СВЕРЛО С МЕХАНИЧЕСКИМ КРЕПЛЕНИЕМ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН И ЕГО КОРПУС С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ
DRILL WITH MECHANICAL FASTENING OF CUTTING PLATES AND ITS HOUSING WITH WEAR-RESISTANT COATING

Область техники.
Настоящее изобретение относится к металлорежущему инструменту, в частности к сверлам с механическим креплением режущих пластин и их корпусам.
Уровень техники.
Для высокопроизводительного сверления отверстий в изделиях, выполненных, в том числе из труднообрабатываемых материалов, используют сверла с механическим креплением сменных режущих пластин.
Основным элементом конструкции указанных сверл является их корпус, имеющий ось вращения, вокруг которой расположена рабочая часть с гнездами на торце для размещения и закрепления в них, например, с помощью винтов сменных режущих пластин.
Для отвода стружки от режущих кромок режущих пластин корпуса сверл также содержат выборки, выполненные вдоль рабочей части сверл и называемые, как правило, стружкоотводящими канавками. Они чередуются с цилиндрическими участками рабочей части корпуса сверла. При этом поверхности указанных цилиндрических участков расположены на максимальном удалении от оси вращения сверла. Корпуса сверл могут также иметь отверстия для подачи СОЖ в зону резания.
При сверлении отверстий в изделиях из труднообрабатываемых материалов, корпус сверла испытывает значительные нагрузки, сопровождающиеся крутильными колебаниями и сложным напряженно деформированным состоянием его рабочей части. На поверхностях цилиндрических участков рабочей части корпуса возникают максимальные касательные напряжения. При этом перемещения указанных участков относительно стенок отверстия вдоль рабочей части корпуса сверла не равномерно из-за увеличивающегося в направлении торца рабочей части угла их поворота относительно оси вращения при ее закручивании.
Обычно часть режущих пластин, закрепленных на торце сверла, расположены асимметрично относительно его оси вращения. Это дополнительно вызывает увеличение действующих на рабочую часть инструмента не равномерно распределенных нагрузок, как по ее длине, так и в радиальном направлении относительно оси его вращения.
В процессе работы поверхность рабочей части корпуса сверл также подвергается воздействию агрессивной среды, действующей при высоких температурах. Это обусловлено, например, воздействием стружки, имеющей наибольшую температуру в зоне резания, расположенной на торце рабочей части корпуса сверла.
В результате воздействия стружки на поверхности стружкоотводящих канавок, имеющих высокий коэффициент трения скольжения, может возникать их не равномерный износ вдоль рабочей части, имеющий наибольшую величину в направлении ее торца.
Это может сопровождаться налипанием обрабатываемого материала на поверхности стружкоотводящих канавок, что существенно затрудняет удаление стружки из зоны резания, увеличивает силу резания и энергозатраты на обработку материалов резанием, а также может вызывать пакетирование стружки и разрушение корпуса режущего инструмента.
Высокий коэффициент трения стружкоотводящих поверхностей также может способствовать неравномерному износу этих поверхностей, приводящему к неравномерному нагружению рабочей части сверл и, как следствие, уводу сверл от оси отверстия.
При сверлении из-за неравномерного нагружения рабочей части корпуса сверла также могут возникать вынужденные колебания, сопровождающиеся вибрацими, в том числе связанные с крутильными колебаниями, отрицательно влияющие на точность отверстия, стойкость режущих пластин и срок службы корпуса и сверла в целом. При этом наибольшей термомеханической нагрузке подвергаются поверхности участков стружкоотводящих канавок и цилиндрических поверхностей рабочей части корпуса, расположенные ближе к рабочему торцу корпуса сверла.
В связи с указанными особенностями использования сверл с механическим креплением сменных режущих пластин рабочая часть их корпусов испытывает асимметричные термомеханические нагрузки, не равномерно распределенные по ее длине. Причем эти нагрузки увеличиваются в направлении от хвостовика сверл к торцу их рабочей части.
