Торцевая фреза для обработки армированных волокном материалов, таких как углепластик
FACE MILL FOR PROCESSING THE REINFORCED FIBER MATERIALS, SUCH AS CARBON FIBER REINFORCED PLASTIC

Изобретение относится к торцевой фрезе для обработки армированных волокном материалов, таких как углепластик согласно пункту 1 формулы изобретения.
При фрезерной и сверлильной обработке армированных волокном материалов, таких как углепластик, композиционные материалы на стекловидной основе и армированные полиэфирной нитью полимеры, часто возникает проблема, связанная с вырыванием отдельных волокон или расслаиванием полиэфирной нити. Это происходит при обработке заготовки из такого материала традиционным режущим инструментом. То есть, происходит вырывание отдельных волокон по краю места обработки, в то время как другие волокна придавливаются к краю места обработки проходящим инструментом, в результате чего они срезаются лишь на одном выступающем за край обрабатываемого места конце и выдаются, соответственно, за края после обработки. По этой причине, как правило, после грубой или черновой обработки производится финальная, то есть чистовая обработка или зачистка.
Исходя из известных фрез для черновой и чистовой обработки, представленных например, в патентном описании DE 3742942 C1 (Германия), описании полезной модели DE 8609688 U1 (Германия) или патентном описании US 4285618 В (США), в которых каждому проходному резцу соответствует двигающийся за ним чистовой резец, были предприняты попытки и в области обработки армированных волокном и многослойных материалов с целью обеспечить как грубую или черновую обработку, так и финальную, то есть чистовую обработку/зачистку с помощью одного инструмента, и, соответственно, улучшение качества поверхности при более коротком времени обработки.
Так, например, в описании полезной модели DE 20209768 U (Германия) представлено ступенчатое сверло для обработки многослойных материалов, у которого главные резцы на ступени смещены относительно друг друга таким образом, что один главный резец является проходным, а другой зачистным. В описании полезной модели DE 20211589 U1 представлено еще одно сверло для обработки деталей из многослойных материалов, у которого две поперечные кромки, предназначенные для первичной обработки, притуплены и выполнены в виде протяжного инструмента, а соответствующие, следующие за ними в окружном направлении, поперечные кромки, предназначенные для финальной обработки, оснащены вспомогательными резцами и выполнены в виде развертки. Похожие сверла представлены в описаниях полезной модели DE 20211592 U и DE 20304580 U1, причем используются широкие спиральные фаски для укрепления сверленого отверстия и закругленные острия, не допускающие вырывания нитей.
Торцевая фреза для обработки армированных волокном материалов, в которой также реализована идея разделения поперечных кромок по функциям на кромки для первичной обработки, выполняющие основную резку, и следующие за ними кромки для финальной обработки, представлена в патентном описании DE 112009000013 В4. Там поперечные кромки для первичной обработки имеют левую винтовую линию, а кромки для доработки - правую. Это сделано с целью не допустить образования грата.
Кроме того известны фрезерные инструменты для обработки полимерных материалов, у которых периферийные поверхности поперечных кромок подобно напильникам оснащены зубцами, которые преимущественно образованы пересекающимися канавками, имеющими по сравнению с диаметром инструмента относительно небольшую глубину. Такой инструмент представлен в патентном описании DE 736449 (Германия), а также в патентном описании подателя заявки DE 10232037 В4 (Германия).
Из патентного описания US 5,221,163 (США) и международной заявки WO 2010/061933 A1 известно использование инструмента для обработки армированных волокном материалов, содержащего поверхностные канавки и стружколомные канавки.
Из патентного описания US 6,164,876 известен инструмент с двумя поперечными кромками, одна из которых содержит большое количество зубцов, а другая традиционную режущую грань.
В основе настоящего изобретения лежит задача усовершенствования торцевой фрезы для обработки армированных волокном материалов с целью сокращения времени обработки и улучшения качества поверхности.
Данная задача решается благодаря признакам пункта 1.
В изобретении производится типичное для режущего инструмента разделение функций на первую и вторую обработку, причем различные функции обработки выполняются с помощью выполненных в различной форме поперечных кромок. Для этого предусмотрена как минимум одна из расположенных вокруг центрального сегмента цилиндра и отделенных друг от друга в окружном направлении стружечными канавками поперечная кромка первого типа, называемая в дальнейшем кромкой первичной обработки, и одна из поперечных кромок второго типа, называемая в дальнейшем кромкой финальной обработки. Впрочем, трудно сказать, какая обработка при использовании вращающегося режущего инструмента осуществляется сначала, а какая потом, поэтому данное обозначение не следует понимать в ограничительном смысле. Как и типичный режущий инструмент, на поперечных кромках которого периферийно расположены режущие грани и прилегающие к ним спиральные фаски, служащие для придания жесткости, режущий инструмент в соответствии с изобретением содержит поперечные кромки, каждая из которых включает периферийно расположенную рабочую зону, которая может располагаться не только сегментообразно по спирали вокруг оси инструмента, но и, при других формах исполнения, по оси инструмента, то есть параллельно оси инструмента, если стружечные канавки не имеют форму спирали.
