МНОГОГРАННАЯ ДВУХСТОРОННЯЯ РЕЖУЩАЯ ПЛАСТИНА И ФРЕЗА ДЛЯ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
POLYHEDRAL DOUBLE-SIDED CUTTING PLATE AND CUTTER FOR ITS USE

Область техники.
Настоящее изобретение относится к металлорежущему инструменту, в частности к фрезам и сменным режущим пластинам, используемым для обработки различных поверхностей в первую очередь в изделиях из высокопрочных сталей и трудно обрабатываемых материалов.
Уровень техники.
Для обработки поверхностей в изделиях из высокопрочных сталей и трудно обрабатываемых материалов используют фрезы с механическим креплением двухсторонних сменных режущих пластин, имеющих большое количество режущих кромок, расположенных по круговой поверхности на одной и другой их стороне. Для обеспечения возможности использования режущих кромок поочередно на одной и другой сторонах двухсторонние режущие пластины имеют 180° поворотную симметрию.
Двухсторонние режущие пластины располагают в гнездах, выполненных в корпусах фрез и имеющих опорные поверхности, контактирующие с опорными поверхностями пластин, находящимися на противоположной стороне от используемых режущих кромок. При этом возникает необходимость с одной стороны создать оптимальные условия для схода стружки по передним поверхностям режущей пластины и сохранить прочность режущего клина, а с другой стороны - обеспечить надежное позиционирование режущей пластины в гнездах корпуса фрез с учетом асимметрии нагружения главных и вспомогательных режущих кромок.
При фрезеровании высокопрочных сталей и трудно обрабатываемых материалов на режущий инструмент действуют значительные термомеханические нагрузки, носящие ударный характер. Эти нагрузки воспринимают опорные поверхности гнезд корпусов фрез и самих режущих пластин. От размеров и конфигурации опорных поверхностей режущих пластин зависит надежность их крепления в гнездах корпусов фрез, оказывающее влияние на работоспособность и стойкость самих фрез.
При этом для режущих пластин, имеющих множество режущих кромок, расположенных по круговой поверхности на одной и другой их стороне, необходимо обеспечить надежное базирование пластин в гнездах корпусов фрез одновременно, как в непосредственной близости от режущей кромки, участвующей в резании, так и всей пластины в целом.
Известна конструкция режущей пластины и режущего инструмента (патент РФ №2508180). При этом режущая пластина содержит первую поверхность для отвода стружки, вторую поверхность для отвода стружки на противоположной от первой поверхности стороне пластины и боковую поверхность, продолжающуюся межу указанными сторонами. Режущие кромки образованы пересечением первой и второй поверхностей с боковой поверхностью.
Торцевые опорные поверхности режущих пластин выполнены в виде единых базовых поверхностей, расположенных на торцах и выходящих к сквозному крепежному отверстию. Режущие пластины установлены в гнезда режущего инструмента, а их опорные базовые поверхности контактируют с плоскими опорными поверхностями гнезд. Указанные конструкция режущих пластин не гарантирует достаточную жесткость закрепления их в гнездах режущего инструмента из-за смещения равнодействующей реакции торцевых опорных базовых поверхностей в сторону крепежного отверстия, что может повлечь снижение устойчивости режущих пластин и, как следствие снижение их стойкости.
При этом смещение равнодействующей реакции торцевых опорных базовых поверхностей гнезд корпусов фрез может произойти, в том числе из-за смещения зоны их контакта с опорными поверхностями режущих пластин в сторону крепежного отверстия. Это может быть следствием неточности изготовления, значительной шероховатости или загрязнения контактирующих опорных поверхностей.
При нарушении зоны контакта опорных поверхностей гнезд с опорными поверхностями режущих пластин также может возникнуть сложное напряженное напряженно деформированное состояние контактирующих поверхностей, которое может отрицательно влиять на надежность крепления режущих пластин.
Известна конструкция режущей пластины и режущего инструмента (WO 1994/015741). При этом режущая пластина выполнена многогранной и содержит верхнюю и нижнюю поверхности, боковую поверхность, режущие кромки, образованные на пересечении верхней и нижней поверхностей с боковой поверхностью и имеющие вершины. Напротив каждой вершины режущей кромки в области угла, образованного режущими кромками, на верхней и нижней поверхностях расположены впадины, являющиеся базовыми поверхностями режущей пластины. В эти впадины входят выступы, расположенные в гнездах режущего инструмента. Данная конструкция не позволяет достичь точного позиционирования режущих пластин при расположении их в гнездах корпусов фрез, кроме того в ней не учтена асимметрия нагружения режущих кромок пластин.
