РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ, СОДЕРЖАЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ГНЕЗДА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
CUTTING TOOL, CONTAINING SEAT ELEMENT FOR STRESS REDUCTION

Уровень техники
Режущие инструменты, такие как фрезерные резцы, представляют собой вращающиеся инструменты цилиндрической, конической, сложной или дискообразной формы, содержащие множество режущих кромок. Подобные резцы доступны во многих формах, таких как обычные цилиндрические, боковые фрезерные резцы, торцевые и концевые фрезы, фасонные резцы и профильные резцы стандартной и специальной формы.
В данной области техники известны концевые фрезы, использующие режущие пластины, установленные в переднем конце инструмента. Концевые фрезы могут иметь различные применения в зависимости от конфигурации режущих пластин, установленных в них. Режущие пластины могут составлять периферийную режущую кромку для бокового фрезерования, переднюю режущую кромку для торцевого фрезерования и изогнутые режущие кромки так называемой "сферической" концевой фрезы для различных копировальных задач. Четырехканавочные фрезы встречаются, вероятно, наиболее часто, но двух-, трех- или шестиканавочные также широко используются. Концевые фрезы широко используются, поскольку они могут выполнять разнообразные фрезеровочные операции, и первоначальная стоимость резца является умеренной. Также широко используются другие формы, помимо цилиндрической. Хвостовик может быть параллельным или скошенным и не обязательно должен быть равным диаметру зубцов резца.
Обычно при эксплуатации концевой фрезы сила резания воздействует на одну кромку резца. Результирующему моменту сопротивляется резцедержатель, который жестко обхватывает хвостовик резца. Если не учитывать тот факт, что направление момента непрерывно изменяется при вращении резца, то можно считать, что на резец воздействует напряжение, как на консоль.
Как изображено на фиг.8-10, обычный режущий инструмент 100, такой как концевая фреза, содержит множество гнезд 102 для размещения пластин, расположенных между множеством канавок 104. Каждое гнездо 102 содержит нижнюю опорную поверхность 106, радиальную опорную поверхность 108 и осевую опорную поверхность 110 для опоры режущей пластины (не изображена), когда она установлена в гнездо 102. Каждое гнездо также может содержать задний угол 112 на пересечении между нижней опорной поверхностью 106 и осевой опорной поверхностью 110 и резьбовое отверстие 114 для размещения резьбовой крепежной детали (не изображена) для крепления режущей пластины в гнезде 102. Моделирования показали, что растягивающее напряжение гнезда 102 при операциях машинной обработки, составляющее приблизительно 742 МПа, расположено вблизи осевой опорной поверхности 110 и заднего угла 112, что дает в результате коэффициент надежности, примерно равный 0,66.
Хотя вышеизложенная проблема напряжения связана с избежанием усталости, которая может привести к поломке инструмента, не менее важным является требование к минимизации отклонения инструмента, для того чтобы улучшить точность и качество обработки поверхности и уменьшить вибрацию и шум. Изгибающий момент, вместе с вращением резца, создает условие полностью симметричного цикла напряжений (чередующиеся растягивающие и сжимающие напряжения), которое является наиболее разрушительным условием для усталости.
Соответственно существует потребность в улучшенном режущем инструменте, который может преодолеть ограничения известного режущего инструмента и уменьшить или устранить общее напряжение режущего инструмента.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Авторы изобретения решили проблему высокого напряжения, связанную с обычными режущими инструментами, путем предоставления элемента гнезда, расположенного вблизи области высокого напряжения на радиальной опорной поверхности, который значительно снижает растягивающее напряжение, тем самым улучшая надежность инструмента и срок службы инструмента.
В одном аспекте, режущий инструмент содержит корпус режущего инструмента, содержащий множество гнезд для размещения режущих пластин, при этом каждое гнездо содержит нижнюю опорную поверхность, радиальную опорную поверхность, осевую опорную поверхность и задний угол между нижней опорной поверхностью и радиальной опорной поверхностью, и элемент гнезда, расположенный по меньшей мере частично вблизи гнезда, где элемент гнезда снижает растягивающее напряжение режущего инструмента при операциях машинной обработки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Хотя изображены различные варианты осуществления изобретения, конкретные изображенные варианты осуществления не должны быть истолкованы как ограничивающие формулу изобретения. Предполагается, что различные изменения и модификации могут быть внесены не выходя за пределы объема данного изобретения.
