, имеет преимущественно по меньшей мере три соосных кольца из упругого материала, имеющих, по существу, одинаковые размеры и расположенных одно поверх другого. Каждое кольцо отстоит от соседнего кольца и связано с указанным соседним кольцом посредством двух связующих элементов, расположенных по радиусу колец и радиально оппозитных, и где два связующих элемента, расположенные на одной стороне кольца, расположены также по радиусу, по существу, перпендикулярному радиусу, определяемому двумя связующими элементами, расположенными на другой стороне кольца. В таком расположении, жестком на деформацию кручения вокруг оси, соответствующей оси колец, деформация колец обеспечивает необходимую осевую упругость, в то время как деформация связующих элементов обеспечивает деформацию изгиба.
Предпочтительно также, чтобы промежуточная зона содержала по меньшей мере два кольца, установленных соосно и разнесенных по меньшей мере двумя удлиненными связующими элементами из упругого материала, и чтобы каждый связующий элемент был закреплен на первом кольце одним концом указанного связующего элемента, а на втором кольце - вторым концом указанного связующего элемента в точке, смещенной на угол, соответствующий углу вращения колец вокруг их оси, причем в указанной точке первый конец закреплен на первом кольце. В этом случае деформация изгиба связующих элементов обеспечивает требуемую упругость по оси и необходимую податливость относительно деформации изгиба.
Предпочтительно, чтобы использовался упругий металлический материал, такой как сталь, и промежуточная зона и концевые зоны были выполнены из цельного элемента путем механической обработки блока материала.
Изобретение относится также к режущему инструменту для сверления, который включает в себя:
- первый режущий конец, имеющий ось вращения и способный осуществить сверление снятием стружки обрабатываемого материала,
- второй конец, имеющий ось вращения и служащий для соединения с приводными средствами вращения вокруг указанной оси,
и который включает между двумя концами связующую зону
- способную передавать крутящие усилия сверления,
- способную упруго деформироваться, по существу, по оси инструмента и создавать автоматически поддерживающую вибрацию конца указанного инструмента по его оси под воздействием усилий, генерируемых операцией сверления,
- способную к деформации изгиба при вращении инструмента, позволяющей образовать угол между осью режущего конца указанного инструмента и осью второго конца.
Таким образом, можно осуществлять сверление с автоматически поддерживаемой осевой вибрацией без использования специальных приводных средств и иметь режущий инструмент, подгоняемый к обычным приводным средствам. Характеристики связующей зоны согласуют с режущим инструментом, что позволяет избежать использования регулировочных средств.
Ниже приводится детальное описание варианта осуществления изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг.1 изображает пример, выполненный из приводных средств, к которым подсоединен режущий инструмент и включающих устройство подачи инструмента;
фиг.2 - пример первого варианта осуществления средств соединения режущего инструмента с выходным валом приводных средств, с видом в разрезе средств соединения в сборе на фиг.2а и изометрической проекцией с пространственным разделением элементов указанных средств соединения на фиг.2b;
фиг.3 - репродукция фотографий стружки материала, снятой в результате операции сверления, согласно уровню техники на фиг.3а, и с использованием устройства согласно изобретению на фиг.3b;
фиг.4 - пример второго варианта осуществления средств соединения с изометрической проекцией указанных средств на фиг.4а, деталь в изометрии промежуточной зоны указанных средств на фиг.4b, развернутый вид поверхности указанной промежуточной зоны с изображением примера формы отверстий на наружной поверхности указанной промежуточной зоны на фиг.4с и изображение разреза снятой четверти деформации указанной промежуточной зоны под нагрузками на фиг.4d;
фиг.5 - пример второго варианта промежуточной зоны с деталью в изометрии промежуточной зоны указанных средств на фиг.5а и развернутый вид поверхности указанной промежуточной зоны с изображением примера формы отверстий на наружной поверхности указанной промежуточной зоны на фиг.5b;
фиг.6 - вид инструмента согласно изобретению.
Сверлильное устройство с автоматически поддерживаемой осевой вибрацией, включающее в себя приводные средства 1, которые содержат передаточный вал 2, приводимый во вращение указанными приводными средствами вокруг оси вращения 3.
