ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ СТУПЕНЧАТОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И ТОРЦОВАЯ СТУПЕНЧАТАЯ ФРЕЗА

Область техники
Полезная модель относится к области авиастроения или машиностроения, и касается конструкции приспособления для ступенчатого фрезерования деталей конструкций, в частности, из полимерного композиционного материала, в качестве одного из объектов полезной модели, и конструкции торцовой ступенчатой фрезы в качестве второго объекта полезной модели. Преимущественно, заявляемые объекты предназначены для проведения ремонта сквозных и односторонних пробоин плоских панелей и панелей малой кривизны деталей конструкций, главным образом авиационной техники, из полимерных композиционных материалов.
Уровень техники.
Известно приспособление для фрезерования деталей конструкций, содержащее корпус, включающий несущий элемент и защитный кожух, (и торцовую фрезу, состоящую из дискового держателя и закрепленных на нем режущих ножей. Фреза установлена на несущем элементе посредством подшипника и окружена защитным кожухом, закрывающим s зону фрезерования. С дисковым держателем соединен хвостовик, через который осуществляется передача вращения от электродвигателя на фрезу (см. SU 1465189 A1, 1989 г.). Данное техническое решение является ближайшим аналогом к заявляемому приспособлению для торцевого фрезерования деталей конструкций. Известное приспособление имеет ограниченные технологические возможности, т.к. обеспечивает фрезерование только плоских поверхностей со снятием одного слоя за один проход фрезы.
Использование в известном приспособлении в качестве фрезерующих элементов режущих ножей, закрепленных на окружной поверхности дискового держателя и консольно выступающих по отношению к торцевой поверхности фрезы, не способствует долгосрочному использованию приспособления без замены фрезы вследствие интенсивного износа ножей и возможного их отрыва от поверхности держателя под действием усилий фрезерования.
Известна торцовая алмазно-абразивная фреза, содержащая корпус в форме диска, на рабочей торцевой поверхности которого концентрично расположены прерывистые кольца, состоящие из равноудаленных в пределах каждого кольца алмазных элементов одинаковой длины и ширины (см. SU 1209381 A1, 1986 г.). Известная фреза предназначена для фрезерования только плоских поверхностей со снятием одного слоя за один проход фрезы, т.е. технологические возможности такой фрезы ограничены рамками возможности выполнения одной указанной операции.
Известна торцовая ступенчатая фреза, содержащая корпус, на торцовой поверхности которого консольно закреплены режущие ножи, расположенные параллельно оси вращения фрезы и на разных расстояниях от ее центральной зоны, причем высота режущих ножей изменяется от периферии к центру. В результате такого выполнения периферийные режущие элементы меньшей высоты вступают во взаимодействие с фрезеруемой поверхностью первыми и обеспечивают черновое фрезерование поверхности, а приближенные к центру режущие элементы большей высоты осуществляют чистовую обработку поверхности (см. JP 56095518 (A), 1981 г.). Благодаря особенностям выполнения известной фрезы можно предопределить возможность использования ее и для фрезерования отверстий со ступенчатой боковой (окружной) поверхностью, необходимость образования которых будет показана ниже. Однако высокое качество выполнения ступеней таких отверстий при использовании отдельных консольных ножей не будет достигнуто. Кроме того, выполнения режущей части фрезы из консольно закрепленных на торцевой поверхности корпуса ножей, неравномерно расположенных по указанной поверхности не обеспечивает надежность и долговечность фрезы из-за интенсивного износа ножей и возможности отрыва их от торцевой поверхности корпуса под действием усилий фрезерования. При этом технология изготовления известной фрезы (включающая операции формирования отдельных ножей разной длины, определенной ориентации их относительно торцевой поверхности корпуса фрезы и закрепление их одними своими концами на указанной поверхности) является сложной и недостаточно современной.
