Демпфирующий резец с варьируемой жесткостью
DAMPING CUTTER WITH VARIABLE RIGIDITY

Изобретение относится к механической обработке конструкционных материалов и может быть использовано в инструментальном производстве и технологии машиностроения.
Известен демпфирующий резец, содержащий режущую пластину с узлом ее крепления в державке, имеющей выборку, и вставку из материала, обладающего свойством высокого демпфирования, выборка выполнена равномерно по периметру конца державки на длине от ее торца до выступающей части с режущей пластиной, конец державки с выборкой размещен в выполненном в виде прямоугольного параллелепипеда металлическом стакане с одинаковыми зазорами по его основанию и стенкам, при этом зазоры заполнены материалом упомянутой вставки, а державка установлена без возможности контактирования с упомянутым стаканом (патент РФ №2457077, МПК В23 В27/00, опубл. 27.07.2012, бюл. №21).
Недостатками являются: низкие эксплуатационные характеристики, обусловленные тем, что жесткость вставки из материала с высоким демпфированием, размещенной в выборке державки, неизменна при любых параметрах технологического процесса и при обработке любых конструкционных материалов невозможно регулирование жесткости резцов, поэтому каждый раз необходим подбор материала с высоким демпфированием требуемой жесткости и размещение его в выборке державки, кроме того, так как вставка имеет постоянную жесткость, то  в ней при действии на резец возмущающей силы резания  возникает момент пары восстанавливающих сил, недостаточный для эффективного демпфирования  колебаний резца; материал вставки размещен по всей длине конца державки с выборкой, что приводит к перерасходу материала, обладающего свойством высокого демпфирования; большая трудоемкость монтажа резца.
Известен демпфирующий резец с управляемой жесткостью, содержащий режущую пластину с узлом её крепления в державке, имеющей выборку, выполненную равномерно по периметру конца державки на длине от ее торца до выступающей части с режущей пластиной, конец державки с выборкой размещен в выполненном в виде прямоугольного параллелепипеда металлическом стакане с одинаковыми зазорами по его основанию и стенкам, при этом державка установлена без возможности контактирования с упомянутым стаканом, конец державки с выборкой предварительно расположен в замкнутой эластичной оболочке из вулканизированного материала, изготовленной в форме прямоугольного параллелепипеда с сообщающимися полыми боковыми стенками и днищем, внутренние размеры параллелепипеда и его высота от внутренней стенки днища равны размерам конца державки с выборкой, а во внешней стенке днища жестко зафиксирован цилиндрический штуцер, при этом замкнутая эластичная оболочка с державкой свободно установлена в упомянутом стакане, имеющем в дне сквозное отверстие диаметром, большим диаметра штуцера, причем через штуцер, пропущенный соосно с отверстием дна стакана , закачан сжатый воздух в днище и стенки замкнутой эластичной оболочки до заполнения ею зазоров между стаканом и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы  державка — оболочка с закачанным сжатым воздухом - стакан с возможностью дистанционного бесступенчатого управления жесткостью резца за счет изменения давления сжатого воздуха в замкнутой эластичной оболочке (патент РФ №2535196, МПК В23 В27/00, опубл. 10.12.2014, Бюл. №14).
Резец имеет следующие недостатки:
1. При обработке изделия возмущающая сила резания вызывает колебания резца, однако, оболочка, с закачанным через штуцер в полые боковые стенки и днище воздухом, имеет постоянную жесткость по всей длине конца державки с выборкой, поэтому возникающая в ней пара восстанавливающих сил, хотя и создает момент, стремящийся вернуть резец в положение статического равновесия и демпфирует колебания, но он недостаточен, чтобы минимизировать вибрации до желаемого уровня и не позволяет достигнуть требуемого качества обработки.
2. Перерасход вулканизированного материала  оболочки, так как ее высота от внутренней стенки днища равна длине державки с выборкой.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества обработки и снижение расхода вулканизированного материала.