Перечисленные выше отрицательные факторы, действующие на рабочую часть корпуса сверл, существенно снижают работоспособность и ресурс не только корпуса, но и сверла в целом, а также приводят к значительным затратам времени и энергоресурсов при осуществлении обработки материалов резанием.
С учетом перечисленных особенностей использования указанных выше сверл их корпуса должны иметь высокую прочность и жесткость, в том числе крутильную и изгибную жесткость, а поверхность их рабочей части повышенную твердость, стойкость к коррозии и малый коэффициент трения скольжения относительно обрабатываемого материала.
Для увеличения прочности и жесткости рабочей части корпусов сверл с механическим креплением сменных режущих пластин применяют высокопрочные материалы и различные формы и размеры, как самой рабочей части, так и формы и размеры стружкоотводящих канавок и геометрию режущей части. При этом учесть асимметричное нагружение рабочей части корпусов указанных сверл при использовании обычных средств весьма затруднительно, так как резервы их во многом исчерпаны.
Например, известен сверлильный инструмент (патент РФ №2568540), содержащий основной корпус, выполненный с возможностью вращения вокруг продольной оси. Вдоль рабочей части корпуса выполнены стружкоотводящие канавки, чередующиеся с участками цилиндрической поверхности, а на торце корпуса в гнездах установлены сменные режущие пластины. В конструкции этого инструмент не учтены отмеченные выше особенности эксплуатации сверл, что будет существенно влияет на его стойкость и долговечность.
Для повышения эксплуатационных свойств корпусов режущего инструмента используют защитные износостойкие покрытия, в том числе имеющие остаточные сжимающие напряжения.
Известен, например, (патент РФ на полезную модель №153821) корпус фрезы с защитным покрытием, имеющим низкий коэффициент трения по алюминиевым сплавам. При этом защитное износостойкое покрытие выполнено из трех слоев вакуумно-дуговым распылением и содержит антикоррозионный слой на основе хрома, нанесенный на корпус фрезы, переходный слой и слой из аморфного алмазоподобного углеродного материала.
Использование в качестве слоя с низким коэффициентом трения алмазоподобного углеродного материала или алмазоподобного углерода с легирующей добавкой вольфрама позволяет существенно уменьшить взаимодействие и налипание стружки на поверхность корпуса.
Однако, указанная выше конструкции корпусов инструмента с механическим креплением сменных режущих пластин, не имеют специальных защитных износостойких покрытий, нанесенных на рабочую часть их корпусов, с учетом их асимметричного нагружения, что существенно снижает их эксплуатационные свойства.
Задачей настоящего изобретения является создание корпуса сверла с механическим креплением режущих пластин повышенной работоспособности и стойкости за счет использования свойств износостойкого покрытия для компенсации отрицательного влияния асимметричного нагружения его рабочей части.
Задачей настоящего изобретения также является создание сверла с механическим креплением режущих пластин повышенной работоспособности и стойкости.
Для этого в рабочей части корпуса сверла необходимо предварительно, то есть до его работы, создать внутренние механические напряжения с учетом асимметричного термомеханического воздействия, возникающего при сверлении отверстий, а также избирательно увеличить износостойкость отдельных участков корпуса сверла.
При этом для достижения высокого технического результата в новом конструктивном решении должны быть использованы в качестве единого конструктивного элемента с его формой и размерами свойства материала, позволяющего адресно получить высокие остаточные внутренние механические напряжения, низкий коэффициент трения скольжения, высокую твердость и теплопроводность.
Раскрытие изобретения
Указанный технический результат достигается посредством совокупности признаков, приведенных в соответствующих пунктах формулы изобретения.
Корпус сверла с износостойким покрытием, сформированным методом физического осаждения из паровой фазы на его поверхности, содержит расположенную вокруг оси вращения рабочую часть с круговой наружной поверхностью, на которой со стороны свободного торца выполнены гнезда для размещения и крепления режущих пластин.
