СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕДНЕГО УГЛА В ТОРЦОВОМ СЕЧЕНИИ ОСЕВЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
METHOD OF DETERMINING FACE ANGLE IN END SECTION OF ROTARY CUTTING TOOLS

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при контроле переднего угла в торцовом сечении группы осевых режущих инструментов с диаметром более 3 мм: сверл, зенкеров, разверток, метчиков и др.
Из уровня техники известен способ измерения передних и задних углов многолезвийного осевого инструмента с использованием прибора - угломера конструкции Бабчиницера («Режущий инструмент», лабораторный практикум, под общ. ред. Н.Н.Щеголькова/ Н.Н.Щегольков, Г.Н.Сахаров, О.Б.Арбузов и др., М., Машиностроение, 1985, с.51).
Недостатком данного способа является невозможность контроля геометрии инструментов малого диаметра, 8-10 мм и менее, ввиду того, что измерительные планки угломера не входят в малоразмерные канавки и не обеспечивается их базирование на окружности малого радиуса. Кроме того, использование прибора невозможно при числе зубьев инструментов менее 3-х, что указано на шкале прибора.
Также из уровня техники известно усовершенствование указанного выше прибора путем введения дополнительной планки. Данный прибор для измерения передних и задних углов зубьев многолезвийного режущего инструмента с целью повышения точности измерения переднего угла содержит дугообразную несущую, на которой установлен, с возможностью перемещения по ней, сектор с измерительной планкой, опорную планку и направляющую. В направляющей выполнен паз, предназначенный для установки в нем опорной планки с возможностью перемещения вдоль паза. Упорная поверхность направляющей перпендикулярна опорной поверхности паза (G01B 5/24, RU 2031353 С1, 20.03.1995).
Недостатками вышеуказанного прибора являются невозможность использования его для инструментов небольших диаметров и с числом зубьев менее 3-х.
Кроме того, из уровня техники известно устройство для измерения двугранного угла. Устройство содержит подвижные переставные стержни, установленные в корпусе и контактирующие с гранями угла. Переставные стержни выполнены в виде двух лекальных прямых призматических пластин прямоугольного сечения, телескопически соединенных друг с другом. В охватывающей пластине выполнен продольный паз, в который входит охватываемая пластина с возможностью взаимного перемещения и фиксации пластин относительно друг друга. Боковые грани охватываемой пластины снабжены угловыми шкалами для считывания угла. Угол отмечается плоскостью торцовой части, охватывающей пластины при контакте четырех длинных ребер торцовых частей обеих пластин с плоскостями граней двугранного угла (G01B 5/24, RU 2247316 С1, 27.02.2005).
Для измерения переднего угла инструментов небольших диаметров (порядка 10-15 мм) данное устройство непригодно, один из стержней не пройдет в канавку инструмента малых размеров, а для второго стержня отсутствует необходимая опорная база. Если предположить, что один из стержней будет иметь малые размеры, то, во-первых, сложно проверить правильность его базирования по передней грани, и, во-вторых, отсутствует поверхность для базирования второго стержня.
Также известны способы контроля осевых режущих инструментов - метчиков, червячных фрез и др. с помощью штангенрейсмуса или с использованием специальных приборов типа КЗФ («Режущий инструмент» Лабораторный практикум, под общ. ред. Н.Н.Щеголькова, М., Машиностроение, 1985, с.66, 67; с.110, 111); (см. также «Процессы формообразования и САПР металлорежущего инструмента», учебное пособие под ред. В.А.Гречишникова, М., МГТУ «Станкин», 2010, с.162, 163).
Указанные способы непригодны для инструментов небольшого диаметра (10-12 мм и менее) ввиду того, что измерительный наконечник приборов, контактирующий с передней поверхностью инструмента, не входит по размерам в канавку инструмента. Если специально изготовить наконечник малых размеров, то он не будет достаточно жестким; кроме того, проверить правильность его базирования по передней поверхности зуба измеряемого объекта, особенно винтового, весьма затруднительно.
Известные из уровня техники способы и устройства для контроля переднего угла были проверены авторами экспериментально.
Один из таких способов состоял в распиливании тонкой проволокой монолитного твердосплавного инструмента диаметром 6 - 8 мм в торцовом сечении, с последующим измерением геометрии полученного сечения на микроскопе.