На фиг.1 изображен вид в изометрии режущего инструмента согласно варианту осуществления изобретения;
На фиг.2 изображен увеличенный вид гнезда режущего инструмента по фиг.1, на котором показан элемент гнезда для снижения напряжения согласно одному варианту осуществления изобретения;
На фиг.3 изображены значения измерения распределения напряжения, воздействующего на гнездо режущего инструмента с элементом гнезда по фиг.2;
На фиг.4 изображен увеличенный вид гнезда режущего инструмента по фиг.1, на котором показан элемент гнезда для снижения напряжения согласно другому варианту осуществления изобретения;
На фиг.5 изображены значения измерения распределения напряжения, воздействующего на гнездо режущего инструмента с элементом гнезда по фиг.4;
На фиг.6 изображен увеличенный вид гнезда режущего инструмента по фиг.1, на котором показан элемент гнезда для снижения напряжения согласно другому варианту осуществления изобретения;
На фиг.7 изображены значения измерения распределения напряжения, воздействующего на гнездо режущего инструмента с элементом гнезда по фиг.6;
На фиг.8 изображен вид в изометрии обычного режущего инструмента;
На фиг.9 изображен увеличенный вид гнезда режущего инструмента по фиг.8; и
На фиг.10 изображены значения измерения распределения напряжения, воздействующего на гнездо режущего инструмента по фиг.8.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ссылаясь на графические материалы, где подобные ссылочные обозначения относятся к подобным элементам, на фиг.1 изображен режущий инструмент 10, который содержит в общем цилиндрический корпус режущего инструмента 12, который в общем обладает радиальной симметрией относительно своей оси 14 вращения. Корпус режущего инструмента 12 предпочтительно, но не обязательно, содержит множество канавок 16, каждая из которых содержит в себе множество гнезд 18. Гнезда 18 расположены с вращательной симметрией относительно оси 14. По меньшей мере одна, но, возможно, больше режущих пластин 12 обладают конфигурацией и размерами, позволяющими помещать их внутри каждого гнезда 18 и прикреплять к нему.
В изображенном варианте осуществления по фиг.1, режущая пластина (не изображена) может быть помещена внутрь соответствующего гнезда 18 и прикреплена к нему. Следует понимать, что изобретение не ограничивается количеством гнезд 18 и что изобретение может быть осуществлено с любым желаемым количеством гнезд 18, в зависимости от линейных размеров корпуса режущего инструмента 12.
Каждое гнездо 18 содержит нижнюю опорную поверхность 20, которая может располагаться под углом относительно оси 14. Гнездо 18 также содержит осевую опорную поверхность 22 и радиальную опорную поверхность 24, которые составляют осевую и радиальную несущую поверхность, соответственно, для боковых стенок пластины, когда она установлена в гнездо 18. Задний угол 26 расположен между нижней опорной поверхностью 20 и осевой опорной поверхностью 22. В изображенном варианте осуществления радиус заднего угла 26 составляет приблизительно 0,047 дюйма (приблизительно 1,19 мм). Тем не менее, радиус заднего угла 26 зависит от конструкции режущей пластины и от других факторов.
Резьбовое отверстие 28 проходит через центр нижней опорной поверхности 20 и по существу перпендикулярно ей. В собранном положении режущего инструмента 10, каждая из режущих пластин удерживается внутри гнезда 18 с помощью зажимного винта (не изображен), который проходит через отверстие режущей пластины и соединяется посредством резьбы с резьбовым отверстием 28 в гнезде 18.
Как изображено на фиг.2, один аспект изобретения заключается в том, что элемент 30 гнезда расположен вблизи гнезда 18 режущего инструмента 10. В частности, элемент 30 гнезда расположен на стенке 32 между осевой опорной поверхностью 22 и радиальной опорной поверхностью 24 гнезда 18. Конкретнее, элемент 30 гнезда расположен вблизи области наивысшего растягивающего напряжения в обычном гнезде, обладающем конструкцией, подобной той, что изображена на фиг.10. В изображенном варианте осуществления по фиг.2, элемент 30 гнезда имеет форму круглой выемки или углубления, глубина которого составляет приблизительно половину его диаметра.
Как изображено на фиг.3, было обнаружено, что элемент 30 гнезда в форме круглой выемки, расположенный на стенке 32 вблизи области наивысшего растягивающего напряжения в обычном гнезде, обладающем подобной конструкцией, приводит к неожиданному результату, который заключается в значительном уменьшении растягивающего напряжения гнезда. В частности, моделирования растягивающего напряжения гнезда 18 режущего инструмента 10 демонстрируют приблизительно 434 МПа, по сравнению с растягивающим напряжением, приблизительно равным 742 МПа в обычном гнезде 102 режущего инструмента 100.
Как изображено на фиг.3, растягивающее напряжение было более широко рассеяно в области между осевой опорной поверхностью 22 и стенкой 32. Кроме этого, растягивающее напряжение гнезда 18 расположено в точке 34, отдаленной от заднего угла 26, по сравнению с расположением растягивающего напряжения, которое находится непосредственно вблизи заднего угла 112 в обычном гнезде 102. Благодаря наличию элемента 30 гнезда согласно изобретению, растягивающее напряжение гнезда значительно снижается, что приводит к намного большему коэффициенту надежности для усталости, равному примерно 1,43 для режущего инструмента 10, по сравнению с обычным режущим инструментом 100.
Следует понимать, что форма элемента 30 гнезда не ограничивается формой круглой выемки, изображенной на фиг.2, и что изобретение может быть осуществлено в любой желаемой форме, содержащей одну или более изогнутых поверхностей, при условии, что данная углубленная форма расположена вблизи области наивысшего растягивающего напряжения гнезда.