Известна конструкция режущей пластины и режущего инструмента в частности торцовой фрезы (патент РФ №2422253). При этом режущая пластина имеет круговое расположение режущих кромок на противоположных сторонах. Режущие кромки выступают за смежные с ними передние поверхности, направленные вниз под положительным углом, между которыми расположены одна или несколько плоских опорных поверхностей и крепежное отверстие.
Вокруг отверстия расположена, по меньшей мере, одна грань в форме усеченного конуса. Она сходит на конус в сторону крепежного отверстия. Таким образом, обеспечивается гарантированное базирование режущей пластины в зоне передних поверхностей.
Однако, при этом базовые поверхности расположены симметрично относительно вершин режущих кромок и соответственно симметрично относительно биссектрис углов при этих вершинах, что не учитывает асимметричного нагружения режущих кромок. Тем самым снижается надежность базирования режущих пластин в гнездах корпуса фрезы, что может повлечь за собою снижение их работоспособности и стойкости.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции двухсторонней многогранной режущей пластины, обеспечивающей ее надежное закрепление в гнездах корпуса фрез.
Задачей настоящего изобретения также является создание конструкции фрезы для использования упомянутой режущей пластины, повышенной работоспособности и стойкости.
Технический результат от использования предложенного технического решения заключается в повышении работоспособности и стойкости режущих пластин и фрез в целом за счет надежного базирования режущих пластин в гнездах фрез, обусловленного асимметричным расположением фрагментов базовых поверхностей режущих пластин с учетом асимметричного нагружения главных и вспомогательных режущих кромок.
Раскрытие изобретения.
Указанный технический результат достигается посредством совокупности признаков, приведенных в соответствующих пунктах формулы изобретения.
Многогранная двухсторонняя режущая пластина содержит первую поверхность для отвода стружки и вторую поверхность для отвода стружки, расположенную на противоположной от первой поверхности стороне.
Между первой и второй поверхностями расположено сквозное крепежное отверстие и боковая поверхность. На пересечении первой и второй поверхностей с боковой поверхностью образованы режущие кромки со 180° поворотной симметрией. Они содержат последовательно чередующиеся по кругу сопряженные между собою и разделенные вершиной участки главной и вспомогательной режущих кромок, выступающие за смежные с ними передние поверхности, направленные под положительными передними углами к опорным поверхностям.
Опорные поверхности выполнены из отдельных фрагментов, расположенных по кольцу соответственно на периферии первой и второй поверхностей напротив вершин режущих кромок. Причем эти фрагменты выступают за смежные с ними впадины, выходящие к крепежному отверстию.
Согласно изобретению центры тяжести площадей опорных поверхностей каждого фрагмента на виде сверху на первую поверхность не лежат на биссектрисах, соответствующих им углов, образованных при вершинах режущих кромок, но расположены на окружности, эквидистантной окружности, описанной вокруг режущей пластины на виде сверху на первую и вторую ее поверхности. Причем размер диаметра этой окружности находится в диапазоне 0,45…0,8 диаметра окружности, описанной вокруг режущей пластины.
В соответствии с одним предпочтительным исполнением режущей пластины центры тяжести площадей опорных поверхностей каждого фрагмента, смещены относительно биссектрис, соответствующих им углов, образованных при вершинах режущих кромок, в стороны вспомогательных режущих кромок на центральный угол, вершина которого расположена на оси отверстия, причем этот угол находится в диапазоне 0,5…4°.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущей пластины на виде сверху на первую поверхность для отвода стружки центры тяжести площадей опорных поверхностей фрагментов, расположенных на противоположных поверхностях для отвода стружки, смещены один относительно другого вдоль окружности, на которой они расположены.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущей пластины фрагменты опорных поверхностей на виде сверху на каждую поверхность для отвода стружки режущей пластины имеют площади поверхности, ограниченные, по меньшей мере, одной выпуклой и двумя вогнутыми кривыми.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущей пластины вогнутые кривые ограничивают площади опорных поверхностей фрагментов со стороны участков главных и вспомогательных режущих кромок, причем кривы со стороны участков главных режущих кромок имеет большую длину.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущей пластины суммарная площадь опорных поверхностей фрагментов находится в диапазоне 20…30% от площади соответствующей им поверхности для отвода стружки.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущей пластины на ее рабочие поверхности дополнительно нанесено износостойкое покрытие, содержащее, по меньшей мере, один слой, который содержит фазу, по меньшей мере, с одним из элементов V, Cr, Nb, Ti, Та, Zr, Hf, В, Al, Si, C, N, O.