Вдоль рабочей части корпуса выполнены стружкоотводящие канавки, при этом на поверхность, по меньшей мере, рабочей части корпуса нанесено износостойкое покрытие, содержащее, по меньшей мере, один слой, имеющий остаточные сжимающие напряжения.
В соответствие с изобретением износостойкое покрытие имеет не равномерную толщину по длине рабочей части сверла и содержит в качестве слоя, имеющего остаточные сжимающие напряжения, по меньшей мере, слой из аморфного алмазоподобного углеродного материала.
В соответствии с одним предпочтительным исполнением корпуса сверла толщина износостойкого покрытия уменьшается по длине рабочей части в направлении от ее рабочего торца.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением корпуса толщина износостойкого покрытия на круговой наружной поверхности рабочей части, наиболее удаленной от оси вращения корпуса, больше, чем на поверхностях стружкоотводящих канавок.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением корпуса толщина износостойкого покрытия на поверхностях стружкоотводящих канавок в радиальном направлении от оси вращения корпуса к периферии его рабочей части имеет переменную величину.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением корпуса толщина износостойкого покрытия находится в пределах 0,5-5 мкм, а остаточные сжимающие напряжения в нем находятся в пределах 4-10 гПа.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением корпуса износостойкое покрытие выполнено многослойным, причем слой из аморфного алмазоподобного углеродного материала выполнен верхним.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением корпуса защитное износостойкое покрытие дополнительно содержит, антикоррозийный слой на основе хрома, нанесенный на поверхность корпуса.
В соответствии с другим предпочтительным исполнением корпуса в качестве аморфного алмазоподобного углеродного материала использован аморфный алмазоподобный углерод с легирующей добавкой вольфрама в количестве 0,5-2,3%.
Согласно изобретению также предложено сверло с механическим креплением режущих пластин. Оно содержит корпус, на рабочей части которого в гнездах расположены режущие пластины, а вдоль рабочей части выполнены стружкоотводящие канавки. При этом сверло имеет корпус, выполненный с износостойким покрытием по одному из исполнений указанных выше.
В соответствии с одним предпочтительным исполнением сверла его режущие пластины выполнены с износостойким покрытием.
Для лучшего понимания, но только в качестве примера, изобретение далее будет описано с отсылками к приложенным чертежам, где изображена конструкция корпуса сверла с механическим креплением сменных режущих пластин и само сверло.
На фиг. 1 изображен в перспективе корпус сверла с износостойким покрытием;
на фиг. 2 изображен разрез по линии А-А рабочей части корпуса сверла, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 3а, b структурно изображены фрагменты износостойкого покрытия, нанесенного на рабочую часть корпуса сверла, соответственно в сечениях I-I и II-II фиг. 2;
на фиг. 4 изображен разрез по линии В-В рабочей части корпуса сверла, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 5а, b структурно изображены фрагменты износостойкого покрытия, нанесенного на рабочую часть корпуса сверла, соответственно в сечениях III-III и IV-IV фиг. 4;
на фиг. 6 изображено в перспективе сверло в сборе с режущими пластинами.
Детальное описание изобретения.
Корпус 10 сверла с износостойким покрытием, сформированным методом физического осаждения из паровой фазы на его поверхности, содержит расположенную вокруг оси вращения 12 рабочую часть 14 с круговой наружной поверхностью 16.
На рабочей части 14 со стороны ее свободного торца 18 выполнены гнезда 20 для размещения и крепления режущих пластин 20а.
Вдоль рабочей части 14 выполнены стружкоотводящие канавки 22. На фиг. 1 в качестве примера изображены стружкоотводящие канавки, расположенные по винтовой поверхности вдоль рабочей части 14. В корпусе сверла также могут быть выполнены отверстия 26 для подвода СОЖ к режущим пластинам 20а.