Изобретатель установил, что благодаря сочетанию периферийных рабочих зон с большим количеством зубцов, известных из области обработки полимерных материалов, с одной стороны, и многочисленных поверхностных канавок, служащих в качестве чистовых или зачистных резцов, с другой стороны, можно добиться особенно хороших показателей качества поверхности обрабатываемых заготовок из армированных волокном материалов.
Таким образом, в соответствии с изобретением рабочая зона каждой поперечной кромки для чистовой обработки выполнена в виде периферийно расположенного напильника с многочисленными зубцами - как это известно из области обработки полимерных материалов. То есть зубцы встроены в сегментообразную наружную поверхность рабочей зоны, имеющую форму поверхности цилиндра. Однако в отличие от известных режущих инструментов для полимеров поперечные кромки для финальной обработки имеют другую функцию и форму исполнения: В рабочей зоне каждой поперечной кромки для финальной обработки предусмотрено определенное количество острых резцов, расположенных параллельно или сегментообразно по спирали вокруг оси инструмента, речь идет о резцах на заостренном режущем клине с положительном передним углом реза, например 5-15°, предпочтительно 8°. При этом в число острых резцов как минимум на одной поперечной кромке для чистовой обработки входят многочисленные резцы, предусмотренные на соответствующей периферийной поверхностной канавке, причем поверхностные канавки встроены в сегментообразную наружную поверхность рабочей зоны, имеющую форму поверхности цилиндра, и располагаются параллельно друг другу и с определенным шагом относительно стружечной канавки, предваряющей как минимум одну поперечную кромку для чистовой обработки. То есть периферийная рабочая зона на поперечной кромке для чистовой обработки пронизана поверхностными канавками, расположенными сегментообразно по спирали параллельно друг другу, имеющими ход по типу винтовой резьбы.
Исходным пунктом является геометрия инструмента, имеющая в принципе тот же эффект, что и у известных фрез и сверл для черновой и чистовой обработки, который состоит в том, что поперечная кромка для чистовой обработки осуществляет грубую или первичную обработку, при которой отдельные зубцы снимают большой объем материала, в то время как поперечные кромки для чистовой обработки осуществляют зачистку или финальную обработку. Использование отдельных зубцов ведет, по-видимому, к раздроблению материала, однако позволяет в значительной мере избежать вырывания отдельных нитей. То есть при ударе зубцов черновой или первичной поперечной кромки происходит лишь точечное снятие материала, позволяющее в значительной мере избежать вырывания отдельных волокон из армированных волокном материалов. При зачистке срезаются остатки материала, в особенности, выступающие на предварительно обработанной стенке.
Данная геометрия инструмента в сочетании с поверхностными канавками чистовой поперечной кромки (предпочтительно чистовых поперечных кромок) обеспечила при проведении экспериментов наиболее высокое качество поверхности, особенно при работе с армированными полиэфирной нитью материалами, наиболее подверженными расслаиванию, которого в экспериментах успешно удалось избежать. При этом поверхностные канавки, и, соответственно, чистовые резцы, могут быть относительно плоскими, то есть иметь относительно небольшой угол спирали, например > 30°, благодаря чему удается избежать фронтального удара в полную силу по концам нити, удар приходится скорее со стороны, как при резе ножом с меньшей силой, но в течение более продолжительного времени или за счет более длинного лезвия.
В дополнение к многочисленным, предусмотренным на соответствующей поверхностной канавке чистовым резцам, среди острых, то есть чистовых, резцов на одной или нескольких других поперечных кромках для чистовой обработки, вдоль заостренного режущего клина, между стружечной канавкой, предваряющей чистовую поперечную кромку, и контуром чистовой поперечной кромки может располагаться традиционный резец, к которому, в случае альтернативного исполнения, может прилегать спиральная фаска, или некая подобная ей, служащая для придания жесткости периферийная рабочая зона. Допустимым также представляется предусмотреть на одних, одной или или нескольких чистовых поперечных кромках поверхностные канавки, а на других, одной или нескольких чистовых поперечных кромках предусмотреть традиционный резец.
Наиболее благоприятным оказалось исполнение, при котором предусмотрена как минимум одна чистовая поперечная кромка, содержащая несколько, предусмотренных на соответствующей поверхностной канавке, резцов с положительным шагом, и вторая чистовая поперечная кромка, содержащая несколько, предусмотренных на соответствующей поверхностной канавке, резцов с отрицательным шагом. Таким образом, число оборотов режущего инструмента, достигающее нескольких тысяч или десятков тысяч оборотов в минуту, обеспечивает характер реза, подобный «ножничному», при котором выступающие из стенки концы волокна срезаются, как при резе ножницами.