На доступном конце 4 передаточного вала 2 посредством резцедержателя 7 закреплен режущий инструмент 5 оси вращения 6, так что ось 6 инструмента находится, по существу, в продолжение оси 3 передаточного вала и инструмент 5 приводится во вращение от вращения передаточного вала 2.
D
В ходе операции сверления инструмент 5 смещается, совершая осевое движение, так что конец 51 указанного инструмента проникает в деталь 8, в которой должно быть осуществлено сверление. Это перемещение , или поступательное движение, осуществляет устройство подачи 9 приводных средств, которое обеспечивает контролируемое перемещение конца 4 передаточного вала 2 относительно несущей конструкции 11 передаточных средств.
Поступательное движение может быть осуществлено также относительным перемещением между деталью 8 и приводными средствами 1.
Резцедержатель 7 включает в себя первый элемент 71, способный быть закрепленным концом 712 на передаточном валу 2 приводных средств 1 для передачи вращения, и второй элемент 72, способный удерживать концом 724 конец режущего инструмента 5, оппозитный концу 51, проникающему в деталь 8.
Указанные первый и второй элементы 71, 72 взаимодействуют посредством третьего элемента 73, при этом они содержат наружное кольцо 74 и внутреннее кольцо 75, связанные по меньшей мере посредством трех плеч 76. Наружное кольцо 74 жестко соединено с первым элементом 71, например посредством винта 731, а внутреннее кольцо 75 жестко соединено со вторым элементом 72, например посредством зажимной гайки 732.
В статическом положении, когда устройство в сборе не подвергается какому бы то ни было особому внешнему воздействию, ось 3 передаточного вала 2, когда конец 412 первого элемента 71 закреплен на указанном передаточном валу, и ось 7 инструмента 5, когда он закреплен на конце 724 второго элемента 72, по существу, взаимно отцентрованы.
Кольца 74, 75, связывающие по меньшей мере три плеча 76, отличаются, по существу, расположением радиусов, то есть они не сходятся в одной общей точке, что позволяет им посредством плеч 76 привести во вращение второй элемент 72 при вращении первого элемента 71, так что указанные плечи подвергаются, по существу, растягивающей нагрузке для увеличения передаваемого момента и так что второй элемент 72, с одной стороны, может перемещаться, совершая осевое поступательное движение по отношению к первому элементу 71 и, с другой стороны, может перемещаться, совершая угловое движение, при том что ось 7 инструмента, когда инструмент установлен на указанном втором элементе, и ось 3 передаточного вала, когда указанный первый элемент соединен с указанным валом, могут иметь различные направления во время вращательного движения вокруг осей 3, 7 передаточного вала и инструмента. Помимо их расположения между кольцами 74, 75, по меньшей мере три плеча выполнены из материала, например стали, отличающегося показателями механической прочности и податливости для передачи вращательных усилий и стойкости относительно деформаций, необходимых с учетом желательных амплитуд для осевых и угловых движений.
Амплитуды осевых и угловых перемещений второго элемента 72 относительно первого элемента 71 ограничивают форму и размеры плеч 76, но на практике исполнение третьего элемента 73, содержащего указанные плечи, не вызывает особых трудностей, так как требуемые амплитуды незначительны. Указанные амплитуды, переменные в зависимости от размеров устройства, составляют чаще всего порядка нескольких десятых миллиметра для осевых смещений и несколько меньше для угловых движений.
Упругие средства 77, например работающая на сжатие пружина, расположены между первым и вторым элементами 71, 72. Указанные упругие средства опираются на поверхность 711 первого элемента и на поверхность 721 второго элемента.
D
Когда на инструмент 5 оказывается давление во время операции сверления, второй элемент 72, на котором крепится инструмент, перемещается в направлении, противоположном подаче инструмента, деформируя плечи 76 третьего элемента 73 и сдавливая упругие средства 77 между опорными поверхностями 711, 721 первого и второго элементов.
Преимущественно упругие средства 77 удерживаются в положении, по существу, в оси первого и второго элементов 71, 72 посредством выпуклости, например выпуклости 722 второго элемента 72, по существу, в оси указанного элемента, вокруг которой расположены упругие средства.
По своему устройству и размерам форма 722 позволяет совершать относительные движения осевых и угловых перемещений между первым и вторым элементами без помехи. Зазоры 723 оставлены, в частности, между первым и вторым элементами 71, 72, с тем чтобы движения осевых перемещений осуществлялись без трений, и угловые движения не создавали риска заклинивания.
