ФРЕЗА СОСТАВНАЯ С ЦЕНТРИРУЮЩИМ КОНУСОМ И ШЛИЦЕВЫМ СОЕДИНЕНИЕМ

Предлагаемое решение относится к области машиностроения, в частности, к твердосплавному металлорежущему инструменту, предназначенному для обработки пазов, карманов, углублений в заготовках деталей, выполненных из труднообрабатываемых материалов, а именно для тех концевых фрез (и осевых инструментов), где механическое крепление или крепление режущих пластин пайкой не предусматривается.
Уровень развития техники известен их решения [ГОСТ 302415 - 2013 Фрезы концевые цельные твердосплавные. Технические условия.], где фреза выполнена цельной из твердого сплава. Такое решение позволяет обрабатывать глубокие пазы на высоких режимах резания. При этом отклонение стенки обработанного паза от вертикали будет предопределяться величиной прогиба стержня фрезы, которая в свою очередь зависит (при прочих равных условиях) от величины действующей силы резания и соотношения длины фрезы к ее диаметру. Для минимизации этого отклонения фреза выполнена цельной из твердого сплава. Недостаток такой конструкции состоит в высокой стоимости фрезы. Причем, чем более глубоко в заготовке расположена подлежащая обработке поверхность, тем более значим этот недостаток в силу того, что доля стоимости цилиндрической (не режущей) части (хвостовика) фрезы становится большей в общей стоимости фрезы. Более того, та часть хвостовика фрезы, которая предназначена для закрепления фрезы в зажимном устройстве (патроне, цанге и т.д.), тоже выполнена из твердого сплава, хотя эта часть фрезы менее всего подвержена нагрузкам в процессе резания. Зачастую производственная ситуация вынуждает применять такую дорогую фрезу и для обработки заготовок, выполненных из материалов, легко обрабатываемых. В этом случае инструментальные затраты еще более высоки. Необходимы меры по снижению доли инструментальных затрат.
Наиболее близким к заявляемому объекту, по мнению заявителя, является решение [Барсов А.И. Технология инструментального производства. Учебник для машиностроительных техникумов. Издание 4 исправленное и дополненное, М.; Машиностроение, 1975 г. - 272 с.], в котором фреза выполнена составной, а именно режущая часть выполнена из твердого сплава, а хвостовик выполнен из конструкционной стали, обе части между собой соединены по торцу сваркой трением (допустимо пайкой). Стоимость такой фрезы ниже, чем цельной твердосплавной. Недостатками такой конструкции фрезы являются:
- ограничение режимов резания из-за опасности разрушения конструкции по месту пайки (площадь торцов хвостовика и режущей части, по которым производится пайка, тем меньше, чем меньше диаметр инструмента) из-за малой площади спаиваемых мест и из-за низкой сопротивляемости припоя циклическому нагружению, которое свойственно процессу фрезерования;
- трудно прогнозируемая величина отклонения от вертикали обработанной стенки паза из-за того, что она является совокупным результатом прогиба хвостовика, выполненного из конструкционной стали, и режущей части, выполненной из твердого сплава.
Место стыка их между собой (фактически - это материал припоя) при разных величинах нагрузок, действующих в процессе резания, ведет себя по-разному, чем предопределяет не управляемую (не прогнозируемую) величину отклонения от вертикали обработанной стенки паза. А возможность выполнить пробные проходы имеется не всегда. Возможен брак. Необходимо обеспечить месту стыка прогнозируемый уровень деформаций для всего диапазона действующих нагрузок.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение прочности места сочленения хвостовика с режущей частью для обеспечения возможности передать фрезе больший крутящий момент без разрушения места сочленения стыкуемых частей фрезы, обеспечение прогнозируемого прогиба инструмента в месте стыка его частей, снижение стоимости фрезы.
