Металлообрабатывающий инструмент с охлаждением

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, в частности к обработке резанием на токарных станках.
В настоящее время инструменты, аналогичные предлагаемому, известны. K ним относятся, например, инструменты с внутренним охлаждением, такие, как защищенные Авторскими свидетельствами СССР № 1230799 и № 1393533. В первом из них описывается предложенный авторами Гуном Г.С., Гункиным Ю.Г., Огарковым Н.Н. и Соколовым В.Е. инструмент, содержащий державку и режущую пластину, к которой через распределительную камеру и параллельные отверстия, открытые к пластине, извне подается охлаждающая жидкость. Настройка инструмента на требуемый режим охлаждения осуществляется с помощью шайбы, через которую жидкость подается к распределительной камере. При изменении режима эксплуатации инструмента (режима резания) шайбу приходится заменять, для чего инструмент нужно разбирать. Это приводит к снижению производительности металлообработки, а потому нерационально. Второй аналог, разработанный М.М. Соколовым и В.Н. Коцаренко, для перенастройки разбирать не требуется, но он тоже имеет существенные недостатки. Он содержит полую державку, частично заполненную охлаждающей жидкостью, трубку, выполненную из теплопроводного материала, и холодильник, соединенный с трубкой через низкотеплопроводящую вставку. Трубка соединена с полостью державки и при работе инструмента отводит тепло к холодильнику путем образования в полости державки пара и конденсации его при прохождении через вставку в холодильник. Пока жидкость в полости державки вся не испарится, инструмент охлаждается более или менее приемлемо, хотя и не всегда достаточно эффективно. Но когда парообразование прекращается, охлаждение инструмента происходить практически перестает. Недостаточная эффективность охлаждения даже, когда оно еще осуществляется, вызвана тем, что процесс передачи тепла от режущей пластины (рабочего элемента инструмента) к холодильнику является управляемым чрезвычайно грубо, неточно.
Более точно регулирование теплоотвода от рабочего элемента (пластины) инструмента в процессе эксплуатации последнего происходит в инструменте, разработанном А.Н. Резниковым, Н.И. Живоглядовым и В.И. Живоглядовым, защищенном авторским свидетельством СССР №1426750.
Металлообрабатывающий инструмент с охлаждением по указанному авторскому свидетельству,  насколько можно судить из его описания, формулы изобретения и рисунков, содержит полую державку с трубчатым каналом для охладителя, установленный на ней рабочий элемент и размещенный в ее полости биметаллический теплопроводник, взаимодействующий (соприкасающийся) с рабочим элементом. Теплопроводник выполнен в виде разрезного эллиптического кольца, продольная ось которого параллельна рабочему элементу, причем материал кольца с большим коэффициентом линейного расширения расположен на внутренней поверхности кольца. Трубчатый канал в державке частично заполнен жидкостью и выполняет функции тепловой трубы, соединенной с холодильником-радиатором. При нагревании жидкости в тепловой трубе образуется пар, который поступает в холодильник-радиатор, отдает ему тепловую энергию и выходит из державки наружу. В зависимости от режимов резания и температуры нагрева рабочего элемента инструмента биметаллическое кольцо деформируется по-разному, его теплопроводность изменяется, парообразование в тепловой трубе также меняется, и процесс охлаждения рабочего элемента регулируется. Происходит это более точно, чем при работе других инструментов - аналогов. Тем не менее, «более точно», не означает «всегда достаточно точно».
Устройство по авторскому свидетельству № 1426750 обладает невысокой чувствительностью к малым колебаниям температуры рабочего элемента. Это не позволяет осуществлять «тонкую» регулировку охлаждения инструмента, например, в случае повышения температуры из-за увеличения фаски износа указанного элемента.
Вместе с тем существует металлообрабатывающий инструмент с охлаждением, обладающий более высокой точностью и чувствительностью к малым колебаниям температуры, чем инструмент, защищенный авторским свидетельством №1426750. Это инструмент, защищенный патентом РФ на полезную модель №196895 от 19.03.02, принятый нами за прототип предлагаемого.
Металлообрабатывающий инструмент-прототип содержит полую державку с трубчатым каналом для охладителя, установленный на ней рабочий элемент, размещенный в ее полости биметаллический теплопроводник, взаимодействующий с рабочим элементом, стержень, закрепленный в полости державки на упругой подвеске, и регулируемый дроссель. Канал для охладителя выполнен в нем проточным и направленным к передней поверхности рабочего элемента, при этом дроссель расположен в канале для охладителя, теплопроводник выполнен в виде плоской консоли, один конец стержня соединен с регулятором дросселя, а другой установлен с возможностью взаимодействия со свободным концом консоли со стороны металла с меньшим коэффициентом линейного расширения.
Следует, однако, отметить, что инструмент-прототип эффективно работает при относительно небольших температурах резания (до 500-600°С). Причиной этого является то, что всякий дроссель, установленный в нем в канале подачи охладителя, имеет ограниченный диапазон регулирования, лимитирующий подачу охладителя. Когда лимит исчерпан, температура резания может оказаться выше 500-600°С, а поскольку подачу охладителя увеличивать дальше некуда, износ инструмента начинает быстро возрастать и его период стойкости резко сокращается. В связи с изложенным проблемой, подлежащей решению предлагаемой полезной моделью, является не всегда достаточная стойкость инструмента.
