СВЕРЛИЛЬНАЯ ГОЛОВКА С ОСЕВЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ
DRILL HEAD WITH AXIAL OSCILLATIONS

Настоящее изобретение относится к сверлильной головке, оснащенной генератором осевых колебаний (вибраций).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Недостатком сверлильной машины является образование длинной стружки, что приводит к разного рода затруднениям при сверлении, потому что их трудно быстро удалять из рабочей зоны и они могут неблагоприятно влиять на качество поверхности получаемого отверстия.
Одним из способов устранения данного недостатка является разрушение этой стружки посредством изменения ее толщины и повторяющегося прерывания процесса резания. Это достигается воздействием на режущий инструмент, обычно сверло, осевой вибрацией, циклически изменяющей скорость подачи (скорость проникновения в материал), что приводит к неравномерной толщине стружки, при таких значениях амплитуд и частот, которые вызывают разрушение стружки.
В то же время, существуют сверлильные работы, при которых целесообразна вибрация инструмента только в определенные моменты (например, при сверлении многослойных материалов), либо изменение амплитуды и/или частоты колебаний в режиме реального времени (например, чтобы оперативно реагировать и подгонять процесс резания таким образом, чтобы он соответствовал просверливаемому материалу). Поэтому необходимо, чтобы устройством можно было управлять с необходимым временем отклика и чтобы была возможность определения перехода из одного материала в другой.
Несколько устройств, использующих осевые колебания при сверлении, были предложены ранее. Например, можно упомянуть устройство, описанное в ЕР 994758. В нем описана соединительная муфта между державкой и ее ведущим патроном, обеспечивающим подвеску державки на патроне таким образом, что она может генерировать такие самоподдерживающиеся осевые колебания, что скорость, с которой инструмент проникает в обрабатываемую деталь, циклически изменяется относительно среднего значения скорости, отличного от нуля.
В DE 10343682 описан инструмент для фрезеровочных работ или сверлильный инструмент, в котором вращающийся инструмент совершает возвратно-поступательное осевое движение посредством пьезоэлектрического или магнитного привода, размещенного в державке и подсоединенного к источнику питания беспроводным способом. Системой управляют дистанционно. Такой инструмент предназначен для механической обработки композиционных материалов на очень высоких (сверхзвуковых) частотах и малых амплитудах осевой вибрации.
В US2008/041604 описан инструмент с колеблющейся головкой, в которой вращающийся инструмент подвергается колебаниям очень высокой частоты, которая должна быть равна собственной частоте инструмента, чтобы генерируемые колебания вызывали осевой резонанс инструмента. Технические решения приводов, описанные в US 2008/041604, полностью реализованы в осевой подвижной части устройств, при этом невозможна генерация движений и статических, или низкочастотных, усилий при амплитудах, достаточно больших для того, чтобы разрушать стружку. Кроме того, поскольку они включают использование резонанса, характеристики получаемых колебаний очень сильно зависят от нагрузки, то есть от усилия проходки, возникающего при механической обработке.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известные устройства не обладают всеми качествами, требуемыми от машины универсального применения, в отношении разрушения стружки, образуемой при сверлении, посредством сочетания осевых колебаний с подающим движением инструмента, а именно качествами устройства, являющегося прочным, выполненным с возможностью генерировать осевые колебания достаточной амплитуды для того, чтобы разрушать стружку, и устройства, которым могут быть оснащены существующие машины и которое могло бы быть приспособлено к различным программам сверления, в особенности с учетом многообразия различных материалов, через которые сверло проходит при одной и той же операции. Например, известно, что колебания, генерируемые устройствами, описанными в ЕР 994758 и US 2008/041604, являются чувствительными к нагрузке, а это означает, что они зависят от диаметров сверления и других условий (инструментов, режимов резания и т.д.). Также известно, что пьезоэлектрические приводы являются хрупкими и неспособны противостоять механическим напряжениям, иным, чем сжимающие нагрузки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в предложении сверлильной головки с генератором осевых колебаний, которая содержит патрон для присоединения головки к двигателю, вызывающему вращение патрона вокруг продольной оси, и имеющий ось, совпадающую с осью вращения двигателя, державку, упругодеформируемые подвешивающие средства для подвески державки на патроне, которые выполнены с возможностью передачи крутящих моментов, и направляющие средств для направления державки в патроне вдоль продольной оси этого патрона, и содержащие управляемый генератор возвратно-поступательных перемещений (колебаний) в направлении указанной оси, установленный между патроном и державкой.
