ДЕМПФИРУЮЩИЙ РЕЗЕЦ С ВАРЬИРУЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ
DAMPING CUTTER WITH VARIABLE RIGIDITY

Изобретение относится к инструментальному производству и может быть использовано при обработке материалов резанием.
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 В23В 27/00, опубл. 27.07.2012, Бюл. №21).
Недостатками являются: низкие эксплуатационные характеристики, обусловленные тем, что жесткость вставки из материала, обладающего свойством высокого демпфирования, размещенной в выборке державки, неизменна при любых параметрах технологического процесса и при обработке различных конструкционных материалов невозможно регулирование жесткости резцов, поэтому каждый раз необходим подбор материала, обладающего свойством высокого демпфирования 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 регулируемой жесткостью, содержащий режущую пластину с узлом ее крепления в державке, имеющей выборку, выполненную с образованием цилиндрической поверхности державки на длине от ее торца до выступающей части с режущей пластиной, цилиндрический конец державки размещен в замкнутой эластичной оболочке из вулканизированного материала, изготовленной в форме стакана с сообщающимися полыми стенками и днищем, снабженным с его внешней стенки цилиндрическим штуцером, при этом внутренний диаметр стакана и его высота от внутренней стенки днища равны соответственно диаметру державки и длине ее цилиндрической части, при этом стакан с державкой по всей его высоте свободно с зазорами установлен в цилиндрическом металлическом контейнере, имеющем в дне сквозное отверстие диаметром, большим диаметра штуцера стакана, и расположенные с диаметрально противоположных сторон внешней поверхности контейнера две параллельные лыски, причем через штуцер, пропущенный соосно с отверстием дна контейнера, закачан сжатый воздух в днище и стенки стакана до заполнения ими зазоров между контейнером и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка - стакан с закачанным сжатым воздухом - контейнер с возможностью регулирования жесткости резца за счет дополнительного закачивания воздуха в замкнутую эластичную оболочку стакана или сбрасывания его из оболочки без контактирования поверхностей державки и штуцера с контейнером и расположением лысок контейнера параллельно нижней поверхности конца державки с режущей пластиной (патент РФ №2479385, МПК В23В 27/00, опубл. 20.04.2013, Бюл. №11).
Резец имеет следующие недостатки:
1. При обработке изделия возмущающая сила резания вызывает колебания резца, однако, замкнутая эластичная оболочка из вулканизированного материала стакана, с закачанным через штуцер в полые боковые стенки и днище воздухом, имеет постоянную жесткость по всей длине цилиндрического конца державки, 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 стакана, так как его высота от внутренней стенки днища равна длине цилиндрического конца державки.
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 ее крепления в державке, имеющей выборку, выполненную с образованием цилиндрической поверхности державки на длине от ее торца до выступающей части с режущей пластиной, цилиндрический конец державки размещен в замкнутой эластичной оболочке из вулканизированного материала, изготовленной в форме стакана с сообщающимися полыми стенками и днищем, снабженным с его внешней стенки цилиндрическим штуцером, при этом внутренний диаметр стакана равен диаметру державки, а стакан с державкой по всей его высоте свободно с зазорами установлен в цилиндрическом металлическом контейнере, имеющем в дне сквозное отверстие диаметром, большим диаметра штуцера стакана, и расположенные с диаметрально противоположных сторон внешней поверхности контейнера две параллельные лыски, причем через штуцер, пропущенный соосно с отверстием дна контейнера, закачан сжатый воздух в днище и стенки стакана до заполнения ими зазоров между контейнером и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка - стакан с закачанным сжатым воздухом - контейнер с возможностью регулирования жесткости резца за счет дополнительного закачивания воздуха в замкнутую эластичную оболочку стакана или сбрасывания его из оболочки без контактирования поверхностей державки и штуцера с контейнером и расположением лысок контейнера параллельно нижней поверхности конца державки с режущей пластиной, высота упомянутого стакана из вулканизированного материала от внутренней стенки днища меньше половины длины цилиндрической части державки, второй ее конец со стороны выступающей части с режущей пластиной расположен в замкнутой цилиндрической эластичной оболочке из вулканизированного материала с сообщающимися полыми стенками, внутренний диаметр оболочки равен диаметру державки, а протяженность меньше половины длины ее цилиндрической части, во внешней стенке оболочки жестко закреплен цилиндрический штуцер, при этом оболочка с державкой установлена свободно с зазорами в упомянутом контейнере, имеющем в цилиндрической поверхности с противоположного конца от основания сквозной паз с размерами, большими диаметра штуцера цилиндрической оболочки, причем через штуцер, размещенный на оси симметрии паза, закачан воздух в стенки упомянутой цилиндрической оболочки до заполнения ею зазоров между контейнером и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка - цилиндрическая оболочка с закачанным сжатым воздухом -контейнер с возможностью варьирования жесткостью резца за счет дополнительного закачивания воздуха в цилиндрическую оболочку или сбрасывания его из оболочки без контактирования поверхностей державки и штуцера цилиндрической оболочки с контейнером, с соблюдением условия, что жесткость упомянутой оболочки меньше жесткости упомянутого стакана с закачанным в них воздухом.
