Металлообрабатывающий инструмент с охлаждением

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и, в частности, к обработке резанием на токарных станках.
В настоящее время инструмента, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, 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 потом нерационально. Второй аналог, разработанный М.М. Соколовым и В.Н. Коцаренко, для перенастроя разбирать не требуется, но он тоже имеет существенные недостатки. Он содержит полую державку, частично заполненную охлаждающей жидкостью, и холодильник, соединенный через низкотеплопроводящую вставку с полостью державки. При работе инструмента тепло отводится к холодильнику путем образования в полости державки пара и конденсации его при прохождении через вставку в холодильник. Пока жидкость в полости державки вся не испариться, инструмент охлаждается более или менее, приемлемо, хотя и не всегда достаточно эффективно. Но когда парообразование прекращается, охлаждение инструмента происходить практически перестает.
Более эффективно теплоотвод 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.
Этот инструмент с охлаждением, насколько можно судить из его описания, формулы изобретения и рисунков, содержит полую державку, установленный на ее головку рабочий элемент и размещенную в ее полости биметаллическую теплопроводную вставку, взаимодействующую (соприкасающуюся) с рабочим элементом. Вставка выполнена в виде эллиптического кольца, продольная ось которого параллельна рабочему элементу. Полость в державке частично заполнена 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, описанных выше. Тем не менее, «более точно», не означает «достаточно точно». Устройство по авторскому свидетельству №1426750 обладает невысокой чувствительностью к малым колебаниям температуры рабочего элемента, низким быстродействием, а потому - недостаточно надежно обеспечивает снижение температур инструмента в широком диапазоне последних.
Более высокой надежностью и быстродействием в более широком диапазоне температур обладает металлообрабатывающий инструмент с охлаждением, защищенный патентом РФ на полезную модель №204216 от 14.05.21, принятый нами за прототип предлагаемого.
Он содержит полую державку и установленные в ее головке рабочий элемент, взаимодействующую с ним теплопроводную вставку, штуцер подвода сжатого воздуха, установленный на торце державки, противоположном головке, трубку, размещенную с зазором в полости державки вдоль нее, закрепленную на торце штуцера соосно с его осевым отверстием, при этом внутренняя поверхность полости выполнена теплопроводящим покрытием, соединенным с теплопроводной вставкой, а на штуцере вокруг осевого отверстия с возможностью соединения зазора с атмосферой выполнены дополнительные отверстия.
При использовании инструмента его закрепляют в инструментодержателе, а к штуцеру подсоединяют шланг подачи сжатого воздуха с встроенным краном - регулятором. В процессе эксплуатации инструмента его рабочий элемент нагревается, тепло от него через вставку передается покрытию. Воздух под давлением подается через трубку в полость державки, его поток ударяется в торец полости и поступает в зазор между трубкой и покрытием, отводя тепло от покрытия и выходя в атмосферу через отверстия в штуцере. В результате головка и рабочий элемент инструмента охлаждаются. При давлении воздуха 6 атм, температура вершины рабочего элемента снижается на 30-35%. Для того, чтобы ее отрегулировать, пользуются краном, встроенным в шланг, упомянутый выше, или иным устройством, размещенным, например, в источнике сжатого воздуха. Отрегулировать давление можно очень просто, быстро и точно. Это в совокупности с тем, что предлагаемый инструмент состоит из простых и надежных элементов, создает технический результат прототипа: более высокие быстродействие и надежность по сравнению с аналогами, причем в более широком диапазоне снижения температур, обычно на 300-320°С (см. статью: «Либерман Я.Л., Лукинских С.В., Смирнов А.В. Исследование влияния конструкции токарного резца на отвод тепловой энергии из зоны резания // Промышленное производство и металлургия: материалы международной научно-технической конференции (18-19 июня 2020 г.); Нижний Тагил, 2020, стр.49-54».)
Вместе с тем нельзя не отметить, что для температур, возникающих в зоне резания и достигающих 1000 и более градусов, снижение температуры на 300-320 градусов не всегда достаточно. Зачастую для повышения стойкости инструмента требуется снижение на 450-500°С. Таким образом, существует проблема дальнейшего снижения температуры вершины рабочего элемента (например, сменной твердосплавной пластины), возникающей при резании, решение которой способствовало бы дальнейшему повышению стойкости инструмента.