Ориентация оси 6 режущего инструмента 5 не задается приводными средствами, которые не содержат осевой направляющей инструмента, конец 51 инструмента направляется со стороны обрабатываемой детали 8.
Направление осуществляется, например, посредством кондуктора для сверления 10, который установлен относительно обрабатываемой детали 8 посредством такого зажима, как сверлильная лапка (не представлена). В виде альтернативы, направление осуществляется посредством частичного просверливания детали, что обеспечивает центровку и начальное направление режущего инструмента 5, который затем направляется во время сверления изготавливаемым отверстием.
Для данного режущего инструмента и материала, в котором должно быть получено отверстие, выбор параметров резания, скорости вращения инструмента и, в частности, подачи, и установленной жесткости упругих средств 77 создает осевую вибрацию режущего инструмента, поддерживаемую вследствие резания и естественных эффектов неустойчивости резания.
Как в любой вибрирующей механической системе, масса движущегося узла представляет собой параметр, который влияет на условия вибрации, и может быть необходимой регулировка массы режущего инструмента или вибрирующего узла, например посредством насадных масс, с тем чтобы создать осевое вибрационное движение и чтобы оно было самодостаточным в процессе каждой операции сверления.
Амплитуда этой самодостаточной осевой вибрации приводит к дроблению стружки снимаемого концом 51 режущего инструмента материала.
Дробление стружки может быть получено за счет такой амплитуды осевой вибрации, при которой инструмент мгновенно отделяется от материала детали, что происходит, когда инструмент вибрирует по своей оси с амплитудой, по существу, равной или превышающей расстояние, проделанное устройством подачи инструмента во время цикла осевой вибрации.
Дробление стружки может быть получено также с меньшей амплитудой вибрации, но достаточной для того, чтобы толщина стружек была в достаточной степени уменьшена, когда инструмент находится в наименее продвинутом в материал положении, с тем чтобы ослабленная стружка дробилась естественным образом во время операции сверления. Реализация этого варианта работы с вибрацией является предпочтительной, позволяющей избежать повреждения инструмента в результате врезания в материал детали при каждом цикле осевой вибрации.
Фотография на фиг.3b изображает стружки, раздробленные в результате операции сверления, осуществленной устройством с автоматически поддерживаемой осевой вибрацией согласно изобретению, которые сравниваются со стружками на фотографии с фиг.3а, представляющей по существу одинаковый масштаб увеличения, что и во время операции обычного сверления.
В другом варианте осуществления суппорт инструмента выполнен по меньшей мере всего лишь из одного элемента 12, по существу, цилиндрической формы. Единственный элемент 12 имеет на одном из своих концов 121 средства крепления на передаточном валу 2 приводных средств 1, а на своем другом конце 122 средства крепления режущего инструмента 5.
Преимущественно указанные средства крепления совместимы с существующими средствами крепления приводных средств и инструментов.
Между концами 121, 122 суппорт инструмента 12 содержит промежуточную зону 123, созданную для получения искомых упругих характеристик при сжатии для упругих средств, связанных с вибрирующим осевым перемещением инструмента, и требуемых характеристик податливости на изгиб, чтобы обеспечить оси инструмента угловое смещение, в частности под воздействием усилий, приложенных к режущему инструменту 5.
Эта промежуточная зона 123, которая должна также передавать крутящие усилия, выполнена преимущественно полым цилиндрическим сегментом круглого сечения, как показано на фиг.4b, изготовленным из упругого материала, например стали, стенка 130 которого имеет отверстия 124, определяющие структуру промежуточной зоны 123, сравнимой с размещением один поверх другого разделенных распорками 126 колец 125, которые диаметрально противоположно закреплены попарно между двумя кольцами и со смещением на 90° между двумя поверхностями кольца. Преимущественно промежуточная зона 123 выполнена механической обработкой блока материала, в котором концы 121, 122 также имеют механическую обработку. Фиг.4с иллюстрирует вид наружной поверхности промежуточной зоны 123, развернутой в плоскости.