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 с образованием цилиндрической поверхности Б державки 3 на длине L от ее торца до выступающей части с режущей пластиной 1.
1
Цилиндрический конец державки 3 размещен в замкнутой эластичной оболочке из вулканизированного материала, изготовленной в форме стакана 4 с сообщающимися полыми стенками и днищем, снабженным с его внешней стенки цилиндрическим штуцером 5. При этом внутренний диаметр стакана 4 равен диаметру d державки 3, а высота l стакана 4 от внутренней стенки днища меньше половины длины L/2 цилиндрической части державки 3
1
2
1
2
1
Стакан 4 с державкой 3 по всей его высоте l свободно с зазорами установлен в цилиндрическом металлическом контейнере 6, имеющем в дне сквозное отверстие 7 диаметром d, большим диаметра d штуцера 5 стакана 4 (d>d).
С диаметрально противоположных сторон внешней поверхности контейнера 6 расположены две параллельные лыски 8.
Через штуцер 5, пропущенный соосно с отверстием 7 дна контейнера 6, закачан сжатый воздух в днище и стенки стакана 4 до заполнения ими зазоров между контейнером 6 и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка 3 - стакан 4 с закачанным сжатым воздухом - контейнер 6 с возможностью регулирования жесткости резца за счет дополнительного закачивания воздуха в замкнутую эластичную оболочку стакана 4 или сбрасывания его из оболочки без контактирования поверхностей державки 3 и штуцера 5 с контейнером 6 и расположением лысок 8 контейнера 6 параллельно нижней поверхности В конца державки 3 с режущей пластиной 1.
2
2
1
Второй цилиндрический конец державки 3 со стороны выступающей части с режущей пластиной 1 расположен в замкнутой цилиндрической эластичной оболочке 9 из вулканизированного материала с сообщающимися полыми стенками, внутренний диаметр оболочки 9 равен диаметру d державки 3, а протяженность l меньше половины длины L/2 ее цилиндрической части (l<L/2), во внешней стенке оболочки 9 жестко закреплен цилиндрический штуцер 10, при этом оболочка 9 с державкой 3 свободно с зазорами установлена в контейнере 6, имеющем в цилиндрической поверхности с противоположного конца от основания сквозной паз 11 с размерами, большими диаметра d штуцера 10, причем через штуцер 10, размещенный на оси симметрии паза 11, закачан сжатый воздух в стенки цилиндрической оболочки 9 до заполнения ею зазоров между контейнером 6 и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка 3 - цилиндрическая оболочка 9 с закачанным сжатым воздухом - контейнер 6 с возможностью варьирования жесткостью резца за счет дополнительного закачивания воздуха в цилиндрическую оболочку 9 или сбрасывания его из оболочки 9 без контактирования поверхностей державки 3 и штуцера 10 цилиндрической оболочки 9 с контейнером 6, с соблюдением условия, что жесткость оболочки 9 меньше жесткости стакана 4 с закачанным в них воздухом.
Подготовка демпфирующего резца к работе происходит в такой последовательности.
Цилиндрический конец державки 3 со стороны выступающей части с режущей пластиной 1 располагают в замкнутой цилиндрической эластичной оболочке 9 из вулканизированного материала с сообщающимися полыми стенками.