Предпочтительно, генератор колебаний (также называемый приводом) выполнен трубчатым и пьезоэлектрического типа, один конец которого прижат к патрону державки, в то время как сверлильная головка, согласно изобретению, содержит подвижный стержень, расположенный между патроном и державкой внутри трубчатого генератора, упругий в осевом направлении внешний рукав с высокой жесткостью на кручение, прикрепленный своими концами к патрону и к державке соответственно, и кольцевую прокладку определенной осевой жесткости и малой изгибной жесткости, посредством которой державка прижата в осевом направлении к торцу генератора.
Рукав и прокладка служат для того, чтобы установить предварительную нагрузку на генератор. Суммарная длина генератора и прокладки по отношению к свободной длине внешнего рукава и его упругости в осевом направлении позволяет осуществить регулировку предварительной нагрузки на генератор. Кольцевая прокладка, являющаяся жесткой в осевом направлении, обеспечивает передачу вибраций, формируемых генератором, к державке, при этом ее эластичность предохраняет генератор от резких изменений изгибающих моментов, образующихся вследствие сверления и из-за биения, возможного в подвижном стержне.
В альтернативном варианте реализации этого примера, передача крутящего момента между патроном и державкой осуществляется соединением, выполненным посредством направляющей, между патроном и державкой (линейный шарикоподшипник на профилированном или шпоночном валу), таким образом единственной оставшейся функцией внешнего рукава является функция предварительной нагрузки генератора.
Конструкция этого рукава может состоять из стеновых частей с высокой теплопроводностью или с вырезами для улучшения рассеяния тепла, образуемого при нагреве генератора.
В другом варианте реализации сверлильная головка содержит подвижный стержень, расположенный между патроном и державкой внутри трубчатого генератора, упругий в осевом направлении внешний рукав с высокой жесткостью на кручение, прикрепленный своими концами к патрону и державке соответственно, и по меньшей мере с одним плоским элементом, размещенным параллельно, выполненным с возможностью передачи радиальной нагрузки и закрепленным между патроном и державкой, и кольцевую прокладку определенной осевой жесткости, посредством которой державка прижата в осевом направлении к торцу генератора.
Как в предыдущем варианте реализации, суммарная длина генератора и прокладки по отношению к свободной длине внешнего рукава и к его упругости в осевом направлении позволяет осуществить регулировку предварительной нагрузки на генератор. Пьезоэлектрический генератор защищен от крутящих моментов как внешним рукавом, так и вышеупомянутым гибким элементом, которые совместно освобождают прокладку от необходимости изолировать державку от генератора на предмет скручивания; эти средства позволяют противостоять радиальной нагрузке, которой не может противостоять соединение в виде подвижного стержня, когда у него есть биение, даже если это биение имеет малую величину. Для обеспечения подвеса державки на патроне можно использовать еще один плоский элемент, параллельный с первым плоским элементом и поэтому также с внешним рукавом, этот другой плоский элемент, расположенный в области прижимной прокладки, содержит вырезы, проходящие через плоский элемент через отверстия, выполненные с этой целью. Когда используются два плоских элемента, которые являются совместно гибкими в осевом направлении, они образуют осевую направляющую типа направляющей, пригодной для обеспечения малых осевых перемещений, и могут противостоять радиальной нагрузке, и в таком случае соединение в виде подвижного стержня внутри трубчатого привода, обеспечиваемое, например узлом шар-и-обойма, уже не столь существенно. Наличие такого соединения (подвижный стержень), тем не менее, облегчает для элементов (державка 3 и патрон 2) точное размещение, в соответствии с допуском на соосность, прежде чем упругие элементы направляющей будут установлены в заданное положение на этапе сборки. Если осевая направляющая представлена только упругими направляющими элементами, а соединение в виде подвижного стержня отсутствует, державка 3 должна быть точно расположена относительно патрона 2 при сборке.