Технический результат достигается тем, что хвостовик, выполненный из конструкционной стали, и режущая часть, выполненная из твердого сплава, выполнены с дополнительными ответными поверхностями сочленения. Эти поверхности являются сопрягаемыми между собой коническими поверхностями. Также на торцах стыкуемых частей фрезы периферийно от указанных конических поверхностей выполнены элементы шлицевого соединения, а именно четыре крестообразно (через девяносто градусов) расположенных шлица на одной части фрезы и четыре ответных паза для шлицев на второй части фрезы. Такое сочленение условно названо крестообразным. При сочленении конические поверхности обеспечивают центрирование режущей части и хвостовика фрезы относительно осевой линии фрезы и служат для увеличения (в сравнении с прототипом) поверхности для передачи крутящего момента. Диаметр основания конуса и высота (либо угол при вершине конуса) выбираются исходя из конструктивных соображений. Например, диаметр основания конуса должен быть меньше диаметра фрезы для обеспечения возможности размещения шлицевого соединения. Высота конуса может превышать его диаметр. Конуса могут быть полными или усеченными. Конусная поверхность может быть выполнена как выступающая на торце хвостовика. Тогда ответная сопрягаемая конусная поверхность (отверстие в виде конуса) должно быть выполнено на сопрягаемом торце твердосплавной режущей части фрезы. Либо наоборот: конус как выступ может быть выполнен на торце твердосплавной режущей части фрезы, а ответный конус как отверстие должен быть выполнен в теле хвостовика фрезы. Для технологических целей (для удобства расположения припоя) в конусном отверстии может быть выполнено углубление необходимого объема. Столь же различными могут быть варианты расположения элементов шлицевого соединения. Например, шлицы могут быть выполнены на режущей части фрезы, а ответные шлицам пазы - на хвостовике фрезы. И наоборот. Различным может быть и число пар шлиц-паз. Для снижения вероятности дисбаланса при вращении фрезы логично иметь более двух пар шлиц-паз. Технологически целесообразно иметь четыре таких пары. Этот случай далее назван крестообразным шлицевым соединением.
Различия в этих конструктивных параметрах сопрягаемых конических поверхностей могут быть отмечены в маркировке инструмента. Эти различия будут предопределять характер изменения стрелы прогиба корпуса фрезы в месте сочленения режущей части и хвостовика.
Таким образом, в заявляемом техническом решении, как в аналоге и прототипе, фреза является составной, т.е. состоит из твердосплавной режущей части и сопрягаемого с ней хвостовика, выполненного из конструкционной стали. Эти обе части соединены между собой, например пайкой. Однако для достижения указанного технического результата обе части снабжены дополнительными ответными поверхностями сочленения. Эти поверхности являются сопрягаемыми между собой: во-первых, это конические поверхности (у одной части это наружный конус в виде выступа, у другой - внутренний конус в виде отверстия); во-вторых, это шлицевое соединение, а именно периферийно расположенные по отношению к указанным коническим поверхностям четыре крестообразные пары шлиц-паз (у одной части это шлицы, у другой - ответные этим шлицам пазы).
На фиг. 1 показана принципиальная схема места сочленения режущей твердосплавной части фрезы с хвостовиком. На фиг. 2 показано (при виде спереди по фиг. 1) устройство стыкуемой поверхности твердосплавной режущей части с конусном и шлицами. На фиг. 3 показаны ответные поверхности сочленения, выполненные в теле хвостовика. На фиг. 4 показан вид сверху (вид A по фиг. 1) на стыкуемую поверхность твердосплавной части фрезы. На фиг. 5 показана схема взаимодействия фрезы с обрабатываемой поверхностью заготовки.
Фреза состоит из двух частей. Сочленение их между собой для достижения указанного технического результата выполнено следующим образом. Режущая часть 1 фрезы, выполненная из твердого сплава, имеет ограниченную длину, необходимую для обработки стенки паза в заготовке детали. На торце режущей части 1 выполнена дополнительная поверхность 2 сочленения, например в виде наружной усеченной конической поверхности (выступа - конуса 2). Диаметр основания этой конической поверхности меньше диаметра фрезы. На хвостовике 3 фрезы со стороны стыкуемого торца выполнена ответная коническая поверхность 4 в виде внутреннего конуса (отверстия - конуса 4). Коническая поверхность 4 для технологических целей, например для размещения припоя, может быть сопряжена с технологическим углублением 5 требующегося объема (размеров). Размеры конусных поверхностей 2 и 4 сопрягаемых частей 1 и 3 фрезы идентичны.