Противоположный цилиндрический конец державки 3 располагают в замкнутой эластичной оболочке из вулканизированного материала, изготовленной в форме стакана 4 с сообщающимися полыми стенками и днищем.
1
2
Материалами оболочки стакана 4 и цилиндрической оболочки 9 могут быть, например, вулканизированная резина или тканевый каркас с двусторонними резиновыми обкладками, подвергнутыми вулканизации. Так как диаметр d цилиндрического конца державки 3 равен внутренним диаметрам оболочки стакана 4 и цилиндрической оболочки 9, а эластичные материалы растяжимы, то стакан 4 и цилиндрическая оболочка 9 плотно охватывают при размещении в них цилиндрические концы державки 3 по всей высоте l стакана 4 и длине l оболочки 9.
1
1
1
2
Внутренний диаметр цилиндрического металлического контейнера 6 выбирают таким образом, чтобы в нем свободно с малыми зазорами были установлены стакан 4 и оболочка 9 с цилиндрическими концами державки 3, что изолирует державку 3 от контактов с контейнером 6. В сквозное отверстие 7 дна контейнера 6 соосно пропускают цилиндрический штуцер 5 стакана 4, а штуцер 10 цилиндрической оболочки 9 размещают на оси симметрии паза 11. Диаметры d штуцера 5 стакана 4 и штуцера 10 цилиндрической оболочки 9 меньше, соответственно, диаметра d сквозного отверстия 7 в дне контейнера 6 (d<d) и размеров сквозного паза контейнера 6, поэтому отсутствует контактирование поверхностей державки 3, штуцеров 5, 10 с контейнером 6.
1
2
Через штуцеры 5, 10 в сообщающиеся полости днища и стенок замкнутой оболочки стакана 4, а также в полость стенок цилиндрической оболочки 9 закачивают сжатый воздух до заполнения оболочками зазоров между контейнером 6, при этом контролируют, чтобы лыски 8 контейнера 6 расположились параллельно нижней поверхности В конца державки 3 с режущей пластиной 1. Расстояние между параллельными лысками 8, расположенными с диаметрально противоположных сторон внешней поверхности контейнера 6, а также ширина лысок 8 должны обеспечивать надежное закрепление контейнера 6 в резцедержателе. Воздух закачивают до создания необходимого избыточного давления для образования двух механических систем державка 3 - стакан 4 с закачанным сжатым воздухом -контейнер 6 и державка 3 - цилиндрическая оболочка 9 с закачанным сжатым воздухом - контейнер 6. Минимальным избыточным давлением Pmin в стакане 4 и цилиндрической оболочке 9, обусловливающим работоспособность резца, является давление, обеспечивающее отсутствие проворачивания (проскальзывания) по поверхностям контакта цилиндрических концов державки 3 в стакане 4 и оболочке 9, а также стакана 4 и оболочки 9 в контейнере 6 при любых параметрах режима обработки конструкционных материалов. Давления внутри замкнутой эластичной оболочки стакана 4 и цилиндрической оболочки 9 контролируют манометрами (не показаны), при этом давления должны быть такими, чтобы жесткость цилиндрической оболочки 9 была меньше жесткости стакана 4 с закачанным в них воздухом. Это достигается дистанционным бесступенчатым варьированием жесткости стакана 4 и цилиндрической оболочки 9 за счет дополнительного закачивания в них сжатого воздуха (увеличение жесткости) или сбрасывание его из стакана 4 и цилиндрической оболочки 9 (уменьшение жесткости). Так как высота l стакана 4 от внутренней стенки днища и протяженность l оболочки 9, меньше половины длины L/2 цилиндрического конца державки, то две механические системы образуют между собой пространство, т.е. не соприкасаются друг с другом, что дает возможность в стакане 4 и оболочке 9 создавать различные избыточные давления не зависимо друг от друга, кроме того, за счет создания избыточных давлений в стакане 4 и оболочке 9 происходит самоцентрирование цилиндрического конца державки 3 и размещение его с одинаковыми зазорами по основанию и стенкам контейнера 6.
Демпфирующий резец с варьируемой жесткостью работает следующим образом.
