СПОСОБ ВИБРАЦИОННОГО РЕЗАНИЯ И ВИБРАЦИОННЫЙ РЕЗЕЦ
METHOD FOR VIBRATION CUTTING AND VIBRATION CUTTER

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке вибрационным резанием материалов, преимущественно труднообрабатываемых сталей, сплавов, вязких цветных металлов, композиционных и др. материалов. Заявляемые способ и устройство для его осуществления обеспечивают дробление стружки при обработке любых материалов при одновременном обеспечении высокой производительности и высокого качества обрабатываемой поверхности, причем без использования дополнительных источников и устройств создания вибрации.
Вибрационное резание металлов обеспечивает надежное дробление стружки при обработке любого материала. Этот эффект широко используется в технике.
Однако для осуществления известных способов вибрационного резания обычно используют дополнительные источники энергии для привода устройств, обеспечивающих колебательное движение режущего инструмента: механические, электромеханические, гидравлические, магнитострикционные и др.
Известны «Способ и устройство для образования дробленой стружки при обработке вращающейся детали» (патент США №5113728, заявл. 11.10.1990, опубл. 19.05.1992), в соответствии с которыми толщина стружки периодически меняется от максимальной величины до нуля. Такое периодическое изменение толщины достигается за счет воздействия вибрирующего определенным образом, зависящим от углового положения вращающейся заготовки, режущего инструмента. В соответствии с изобретением вибрация инструмента может быть обеспечена различными устройствами. В примере конкретного выполнения использован электромеханический привод.
Известно «Устройство для вибрационного резания» (патент РФ №2212309, заявл. 22.08.2001, опубл. 20.09.2003), в котором необходимый характер движения режущего инструмента обеспечивается за счет использования дополнительного привода и механизма качания в виде эксцентрикового вала в паре с эксцентриковой втулкой.
В изобретении «Способ обработки металлов резанием и устройство для его осуществления» (патент РФ №2030255, заявл. 17.04.1992, опубл. 10.03.1995) для возбуждения упругих колебаний использован метод магнитострикции.
Недостатком всех вышеперечисленных изобретений является необходимость дополнительного источника энергии и устройства приведения инструмента в колебательное движение. Наличие жесткой кинематической связи между резцом и генератором колебаний приводит к уменьшению скорости резания, стойкости инструмента и точности обрабатываемой детали.
В международной заявке «Способ и вибрационный резец для обработки труднообрабатываемых сталей, сплавов, вязких цветных металлов и композиционных материалов» (WO 03/086688 А1, заявл. 15.04.2002, опубл. 23.10.2003) использован новый принцип создания необходимых колебательных движений режущего инструмента без использования дополнительного источника энергии. Приведение режущего инструмента в постоянное колебательное движение обеспечивается за счет действия сил сопротивления резанию и упругих элементов, входящих в колебательный контур вибрационного резца. В данном способе осуществляются следующие действия:
- вращение обрабатываемой детали относительно оси вращения;
- поступательное движение резца при подаче;
- приведение подвижной режущей части резца в строго определенные положения в зависимости от углового положения вращающейся детали на всей траектории его поступательного перемещения при подаче, то есть обеспечение углового колебательного движения подвижной части резца.
При этом под действием сил сопротивления резанию на колебательный контур, замыкающий подвижную колеблющуюся режущую часть резца через комплект упругих элементов на неподвижную часть (корпус резца), траектория положений вершины резца имеет синусоидальную форму с различной амплитудой А колебаний и высотой h микронеровностей. Параметры А и h имеют возможность регулировки, обеспечиваемой упругими элементами различной жесткости, входящими в колебательный контур резца.
Вибрационный резец содержит корпус (неподвижную рабочую часть), крышку корпуса, подвижную (колеблющуюся) часть с одной или несколькими съемными режущими пластинами, а также комплект упругих элементов, связывающих подвижную часть резца с корпусом и крышкой с образованием колебательного контура. При этом подвижная часть резца установлена с возможностью поворота под действием составляющих сил резания, возникающих в процессе обработки, на оси, закрепленной между корпусом и крышкой.
Однако данные способ и резец не обеспечивают необходимую точность обработки. Под воздействием значительных усилий, в частности в результате действия отрицательных (направленных против направления движения резца) импульсов, происходит самопроизвольное «отжимание» резца от оси обрабатываемой детали. При очень больших нагрузках подвижную часть резца может даже заклинить, и резец в таких условиях будет работать не как вибрационный, а как обыкновенный.
В качестве прототипа выбраны способ и устройство по международной заявке WO 2006/078189.