В качестве ближайшего аналога к заявляемой, в качестве второго объекта, конструкции фрезы принята торцовая ступенчатая фреза, содержащая корпус со ступенчатой рабочей торцовой поверхностью, ступени которой расположены по концентрическим окружностям. К поверхности каждой ступени, перпендикулярной оси вращения фрезы, консольно прикреплены одними из своих концов режущие ножи, расположенные параллельно оси вращения фрезы. Ножи располагаются на разных расстояниях от центральной зоны торцевой поверхности фрезы, и, несмотря на одинаковую высоту, за счет установки их на ступенчатой поверхности имеют разный вылет по отношению к торцевой поверхности фрезы. В результате такого выполнения режущие элементы, расположенные на более близких к торцевой поверхности фрезы ступенях вступают во взаимодействие с фрезеруемой поверхностью первыми и обеспечивают черновое фрезерование поверхности, и, наоборот, режущие элементы, расположенные на удаленных от торцевой поверхности фрезы ступенях осуществляют чистовую обработку поверхности (см. JP 56095519 (A), 1981 г.). Указанная фреза, как и фреза по патенту JP 56095518, в силу своего конструктивного выполнения, также может быть использована для фрезерования отверстий со ступенчатой боковой (окружной) поверхностью и, следовательно, имеет более широкий технологический спектр при проведении операций фрезерования. Однако недостатки, присущие конструкции фрезы по патенту JP 56095518 (недостаточные надежность и долговечность фрезы из-за интенсивного износа ножей и возможности отрыва их от поверхностей ступеней корпуса под действием усилий фрезерования, неприемлемое качество выполнения отверстий со ступенчатой боковой поверхностью), свойственны и конструкции фрезы по ближайшему аналогу, что обусловлено выполнением режущей части фрезы из консольно закрепленных на ступенях рабочей поверхности корпуса ножей. При этом технология изготовления известной по патенту JP 56095519 фрезы (включающая операции формирования отдельных ножей разной длины, определенной ориентации их относительно ступенчатых поверхностей корпуса фрезы и закрепление их одними своими концами на указанных поверхностях) также является достаточно сложной.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи по разработке приспособления для ступенчатого фрезерования, которое может быть эффективно использовано как при получении в деталях конструкций отверстий со ступенчатой боковой (окружной) поверхностью, так и при фрезеровании поверхностей, а также по разработке конструкции торцовой ступенчатой фрезы, которая в заявляемой полезной модели выделена в качестве самостоятельно объекта, поскольку может быть использована, как в предлагаемом приспособлении, так и в других конструкциях, обеспечивающих ступенчатое фрезерование поверхностей.. Более конкретная задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в обеспечении проведения технологической операции по послойному снятию обшивки деталей конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) для ремонта сквозных и односторонних пробоин плоских панелей и панелей малой кривизны деталей конструкций из ПКМ. В зоне ремонта повреждений предлагаемое приспособление, использующее предлагаемую торцовую ступенчатую фрезу, позволяет сформировать ступенчатый угол скоса, обеспечивая конфигурации косого соединения обшивки конструкции из ПКМ с ремонтной заплатой.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в повышении надежности и долговечности приспособления для ступенчатого фрезерования и торцовой ступенчатой фрезы, в упрощении технологии изготовления приспособления в целом и фрезы в частности, в повышении качества отфрезерованных поверхностей.
Для достижения указанного технического результата предлагается приспособление для фрезерования деталей конструкций, содержащее корпус, включающий защитный кожух, ограничивающий зону резания, торцовую фрезу, расположенную внутри защитного кожуха, и привод фрезы. Торцовая фреза представляет собой ступенчатую фрезу в форме диска. Торцовая рабочая поверхность диска имеет выпуклую или вогнутую, ступенчатую структуру, ступени которой расположены по концентрическим окружностям, с уменьшающимся диаметром от периферии диска к его центру, или по спирали Архимеда, центр которой находится в зоне центра диска. На рабочей поверхности диска выполнены секторные вырезы, которые предназначены для отвода частиц материала, снимаемого при фрезеровании и делят указанную ступенчатую структуру на рабочие секторы, чередующиеся с секторными вырезами по всей рабочей поверхности диска. На ступени рабочих секторов нанесено абразивное покрытие, в качестве которого, предпочтительно использована алмазная крошка. Привод фрезы установлен в держателе, подпружиненном относительно защитного кожуха и имеющем средство для обеспечения удержания приспособления в руке оператора.