На поверхность, по меньшей мере, рабочей части 14 корпуса 10 нанесено износостойкое покрытие 24, содержащее, по меньшей мере, один слой, имеющий остаточные сжимающие напряжения. При этом износостойкое покрытие также может быть многослойным.
В соответствии с изобретением износостойкое покрытие 24 имеет не равномерную толщину по длине рабочей части 14 и содержит в качестве слоя, имеющего остаточные сжимающие напряжения, по меньшей мере, слой из аморфного алмазоподобного углеродного материала, имеющего наибольшие по сравнению с другими материалами внутренние остаточные сжимающие механические напряжения, а также низкий коэффициент трения скольжения, высокую твердость и теплопроводность. При этом износостойкое покрытие дополнительно может иметь слои, имеющие остаточные сжимающие механические напряжения и содержащие, например, фазы с одним из следующих элементов C, Ti, Nb, Hf.
В соответствии с одним из предпочтительных исполнений корпуса 10 толщина износостойкого покрытия 24 уменьшается по длине его рабочей части 14 в направлении от ее рабочего торца 18.
Таким образом, предложенная конструкция корпуса сверла имеет новый конструктивный элемент в виде износостойкого покрытия, имеющего не равномерную толщину и содержащего, по меньшей мере, слой не равномерной толщины из аморфного алмазоподобного углеродного материала, учитывающий асимметрию термомеханического нагружения корпуса сверла.
В частности, так как покрытие 24 согласно наиболее предпочтительному исполнению корпуса 10 имеет не равномерную толщину по длине его рабочей части 14, причем толщина его уменьшается вдоль рабочей части 14 в направлении от ее рабочего торца 18, то возникает адресное предварительно напряженное состояние корпуса сверла до его работы.
При этом наиболее нагруженная часть корпуса сверла, расположенная ближе к его рабочему торцу, имеет большую толщину износостойкого покрытия, что позволяет повысить механические характеристики корпуса, во-первых, за счет создания предварительного механического напряжения рабочей части, дифференцированного по ее длине с учетом асимметричного термомеханического воздействия, возникающего при работе сверла. При этом достигается выравнивания внутренних напряжений, как в самом износостойком покрытии, так и в рабочей части корпуса.
Во-вторых, большая толщина износостойкого покрытия, расположенного на поверхностях ближе к рабочему торцу корпуса, также позволяет компенсировать больший износ поверхностей рабочей части, обусловленный воздействием температуры и стружки. Таким образом, получен корпус сверла с предварительно напряженной рабочей частью повышенной жесткости и износостойкости, учитывающий асимметрию его термомеханического нагружения.
Для демонстрации конструктивных особенностей корпуса сверла рассмотрим фиг. 1-5. На фиг. 2 и 4 изображены разрезы соответственно по линии А-А и В-В рабочей части 14 корпуса сверла 10, изображенного на фиг. 1. При этом разрез по А-А расположен ближе к свободному торцу 18 корпуса 10, а разрез по линии В-В расположен дальше от указанного торца.
На фиг. 3а, b и 5а, b структурно изображены фрагменты износостойкого покрытия, нанесенного на рабочую часть корпуса сверла, соответственно в сечениях I-I, II-II фиг. 2 и III-III, IV-IV фиг. 4. При этом видно, что толщина h1 износостойкого покрытия 24 на круговой наружной поверхности 16, в сечении I-I больше, чем толщина h3 покрытия в сечении III-III, находящемся на большем расстоянии от рабочего торца корпуса.
Толщина износостойкого покрытия 24 на поверхностях стружкоотводящих канавок 22 h2 в сечении II-II также больше, чем толщина h4 износостойкого покрытия в сечении IV-IV, находящемся на большем расстоянии от рабочего торца корпуса.
