РАСТОЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

Полезная модель относится к области обработки материалов резанием, в частности к расточным инструментам для обработки корпусных деталей, преимущественно, на станках с числовым программным управлением (ЧПУ).
С одной стороны, на этих станках исключается наладка положения режущих кромок в процессе и возрастают требования к точности установки и жесткости закрепления расточного инструмента. С другой стороны, многообразие обрабатываемых деталей и технология обработки точных отверстий в таких деталях требует очень большого количества расточных оправок. Поэтому расточной инструмент для обработки корпусных деталей уже несколько десятилетий производится в виде блочного расточного инструмента (БРИ) путем разбиения цельной оправки на функциональные модули, которые в различных перестановках позволяют создавать сборки, отвечающие требованиям к цельному инструменту (Маслов А.Р. Приспособления для металлообрабатывающего инструмента: справ. 3-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 2008. - с. 183-188).
Наиболее близким к заявленному по совокупности существенных признаков - прототипом - является блочный расточной инструмент, включающий соосно соединенные блоки, выполненные с цилиндрическими хвостовиками и отверстиями, предназначенными для радиального базирования блоков относительно друг друга, и ограничивающими цилиндрические хвостовики и отверстия торцовыми поверхностями, предназначенными для осевого базирования блоков относительно друг друга, при этом блоки снабжены средствами осевого натяга, а в зоне цилиндрических отверстий - радиальными резьбовыми отверстиями с винтами, предназначенными для создания радиального натяга с размещенными в указанных цилиндрических отверстиях цилиндрическими хвостовиками соединенных блоков (Режущий и вспомогательный инструмент фирмы "Sandvik Coromant". Каталог 02940:004 RUS, 1984, с. 281).
Согласно прототипу расточной резец закреплен в оправке, которая своим цилиндрическим участком взаимодействует с цилиндрическим отверстием в удлинителе. Для передачи крутящего момента силы резания используются шпонки. Для создания натяга по торцам используется осевой винт, который своей головой упирается в кольцо, установленное в удлинителе и зафиксированное радиальными винтами. Аналогично происходит базирование и закрепление удлинителя в следующем удлинителе или державке.
К недостаткам прототипа следует отнести сложность сборки и разборки расточного инструмента, так как делать это можно только последовательно и поэтапно, начиная с державки.
Задача полезной модели - создание легкосборного, удобного в эксплуатации расточного инструмента.
Технический результат - улучшение эксплуатационных возможностей за счет упрощения сборки-разборки расточного инструмента.
п
ш
п
ш
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в расточном инструменте, включающем соосно соединенные блоки, выполненные с цилиндрическими хвостовиками и отверстиями, предназначенными для радиального базирования блоков относительно друг друга, и ограничивающими цилиндрические хвостовики и отверстия торцевыми поверхностями, предназначенными для торцевого базирования блоков относительно друг друга, при этом блоки снабжены средствами торцевого натяга, а в зоне цилиндрических отверстий - радиальными резьбовыми отверстиями с винтами, винты в радиальных резьбовых отверстиях выполнены взаимодействующими с соответствующими цилиндрическими хвостовиками, а средство осевого натяга выполнено в виде общего для каждой пары соединяемых блоков осевого шпоночного паза с двумя дополнительными радиальными резьбовыми отверстиями с дополнительными винтами с коническими головками, выполненного на сопрягаемых внешних поверхностях блоков так, что каждый блок включает часть шпоночного паза с одним дополнительным радиальным резьбовым отверстием с дополнительным винтом, и размещенной в указанном шпоночном пазу шпонки с двумя коническими отверстиями, предназначенными для взаимодействия с головками дополнительных винтов, при этом L>L, где L - межцентровое расстояние резьбовых отверстий шпоночного паза, L - межцентровое расстояние отверстий шпонки.