Описанный способ, как показали проведенные опыты, можно использовать для измерения, прежде всего геометрии и формы канавки и зуба. При этом контролируемый инструмент разрушается, теряет размеры и работоспособность; требуется электрохимический станок, а трудоемкость измерений высока. Кроме того, при распиливании, даже тонкой проволокой, края распила на наружном диаметре, то есть около вершины зубьев, получаются несколько «заваленными» из-за врезания (или выхода) проволоки в процессе распиливания. Торцовое сечение, полученное распиливанием, получается с отклонением от плоскостности, что приводит к не совсем резкому ее изображению при контроле на микроскопе. Этот недостаток можно исправить дополнительным шлифованием, но при этом трудоемкость контроля еще более возрастает.
Из уровня техники известны также лазерные приборы, которые позволяют производить линейные измерения с высокой точностью. Для опытного измерения геометрии инструмента авторами был использован лазерный сканирующий конфокальный микроскоп Olympus LEXT OLS -3100 (производитель Япония: http://www.etr-russia.com/Lext.html). На приборе сканировались передняя и задняя поверхности зуба в торцовом сечении, определялся угол β заострения и, при известном заднем угле, рассчитывался передний угол.
Недостатками такого способа являются высокая стоимость прибора и трудоемкость измерений, зависимость точности определения переднего угла от точности предварительных измерений на других приборах заднего угла.
Также из уровня техники известен способ измерения углов на инструментальном микроскопе («Измерение и контроль геометрических параметров деталей машин и приборов», учебное пособие, Г.Р.Муслина, Ю.М. Правиков, Ульяновск, под общ. ред. Л.В.Худобина, УлГТУ, 2007, с.167 - 172, электронное издание: venec.ulstu.ru/lib/go.php?id=1748).
Данный способ измерения состоит в совмещении визирных (штриховых) линий визирного (основного) окуляра с профилем измеряемого объекта. Угловое положение визирной линии относительно начального, базового ее положения отсчитывается по шкале углового (отсчетного) окуляра и определяет измеряемый угол профиля (например, профиля резьбы: см. последний аналог, с.171,172). При измерении угла профиля резьбы установка детали производится так, что ось резьбы параллельна одной из двух взаимно перпендикулярных визирных линий, при этом вторая линия при измерении угла совмещается с боковым профилем резьбы.
Описанный выше способ непригоден для контроля переднего угла в торцовом сечении инструментов, для которых невозможно получить изображение линии торцового сечения в окуляре микроскопа. К таким относится значительная группа осевых инструментов: спиральные сверла, зенкеры, развертки, метчики и др.
Например, кромка АВ спирального сверла с вершиной в точке А не лежит в торцовом сечении сверла (фиг.1). Поэтому, используя кромку, невозможно получить линию торцового сечения винтовой передней поверхности зуба.
Для этой группы инструментов, если они имеют небольшие размеры, также сложно или невозможно использовать и другие, описанные выше, известные способы измерения торцового переднего угла.
Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении возможности простого, с низкой трудоемкостью, измерения регламентированного переднего угла в торцовом сечении значительной группы осевых режущих инструментов (сверл, зенкеров, разверток, метчиков и др.) с диаметром более 3 мм, с любым числом зубьев, в том числе менее трех, с использованием распространенных стандартных измерительных средств - инструментальных микроскопов.
Технической задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является создание на измеряемом инструменте такой линии торцового сечения, резкое изображение которой можно получить в основном (визирном) окуляре микроскопа и расположение которой вдоль оси инструмента и относительно визирной линии окуляра позволило бы определить передний угол инструмента в торцовом сечении.
Указанный технический результат достигается путем реализации способа определения переднего угла в торцовом сечении осевых режущих инструментов, осуществляемого посредством инструментального микроскопа, заключающегося в том, что первоначально к передней поверхности зуба инструмента в его торцовом сечении на технологически регламентированном расстоянии L от вершины зуба инструмента осуществляют фиксацию вспомогательного средства для продления поверхности переднего угла в виде прямолинейной упругой полоски, обеспечивающей визуальное восприятие переднего угла, затем инструмент устанавливают ортогонально плоскости стола микроскопа таким образом, чтобы визирная линия окуляра проходила через вершину зуба и через продольную ось инструмента, после чего объектив микроскопа перемещают в вертикальной плоскости в направлении инструмента на упомянутое расстояние L с последующим поворотом стола микроскопа или поворотом окуляра до совмещения визирной линии с продольной гранью полоски, и определяют угол Ө, а затем определяют передний угол γ по следующей зависимости:
γ=(360/P)·L-Ө, где:
L - расстояние от вершины зуба инструмента до полоски вдоль оси инструмента, мм;
Ө - угол поворота стола микроскопа или окуляра, градус;
Р - осевой шаг винтовой канавки, мм.