Технический результат по повышению качества обработки и снижению расхода  вулканизированного материала  достигается тем, что в демпфирующем резце с варьируемой жесткостью, содержащем режущую пластину с узлом её крепления в державке, имеющей выборку, выполненную равномерно по периметру конца державки на длине от ее торца до выступающей части с режущей пластиной, конец державки с выборкой размещен в выполненном в виде прямоугольного параллелепипеда металлическом стакане с одинаковыми зазорами по его основанию и стенкам, при этом державка установлена без возможности контактирования с упомянутым стаканом, конец державки с выборкой предварительно расположен в замкнутой эластичной оболочке из вулканизированного материала, изготовленной в форме прямоугольного параллелепипеда с сообщающимися полыми боковыми стенками и днищем, внутренние размеры параллелепипеда равны размерам конца державки с выборкой, а во внешней стенке днища жестко зафиксирован цилиндрический штуцер, при этом замкнутая эластичная оболочка с державкой свободно установлена в упомянутом стакане, имеющем в дне сквозное отверстие диаметром, большим диаметра штуцера, причем через штуцер, пропущенный соосно с отверстием дна стакана, закачан сжатый воздух в днище и стенки замкнутой эластичной оболочки до заполнения ею зазоров между стаканом и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы  державка — оболочка с закачанным сжатым воздухом - стакан с возможностью дистанционного бесступенчатого управление жесткостью резца за счет изменения давления сжатого воздуха в замкнутой эластичной оболочке,  высота упомянутого параллелепипеда из вулканизированного материала от внутренней стенки днища меньше половины длины  державки с выборкой, второй ее конец со стороны выступающей части с режущей пластиной расположен в замкнутой цилиндрической эластичной оболочке из вулканизированного материала с сообщающимися полыми боковыми стенками, внутренние размеры  оболочки равны размерам конца державки с выборкой, а протяженность меньше половины ее длины, во внешней боковой стенке оболочки жестко закреплен цилиндрический штуцер, при этом оболочка с концом державки с выборкой свободно установлена в упомянутом стакане, имеющем в боковой поверхности с противоположного конца от основания сквозной паз  с размерами, большими диаметра штуцера, причем через штуцер, размещенный на оси симметрии паза, закачан воздух в стенки упомянутой цилиндрической оболочки до заполнения ею зазоров между стаканом и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка — цилиндрическая оболочка с закачанным сжатым воздухом — стакан с возможностью дистанционного бесступенчатого варьирования жесткостью цилиндрической оболочки за счет изменения в ней давления сжатого воздуха, с соблюдением условия, что ее жесткость меньше жесткости оболочки упомянутого параллелепипеда из вулканизированного материала.
На фиг. 1 представлен общий вид резца в процессе обработки материала; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг.1.
Режущая пластина 1 закреплена узлом ее крепления 2 в державке 3, имеющей выборку, выполненную равномерно по периметру конца державки 3 на длине L от ее торца до выступающей части с режущей пластиной 1.
1
1
Конец державки 3 с выборкой размещен в выполненном в виде прямоугольного параллелепипеда металлическом стакане 4 с одинаковыми зазорами  по его основанию и стенкам, при этом державка 3 установлена без возможности контактирования со стаканом 4. Конец державки 3 с выборкой предварительно расположен в замкнутой эластичной оболочке 5 из вулканизированного материала, изготовленной в форме прямоугольного параллелепипеда с сообщающимися полыми боковыми стенками и днищем, внутренние размеры оболочки 5 параллелепипеда равны размерам конца державки 3 с выборкой, высота l оболочки 5 от внутренней стенки днища меньше половины длины L  державки 3 с выборкой, l<L/2. Во внешней стенке днища оболочки 5 жестко зафиксирован цилиндрический штуцер 6.
2
1
1
2
Замкнутая эластичная оболочка 5 с державкой 3 свободно установлена в стакане 4, имеющем в дне сквозное отверстие 7 с диаметром d, большим диаметра dштуцера 6 - d< d. Через штуцер 6, пропущенный соосно с отверстием 7 дна стакана 4, закачан сжатый воздух в днище и стенки замкнутой эластичной оболочки 5 до заполнения ею зазоров между стаканом 4 и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка 3 — оболочка 5 с закачанным сжатым воздухом — стакан 4 с возможностью дистанционного бесступенчатого управления жесткостью резца за счет изменения давления сжатого воздуха в замкнутой эластичной оболочке 5.
2
1
Второй конец державки 3 с выборкой со стороны выступающей части с режущей пластиной 1 расположен в замкнутой цилиндрической  оболочке 8 из вулканизированного материала с сообщающимися полыми стенками, внутренние размеры которой равны размерам конца державки с выборкой, а протяженность меньше половины ее длины - l<L/2, во внешней стенке оболочки 8 жестко закреплен цилиндрический штуцер 9, при этом оболочка 8 с концом державки 3 с выборкой свободно установлена в стакане 4, имеющем в боковой поверхности с противоположного конца от основания сквозной паз 10  с размерами, большими диаметра d штуцера 9, причем через штуцер 9, размещенный на оси симметрии паза 10, закачан воздух в стенки цилиндрической оболочки 8 до заполнения ею зазоров между стаканом 4 и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка 3 — цилиндрическая оболочка 8 с закачанным сжатым воздухом — стакан 4 с возможностью дистанционного бесступенчатого варьирования жесткостью цилиндрической оболочки 8 за счет изменения в ней давления сжатого воздуха, с соблюдением условия, что ее жесткость меньше жесткости оболочки 5 в форме параллелепипеда из вулканизированного материала.