Благодаря разнонаправленному расположению поверхностных канавок, и, соответственно, резцов на первой и второй чистовой поперечной кромке, результат описанного эффекта ножниц может быть улучшен в зависимости от обрабатываемого материала или от волокон, используемых для армирования фрезеруемой или просверливаемой детали, за счет правильного выбора угла спирали или шага, или угла подъема винтовой линии, с которым поверхностные канавки, и, соответственно, резцы наклонены к оси инструмента, а также разнонаправлены относительно друг друга. Было выяснено, что угол спирали с минимальным абсолютным значением в 15-20° является предпочтительным для всех армированных волокном материалов. Угол спирали представляет собой угол, образуемый резцами и осью инструмента в плоскости проекции.
Таким образом, угол спирали поверхностных канавок на первых или вторых чистовых поперечных кромках может быть более отвесным, а угол спирали на других чистовых поперечных кромках более плоским, причем допустима также ситуация, при которой угол спирали на первых и вторых чистовых поперечных кромках положителен или отрицателен, если только разница значений достаточна для обеспечения ножничного реза.
Предпочтительной в любом случае является их разнонаправленность, то есть на одной (например, первой) обрабатывающей кромке имеет место положительное значение, а на другой (например, на второй) - отрицательное. Для обработки материалов с полиэфирной нитью предпочтительной оказалась ситуация, при которой канавки разнонаправлены относительно друг друга под углом около 45°, то есть если пересечение на их отображении в определенной точке детали составляет 45°. Однако для нитей из кевлара подходящим оказался угол пересечения в 60°, а для аримита угол пересечения в 120°, приближенно в обоих случаях. Для улучшения корреспондирующего эффекта поверхностных канавок на первой чистовой поперечной кромке и разнонаправленных по отношению к ним, выполненных с другим углом, поверхностных канавок или резцов на второй чистовой поперечной кромке предпочтительной является ситуация, при которой поверхностные канавки на всех чистовых поперечных кромках совпадают по размерам.
Преимуществом также является наличие четного числа стружечных канавок, и, соответственно, четного числа поперечных кромок, благодаря чему удается обеспечить чередование черновых и чистовых поперечных кромок в окружном направлении. Один из предпочтительных усовершенствованных вариантов содержит четыре стружечные канавки и поперечных кромки, из которых две представляют собой черновые поперечные кромки с периферийными векторами, а две являются чистовыми, из которых одна выполнена в виде первой чистовой поперечной кромки, а вторая в виде второй чистовой поперечной кромки, причем в окружном направлении между обеих чистовых поперечных кромок предусмотрена черновая поперечная кромка. Однако допустимы и формы исполнения изобретения, содержащие шесть, восемь или более поперечных кромок, обеспечивающие возможность чередования черновых и чистовых поперечных кромок в окружном направлении.
Дополнительным преимуществом является как наличие на чистовых поперечных кромках острого резца вдоль грани по направлению к предваряющей стружечной канавке, так и наличие острых резцов на поверхностных канавках, причем поверхностные канавки имеют иной угол подъема винтовой линии или угол спирали, чем стружечные канавки, и прерывают, таким образом, резец вдоль стружечной канавки. Таким образом, поверхностные канавки дополнительно выполняю функцию стружколомных канавок для резца вдоль стружечной канавки.
Дополнительным преимуществом является наличие как минимум одного заостренного клина, расположенного предпочтительно вдоль каждой черновой поперечной кромки, между стружечной канавкой, предваряющей черновую поперечную кромку, и контуром черновой поперечной кромки, благодаря чему черновая поперечная кромка вместе с режущем клином может глубоко входить в материал и за один оборот раздроблять зубцами для черновой обработки толстые слои материала.
При этом зубцы имеют предпочтительно многоугольную и ромбовидную площадь основания, а также форму пирамиды, и расположены на наружной поверхности рабочей зоны соответствующей черновой поперечной кромки вдоль линий, пересекающихся с положительным и отрицательным шагом. Такого рода пирамиды довольно таки легко изготавливаются или встраиваются вдоль перекрещивающихся линий путем врезания канавок.
Особой жесткости при погружении в сплошной материал удается достичь, если поперечные кромки распределены по всему инструменту равноудалено друг от друга, если углы фаз режущей грани одной поперечной кромки и режущей грани другой, следующей за ней, поперечной кромки, равны или приблизительно равны. Положительной, с точки зрения обеспечения жесткости, и, соответственно, точности сверления или фрезерования, является также ситуация, при которой рабочая зона каждой черновой поперечной кромки распространятся на всю ее периферийную поверхность от предваряющей стружечной канавки до соответствующей последующей стружечной канавки, а не только на зону относительно небольшой спиральной фаски, то есть когда черновая поперечная кромка или каждая черновая поперечная кромка не содержит задней поверхности. То же самое касается чистовой поперечной кромки или чистовых поперечных кромок.