В способе-прототипе вибрационного резания, предусматривающем вращение обрабатываемой детали, поступательное перемещение резца и колебательное синусоидальное регулируемое перемещение режущей части резца под действием сил сопротивления резанию, воздействующих на основной колебательный контур, в который входят подвижная (поворотная) режущая часть резца, упругие элементы и неподвижная часть резца, создается дополнительный упругодемпфирующий колебательный контур, работающий в перпендикулярной по отношению к основному колебательному контуру плоскости, при взаимодействии контуров обеспечивается дополнительное демпфирующее замыкание в передней зоне подвижной режущей части резца на соответствующую неподвижную часть резца, при этом упругие элементы основного контура также выполняют функцию демпфирования хвостовика подвижной части резца относительно корпуса. В данном способе вибрационного резания при продольном точении колебательные контуры обеспечивают создание угловых колебаний, при отрезке и прорезке - тангенциальных колебаний, а при расточке отверстий - крутильных колебаний.
Таким образом, способ-прототип предусматривает вращение обрабатываемой детали, поступательное перемещение резца и колебательное поворотное (угловое) перемещение подвижной рабочей части резца под действием сил сопротивления резанию, воздействующих на два взаимно перпендикулярных колебательных контура, каждый из которых включает подвижную рабочую часть резца, упругие элементы и корпус с крышкой.
В принятом за прототип вибрационном резце, содержащем корпус с крышкой и установленную с возможностью поворота на оси относительно корпуса подвижную рабочую часть резца, связанные колебательным контуром, включающим комплект упругих элементов, между подвижной (поворотной) рабочей частью резца и корпусом в передней зоне размещен дополнительный упругодемпфирующий элемент, входящий в дополнительный колебательный контур, при этом упругий элемент основного колебательного контура, размещенный в хвостовике подвижной части резца выполнен демпфирующим, а плоскости действия контуров взаимно перпендикулярны.
Упругодемпфирующие элементы могут охватывать всю боковую поверхность подвижной части резца по периметру или ее часть и выполняются путем сплошной заливки.
Кроме того, упругодемпфирующие элементы могут охватывать всю внутреннюю поверхность корпуса, контактирующую с боковой поверхностью подвижной части резца, или ее часть и выполняются путем сплошной заливки.
Таким образом, принятый за прототип вибрационный резец содержит корпус и установленную в нем на оси с возможностью углового перемещения подвижную рабочую часть резца, связанные двумя взаимно перпендикулярными колебательными контурами, каждый из которых включает комплект упругих элементов.
Поскольку в прототипе используются угловые вибрации подвижной режущей части резца, то в результате при операциях обточки невозможно обеспечить необходимую точность линейных размеров по длине обработки. Погрешность, как показали испытания, составляет 0,1-0,3 мм. В результате не выдерживаются чистовые размеры, требуется чистовая обработка обычным резцом. Кроме того, по той же причине невозможно обеспечить высокие требования к некруглости.
Способ и устройства - прототипы - невозможно использовать для дробления стружки при обработке торцов детали (резец перемещается от наружной поверхности детали к ее центру). В этом случае в прототипе происходит обычное резание без вибрационной составляющей. Дробление стружки не происходит.
Задача: повышение точности на некруглость (по диаметру обработки) и на заданную величину линейных размеров при обточке, а также обеспечении эффективности процесса стружкодробления при любой токарной обработке, включая торцевание, фасонную обработку поверхностей, обработку отверстий и др. без использования дополнительных источников энергии.
Кроме того, задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности регулировки основных характеристик вибрационных процессов за счет изменения амплитуды колебаний без замены элементов колебательных контуров.
Указанная выше задача решается за счет того, что в способе вибрационного резания, предусматривающем вращение обрабатываемой детали, поступательное перемещение резца и регулируемое колебательное перемещение подвижной рабочей части резца под действием сил сопротивления резанию, воздействующих на два взаимно перпендикулярных колебательных контура, каждый из которых включает подвижную рабочую часть резца, упругие элементы и корпус, согласно изобретению создается, по меньшей мере, по паре параллельных колебательных контуров каждого вида, при это подвижная рабочая часть резца совершает осевые, параллельные оси заготовки, вибрации и/или радиальные, перпендикулярные оси заготовки, вибрации, причем каждый колебательный контур работает в осевом и/или в радиальном направлении.
Кроме того, в способе вибрационного резания обеспечивается возможность регулирования амплитуды колебаний во всех колебательных контурах без замены элементов контура.
Указанная выше задача решается также за счет того, что в вибрационном резце, содержащем корпус и установленную с возможностью перемещения относительно него подвижную рабочую часть резца, связанные двумя взаимно перпендикулярными колебательными контурами, каждый из которых включает комплект упругих элементов, согласно изобретению каждый колебательный контур снабжен симметричным параллельным колебательным контуром, при этом перемещение подвижной рабочей части резца относительно корпуса с крышкой осуществляется в осевом и/или в радиальном по отношению к обрабатываемой детали направлении.