Подготовка демпфирующего резца к работе происходит в такой последовательности.
Конец державки 3  с выборкой со стороны выступающей части с режущей пластиной 1 располагают в замкнутой цилиндрической эластичной оболочке 8 из вулканизированного материала с сообщающимися полыми боковыми стенками.
Противоположный конец державки 3  с выборкой располагают в замкнутой эластичной оболочке 5 из вулканизированного материала, изготовленной в форме прямоугольного параллелепипеда с сообщающимися полыми боковыми стенками и днищем.
Замкнутые эластичные оболочки 5, 8 могут быть изготовлены например, из вулканизированной резины или тканевых каркасов с двусторонними полимерными обкладками, подвергнутыми вулканизации. Так как внутренние размеры оболочек 5, 8 равны размерам конца державки 3  с выборкой, а эластичные материалы оболочек 5, 8 растяжимы, то предварительное расположение обоих концов державки 3  с выборкой в эластичных оболочках 5, 8 не является трудоемким, при этом оболочки 5, 8 плотно охватывают расположенные в них концы державки 3  с выборкой.
1
2
Внутренние размеры металлического стакана 4 выбирают таким образом, чтобы в нем свободно с малыми зазорами были установлены эластичные оболочки 5, 8 с расположенными в них обоими концами державки 3  с выборкой. Стакан 4 и оболочки 5, 8 размещают так, чтобы штуцер 6 был пропущен соосно со сквозным отверстием 7 дна стакана 4, а штуцер 9 расположен на оси симметрии сквозного паза 10 в боковой поверхности стакана 4. Внешние размеры стакана 4 должны обеспечивать его надежное закрепление в резцедержателе. Через штуцер 6 в сообщающиеся полости днища и боковых стенок оболочки 5, а через штуцер 9 в боковые полости цилиндрической оболочки 8 закачивают сжатый воздух до заполнения оболочками 5, 8 зазоров между стаканом 4 и создания необходимого избыточного давления для образования двух механических систем державка 3 – оболочка 5 с закачанным сжатым воздухом – стакан 4 и державка 3 – цилиндрическая оболочка 8  с закачанным воздухом – стакан 4, при том соблюдают условие, что жесткость цилиндрической оболочки 8 меньше жесткости оболочки 5. Так как высота l оболочки 5 от внутренней стенки днища и протяженность l оболочки 8 меньше половины длины L/2 державки 3 с выборкой, то две механические системы образуют между собой пространство, т.е. не соприкасаются друг с другом, что дает возможность в оболочках 5, 8  создавать различные избыточные давления независимо друг от друга. Минимальными избыточными давлениями в замкнутых оболочках 5, 8, обусловливающими работоспособность резца, является отсутствие проворачивания (проскальзывания) по поверхностям контакта стакана 4 и оболочек 5, 8,  а также оболочек 5, 8 относительно концов державки 3 с выборкой, т.е. исключение перемещения составляющих частей механических систем относительно друг друга при любых параметрах режима обработки конструкционного материала.  Кроме того, за счет созданных избыточных давлений в оболочках 5, 8 происходит самоцентрирование державки 3  с выборкой и размещение его с одинаковыми зазорами по основанию и стенкам стакана 4.  Если габариты поперечного сечения державки не велики, то допустимо не выполнять выборку по периметру конца державки 3,  а размещать конец державки 3 непосредственно в оболочках 5, 8 с внутренними размерами, равными размерам конца державки 3.
Давление внутри оболочек 5, 8 контролируют манометрами. Смонтированный резец устанавливают в резцедержателе (манометры и резцедержатель не показаны).  Производят тарировку жесткость-давление образованных механических систем.
Демпфирующий резец с варьируемой жесткостью работает следующим образом.
1
2
1
По произведенной тарировке жесткость-давление в зависимости от обрабатываемого материала и технологических режимов его обработки дистанционно бесступенчато варьируют жесткости оболочек 5, 8 за счет дополнительного закачивания воздуха через штуцер 6 в оболочку 5, а через штуцер 10 в цилиндрическую оболочку 8 (увеличение жесткости) или сбрасывания его из оболочек 5, 8 (уменьшение жесткости), сохраняя условие, что жесткость цилиндрической оболочки 8 меньше жесткости оболочки 5. При этом металлические поверхности державки 3  и штуцеров 6, 9 в процессе обработки не контактируют со стаканом 4, так как два конца державки 3  с выборкой расположены в оболочках 5, 8  с закачанным воздухом,  диаметр dштуцера 6 меньше диаметра dсквозного отверстия 7 в дне стакана 4, а диаметр dштуцера 9 меньше размеров сквозного паза 10 в боковой поверхности стакана 4.