Торцовая ступенчатая фреза для обработки деталей конструкций, заявляемая в качестве второго объекта полезной модели, выполнена в форме диска с торцовой рабочей поверхностью. Торцовая рабочая поверхность диска имеет выпуклую или вогнутую ступенчатую структуру, ступени которой расположены по концентрическим окружностям, с уменьшающимся диаметром от периферии диска к его центру, или по спирали Архимеда, центр которой находится в зоне центра диска. На рабочей поверхности диска выполнены секторные вырезы, которые предназначены для отвода частиц материала, снимаемого при фрезеровании, и делят указанную ступенчатую структуру на рабочие секторы, чередующиеся с секторными вырезами по всей рабочей поверхности диска. На ступени рабочих секторов нанесено абразивное покрытие, в качестве которого предпочтительно использована алмазная крошка.
Краткое описание чертежей
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где
На фиг.1 изображено в аксонометрии заявляемое приспособление для фрезерования деталей конструкций;
На фиг.2 - вид снизу на фиг.1;
На фиг.3 - указанное приспособление, вид спереди;
На фиг.4 - то же, вид сверху;
На фиг.5 - торцовая ступенчатая фреза в аксонометрии;
На фиг.6 - торцовая ступенчатая фреза, вид со стороны рабочей поверхности;
На фиг.7 - вид сбоку фиг.6;
На фиг.8 - сечение по А-А на фиг.6.
На фиг.9 - выполнение фрезы с вогнутой ступенчатой структурой, вид сбоку с частичным разрезом.
Осуществление полезной модели
В данном разделе описания конструктивное выполнение приспособления для фрезерования и конструкция торцовой ступенчатой фрезы рассмотрены на конкретном примере их использования, а именно при проведении ремонта сквозных и односторонних пробоин плоских панелей и панелей малой кривизны деталей конструкций, главным образом авиационной техники, из полимерных композиционных материалов (преимущественно, из стекло-углепластиков) и конкретно:.
- односторонних пробоин диаметром от 4 до 80 мм, толщина обшивки от 1,0 до 3,0 мм.
- сквозных пробоин диаметром от 4 до 50 мм, толщина обшивки от 1,0 до 3,0 мм.
Приспособление для фрезерования деталей конструкций содержит корпус, включающий защитный кожух 1 в виде колпака, ограничивающий зону резания. Внутри защитного кожуха 1 расположена торцевая фреза 2 с вертикальной осью вращения 3. Привод фрезы осуществляется, преимущественно, от фрезерного двигателя 4. который установлен в разрезном держателе 5. Стабильное положение двигателя 4 в держателе 5 фиксируется рычагом 6, поворот которого обеспечивает смыкание частей держателя, охватывающих фрезерный двигатель. На концах держателя расположены рукоятки 7 и 8, при помощи которых приспособление в процессе фрезерования удерживается в руках оператора.
Защитный кожух 1, выполненный в виде колпака, состоит из двух цилиндрических ступеней: верхней ступени 9 с крышкой 10 и нижней ступени 11. Часть 12 ступени 9 расположена над нижней ступенью, а другая ее часть 13 - внутри нижней ступени 11, образуя по отношению к ней кольцевую полость 14. Нижние торцы 15 и 16 ступеней 9 и 11 расположены на одном уровне (в одной плоскости). Торцы 15 и 16 в процессе фрезерования опираются на поверхность ремонтируемой панели. Кожух может быть выполнен из металла (преимущественно, алюминия) с круговым упругим обрамлением на опорных кромках или из эластомера или другого подходящего материала, обладающего достаточной упругостью для обеспечения прижатия торцов 15 и 16 ступеней 9 и 10 кожуха к ремонтируемой панели, и в то же время имеющего достаточную жесткость для того, чтобы выполнять функцию несущей части приспособления. На крышке 10 ступени 9 кожуха 1 смонтированы вертикальные стойки 17 и 18, которые проходят через отверстия 19 и 20 в держателе 5.