Кроме указанных конических поверхностей 2 и 4 на сопрягаемых торцах частей 1 и 3 фрезы выполнены элементы шлицевого соединения. Они выполнены ответными (т.е. шлиц и сопрягаемый с ним паз) и расположены периферийно к коническим поверхностям. Например, шлицы 6 могут быть прямоугольными и расположенными на режущей части 1. Они могут иметь соответствующую длину, ширину и высоту. Длина регламентирована разницей радиусов фрезы и основания конуса. Ширина и высота выбираются конструктивно из технологических соображений для обеспечения возможности передать на фрезу со шпинделя станка крутящий момент необходимой величины. Таких шлицов 6 должно быть более одного для снижения вероятности появления дисбаланса при вращении фрезы. Конструктивно выполнить их четыре. Расположить их целесообразно симметрично, т.е. через 90 градусов. Этот случай показан на фиг. 4 и назван крестовым расположением. В соответствие с принятым числом, месторасположением, формой и размерами шлицев 6 на стыкуемой поверхности хвостовика 3 выполнены пазы 7 для этих шлицев. Соответственно шлицы 6 и ответные им пазы 7 образуют шлицевые пары (элементы шлицевого соединения), а шлицевые пары образуют шлицевое торцевое соединение, условно названное крестовым.
При совмещении сопрягаемых поверхностей 2 и 4 (путем введения конического выступа 2 в коническое отверстие 4) и шлицев 6 в пазы 7 происходит взаимное центрирование частей 1 и 3 относительно друг друга и общей оси симметрии фрезы. Сборку фрезы осуществляют следующим образом. В технологическое углубление 5 закладывают (засыпают) припой, хвостовик 3 в месте сочленения нагревают (расположив отверстием вверх) до расплавления припоя, в коническое отверстие 4 вводят конус 2 (и шлицы 6 в пазы 7) режущей части 1 фрезы, продолжают нагрев, сжимая части 1 и 3 между собой с соблюдением прямолинейности оси фрезы. Нагрев прекращают, фрезу охлаждают, удаляют остатки припоя, вытесненного наружу фрезы. При необходимости осуществляют чистовую обработку хвостовика.
1
1
Работает фреза следующим образом. Фрезу вставляют в зажимное устройство 8 (цанга, патрон и т.д.). Рабочие поверхности (цилиндрическую и торцевую) режущей части фрезы подводят к поверхности заготовки, подлежащей обработке. Фрезе и заготовке задают необходимые наладочные и рабочие перемещения. При выбранных режимах резания на фрезу действует некоторая составляющая P силы резания, приводящая к изгибу фрезы, т.е. к отклонению B стенки 9 паза заготовки 10 от вертикального положения. Величина этого отклонения B равна сумме прогиба хвостовика, прогиба режущей части, прогиба места их соединения. Эти величины являются расчетными в зависимости от величины действующей силы P и физико-механических характеристик соединяемых материалов. При выбранных размерах фрезы и стыкуемых поверхностей они постоянны и прогнозируемы. В случае, если величина отклонения стенки паза от вертикали выходит за поле допуска, то необходимо (снижение режимов резания для уменьшения силы резания и, соответственно, величины прогиба фрезы не желательно из-за снижения производительности обработки) целенаправленно изменить размеры сопрягаемых поверхностей.
Оценочные расчеты показывают, что:
а) только за счет экономии твердосплавного материала (при изготовлении хвостовика из конструкционной стали) стоимость фрезы снижается на (30-60)%, причем, чем больше необходима длина хвостовика, тем больше снижение стоимости;
б) при исходной длине фрезы 150 мм и диаметре 15 мм необходимая производительность и точность обработки для изделий общего машиностроения обеспечиваются при выполнении дополнительных сопрягаемых поверхностей:
- конических длиной до 10 мм и более при диаметре 6-8 мм и более;
- шлицевых длиной, шириной и высотой до 6 мм.
Этим подтверждается достижение заявленного технического результата.