В вибрационном резце колебательные контуры снабжены устройствами регулировки амплитуды колебаний, которые могут быть выполнены винтовыми.
Рабочая часть резца установлена в корпусе с возможностью продольного и/или поперечного вибрационного (колебательного) перемещений относительно корпуса по направляющим элементам.
Направляющие для осевой вибрации могут быть выполнены в виде призматического ползуна, связанного с подвижной частью резца.
В корпусе могут быть выполнены пазы для перемещения сухарей вместе с призматическим ползуном при радиальных колебаниях.
Использование, по крайней мере, двух взаимно перпендикулярных пар симметричных колебательных контуров, как и в способе, и в устройстве прототипах, обеспечивает создание колебательного движения режущей части резца за счет использования сил сопротивления резанию. Однако принципиально меняется характер колебаний. Вместо угловых вибраций (как было в прототипе) создаются осевые и радиальные вибрации. При этом обеспечивается возможность регулирования амплитуды каждого из колебательных движений, а каждый из колебательных контуров работает как в осевом, так и в радиальном по отношению к обрабатываемой детали, направлениях.
Вибрационное резание с осевыми и радиальными вибрациями рабочей части резца при использовании специальных приводных стружколомателей хорошо изучено, см., например, Филоненко С.Н. Резание металлов. Киев, «Технiка», 1974 г., стр.205-211 или Алексеев Г.А., Аршинов В.А., Кричевская P.M. Конструирование инструмента, М., «Машиностроение», 1979 г., стр.68-69.
Это более эффективный процесс, чем стружкодробление с поворотными колебательными вибрациями инструмента. Линейные вибрации (осевые и радиальные) обеспечивают более точное соблюдение требований к линейным размерам и к некруглости обработанной детали. Значительно повышается качество обработки поверхности, снижается шероховатость.
Сущности изобретения поясняется чертежами:
- фиг.1 - схематическое изображение способа вибрационного резания с осевыми и радиальными колебаниями резца при операции точения;
- фиг.2 - проходной вибрационный резец при операции точения;
- фиг.3 - схема резания с осевыми вибрациями;
- фиг.4 - схема резания с радиальными вибрациями.
Предлагаемый способ вибрационного резания преимущественно труднообрабатываемых сталей, сплавов, вязких цветных металлов, композиционных и др. материалов включает следующие действия:
- вращение обрабатываемой детали,
- поступательное перемещение резца в направлении подачи,
- создание, по крайней мере, двух симметричных осевых колебательных контуров, образованных неподвижной (корпус с крышкой) и подвижной (рабочая, режущая) частями резца и упругими элементами,
- создание, по крайней мере, двух радиальных симметричных колебательных контуров, перпендикулярных осевым контурам, образованных неподвижной (корпус с крышкой) и подвижной (рабочая, режущая) частями резца и упругими элементами,
- постоянное осевое и/или радиальное колебательное движение подвижной режущей части резца относительно оси обрабатываемой детали, создаваемого взаимно перпендикулярными парами симметричных колебательных контуров (осевых и радиальных),
- обе пары колебательных контуров могут работать как в осевом, так и в радиальном направлении,
- амплитуда колебаний в каждом контуре регулируется.
Колебательных контуров каждого вида может быть больше, чем по два.
Способ осуществляется следующим образом.
Обрабатываемая деталь 1 (фиг.1) устанавливается в патроне токарного станка 2. Корпус 3 резца с крышкой (не показана) закрепляется в резце-держателе токарного станка.
Обрабатываемая деталь 1 приводится во вращение с угловой скоростью ω. Задается необходимая глубина резания t и рабочая подача S. Подвижная режущая часть 4 вибрационного резца вводится в контакт с деталью 1. Толщина среза формируется в результате двух движений: вращательного движения обрабатываемой детали с угловой скоростью ω и движения подачи S. В процессе резания возникают силы сопротивления резанию. Они воздействуют на колебательные контуры: два осевых и два радиальных. Режущая часть 4 вибрационного резца совершает в отношении обрабатываемой детали 1 движение в направлении подачи S и сложное колебательное движение:
- возвратно-поступательное движение в направлении, параллельном продольной оси детали 1 (осевые вибрации);
- возвратно-поступательное движение в радиальном по отношению к обрабатываемой детали 1 направлении (радиальные вибрации).
На фиг.3 схематично изображено графическое построение развертки обработанной поверхности, полученной при резании с осевыми вибрациями с амплитудой, обеспечивающей прерывание процесса резания. На поверхности тонкими линиями показаны режущие кромки инструмента через четверть периода колебаний. Штриховыми линиями показаны следы вершины резца при равномерном резании, т.е. при резании с постоянной подачей. Здесь же заштрихованы сечения срезаемого слоя через четверть периода колебаний. Траектория движения вершины резца при резании с вибрациями показаны сплошными линиями; так же показаны линии пересечения поверхностей, образованных движением главной режущей кромки резца (справа от линии) и вспомогательной режущей кромки на следующем обороте детали (слева от линии). Колебания инструмента принимались гармоническими.