При обработке конструкционного материала возмущающая сила резания вызывает колебания резца. Если бы цилиндрическая часть державки 3 была установлена в стакане 4 с закачанным в его днище и стенки воздухом, а высота стакана 4 от внутренней стенки днища была равна длине L цилиндрического конца державки 3, то в стакане 4 возникла пара восстанавливающих сил, создающих момент, стремящийся вернуть резец в положение 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 цилиндрической части державки 3 были расположены в стакане 4 и цилиндрической оболочке 9 с закачанным в них сжатым воздухом и имели одинаковые жесткости, то при демпфировании колебаний резца в стакане 4 и цилиндрической оболочке 9 возникли две пары демпфирующих сил с одинаковыми моментами, но недостаточными, чтобы минимизировать вибрации до желаемого уровня.
Так как жесткости стакана 4 и цилиндрической оболочки 9 с закачанным в них сжатым воздухом различны, причем жесткость оболочки 9 меньше жесткости стакана 4, то в стакане 4 возникает пара сил, модули которых больше модулей пары сил в цилиндрической оболочке 9. Поэтому в стакане 4 действует дополнительный восстанавливающий момент от пары сил, равных разности модулей сил в стакане 4 и цилиндрической оболочки 9, что повышает эффективность демпфирования колебаний резца.
Следовательно, днищем и стенками стакана 4 и стенками цилиндрической оболочки 9 осуществляется высокоэффективное демпфирование соответственно продольных и поперечных вибраций и ударных нагрузок, возникающих в процессе резания, за счет виброизоляции режущей пластины 1 с узлом ее крепления 2 в державке 3 от резцедержателя. Путем варьирования разностью жесткостей стакана 4 и цилиндрической оболочки 9 возможно минимизировать вибрации резца до необходимого уровня и достигнуть требуемого качества обработки, как в токарных, так и в строгальных технологических операциях.
1
2
Снижение расхода вулканизированного материала происходит за счет того, что высота l стакана 4 от внутренней стенки днища и протяженность l цилиндрической оболочки 9 меньше половины длины L/2 цилиндрического конца державки 3.
1
2
1
Оригинальностью предложенного демпфирующего резца с варьируемой жесткостью является то, что высота l стакана 4 из вулканизированного материала от внутренней стенки днища меньше половины длины L/2 цилиндрической части державки 3, второй ее конец со стороны выступающей части с режущей пластиной 1 расположен в замкнутой цилиндрической эластичной оболочке 9 из вулканизированного материала с сообщающимися полыми стенками, внутренний диаметр оболочки равен диаметру d державки 3, а протяженность l меньше половины длины L/2 ее цилиндрической части, во внешней стенке оболочки 9 жестко закреплен цилиндрический штуцер 10, при этом оболочка 9 с державкой 3 установлена свободно с зазорами в контейнере 6, имеющем в цилиндрической поверхности с противоположного конца от основания сквозной паз 11 с размерами, большими диаметра d штуцера 10 цилиндрической оболочки 9, причем через штуцер 10, размещенный на оси симметрии паза 11, закачан сжатый воздух в стенки цилиндрической оболочки 9 до заполнения ею зазоров между контейнером 6 и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка 3 - цилиндрическая оболочка 9 с закачанным сжатым воздухом - контейнер 6 с возможностью варьирования жесткостью резца за счет дополнительного закачивания воздуха в цилиндрическую оболочку 9 или сбрасывания его из оболочки 9 без контактирования поверхностей державки 3 и штуцера 10 цилиндрической оболочки 9 с контейнером 6, с соблюдением условия, что жесткость цилиндрической оболочки 9 меньше жесткости стакана 4 с закачанным в них воздухом. Это позволяет:
1. Повысить качество обработки путем увеличения эффективности демпфирования колебаний резца за счет того, что один конец цилиндрической части державки установлен в стакане с полыми днищем и стенками, а второй ее цилиндрический конец со стороны выступающей части с режущей пластиной размещен в цилиндрической оболочке с полыми стенками. Закачкой сжатого воздуха в полости стакана и цилиндрической оболочки дистанционно бесступенчато варьируют жесткостями оболочек с соблюдением условия, что жесткость цилиндрической оболочки меньше жесткости стакана.
2. Снизить расход вулканизированного материала, так как стакан и цилиндрическая оболочка с концами державки расположены на расстоянии друг от друга, высота стакана от внутренней стенки днища и протяженность 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.