Предпочтительной является бесконтактная передача энергии с использованием электромагнитных систем приема-передачи (вращающийся трансформатор). Однако может использоваться и контактное соединение посредством узла контактных колец.
В одном особом альтернативном варианте реализации изобретения генератор может содержать датчик, выполненный с возможностью измерения силы, с которой сверло воздействует на обрабатываемую деталь в осевом направлении во время обработки. Этот датчик может осуществлять прямое измерение данной нагрузки, например, используя прямой пьезоэлектрический эффект, посредством нескольких слоев пьезоэлектрического материала, либо может осуществлять косвенное измерение, например величины деформации привода (индикатор деформации, например), в этом случае необходима обработка сигнала для определения нагрузки сверления. Таким образом можно собрать данные относительно изменения этой силы и использовать их для управления приводом или даже для управления параметрами процесса резания используемой машины (мгновенным значением скорости резания, скоростью подачи). В особенности, это указание мгновенного значения осевой силы, используемое при сверлении, представляет собой переменную, которая интерпретируется устройством обработки сигналов, для того чтобы модифицировать параметры сверления, используемые в модели, заложенной в программном обеспечении, работающем в устройстве обработки сигналов (компьютер, например). Как правило, изменение значения этого осевого усилия на пьезоэлектрическом датчике-приводе может интерпретироваться как переход от одного материала к другому при сверлении данного узла. Посредством такого обнаружения, устройство обработки данных может модифицировать параметры сверления в момент обнаружения прохождения от одного материала к другому и может, таким образом, оптимизировать работу путем обращения к хранящимся в памяти программам сверления.
Иные особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из описания одного варианта реализации изобретения, приведенного ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ссылки будут сделаны на приложенные чертежи, в которых:
- фигура 1 представляет собой схематический разрез устройства согласно изобретению,
- фигура 2 представляет собой осевой разрез первого варианта реализации устройства согласно изобретению,
- фигура 3 представляет собой покомпонентное изображение узлов фигуры 2,
- фигура 4 представляет собой осевой разрез второго варианта реализации устройства согласно изобретению,
- фигура 5 представляет собой покомпонентное изображение устройства, изображенного на фигуре 4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1, сверлильная головка 1 содержит патрон 2 и державку 3 для закрепления сверла 4 соосно с осью 5 вращения патрона 2.
Своим концом 2а патрон подсоединен к ведущему двигателю М, изображенному схематично, ось вращения которого соосна с осью 5, которая также является продольной осью патрона 2.
Державка 3 прикреплена к патрону 2 шайбой 6, которая может передавать крутящий момент между патроном и державкой и которая является упругодеформируемой в направлении оси 5. Один пример такой шайбы описан в ЕР 994758. Эта шайба 6 закреплена винтами 6а к патрону 2 по периферии, а державка 3 закреплена винтами 6b к шайбе 6 по центру. У державки 3 имеется центральная часть 3а, которую направляют осевым перемещением в подшипнике 7 патрона.
Патрон 2 является полым, и его центральная полость 2b содержит пьезоэлектрический привод 8 колебаний, которые генерируются приложенным к нему переменным напряжением и направлены вдоль оси 5. Верхний конец этого привода, в котором пьезоэлектрические элементы находятся в корпусе, который предварительно нагружает их, прикреплен к патрону в его верхней части 2а. Сама его нижняя часть крепится к части 3а державки. Данное закрепление выполнено с использованием продольной соединительной втулки 9, обладающей свойством противостояния напряжениям на изгиб (которые имеют место вследствие зазора и неидеальности подшипника 7) и обеспечивающей, при этом, передачу возвратно-поступательных движений. Указанная втулка 9 соединяет вибрирующий конец 8а привода со стержнем 10, который заклинен от сдвига в части 3а державки посредством двух упорных шарикоподшипников 11а и 11b, что позволяет осуществить отсоединение вращающего момента привода 8 от державки 3 в случае разрушения шайбы 6.