Как изображено на Фиг.4, элемент 30 гнезда имеет форму углубления, обладающего каплевидной формой, согласно альтернативному варианту осуществления изобретения. Глубина элемента 30 гнезда составляет приблизительно половину ширины каплевидной формы. Другими словами, отношение максимальной ширины к максимальной глубине составляет примерно 2:1. Подобно элементу 30 гнезда, изображенному на фиг.2, элемент 30 гнезда, изображенный на фиг.4, расположен на стенке 32 между осевой опорной поверхностью 22 и радиальной опорной поверхностью 24 гнезда 18. Точнее, элемент 30 гнезда расположен вблизи области наивысшего растягивающего напряжения в обычном гнезде, обладающем конструкцией, подобной той, что изображена на фиг.10.
Как изображено на фиг.5, моделирования растягивающего напряжения гнезда 18 режущего инструмента 10 демонстрируют приблизительно 411 МПа, по сравнению с растягивающим напряжением, приблизительно равным 742 МПа в обычном гнезде 102 режущего инструмента 100.
Как изображено на фиг.5, растягивающее напряжение было более широко рассеяно в области между осевой опорной поверхностью 22 и стенкой 32, а также частично расположено внутри элемента 30 гнезда. Кроме этого, растягивающее напряжение гнезда 18 расположено в точке 34, отдаленной от заднего угла 26, по сравнению с расположением растягивающего напряжения, которое находится непосредственно вблизи заднего угла 112 в обычном гнезде 102. Благодаря наличию элемента 30 гнезда согласно изобретению, растягивающее напряжение гнезда значительно снижается, что приводит к намного большему коэффициенту надежности для режущего инструмента 10, по сравнению с обычным режущим инструментом 100.
В предыдущих вариантах осуществления, изображенных на фиг.2-5, элемент 30 гнезда расположен исключительно на стенке 32 между осевой опорной поверхностью 22 и радиальной опорной поверхностью 24. Тем не менее, следует понимать, что изобретение не ограничивается элементом 30 гнезда, размещенным исключительно на стенке 32, и что в изобретении элемент 30 гнезда может быть расположен в общем между осевой опорной поверхностью 22 и радиальной опорной поверхностью 24.
Как изображено на Фиг.6, элемент 30 гнезда имеет форму углубления, обладающего каплевидной формой, согласно альтернативному варианту осуществления изобретения. Подобно элементу 30 гнезда, изображенному на фиг.4, глубина элемента 30 гнезда составляет приблизительно половину ширины каплевидной формы. Тем не менее, в отличие от элемента 30 гнезда, изображенного на фиг.4, элемент 30 гнезда, изображенный на фиг.4, расположен не только на стенке 32 между осевой опорной поверхностью 22 и радиальной опорной поверхностью 24 гнезда 18, на также проходит в канавку 16.
Как изображено на Фиг.7, моделирования растягивающего напряжения гнезда 18 режущего инструмента 10 демонстрируют приблизительно 372 МПа, по сравнению с растягивающим напряжением, приблизительно равным 742 МПа в обычном гнезде 102 режущего инструмента 100. В результате достигается коэффициент надежности, равный приблизительно 1,60, для усталости конструкции гнезда согласно изобретению, по сравнению с коэффициентом надежности, равным приблизительно 0,66 в обычной конструкции гнезда.
Как изображено на фиг.7, растягивающее напряжение было более широко рассеяно в области между осевой опорной поверхностью 22 и стенкой 32, а также частично расположено внутри элемента 30 гнезда. Кроме этого, растягивающее напряжение гнезда 18 расположено в точке 34, отдаленной от заднего угла 26, по сравнению с расположением растягивающего напряжения, которое находится непосредственно вблизи заднего угла 112 в обычном гнезде 102. Фактически, расположение 34 растягивающего напряжения находится внутри элемента 30 гнезда. Благодаря наличию элемента 30 гнезда согласно изобретению растягивающее напряжение гнезда значительно снижается, что приводит к намного большему коэффициенту надежности для режущего инструмента 10 по сравнению с обычным режущим инструментом 100.
Как видно из вышеприведенных измерений, наличие элемента 30 гнезда приводит к неожиданному результату, который заключается в значительном снижении растягивающего напряжения режущего инструмента, благодаря чему значительно повышается коэффициент надежности. Благодаря предоставлению элемента 30 гнезда в области максимального напряжения, растягивающее напряжение уменьшилось почти на 50% по сравнению с растягивающим напряжением в обычном режущем инструменте.
Содержание патентов и других документов, упомянутых в настоящей заявке, включено в нее посредством ссылки. Другие варианты осуществления изобретения будут очевидны специалистам в данной области из технического описания или применения изобретения, раскрытых в настоящей заявке. Предполагается, что техническое описание и примеры приведены лишь для наглядности и не должны расцениваться как ограничивающие объем изобретения. Истинный объем и идея изобретения указаны в следующей формуле изобретения.