При обработке конструкционного материала возмущающая сила резания вызывает колебание резца. Если бы конец державки 3  с выборкой был установлен в оболочке 5  с закачанным в ее днище и боковые стенки воздухом, а высота оболочки 5 от внутренней стенки днища была равна длине L конца державки 3  с выборкой,  то в оболочке 5 возникла  пара восстанавливающих сил, создающих момент, стремящийся вернуть резец в положении е статического равновесия, но не достаточно демпфирующий колебания. (Пара сил – это две равные по модулю параллельные силы, направленные в противоположные стороны; момент пары   равен произведению модуля силы пары на плечо; плечо – кратчайшее расстояние между параллельными силами пары).
Если бы оба конца державки 3 с выборкой были расположены в оболочках 5,8 с закачанным воздухом, и имели  одинаковые жесткости, то при демпфировании колебаний резца в оболочках 5, 8 возникли две пары демпфирующих сил с одинаковыми моментами, но недостаточными, чтобы минимизировать вибрации до желаемого уровня.
Так как жесткости оболочек 5, 8 с закачанным в них воздухом различны, причем жесткость цилиндрической оболочки 8 меньше жесткости оболочки 5, то в оболочке 5 возникает пара сил, модули которых больше модулей пары сил в оболочке 8. Поэтому в оболочке 5 действует дополнительный восстанавливающий момент от пары сил, равных разности модулей сил в оболочках 5, 8, что повышает эффективность демпфирования колебаний резца.
Таким образом, происходит высокоэффективное демпфирование продольных, поперечных вибраций и ударных нагрузок, возникающих в процессе резания, что повышает надежность протекания этого процесса, как в токарных, так и в строгальных технологических операциях. Поэтому путем варьирования разностью жесткостей оболочек 5, 8 с закачанным в них воздухом возможно минимизировать вибрации резца до необходимого уровня и достигнуть требуемого качества обработки.
1
2
Снижение расхода вулканизированного материала происходит за счет того, что высота l оболочки 5 от внутренней стенки днища и протяженность l оболочки 8 меньше половины длины L/2 конца державки 3  с выборкой.
1
2
1
Оригинальностью предложенного, демпфирующего резца с варьируемой жесткостью является то, что высота lоболочки 5 от внутренней стенки днища  меньше половины длины  L/2 державки 3 с выборкой, второй ее конец со стороны выступающей части с режущей пластиной 1 расположен в замкнутой цилиндрической оболочке 8 из вулканизированного материала с сообщающимися полыми боковыми стенками, внутренние размеры оболочки 8 равны размерам конца державки с выборкой, а протяженность l меньше половины L/2 ее длины, во внешней боковой стенке оболочки 8 жестко закреплен цилиндрический штуцер 9, при этом  оболочка 8 с концом державки 3 с выборкой свободно установлена в стакане 4, имеющем в боковой поверхности с противоположного конца от основания сквозной паз  10 с размерами, большими диаметра d штуцера 9, причем через штуцер 9, размещенный на оси симметрии паза 10, закачан воздух в стенки цилиндрической оболочки 8 до заполнения ею зазоров между стаканом 4 и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка 3 — цилиндрическая оболочка 8 с закачанным сжатым воздухом — стакан 4 с возможностью дистанционного бесступенчатого варьирования жесткостью цилиндрической оболочки 8 за счет изменения в ней давления сжатого воздуха, с соблюдением условия, что ее жесткость меньше жесткости оболочки 5 в форме параллелепипеда из вулканизированного материала. Это позволяет:
1. Повысить качество обработки путем увеличения эффективности демпфирования колебания резца за счет того, что один  конец  державки с выборкой установлен в оболочке с полыми днищем и боковыми стенками, а второй конец державки размещен в цилиндрической оболочке с полыми боковыми стенками. Закачкой воздуха в полости оболочек дистанционно бесступенчато варьируют жесткостями оболочек с соблюдением условия, что жесткость цилиндрической оболочки меньше жесткости второй оболочки.
2. Снизить расход вулканизированного материала, так как оболочки с концами державки с выборкой расположены на расстоянии друг от друга, высота одной оболочки от внутренней стенки днища и протяженность другой цилиндрической оболочки меньше половины длины державки с выборкой.
Таким образом, предлагаемый демпфирующий резец с варьируемой жесткостью позволяет достичь технического результата по повышению качества обработки и снижению расхода вулканизированного материала.