д
p
д
p
р
p
o
Длина окружности, описывающей обработанную поверхность πD, значительно больше подачи режущего инструмента на оборот детали S, то есть πD>>S. Поэтому траектории вершины резца на двух соседних оборотах мало отличаются от синусоид с одинаковой частотой и амплитудой, сдвинутых относительно друг друга вдоль оси хна величину подачи и вдоль оси z - на фазовый угол τ.
1
1max
1min
1
o
Площадь сечения срезаемого слоя F при резании с осевыми вибрациями изменяется от максимальной величины F до минимальной величины F в зависимости от амплитуды колебаний А, фазового угла τ=ωt и сдвига угла фаз τ-τ.
1min
Гарантированный излом стружки при резании с осевыми вибрациями обеспечивается при уменьшении F до нуля (см. фиг.3).
Следует отметить, что резание с осевыми вибрациями создает предпосылку для эффективного стружкодробления при чистовой обработке детали без использования вибрации или других устройств для стружкодробления.
Аналогичным образом осуществляется резание с радиальными вибрациями.
2
d
p
На фиг.4 представлена схема резания с поперечной подачей и радиальными вибрациями. Такие вибрации являются эффективным средством дробления стружки на операциях с поперечной подачей (отрезка, прорезка, обработка фасонными резцами). Штриховой линией обозначен след вершины резца, оставляемый на заготовке при равномерном резании, сплошной линией - тот же след при наложении радиальных вибраций. Из схемы видно, что в определенные моменты времени (точка К) имеет место совпадение следов вершины резца на двух соседних оборотах. Это приводит к образованию нулевой площади сечения срезаемого слоя и надежному дроблению стружки. На схеме А - амплитуда, при которой происходит прерывание процесса резания, n -число оборотов детали 1, S - поперечная подача.
Вибрационный резец (фиг.2) содержит корпус 3 с крышкой (крышка снята для более наглядного представления остальных элементов резца) и установленную в нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения в продольном и поперечном направлении подвижную режущую часть 4, связанные между собой двумя парами колебательных контуров (осевых и радиальных).
Осевые колебательные контуры включают подвижную режущую часть 4 резца с одной или несколькими съемными режущими пластинами 5, неподвижную часть резца - корпус 3 с крышкой и упругие элементы 6.
Радиальные колебательные контуры включают подвижную режущую часть 4 резца с одной или несколькими съемными режущими пластинами 5, неподвижную часть резца - корпус 3 с крышкой и упругие элементы 7.
Упругие элементы 6 и 7 могут быть резинометаллическими или полимерными, например из эластичного полиуретана, полиуретановых каучуков и др. Эти элементы могут быть конечными в виде прямоугольных вставок с упругими свойствами или могут быть выполнены сплошной заливкой на определенных участках корпуса или подвижной режущей части резца. Форма выполнения упругих элементов, их жесткость, место размещения определяется в зависимости от обрабатываемого материала, размеров и других характеристик обрабатываемой детали 1.
Конструкция вибрационного резца включает также направляющие, обеспечивающие двухподвижное соединение между корпусом 3 с крышкой и подвижной рабочей частью 4 резца. Направляющие могут быть выполнены в виде размещенного в пазах корпуса 3 промежуточного призматического ползуна 8, снабженного прямоугольными сухарями 9 (см., например, Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, М., «Наука», 1979 г., том 1, стр.46).
Для обеспечения возможности регулировки амплитуды осевых и радиальных вибраций предусмотрены специальные регулирующие устройства, изменяющие при необходимости жесткость упругих элементов. Наиболее простым регулирующим устройством для радиального колебательного контура может служить винтовой механизм 10. Аналогичные устройства предусмотрены для регулировки амплитуды колебаний осевых колебательных контуров (не показаны).
Таким образом, заявляемые способ вибрационного резания и вибрационный резец обеспечивают:
- возможность обработки любых материалов, в том числе труднообрабатываемых сталей, сплавов, вязких цветных металлов, композиционных и др. материалов;
- надежное дробление стружки;
- точность геометрических размеров обработанной детали, в том числе линейных и диаметральных размеров;
- высокое качество поверхности;
- высокую стойкость инструмента;
- высокую производительность процесса обработки.
При этом не требуется использование дополнительных источников энергии, специальных устройств обеспечения вибрационного движения инструмента.
Приведенные примеры не носят исчерпывающего характера и возможно применение различных конфигураций и модификаций реализации изобретения без отклонения от его сути, сформулированной в предлагаемых пунктах формулы и определяемой ими.