Чтобы предотвратить резкое снижение стойкости режущего инструмента необходимо корректировать режимы резания. Это обычно делает оператор-станочник, но для этого он должен непрерывно измерять температуру резания и постоянно следить за ней. Выполнять такое слежение оператор, как правило, не имеет возможности, так как он обслуживает несколько станков. Чтобы дать возможность оператору вовремя скорректировать режимы резания и тем самым повысить стойкость инструмента, то есть решить сформулированную выше проблему, резец должен быть снабжен элементами оповещения оператора о том, что время коррекции режимов наступило. Исходя из этого, технически решение проблемы состоит в том, что металлообрабатывающий инструмент с охлаждением, содержащий полую державку с трубчатым каналом для охладителя, установленный на ней рабочий элемент, размещенный в ее полости биметаллический теплопроводник, взаимодействующий с рабочим элементом, стержень, закрепленный в полости державки на упругой подвеске, и регулируемый дроссель, при этом канал для охладителя выполнен проточным и направленным к передней поверхности рабочего элемента, дроссель расположен в канале для охладителя, теплопроводник выполнен в виде плоской консоли, один конец стержня соединен с регулятором дросселя, а другой установлен с возможностью взаимодействия со свободным концом консоли со стороны металла с меньшим коэффициентом линейного расширения, отличается от прототипа тем, что он снабжен блоком сигнализации, размещенным в полости державки, и соединенным с ним конечным выключателем, установленным в державке с возможностью взаимодействия с регулятором дросселя.
Конструкция предлагаемого металлообрабатывающего инструмента приведена на фигурах:
на фиг. 1 - продольный разрез инструмента;
на фиг. 2 - вид сверх;
на фиг. 3 - вид снизу;
на фиг. 4 - вид снизу со снятой нижней крышкой;
на фиг. 5 - вид А со стороны заднего торца инструмента;
на фиг. 6 - вид А с фрагментом поперечного сечения Б-Б;
на фиг. 7 - поперечное сечение инструмента В-В;
на фиг. 8 - фрагмент сечения Г-Г, поясняющий расположение блока сигнализации в державке инструмента,
на фиг. 9 - фрагмент сечения Д-Д, поясняющий соединение трубки с державкой инструмента.
Инструмент содержит полую державку 1 с трубчатым каналом 2 для охладителя, установленный на ней рабочий элемент 3 и размещенный в ее полости биметаллический теплопроводник 4, взаимодействующий с рабочим элементом 3.
Инструмент также снабжен стержнем 5, закрепленным в полости державки 1 на упругой подвеске-пластине 6, и регулируемым дросселем 7. Канал 2 для охладителя выполнен проточным и направленным к передней поверхности рабочего элемента 3, при этом дроссель 7 расположен в канале 2 для охладителя. Теплопроводник 4 выполнен в виде плоской консоли, один конец стержня 5 соединен с регулятором 8 дросселя 7, а другой установлен с возможностью взаимодействия со свободным концом консоли 4 со стороны металла с меньшим коэффициентом линейного расширения.
Кроме перечисленного, инструмент включает в себя блок сигнализации 9 (это миниатюрный радиопередатчик с элементом питания, антенной 10 и светодиодом 11), также как и элементы 4 , 5 и 6 , размещенный в полости державки 1, и соединенный с ним конечный выключатель 12 , установленный в державке с возможностью взаимодействия с регулятором 8 дросселя 7 (соединение выключателя 12 и блока 9 на фигурах условно показано штриховой линией).
При использовании инструмента через трубчатый канал 2 к рабочему элементу 3 подается охлаждающая жидкость (на фиг.1 обозначено стрелкой). Дроссель 7 при изготовлении инструмента отрегулирован на пропускание некоторого минимального необходимого количества жидкости в единицу времени. В процессе работы инструмента температура рабочего элемента 3 повышается, и теплопроводник 4 начинает под ее воздействием изгибаться. Поскольку теплопроводник биметаллический (значит, состоит из двух металлических слоев) и выполнен в виде консоли, его изгиб происходит со смещением свободного конца в сторону металлического слоя с меньшим коэффициентом расширения. Изгибаясь, конец консоли 4 воздействует на конец стержня 5, взаимодействующий с ним, и смещает стержень в направлении к каналу 2. Вторым концом стержень 5 воздействует на регулятор 8 дросселя 7, а последний увеличивает проходное сечение канала 2 и соответственно, увеличивает поступление охлаждающей жидкости к рабочему элементу 3. По мере охлаждения элемента 3 теплопроводник-консоль 4 приходит в исходное состояние, и стержень 5 под действием упругой подвески-пластины 6 смещается обратно. Регулятор 8 дросселя 7 изменяет проходное сечение отверстия 2 в сторону исходного, и подача охлаждающей жидкости элементу 3 уменьшается. Таким образом, температура рабочего элемента предлагаемого инструмента стабилизируется.
Описанное происходит в тех случаях, когда температура резания не превышает лимитирующего значения, а диапазон регулирования дросселя 7 не исчерпан. Но если температура превышает указанное значение, охладитель к рабочему элементу 3 поступает уже в максимальном объеме и диапазон регулирования дросселя исчерпан, то стержень 5 оказывается в крайнем положении, регулятор 8 нажимает на конечный выключатель 12, а тот подает команду на включение блока сигнализации 9. Последний подает сигнал оператору и системе управление станка.
По световому, звуковому или радиосигналу от блока 9 оператор корректирует режимы резания так, чтобы температура резания снизилась, либо это делает автоматика станка, управляющего режимами. В любом случае оператор или станок не допустят работы с температурой резания, для снижения которой максимальной подачи охладителя не хватает. Отсюда следует технический результат предлагаемой полезной моделью: снижение вероятности повышения износа резца, то есть увеличение периода его стойкости.