В соответствии с предпочтительным исполнением корпуса 10 толщина износостойкого покрытия на круговой наружной поверхности 16 рабочей части 14, наиболее удаленной от оси вращения 12 корпуса 10, больше, чем на поверхностях стружкоотводящих канавок 22, т.е. h1>h2 и h3>h4 (фиг. фиг. 3а, b и 5а, b).
Таким образом, большая толщина износостойкого покрытия на круговой наружной поверхности 16 рабочей части 14, наиболее удаленной от оси вращения 12 корпуса 10, соответствует максимальным касательным напряжениям, возникающим в рабочей части корпуса при ее скручивании. При этом на поверхностях стружкоотводящих канавок 22, расположенных в радиальном направлении ближе к оси 12 вращения корпуса, толщина износостойкого покрытия меньше, чем на круговой наружной поверхности 16, что соответствует меньшим величинам касательных напряжений на указанных поверхностях, возникающих при скручивании рабочей части сверла 30.
Это позволяет дополнительно выровнять внутренние напряжения, как в самом износостойком покрытии, так и в рабочей части корпуса в радиальном направлении относительно оси вращения 12 корпуса 10.
В соответствии с другим предпочтительным исполнении корпуса толщина износостойкого покрытия 24 на поверхностях стружкоотводящих канавок 22 в радиальном направлении от оси вращения 12 корпуса 10 к периферии его рабочей части 14 имеет переменную величину.
Это обусловлено тем, что касательные напряжения, возникающие при скручивании рабочей части 14, как в самой рабочей части, так и в износостойком покрытии на поверхностях стружкоотводящих канавок, имеют переменную величину, которая зависит от расстояния до оси вращения 12 и угла наклона указанных поверхностей относительно радиуса окружности круговой наружной поверхности 16. Указанный конструктивный элемент позволяет дополнительно выровнять внутренние напряжения в износостойком покрытии на поверхностях стружкоотводящих канавок, что позволяет снизить их износ.
В соответствии с другим предпочтительным исполнении корпуса износостойкое покрытие 24 выполнено многослойным, причем слой из аморфного алмазоподобного углеродного материала выполнен верхним. Это позволяет дополнительно повысить величину достигаемого технического результата за счет использования низкого коэффициента трения скольжения и высокой теплопроводности верхнего слоя покрытия.
В соответствии с другим предпочтительным исполнении корпуса защитное износостойкое покрытие 24 дополнительно содержит антикоррозийный слой на основе хрома, нанесенный на поверхность корпуса 10. Этот слой может быть нанесен на всю поверхность корпуса, включая его хвостовик, и может быть промежуточным слоем.
Для получения наибольшей эффективности настоящего технического решения в соответствии с другим предпочтительным исполнением корпуса 10 толщина износостойкого покрытия находится в пределах 0,5-5 мкм, а остаточные сжимающие напряжения в нем находятся в пределах 4-10 гПа.
Пределы микротвердости износостойкого покрытия и остаточных сжимающих напряжений в нем обусловлены необходимостью обеспечения с одной стороны механической прочности износостойкого покрытия при обработке труднообрабатываемых материалов, в том числе титана и его сплавов, а с другой стороны необходимостью получения достаточных усилий сжатия, возникающих в покрытии с учетом остаточных механических напряжений сжатия.
При этом нижний предел толщины износостойкого покрытия обусловлен минимальной толщиной покрытия, обеспечивающей его износостойкость, которая во многом будет зависеть от максимальных внутренних механических напряжений, возникающих при работе сверла.
Верхний предел толщины износостойкого покрытия обусловлен тем, что при дальнейшем увеличении толщины в нем существенно возрастают суммарные усилия, вызванные внутренними остаточным напряжениями, что отрицательно сказывается на его стойкости.
Таким образом, при высоких режимах обработки значения указанных величин ниже нижних пределов с одной стороны могут привести к преждевременному разрушению износостойкого покрытия из-за его низкой механической прочности, а с другой стороны не будет достигнуто достаточных значений суммарных усилий сжатия в износостойком покрытии, необходимых для компенсации асимметричного нагружения рабочей части корпуса сверла. В то же время значения величин толщин износостойкого покрытия выше указанных верхних пределов также могут способствовать разрушению износостойкого покрытия из-за значительных суммарных усилий в нем.