Фреза для использования описанной выше режущей пластины содержит корпус с рабочей частью. В ней выполнены гнезда для размещения и закрепления многогранных двухсторонних режущих пластин. Причем каждое гнездо имеет опорную поверхность, боковые базовые поверхности и отверстие для крепежных винтов.
Согласно изобретению в гнездах рабочей части фрезы установлены многогранные двухсторонние режущие пластины по любому из описанных выше исполнений. При этом фрагменты опорных поверхностей режущих пластин контактируют с опорными поверхностями гнезд,
Краткое описание чертежей.
Для лучшего понимания, но только в качестве примера, изобретение будет описано с отсылками к приложенным чертежам, на которых изображены многогранная двухсторонняя режущая пластина и фреза для ее использования.
На фиг. 1 изображена в перспективе многогранная двухсторонняя режущая пластина;
на фиг. 2 изображен вид сбоку многогранной режущей пластины, изображенной на фиг. 1;
на фиг. 3 изображен вид сверху на первую поверхность для отвода стружки многогранной двухсторонней режущей пластины, изображенной на фиг. 1;
на фиг. 4 изображен увеличенный фрагмент I вида сверху на первую поверхность для отвода стружки многогранной двухсторонней режущей пластины, изображенной на фиг. 3;
на фиг. 5 изображен увеличенный фрагмент I вида сверху на первую поверхность для отвода стружки многогранной двухсторонней режущей пластины, изображенной на фиг. 3, с указанием пунктиром фрагмента опорной поверхности второй поверхности для отвода стружки;
на фиг. 6 изображена в перспективе торцевая фреза в сборе с многогранной двухсторонней режущей пластиной, изображенной на фиг. 1;
на фиг. 7 изображено в перспективе гнездо торцевой фрезы для закрепления многогранной двухсторонней режущей пластины, изображенной на фиг. 1;
Детальное описание чертежей.
Рассмотрим предложенную конструкцию многогранной двухсторонней режущей пластины 10, изображенной на фиг. 1-7. Здесь она выполнена двухсторонней с семью гранями. Также следует понимать, что количество граней может быть иным, но все они вписаны в одну окружность 42 на виде сверху на первую поверхность для отвода стружки.
При этом многогранная двухсторонняя режущая пластина 10 содержит первую поверхность для отвода стружки 12 и вторую поверхность 14 для отвода стружки, расположенную на противоположной от первой поверхности стороне. По сути это одна и другая торцовые поверхности двухсторонней режущей пластины, у которой опорные поверхности находятся на противоположном от режущих кромок торце пластины.
При этом указанная режущая пластина имеет сквозное крепежное отверстие 16 и боковую поверхность 18, которые продолжаются между первой 12 и второй 14 поверхностями. Ось «О» отверстия 16 является осью симметрии и поворота пластины при последовательной смене ее режущих кромок 20 и 20а соответственно на первой и второй поверхностях, которые образованы на пересечении первой 12 и второй 14 поверхностей с боковой поверхностью 18 со 180° поворотной симметрией.
Далее для упрощения понимания сути предложенной конструкции режущей пластины 10 обозначение ее конструктивных элементов на первой 12 и второй 14 поверхностях имеет одинаковые цифры, но отличается буквой «а».
При этом режущие кромки режущей пластины 10 соответственно 20 и 20а содержат последовательно чередующиеся по кругу сопряженные между собою и разделенные вершиной соответственно 22 и 22а участки главной 24 и 24а и вспомогательной 26 и 26а режущих кромок, выступающие за смежные с ними передние поверхности 28, 30 и 28а, 30а, направленные под положительными передними углами к опорным поверхностям.
Опорные поверхности выполнены из отдельных фрагментов 32 и 32а, расположенных по кольцу соответственно на периферии первой 12 и второй 14 поверхностей напротив вершин 22 и 22а режущих кромок. Причем соответственно на первой и второй поверхностях опорные поверхности указанных фрагментов 32 и 32а находятся в одних плоскостях и выступают за смежные с ними впадины 34 и 34а, выходящие к крепежному отверстию 16.