Источник питания, осуществляющий управление пьезоэлектрическим приводом, показан условно и обозначен 12. В зависимости от варианта реализации он может быть бесконтактного типа (вращающийся трансформатор со встроенной электроникой) или контактного типа (кольцевого коллекторного типа на основе скользящих контактов).
Представляется целесообразным использовать часть активного элемента привода в качестве датчика осевых нагрузок, которым он подвергается. Выход от этого датчика обозначен 13 на чертеже. Он может быть бесконтактного или контактного типа, в зависимости от варианта реализации источника питания привода 8. Испускаемые сигналы распознают в устройстве 14 обработки данных, с выхода 15 которого посылают сигнал управления приводом, зависящий от входного сигнала. Ясно, что входной сигнал является показателем осевого усилия, приложенного к приводу, поэтому он показывает степень сопротивления проходке инструмента в обрабатываемой детали, а следовательно, и природу обрабатываемого материала. Изменение этого сигнала соответствует, например в случае проходки многослойной обрабатываемой детали, пересечению поверхности раздела, что может привести к изменению хода операции сверления, не только с точки зрения управления приводом (посредством линии 15а передачи на привод или на его источник питания), но также и для двигателя «М», который осуществляет вращение инструмента (посредством другой линии 15b передачи, исходящей от выхода 15 устройства 14), а также в показателях скорости проникновения сверла в обрабатываемую деталь, например, зависящей от заданных величин, хранящихся в памяти в устройстве 14. Так же, как в случае управления приводом, выходной сигнал датчика должен быть обработан предпочтительно бесконтактным способом, с использованием любых подходящих средств (преобразователь или т.п.) для передачи сигналов от вращающегося датчика к стационарному устройству обработки данных и для питания датчика при необходимости. В связи с этим, реализация всего устройства обработки сигналов, либо его части в пределах державки, не означает выход за пределы области изобретения.
На фигурах 2 и 3 изображено большинство уже описанных элементов, с использованием тех же самых ссылок. Патрон 2 соединен с элементом М машины, который может быть вращающимся валом, выступающим из двигателя, либо неподвижным компонентом, если, например, обрабатываемая деталь вращается вокруг оси 5. В патрон 2 вставляется хвостовик 3а державки 3 через узел шара-и-обоймы или линейный шарикоподшипник 20, обеспечивающий осевое направление движения (подвижный стержень) державки 3 в патроне 2. Указанное направление движения возможно внутри привода 8, который в этом случае имеет трубчатую форму, без предварительного нагружения (необработанный пьезоэлектрический материал). Средства измерения осевой нагрузки (датчик нагрузки) представлены здесь в виде тензодатчика 21, расположенного вдоль внешнего энергогенератора привода 8.
Существенная разница между этим вариантом реализации изобретения и схемой, показано на фигуре 1, заключается в средствах соединения державки 3 с патроном 2, которые могут передавать как крутящий момент, происходящий от сверления, так и осевые колебания, в то же самое время предохраняя привод 8 от скручивающих или изгибающих усилий, ухудшающих его функционирование.
Эти средства включают внешний рукав 22, ввинченный в патрон 2 одним концом, в то время как другой его конец соединен винтами 23 с державкой 3. Особенность данного рукава состоит в том, что он выполнен очень жестким на скручивание, но относительно гибким в осевом направлении при заданной осевой жесткости. Для этого на нем выполнены проходящие по окружности прорези 24, придающие ему упругость в осевом направлении при сохранении жесткости на кручение. Количество и размеры прорезей определяются таким образом, чтобы обеспечить расчетную осевую характеристику упругости для достижения предварительной нагрузки, приложенной к приводу 8. Эта характеристика, однако, должна быть совместима с энергией вибрации для того, чтобы не слишком рассеивать эту энергию, например при чрезмерно большой осевой жесткости по отношению к нагрузкам. Прорези могут быть заполнены материалом с высокой теплопроводностью для того, чтобы рассеивать тепло, выделяемое при работе привода. Рукав 22 используется, во-первых, для подвески державки на патроне, во-вторых, для передачи крутящих моментов, образующихся от режущих сил, от патрона к державке, и в то же самое время для достижения необходимой предварительной нагрузки, требуемой для привода. Помимо вышеописанных, для рукава 22 могут быть использованы иные геометрические формы при условии, что все указанные функции выполнены. Например, указанный рукав может содержать чередующуюся последовательность внутренних и внешних пазов, подобных гофрам и обеспечивающих заданную осевую жесткость.