Фиксацию полоски предпочтительно осуществляют посредством клеящего карандаша.
Заявленное техническое решение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 изображена схема крепления полоски на инструменте (сверле);
- на фиг.2 - схема поворота инструмента (сверла) на угол Ө при определении переднего угла γ (сеч.Т-Т, см. фиг.1);
- на фиг.3 - схема установки инструмента (сверла) на микроскопе;
- на фиг.4 - расположение вершин зубьев инструмента (сверла) относительно визирных линий на виде М (см. фиг.3);
- на фиг.5 - позиционирование полоски при измерении переднего угла γ на инструменте (метчике).
На фиг.1: 1 - инструмент (сверло); 2 - передняя поверхность зуба; 3 - полоска; АВ и ЕС - кромки инструмента; Т-Т - торцовое сечение инструмента; L - расстояние от вершины А зуба инструмента до полоски; О - ось инструмента.
1
2
На фиг.2: 3 - полоска; 4 - зуб инструмента (сверла) в торцовом сечении Т-Т (см. фиг.1 и фиг.3); 3' - полоска после поворота инструмента по стрелке К на угол Ө; 4' - зуб инструмента после поворота на угол Ө; l - длина полоски; b - толщина полоски; h - высота контакта полоски с передней поверхностью; л и л - визирные линии; О- ось инструмента.
На фиг.3: 1 - инструмент (сверло) с диаметром D и с углом ω наклона зуба; 3 - полоска; 5 - объектив (визирный); 6 - призма; 7 - угловая шкала; 8 - поворотный стол; Т-Т - торцовое сечение; L - расстояние от вершины зуба инструмента до полоски; О - ось инструмента.
1
2
На фиг.4: 1 - инструмент (сверло); 6 - призма; л и л - визирные линии; А и С - вершины зубьев; О - ось инструмента.
На фиг.5: 1 - торцовое сечение инструмента (метчика); 2 - передняя поверхность зуба инструмента; 3 - полоска; D - диаметр инструмента.
Способ определения переднего угла в торцовом сечении осевых режущих инструментов осуществляется следующими действиями.
На расстоянии L от вершин зубьев инструмента 1 (например, сверла), в торцовой плоскости Т-Т, на передней поверхности 2 зуба закрепляют полоску 3 (фиг.1). Полоска 3 должна быть прямолинейной и упругой.
В проведенных авторами опытах использовались различные материалы для изготовления полоски, в том числе металл и пластик. Оба материала показали пригодность. В частности, применялась полоска из лезвия бритвы, толщиной 0,1 мм. Рекомендуемые размеры полоски: толщина b=0,05 - 0,2 мм; длина l = 5-15 мм; ширина полоски 0,3-1,5 мм; высота h крепления h≈0,8 -5 мм для инструментов с диаметром D=3-30 мм; большие размеры принимают для больших D (фиг.2)
Для крепления полоски рекомендуется применять клеящий карандаш, например, марки UHU. Крепление производят простым прижиманием полоски к передней поверхности. После измерений полоска легко снимается.
1
1
2
1
Инструмент 1 с полоской 3 устанавливают в призме 6 (или во втулке) на столе 8 со шкалой 7 инструментального микроскопа с основным (визирным) объективом 5 так, что ось инструмента перпендикулярна плоскости стола (фиг.3), а визирная линия л, видимая в окуляре, проходит через вершину А зуба и пересекает ось в точке О (фиг.4). Для инструментов с четным числом зубьев линия л при этом проходит также через вершину другого зуба (для сверла - через вершину С). При этом визирная линия л,нормальная к л, может проходить или не проходить через точку О оси инструмента (это не влияет на правильность измерений).