Для рассматриваемого примера впадины 34 и 34а на первой 12 и второй 14 поверхностях представлены едиными понижениями, расположенными вокруг крепежного отверстия 16 и имеющими радиально направленные в сторону режущих кромок лучи.
Согласно изобретению центры тяжести 36 и 36а площадей опорных поверхностей соответственно каждого фрагмента 32 и 32а на виде сверху на первую 12 поверхность, не лежат на биссектрисах 38, соответствующих им углов γi, образованных при вершинах 22, 22а соответственно режущих кромок 20 и 20а. В данном случае площади опорных поверхностей фрагментов 32 и 32а рассмотрены, как геометрически плоские фигуры, контактирующие с опорными базовыми поверхностями 58 гнезд 56 фрез 52.
При этом учет центров тяжести 36 и 36а площадей опорных поверхностей фрагментов 32 и 32а позволяет оценить преимущественное расположение реакций от их контакта с соответствующими опорными базовыми поверхностями гнезд для закрепления режущих пластин и, тем самым, обеспечить надежное закрепление режущих пластин с учетом асимметрии нагружения участков их режущих кромок.
При этом согласно изобретению центры тяжести 36 и 36а соответствующих им площадей опорных поверхностей фрагментов 32 и 32а расположены на окружности 40, эквидистантной окружности 42, описанной вокруг режущей пластины на виде сверху на ее первую поверхность. Причем размер диаметра этой окружности находится в диапазоне 0,45…0,8 диаметра окружности 42, описанной вокруг режущей пластины.
При этом из опорных поверхностей фрагментов 32 и 32а на первой 12 и второй 14 поверхностях режущей пластины 10 получены кольцевые матрицы фрагментов опорных поверхностей, лежащих в параллельных между собою плоскостях. Эти плоскости параллельны также средней плоскости режущей пластины, расположенной по ее середине на виде сбоку. Указанные матрицы фрагментов приближены к режущим кромкам 20 и 20а с учетом асимметрии нагружения их главных 24, 24а и вспомогательных 26, 26а участков.
Причем место расположения центров тяжести 36 и 36а площадей каждого фрагмента 32 и 32а будет зависеть от соотношения диаметров окружностей 40 и 42. Минимальное значение указанного соотношения обусловлено в первую очередь условиями прочности режущего клина пластины 10, а также зависит от режимов резания, свойств обрабатываемого материала и геометрии режущей пластины и фрезы в целом. Максимальное значение соотношения указанных диаметров обусловлено в первую очередь условиями устойчивого, надежного закрепления режущих пластин в гнездах 56 корпуса 54 фрезы 52.
Многогранная двухсторонняя режущая пластина 10 имеет предпочтительные исполнения. Согласно одному из них центры тяжести 36 и 36а площадей каждого фрагмента 32,32а опорных поверхностей смещены относительно биссектрис 38, соответствующих им углов, образованных при вершинах 22 и 22а режущих кромок 20 и 20а, в стороны вспомогательных режущих кромок соответственно 26 и 26а на центральные углы α1 и α2, вершины которых расположены на оси О отверстия 16, причем эти углы находятся в диапазоне 0,5…4°. Указанные центральные углы могут быть не равны между собою.
Минимальное значение центрального угла α1 и α2 ограничено в первую очередь условиями прочности режущего клина пластины 10 и зависит от режимов резания, свойств обрабатываемого материала и геометрии режущей пластины. Максимальное значение обусловлено условиями устойчивого, надежного закрепления режущих пластин в гнездах 56 корпуса 54 фрезы 52.
Согласно другому исполнению режущей пластины на виде сверху на первую 12 поверхность для отвода стружки центры тяжести 36 и 36а соответственно площадей опорных поверхностей фрагментов 32 и 32а, расположенных на противоположных поверхностях 12 и 14 для отвода стружки, смещены один относительно другого вдоль окружности 40, на которой они расположены. При этом центральный угол β, определяющий это смещение имеет вершину на оси О отверстия 16. По сути этот угол является суммой углов α1 и α2.
Согласно другому предпочтительному исполнению режущей пластины фрагменты опорных поверхностей 32 и 32а на виде сверху на каждую поверхность для схода стружки имеют площади поверхности, ограниченные, по меньшей мере, одной выпуклой 46, 46а и двумя вогнутыми 48, 48а и 50, 50а кривыми.