На участке между держателем 5 и кожухом 1 стойки 17 и 18 охвачены цилиндрическими винтовыми пружинами 21 и 22, упирающимися с одной стороны в держатель 5, а с другой - на ступени 23 вертикальных стоек 17 и 18. На верхних концах стоек 17 и 18, расположенных над верхней поверхностью держателя 5, закреплены втулки 24 и 25, ограничивающие вертикальное перемещение держателя 5 вверх.
Расположенная внутри кожуха 1 (конкретнее, внутри ступени 9 кожуха) торцовая ступенчатая фреза 2, подсоединена к валу 26 фрезерного двигателя 4. Фреза 2 имеет форму диска. Торцовая рабочая поверхность 27 диска имеет выпуклую ступенчатую структуру по форме усеченного конуса (фиг.8). Ступени 28 рабочей поверхности диска фрезы, расположены по концентрическим окружностям 29, диаметр которых уменьшается от периферии диска фрезы к центру диска. Возможно также расположение ступеней рабочей поверхности диска фрезы по кривой, образованной спиралью Архимеда (не показано), центр которой находится в зоне центра диска. Вертикальная 30 и горизонтальная 31 поверхности ступеней расположены друг к другу, предпочтительно под прямым углом, однако, возможны и отклонения от прямого угла. Геометрические размеры ступеней могут варьироваться, согласно рекомендациям разработчиков изделия, при этом можно изготовить комплект фрез с различными размерами. Например: фрезу, у которой высота и ширина ступени равны, и этот размер соответствует толщине монослоя основного материала или элементарного пакета схемы армирования обшивки, из которого изготовлена деталь конструкции; или фрезу, у которой высота и ширина ступени имеют разный размер, в связи со спецификой конструкции схемы армирования и конструктивными особенностями детали.
На рабочей поверхности 27 диска фрезы выполнены секторные вырезы 32, которые предназначены для отвода из рабочей зоны частиц материала, снимаемого в процессе фрезерования. Секторные вырезы 32 чередуются, по всей рабочей поверхности диска, с рабочими секторами 33, которые образовались при формировании секторных вырезов 32. Возможны различные варианты выполнения секторных вырезов 32 и рабочих секторов 33, например: углы при вершинах рабочих секторов и секторных вырезов одинаковы, или углы при вершинах рабочих секторов превышают значения углов при вершинах секторных вырезов и т.п. Количество рабочих секторов 33 и секторных вырезов 32 также может варьироваться.
На ступени рабочих секторов 33 нанесено абразивное покрытие, обеспечивающее снятие материала, преимущественно, алмазная крошка.
На фиг.9 показан альтернативный вариант выполнения фрезы, при котором торцовая рабочая поверхность диска имеет вогнутую ступенчатую структуру по форме усеченного конуса. Как и при варианте выполнения по фиг.8, при вогнутой ступенчатой структуре ступени рабочей поверхности диска фрезы, расположены по концентрическим окружностям, диаметр которых уменьшается от периферии диска фрезы к его центру, или по кривой, образованной спиралью Архимеда, центр которой находится в зоне центра диска. Все указанные выше особенности выполнения ступеней для выпуклой ступенчатой структуры справедливы и для структуры, показанной на фиг.9. На рабочей поверхности диска фрезы с вогнутой ступенчатой структурой также выполняются секторные вырезы, предназначенные для отвода из рабочей зоны частиц материала, снимаемого в процессе фрезерования и чередующиеся по всей рабочей поверхности диска, с рабочими секторами, которые образовались при формировании секторных вырезов. При этом варианты выполнения секторных вырезов и рабочих секторов для вогнутой ступенчатой структуры совпадают с возможными вариантами их выполнения для выпуклой ступенчатой структуры. При выполнении фрезы по фиг.9 на поверхности ступеней рабочих секторов также наносится абразивное покрытие, в качестве которого, преимущественно, используется алмазная крошка.