Технически решение указанной проблемы в предлагаемой полезной модели достигается за счет того, что металлообрабатывающий инструмент с охлаждением, содержащий полую державку, и установленный в ее головке рабочий элемент, и взаимодействующую с ним теплопроводную вставку, штуцер подвода сжатого воздуха, установленный на торце державки, противоположном головке, и первую трубку, размещенную с зазором в полости державки вдоль нее, закрепленную на торце штуцера соосно с его осевым отверстием, при этом внутренняя поверхность полости снабжена теплопроводящим покрытием, соединенным с теплопроводной вставкой, а на штуцере вокруг осевого отверстия с возможностью соединения зазора с атмосферой выполнены дополнительные отверстия, отличается от прототипа тем, что он снабжен второй трубкой, установленной в стенке державки с возможностью взаимодействия кромки ее торца с кромкой торца первой трубки под углом π/2, дополнительным штуцером для подачи в полость инструмента жидкого хладагента, закрепленным на державке и соединенным со второй трубкой, а в теплопроводной вставке выполнены отверстия, направленные от полости к нижней поверхности рабочего элемента.
На фиг.1 показано продольное сечение предлагаемого инструмента, на фиг.2 - вид на головку инструмента со снятым рабочим элементом.
Инструмент с охлаждением, содержит полую державку 1, установленный в ее головке 2 рабочий элемент 3 и взаимодействующую с ним теплопроводную вставку 4 (например, медную). Державка снабжена штуцером 5 подвода сжатого воздуха, установленным на торце державки, противоположном головке 2, первой трубкой 6, размещенную с зазором 7 в полости державки 1 вдоль нее, закрепленную на торце штуцера 5 соосно с его осевым отверстием. Внутренняя поверхность полости снабжена теплопроводящим покрытием 8, соединенным с теплопроводной вставкой 4, при этом на штуцере вокруг осевого отверстия с возможностью соединения зазора с атмосферой выполнены дополнительные отверстия 9. Кроме того, что он снабжен второй трубкой 10, установленной в стенке державки 1 с возможностью взаимодействия кромки ее торца с кромкой торца первой трубки 6 под углом π/2, дополнительным штуцером 11 для подачи в полость инструмента жидкого хладагента, закрепленным на державке 1 и соединенным со второй трубкой 10, а в теплопроводной вставке 4 выполнены отверстия 12, направленные от полости к нижней поверхности рабочего элемента 3.
При использовании инструмента его закрепляют в инструментодержателе, а к штуцеру 5 подсоединяют шланг подачи сжатого воздуха с встроенным краном-регулятором. К штуцеру 11 подсоединяют шланг подачи жидкого хладагента (например, жидкого азота) со своим краном-регулятором. В процессе эксплуатации инструмента его рабочий элемент 3 (твердосплавная пластина) нагревается, тепло от нее через вставку 4 передается покрытию 8. Воздух под давлением подается через первую трубку 6 в полость державки 1, распределяет хладагент, поступающий через вторую трубку 10, и охлажденная воздушно-капельная смесь ударяется в торец полости державки 1. Через отверстия 12, она также проникает к нижней поверхности рабочего элемента 3 (твердосплавной пластины). Далее она поступает в зазор 7, отводя тепло от покрытия 8 и элемента 3 и выходя в атмосферу через отверстия 5. В результате головка 2 и рабочий элемент 3 инструмента интенсивно охлаждаются. При давлении воздуха 6 атм и использовании в качестве хладагента жидкого азота, температура вершины режущего инструмента снижается с 1000°С до 500°С, то есть на 500°С. Регулируя давление воздуха и подачу хладагента, можно обеспечить снижение температуры в требуемом, более широком, чем в случае прототипа, диапазоне (в 1,5…2 раза). Поскольку смесь воздуха с распыленным хладагентом увеличивает, по сравнению просто с воздухом, теплоотвод от рабочего элемента инструмента и его интенсивность, то возрастает и чувствительность, и быстродействие процесса теплоотвода. В конечном итоге, все это способствует повышению эксплуатационной надежности и стойкости металлообрабатывающего инструмента, что является техническим результатом предложения.