Согласно другому предпочтительному исполнению режущей пластины вогнутые кривые 48, 48а и 50, 50а ограничивают площади опорных поверхностей фрагментов 32 и 32а соответственно со стороны участков главных 24,24а и вспомогательных 26, 26а режущих кромок 20, 20а, причем кривые 48 и 48а со стороны участков главных режущих кромок 24, 24а имеет большую длину.
Такое исполнение фрагментов опорных поверхностей позволяет достаточно точно расположить центры тяжести их площадей с учетом их напряженно-деформированного состояния, возникающего при работе фрез. Кроме того такое конструктивное исполнение фрагментов опорных поверхностей 32 и 32а дает возможность выполнить оптимальную форму передних поверхностей индивидуально для участков главной и вспомогательной режущих кромок, тем самым, повысив полученный технический результат.
Согласно другому предпочтительному исполнению режущей пластины суммарная площадь опорных поверхностей фрагментов 32, 32а отдельно для каждой поверхности для отвода стружки находится в диапазоне 20…30% от площади соответствующей им поверхностей 12, 14. Минимальное и максимальное значения указанного диапазона обусловлены в первую очередь достаточными и необходимыми условиями прочности опорных поверхностей.
Согласно другому предпочтительному исполнению режущей пластины на ее рабочие поверхности дополнительно нанесено износостойкое покрытие, содержащее, по меньшей мере, один слой, который содержит фазу, по меньшей мере, с одним из элементов V, Cr, Nb, Ti, Ta, Zr, Hf, В, Al, Si, C, N, O. При этом износостойкое покрытие позволяет увеличить получаемый технический результат.
В соответствии с изобретением предложена фреза 52 для использования описанной выше режущей пластины 10. В качестве примера на фиг.6 изображена торцовая фреза.
Она содержит корпус 54 с рабочей частью, в которой выполнены гнезда 56 для размещения и закрепления многогранных двухсторонних режущих пластин. Причем каждое гнездо 56 имеет опорную поверхность 58, боковые базовые поверхности 60 и отверстие 62 для крепежных винтов 64.
Согласно изобретению в гнездах 56 установлены многогранные двухсторонние режущие пластины 10 по любому из описанных выше ** исполнений.
Использование предложенного изобретения.
В качестве примера рассмотрим двухстороннюю режущую пластину 10, имеющую семь граней. При этом она имеет четырнадцать режущих кромок, по семь кромок на каждой поверхности для отвода стружки.
Эти пластины, например, устанавливают в гнезда 56 торцовой фрезы 52 и закрепляют винтами 64. При этом фрагменты 32 и 32а опорных поверхностей многогранной двухсторонней режущей пластины 10 при смене режущих кромок, обусловленной поворотом вокруг ее оси или сменой поверхностей для отвода стружки, поочередно контактируют с опорными поверхностями 58 гнезд 56.
Например, при установке режущей пластины 10 на опорную поверхность с фрагментами 32а, расположенными на второй поверхности 14 для отвода стружки при фрезеровании будут использоваться режущие кромки 20 с участком главной режущей кромки 24 и вспомогательной режущей кромки 26.
При этом, учитывая 180° поворотную симметрию режущей пластины 10, под режущей кромки 20 будет находиться фрагмент 32а опорной поверхности, расположенной на обратной стороне режущей пластины, который граничит с передней поверхностью 30а вспомогательной режущей кромки 26а. Этот фрагмент 32а максимально приближен к периферии режущей пластины и имеет смещение центра тяжести 36а своей опорной поверхности от биссектрисы угла при вершине режущей кромки 20а в сторону вспомогательной режущей кромки 26а. Тем самым обеспечивается смещение равнодействующей реакции опорной поверхности 58 гнезда 52 в сторону нагруженного участка главной режущей кромки 24, расположенного на первой поверхности для схода стружки.
Таким образом, за счет описанного выше расположения фрагментов опорных поверхностей обеспечивается надежное однозначное позиционирование пластин в гнездах фрезы с учетом асимметрии нагружения режущих кромок, состоящих из участков главной и вспомогательной режущих кромок. Это позволяет повысить надежность закрепления режущих пластин в гнездах корпуса фрезы и тем самым повысить работоспособность и стойкость режущих пластин и фрез в целом.
Хотя настоящее изобретение было описано с определенной степенью детализации, следует понимать, что его различные изменения и модификации, например, наличие при вершинах режущих кромках зачищающих фасок, могут быть выполнены без отхода от существа и объема изобретения, изложенного в приведенной ниже формуле изобретения.