Полезная модель поясняется изображениями:
Фиг. 1 - расточной инструмент в разрезе, вид сбоку;
Фиг. 2 - вид А на Фиг. 1;
Фиг. 3 - сечение Б-Б на Фиг. 2;
Фиг. 4 - схема нагружения и образования деформаций инструмента;
Фиг. 5 - схема образования перемещения в торцевом соединении;
Фиг. 6 - механизм создания радиального натяга;
Фиг. 7 - механизм создания торцевого натяга.
Как было отмечено выше, расточной инструмент для обработки корпусных деталей на станках с ЧПУ производится, преимущественно, в виде блочного расточного инструмента путем разбиения цельной оправки на функциональные блоки, которые в различных перестановках позволяют создавать сборки, отвечающие требованиям к цельному инструменту.
п
ш
Согласно полезной модели расточной инструмент (Фиг. 1) включает набор блоков 1 (два и более), формирующих необходимую длину инструмента и сопряженных друг с другом в радиальном направлении посредством цилиндрических отверстий 2 и входящих в них цилиндрических хвостовиков 3, и в торцевом направлении - посредством торцевых поверхностей 4 и 5. Крайний с одной стороны блок 1 оснащен, например, резцом 6, а крайний с другой стороны инструмента блок 1 предназначен для закрепления в патроне 7 станка. Для организации торцевого натяга между блоками инструмент снабжен шпоночным пазом 8, общим для каждых двух сопряженных блоков 1 (Фиг. 2). В каждой части шпоночного паза (на каждом из сопряженных блоков 1) выполнено резьбовое отверстие 9 под винт 10 с конической головкой 11 (Фиг. 3). Винты 10 фиксируют в шпоночном пазу 8 шпонку 12 с отверстиями 13 под винты 10 с коническими участками 14 под конические головки 11 винтов 10. При этом межцентровое расстояние L отверстий 9 шпоночного паза 8 больше межцентрового расстояния L отверстий 13 шпонки 12 (рассчитывается индивидуально из условия создания требуемого натяга, ниже приведена схема расчета). Кроме того, в блоках 1 имеются радиальные резьбовые отверстия 15 с винтами 16 (Фиг. 1), взаимодействующими с цилиндрическими хвостовиками 3 сопряженных блоков 1, создавая тем самым радиальный натяг в соединениях блоков 1.
Работа расточного инструмента осуществляется точно так же, как и прототипа и аналогов. Отличием предложенной конструкции от прототипа является простота ее сборки в любой последовательности, что существенно улучшает эксплуатационные характеристики расточного инструмента. Обеспечение в блоках как торцевого, так и радиального натяга в еще большей степени способствует улучшению эксплуатационных характеристик расточного инструмента, что подтверждается нижеприведенными пояснениями и расчетами в отношении конкретного примера.
сист
сист
у
у
Одним из требований к сборке БРИ, состоящего из модулей, является ограничение податливости δ, определяемой как отношение У в направлении равнодействующей силы резания Р (Фиг. 4) в точке приложения силы Р:
сист
Суммарная деформация У БРИ равна сумме трех величин:
и
т
к
где у - упругая деформация при изгибе оправки; у - перемещение в торцевых соединениях модулей за счет их раскрытия при нагружении внешней силой; у - упругое перемещение оправки в результате деформации контактирующих поверхностей в месте соединения модулей.
Упругая деформация консольной оправки:
у
где Р - составляющая силы резания; Н,  - вылет оправки; Е - модуль продольной упругости материала оправки; I - момент инерции сечения тела оправки.
у
Условием нераскрытия стыка модулей является отсутствие перемещения в торцевом соединении модулей при нагружении силой Р (Фиг. 5):
у
Из Фиг. 5 следует, что условие (3) соблюдается при равенстве моментов силы Ри силы F, стягивающей модули вдоль оси вращения БРИ:
у
н
т
где Р - нагружающая сила; L - длина модуля; F - сила, стягивающая модули закрепления на стыке; D - наружный диаметр модуля; у - торцевой зазор.