1
Объектив 5 смещают по направлению к инструменту 1 на величину L и поворачивают по стрелке К стол 8 с инструментом 1 вокруг вертикальной оси, перпендикулярной плоскости стола, на некоторый угол 8, величину которого отсчитывают по угловой шкале 7 (фиг.2, 3). Величину угла поворота 9 устанавливают из условия, что после поворота фрезы вместе с зубом 4 и полоской 3 линия полоски должна совпасть с горизонтальной визирной линией л (фиг.2). При этом зуб 4 займет положение 4', а полоска 3 - положение 3'. (Для инструмента с левыми винтовыми зубьями направление поворота будет обратным).
Совмещение полоски с визирной линией осуществляют, помимо поворота стола 8, его перемещениями в горизонтальной плоскости, перпендикулярной к оси инструмента (фиг.3). Возможность перемещения предусмотрена на инструментальных микроскопах всех типов (ГОСТ 8074-82). При этом меняется фактическое положение вертикальной оси, вокруг которой осуществлен поворот на угол 9. Изменение положения оси не влияет на правильность измерения угла Ө. Поэтому инструмент можно устанавливать на столе 8 свободно, не фиксируя координаты оси в плоскости стола микроскопа, т.е. координаты точки О (фиг.2, 3).
Таким образом, измерение угла Ө поворота осуществляется весьма просто.
После измерения угла Ө передний угол у рассчитывают по приведенной выше формуле.
Для инструментов с прямыми (не винтовыми) канавками, т.е. при ω =0, получаем: шаг Р - бесконечно большая величина, (360/P)·L =0 и
γ=-Ө. Знак «минус» перед Ө практически означает, что поворот стола (окуляра) до совмещения визирной линии с полоской будет иметь противоположное направление.
1
Некоторые инструментальные микроскопы (например, тип А, ГОСТ 8074-82) не имеют поворотного стола 8 со шкалой 7 (фиг.3). Измерение переднего угла на микроскопах такого типа осуществляют в последовательности, описанной выше. Отличие состоит в том, что угол 8 после установки инструмента на столе микроскопа устанавливают не поворотом стола, а поворотом визирной линии л до ее совмещения с полоской 3 (направление поворота противоположно стрелке К, фиг.2). Отсчет угла Ө производят в этом случае не по шкале 7 (фиг.3), а по шкале окуляра угломерной головки. Эта шкала состоит из градусной и минутной шкал и точность (ошибка) отсчета - около 1 минуты.
Указанный способ измерения можно использовать также и на микроскопах, имеющих поворотный стол. Однако недостаток его заключается в том, что требуется использовать угловой окуляр микроскопа, помимо основного (визирного).
Пример. Определение переднего угла в торцовом сечении спирального сверла.
Сверло имеет размеры:
диаметр D= 5 мм; Р= 32,2 мм; ω= 26°;
полоска закреплена на расстоянии L=3 мм от вершины А зуба;
измеренный на микроскопе угол Ө =30°27'=30,45°.
Передний угол γ в торцовом сечении:
γ=(360/32,2)·3-30,45=3,09°≈3°05'.
Если осевой шаг Р не задан, а задан только угол со наклона к оси инструмента винтового зуба, то шаг рассчитывают по следующей известной из уровня техники формуле: Р=πD ctg ω.
Заявленный способ позволяет осуществлять измерение регламентированного переднего угла в торцовом сечении значительной группы осевых инструментов с диаметром более 3мм на стандартных и распространенных инструментальных микроскопах различной модификации.
Способ проверен большим числом опытных измерений.
Для сравнения проведены также измерения другими способами, в том числе на лазерном микроскопе.
Заявленный способ отличается простотой и малой трудоемкостью. Кроме того, способ может быть использован для инструментов с любым числом зубьев, в том числе с двумя зубьями, что часто имеет место для некоторых типов инструментов, а также при малых D.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет достигнуть заявленный технический результат. При этом простота и малая трудоемкость способа обеспечивается использованием простых средств и действий: закреплением к передней поверхности инструмента полоски, например, с использованием клеящего карандаша, установки инструмента на столе прибора, измерения угла поворота стола (или визирной линии) и определения переднего угла по элементарной зависимости.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- способ, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для измерения регламентированного переднего угла в торцовом сечении и может быть использован для значительной группы осевых режущих инструментов с диаметром более 3 мм на распространенных стандартных инструментальных микроскопах различных типов; в том числе для инструментов с малым (менее трех) числом зубьев;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств;
- способ, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный способ соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.