Режущий инструмент в соответствии с изобретением или предпочтительным образом усовершенствованный режущий инструмент спроектирован как фрезеровочный инструмент, в первую очередь как торцевая фреза и предпочтительно обнаруживает геометрию режущей части, приспособленную к погружению в сплошной материал. Однако допустимы также иные формы исполнения режущего инструмента, например, в виде сверла с поперечными комками для черновой и чистовой обработки, выполненными в соответствии с изобретением или предпочтительным образом усовершенствованными.
Далее предпочтительная форма исполнения изобретения разъясняется с помощью прилагаемых чертежей.
На чертежах представлены:
Фиг. 1 Фронтальный вид острия инструмента торцевой фрезы в соответствии с предпочтительной формой исполнения изобретения;
Фиг. 2 Схематичный боковой вид представленной на фиг. 1 торцевой фрезы.
Представленная на чертежах торцевая фреза содержит четыре расположенные на равном расстоянии друг от друга стружечные канавки 1, 2, 3, 4, которые обеспечивают равноудаленное положение поперечных кромок 5, 6, 7, 8 вокруг центрального сегмента цилиндра 9. На обращенной к предваряющей стружечной канавке 1, 2, 3, 4 периферийной наружной грани поперечных кромок 5, 6, 7, 8 предусмотрены соответствующие резцы 13, 14, 15, 16 на заостренном режущем клине, причем изображенные на фиг. 1 передние углы реза α на обеих поперечных кромках 5, 7 и β на обеих поперечных кромках 6, 8, имеют одинаковую величину. На чертежах они изображены схематически, в действительности их величина составляет около 8°.
На обеих, находящихся друг напротив друга, поперечных кромках 6, 8, в их периферийной рабочей зоне, начинающейся от острия инструмента и расположенной вдоль оси инструмента, встроены пирамидообразные зубцы 10, при этом вдоль скрещивающихся линий в периферийную наружную поверхность поперечных кромок 6, 8 врезаны канавки в форме треугольников. Таким образом, обе расположенные друг напротив друга поперечные кромки 6, 8 служат в качестве кромок для черновой или грубой обработки, и их задача состоит в дроблении армированного волокном материала детали зубцами 10 в процессе фрезерования.
На двух других поперечных кромках 5, 7, напротив, расположены поверхностные канавки, встроенные или врезанные в периферийную наружную поверхность 5, 7 под наклоном к оси инструмента, при этом на поперечных кромках или на их, следующей за поверхностной канавкой периферийной наружной грани выполнен острый резец 11, 12. Таким образом, обе поперечные кромки 5, 7 служат в качестве поперечных кромок для чистовой или финальной обработки и соскабливают со стенки детали материл, оставшийся после обработки черновыми поперечными кромками 6, 8, в первую очередь речь идет о выступающих из стенки детали концах волокон.
При этом стружечные канавки 1, 2, 3, 4 расположены по прямой линии, то есть не скручиваются в спираль, в то время как поверхностные канавки и, соответственно, резцы 11, 12, как видно из рис. 2, располагаются сегментообразно параллельно друг другу с определенным шагом и скручиваются в спираль вокруг оси инструмента. При этом угол спирали или угол подъема винтовой линии γ, образуемый поверхностными канавками и резцами 11 на чистовой поперечной кромке 5 имеет положительную величину и составляет в показанном пример около 75°. Поверхностные канавки и резцы 12 на другой чистовой поперечной кромке 7 выполнены, соответственно, параллельно, сегментообразно рядом друг с другом. Однако они образуют разнонаправленный, то есть отрицательный угол подъема винтовой линии, абсолютное значение которого в приведенном примере составляет также 75°. Таким образом, чистовые поперечные кромки 5, 7 отличаются друг от друга шагом врезанных в их периферийную поверхность канавок и, следовательно, соответствующих резцов 11, 12, что позволяет обозначить чистовую поперечную кромку 5 как первую чистовую поперечную кромку 5, а чистовую поперечную кромку 7 как вторую чистовую поперечную кромку 7.
В рамках изобретения возможны отклонения и модификации приведенных форм исполнения.
Так высота зубцов 10 в приведенном примере составляет приблизительно половину глубины поверхностных канавок. Однако более практичным является высота зубцов, соответствующая глубине поверхностных канавок. В любом случае высота зубцов должна по порядку величины соответствовать глубине поверхностных канавок.