к
Для определения упругих перемещений у, возникающих в результате контактных деформаций в цилиндрическом соединении модулей, рассматривали схему закрепления цилиндрического хвостовика модуля силой Q (Фиг. 6).
Из схемы на Фиг. 6 следует:
зат
1
np
где М - крутящий момент затяжки винтов; d - диаметр зажимного винта; n - количество зажимных винтов; f - коэффициент трения на опорной поверхности винта; ψ - угол подъема резьбы; ρ - угол трения в подвижных соединениях.
у
0
ц
Под действием силы Р в образовавшемся цилиндрическом соединении с предварительным натягом по дуге 2φ (Фиг. 6) происходит упругое смещение хвостовика , которое из-за малости δ можно рассматривать как поворот на угол θ.
у
Для определения утла поворота 6 (Фиг. 6) в цилиндрическом соединении от внешней силы Р в результате контактных перемещений использовали выражение:
0
где угол половины дуги натяга φ определяется из соотношения:
1
н
Анализ выражений (6) и (7) показывает, что на величину угла поворота θ в значительной степени влияют диаметр d соединения, диаметр d зажимных винтов, величина зазора Δ в соединении и наружный диаметр D модуля.
допуст
Для БРИ, предназначенного для растачивания отверстий диаметром 40-180 мм, максимально допустимая податливость δ не должно превышать 0,11 мм/кН (Маслов А.Р. Инструментальные системы машиностроительных производств: учебник. - М.: Машиностроение, 2006. - с. 168).
к
у
н
Упругое перемещение у в результате деформации контактирующих поверхностей в месте соединения модулей БРИ (Фиг. 7) определяется из выражения (3) и составляет 0,024 мм при значениях Р=1 кН,  и D=63 мм.
у
н
Определяли параметры механизма, показанного на Фиг. 7, необходимого для создания торцевого натяга в соединении модулей, с целью соблюдения условия (5). По формуле (4) требуемая сила F стягивания торцев модулей БРИ составляет 1,14 кН при Р=1 кН,  и D=63 мм.
1
1
Для закрепления одним винтом (см. рис. 4) с резьбой d=М6, осевая сила Q (Фиг. 7) равна:
зат
где М=5,9 Н·м - момент затяжки соединения с резьбой М6.
1
Составляющая F силы Q вдоль оси БРИ равна:
1
F·tgα=Q
откуда tgα=1,15, а соответствующий угол α=49°.
Так как рассматривалось ограничение раскрытия стыка модулей по минимуму, то угол 2α может быть принят в меньшую сторону, например, по нормальному ряду углов 2α=90°.
к
к
сист
и
к
Упругое перемещение у в результате деформации контактирующих поверхностей в месте соединения модулей не должно превышать величины, равной у=У-у, при соблюдении условия (4). В рассматриваемом БРИ у=0,11-0,024=0,086 мм/кН.
к
Допустимое перемещение режущей кромки на вылете  из-за контактных деформаций у связано с величиной угла поворота θ уравнением:
откуда
1
для рассматриваемого цилиндрического соединения модулей с зазором Δ=0,021 мм угол поворота θ=0,0013. Из выражений (7) и (8) рассчитывали минимально допустимые размеры зажимного винта в державке. В результате установлено, что этот винт должен иметь диаметр d не менее 14,5 мм. Для БРИ принят размер резьбы винта M16.
Приведенные выше расчеты доказывают реализуемость предложенной конструкции при полном удовлетворении требований, предъявляемых к сборке БРИ.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - создание легкосборного, удобного в эксплуатации расточного инструмента - решена, а заявленный технический результат - улучшение эксплуатационных возможностей за счет упрощения сборки-разборки расточного инструмента - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области обработки материалов резанием, в частности к расточным инструментам для обработки корпусных деталей, преимущественно, на станках с числовым программным управлением;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.