Средства соединения также содержат кольцевую прокладку 25, которая вставляется и зажимается между одним концом привода 8 и державкой 3. Материал и геометрия этой прокладки 25 должны быть выбраны таким образом, чтобы была обеспечена передача осевых колебаний, генерируемых приводом 8, и в то же самое время должны быть минимизированы напряжения на изгиб, образуемые силой резания, которые могут передаваться посредством соединения подвижного стержня, который обязательно должен иметь минимально необходимый функциональный зазор. Поскольку геометрия данной прокладки 25 является критически важной, то следует отметить, что в ней предусмотрены вырезы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных оси 5 и определяющих две части этой прокладки, соединенные вместе наподобие карданного шарнира, допускающего микроперемещения малой амплитуды с достаточной гибкостью, что защищает пьезоэлектрический привод.
В таком техническом решении следует отметить, что державка 3 имеет проходящий сквозь нее канал «С», который расположен вдоль ее оси, и таким образом обеспечивается прохождение любых охлаждающих и смазочных материалов, используемых для охлаждения и/или смазки зоны резания. Такие охладители могут также улучшить рассеяние тепла от привода. Различные средства уплотнения и отверстия, в расположенных рядом компонентах, также могут быть сделаны для подвода охладителя к приводу с целью принудительного охлаждения.
Вариант реализации изобретения, изображенный на фигурах 4 и 5, очень похож на вышеописанный. Разница заключается в присутствии первого дополнительного элемента в средствах соединения между патроном и державкой. Этот элемент 26 аналогичен элементу 6 на фигуре 1, и в той же мере, совместно с рукавом 22, служит для подвески державки 3 на патроне 2, и для добавления радиальной жесткости соединению на противоположном от инструмента конце державки, таким образом способствуя устранению поперечных микроперемещений, которые могут быть обусловлены биением в соединении вида подвижный стержень. Передачу крутящего момента также обеспечивает рукав 22, даже в присутствии элемента 26, способствующему ей.
Следует отметить, что имеется второй элемент или шайба 27, аналогичная шайбе 26, имеющая вырезы 27а, через которые вырезы 25а, принадлежащие кольцу 25, проходят через шайбу для прижатия к державке 3. Полости, отделяющие вырезы в прокладке 25, имеют достаточно большие размеры, превышающие амплитуду вибраций привода 8, передаваемых на державку 3 посредством прокладки 25, для предотвращения любого контакта между прокладкой 25 и шайбой 27. Шайба 27 жестко крепится внешними винтами 23 к рукаву 22 и к державке 3 и соответствующим образом (специальным винтом 27b) к шпинделю патрона 2. Роль шайбы 27 аналогичным образом заключается в добавлении радиальной жесткости на конце державки со стороны инструмента так, чтобы совместно с элементом 26 создать соединение с гибкой направляющей, подходящей для перемещений с малой амплитудой.
Осевая жесткость рукава 22 зависит от предварительной нагрузки, которая должна быть приложена к приводу 8. Эта нагрузка фактически соответствует разности в положении вдоль оси 5 между торцовой поверхностью державки, обращенной к прокладке 25 и к рукаву 22, и свободным концом этого рукава, перед его присоединением винтами 23. Эта разница в положении вышеупомянутых двух поверхностей перед сборкой образует монтажный зазор, который определяется конструкцией и точностью изготовления компонентов. Закрепление посредством винтов 23 вызовет упругое удлинение рукава 22, в результате чего произойдет сжатие (сила которого определяется величиной монтажного зазора и осевой жесткостью рукава 22) узла, состоящего из привода 8 и прокладки 25.
Изобретение позволяет просто решить задачу разрушения стружки сверлильного инструмента и управлять процессом разрушения, а в целом параметрами работы с обнаружением природы обрабатываемого материала, и позволяет осуществить это, в частности, в случае применения пьезоэлектрического привода, использующего тот же самый активный элемент.