В целях повышения стойкости защитного износостойкого покрытия корпуса 10 в качестве аморфного алмазоподобного углеродного материала может быть использован аморфный алмазоподобный углерод с легирующей добавкой вольфрама в количестве 0,5 - 2,3%. Это позволяет дополнительно повысить термостойкость износостойкого покрытия, и тем самым увеличить планируемый технический результат.
В соответствии с изобретением предложено сверло 30 с механическим креплением режущих пластин 20а. Оно содержит корпус 10, на рабочей части 14 которого в гнездах 20 расположены режущие пластины 20а, а вдоль рабочей части 14 выполнены стружкоотводящие канавки 22.
Согласно изобретению корпус 10 сверла 30 выполнен с износостойким покрытием по одному из указанных выше исполнений.
В соответствии с одним предпочтительным исполнением сверла 30 режущие пластины 20а выполнены с износостойким покрытием. Сверло 30 также может содержать сменную торцовую часть 32.
При этом повышение работоспособности и стойкости сверла обусловлено особой конструкцией его корпуса, подробно описанного выше.
Примеры реализации изобретения.
Не равномерную толщину износостойких покрытий на поверхностях рабочих частей корпусов сверл можно получить, например, следующим образом.
Нанесение износостойкого покрытия осуществляли на установках вакуумно-дугового распыления методом PVD. При этом для получения наиболее предпочтительного исполнения корпусов сверл их располагали в кассетах рабочей частью вверх. В процессе нанесения износостойкого покрытия корпуса совершали планетарное движение в объеме вакуумной камеры, вращаясь относительно своей оси.
Для получения неравномерной толщины покрытия на поверхности корпусов сверл по длине их рабочей части источники углеродной плазмы в установке располагали горизонтально напротив рабочих частей сверл перпендикулярно их оси. В качестве источников углеродной плазмы могут быть использованы, например, мишени цилиндрической формы. Причем для получения наиболее предпочтительного исполнения предложенного конструктивного решения оси источников углеродной плазмы совпадали с рабочими торцами корпусов сверл.
Вследствие этого износостойкое покрытие имело неравномерную толщину по длине рабочей части. Причем толщина покрытия имела наибольшую величину у торца рабочей части и уменьшалась в направлении от него к хвостовику корпуса.
При этом изменяя угол расположения источников углеродной плазмы и/или самих корпусов, а также изменяя диаметр источников углеродной плазмы и/или их расстояние до рабочих частей корпусов, можно получить износостойкое покрытие с соответствующим градиентом его толщины, как в радиальном направлении, так и вдоль рабочей части корпусов сверл. Это позволит получить сверла с заданными техническими характеристиками в зависимости от обрабатываемого материала и режимов обработки, что существенно повысит работоспособность и долговечность сверл с механически креплением режущих пластин.
В качестве конкретного примера осуществляли нанесение износостойкого покрытия с содержанием слоя из аморфного алмазоподобного углеродного материала на рабочую часть корпусов сверл с их рабочим диаметром 23,4 мм и длиной рабочей части 100 мм. При этом толщина износостойкого покрытия по длине рабочей части находилась в диапазоне от 0.6 до 2,6 мкм.
Сверла с указанными корпусами при их использовании в производственных условиях для сверления отверстий глубиной 50 мм в литых заготовках из стали 20ГЛ имели в 1,5 раза большую стойкость и срок службы по сравнению с корпусами сверл обычной конструкции.
Хотя настоящее изобретение описано с определенной степенью детализации, следует понимать, что его различные изменения и модификации могут быть выполнены без отхода от существа и объема изобретения, изложенного в приведенной ниже формуле.