Эта конфигурация позволяет
- передавать момент приводных средств 1 на режущий инструмент 5, так как структура промежуточной зоны 123 очень жесткая на деформацию кручения;
- осуществлять упругую связь в направлении оси передаточного вала или оси инструмента за счет деформирования колец 125 между распорками 126, как показано на примере резания на фиг.4d, жесткость которых определяется, в частности, числом и толщиной указанных колец;
- передавать вращательное движение, когда ось 6 инструмента не соответствует точно направлению оси 3 передаточного вала, причем промежуточный элемент в данном случае работает по типу карданного шарнира.
Другие формы промежуточной зоны 123 используются при условии, что они отвечают трем требованиям передачи момента сверления, упругости по оси инструмента и возможности угловой деформации между осью приводного вала и осью инструмента.
На фиг.5а и 5b иллюстрируется другая возможная конфигурация отверстий 127 в стенке 130 промежуточной зоны 123, способная восстановить требуемые характеристики указанной промежуточной зоны. На фиг.5b показана форма отверстий на наружной поверхности развернутой в плоскости промежуточной зоны. В этом варианте осуществления промежуточная зона 123 содержит по меньшей мере два кольца 128а, 128b, соединенных распорками материала 129. Каждая распорка 129 соединена с первым кольцом 128а первым концом 129а и соединена со вторым кольцом 128b своим вторым концом 129b в точке указанного второго кольца, смещенной относительно точки связи с указанным первым кольцом на угол, соответствующий углу вращения вокруг оси привода, например на 90°.
Упругие характеристики распорок из материала 129, свойства материала, использованные для их изготовления, и их формы позволяют получить требуемую жесткость. При необходимости ряд колец, соединенных распорками, расположены одно возле другого по конструкции промежуточной зоны 123.
В варианте осуществления устройства резцедержатель представляет собой обычное и жесткое средство связи, а средства, обеспечивающие осевые и угловые перемещения инструмента, являются составными частями режущего инструмента.
Такой режущий инструмент 5, представленный на фиг.6, между одним концом 5а, способным осуществлять сверление за счет снятия стружки материала вращением вокруг оси 6а, и концом 5b, способным приводиться во вращение вокруг оси 6b приводными средствами, например представленными на фиг.1, имеет связующую зону 5с, способную эластично деформироваться с целью создания автоматически поддерживаемой осевой вибрации режущего конца 5а инструмента 5, способную передавать необходимый момент для привода инструмента 5 и способную деформироваться на изгиб, чтобы позволить оси 6а режущего конца 5а инструмента и оси 6b конца 5b, приводимого во вращение приводными средствами, образовать угол δ.
Преимущественно связующая зона 5с содержит средства, аналогичные средствам промежуточной зоны 123 вышеописанного резцедержателя.
Данный вариант осуществления наиболее предпочтителен, так как без необходимости изменения существующих приводных средств, с одной стороны, промежуточная зона 123 выполнена в соответствии с отличительными характеристиками инструмента и предусмотренными параметрами резания, которые воздействуют на характеристики автоматически поддерживаемой вибрации инструмента, и, с другой стороны, продолжительность использования промежуточной зоны 123 ограничена продолжительностью срока службы режущего инструмента, с которым она составляет единое целое, следствием чего является возможность устранить или значительно ограничить риск усталостного разрушения указанной промежуточной зоны, подвергающейся значительному напряжению вибрации и воздействиям во время операции сверления.
Промежуточная зона 123 может быть выполнена механической обработкой одновременно с изготовлением инструмента 5. Инструмент может быть изготовлен, в свою очередь, сборкой, например посредством сварки, различных элементов.
Согласно еще одному варианту осуществления, не показанному на чертеже, промежуточная зона, аналогичная промежуточной зоне 123 описанного выше резцедержателя, расположена на передаточном валу 2, вблизи от конца, на котором крепится резцедержатель или инструмент.
Изобретение позволяет таким образом осуществлять сверления, генерирующие дробленую стружку, удобную для удаления обычными средствами, например продувкой или всасыванием, в том числе при помощи сверл, генерирующих несимметричные усилия резания относительно оси сверления, таких как сверла, содержащие только одну режущую кромку, так называемые сверла 3/4, без осевого направления движения инструмента на уровне приводных средств вращения инструмента.
Кроме того, изобретение позволяет осуществлять сверления с автоматически поддерживаемой осевой вибрацией инструмента без изменения существующих приводных устройств.