Для обеспечения возможности отсоса частиц материала ремонтируемой панели, образуемых в процессе фрезерования, в приспособлении предусмотрен патрубок 34, подсоединенный к полости 35 защитного кожуха 1, в которой расположена торцовая фреза. Патрубок 36, сообщающийся с кольцевой полостью 14, служит для обеспечения отсоса воздуха с целью вакуумирования пространства под кожухом и создания условий для плотного прилегания кожуха к поверхности ремонтируемой панели из полимерного композиционного материала.
При проведении ремонта сквозных или односторонних пробоин в панелях из полимерного композиционного материала предлагаемое приспособление используется следующим образом. Предварительно патрубок 34 подсоединяют к системе отсоса частиц материала ремонтируемой панели из зоны фрезерования. Второй патрубок 36 присоединяют к системе вакуумирования. Приспособление устанавливают на ремонтируемую панель из ПКМ таким образом, чтобы кожух 1, опираясь на панель своими торцами 15 и 16, полностью накрывал зону пробоины в панели. Приводят в действие систему вакуумирования, которая обеспечивает отсос воздуха из-под кожуха, что способствует плотному прилеганию кожуха к поверхности ремонтируемой панели. Включают фрезерный двигатель 4, который приводит во вращение торцовую ступенчатую фрезу. Нажатием на рукоятки 7 и 8 опускают фрезу вниз до контакта с ремонтируемой панелью. При этом происходит сжатие пружин 21, 22. Продолжая опускать фрезу, постепенно внедряют ее вглубь панели. В результате в панели, вместо имевшей ранее место пробоины, образуется выфрезерованное отверстие со ступенчатыми боковыми (окружными) стенками. По окончании фрезерования фреза возвращается в исходное положение под действием пружин 21, 22. Для завершения ремонта панели изготавливают ремонтную заплату из ПКМ с выпуклой торцевой ступенчатой поверхностью, повторяющей конфигурацию боковой (окружной) поверхности выфрезерованного отверстия. Для изготовления заплаты может быть использвоано предлагаемое приспособление, в котором вместо фрезы с выпуклой торцевой ступенчатой структурой (фиг.8) закрепляют фрезу с вогнутой ступенчатой структурой (фиг.9). Полученная ступенчатая ремонтная заплата плотно ложится в выфрезерованное ступенчатое отверстие. В результате формируется ступенчатый угол скоса (конфигурация косого соединения обшивки конструкции из ПКМ с ремонтной заплатой).
Заявляемая полезная модель обеспечит повышение эффективности ремонта повреждений (коэффициент восстановления прочности ремонтного изделия увеличивается до 100% за счет обеспечения геометрической точности конфигурации ступенчатого соединения, что позволит снизить характеристики максимального относительного сдвига). Обеспечено также снижение трудоемкости выполнения технологической операции по ручной механической обработке повреждения обшивки из полимерных композиционных материалов, для формирования под углом 1,5-3° конфигурации косого соединения. Ступенчатая структура ремонтной заплаты обеспечивает надежное и долговечное удержание ее в заделываемой пробоине. Ресурс эксплуатации отремонтированной конструкции может быть увеличен на 20%. Ступенчатая структура, образующая режущую поверхность торцевой фрезы придает конструкции фрезы монолитный характер, благодаря чему не будет наблюдаться нежелательное повреждение рабочих элементов, и не будет оказываться интенсивное воздействие на рабочие элементы со стороны нагрузок, проявляющихся в процессе фрезерования.