Кольцевое сверло для обработки сотовых конструкций

Изобретение относится к области механической обработки, сверлению точных отверстий в многослойных клееных конструкциях. Сверло содержит корпус, выполненный в виде полого тела вращения с расположенными на его торце режущими зубьями. Для повышения качества и точности обработки режущие зубья выполнены заодно с корпусом, причем их ширина не более 2,5 мм, а высота не менее 5 мм. При этом угол в плане у всех зубьев одинаковый и выполнен в диапазоне ϕ=100°-105°. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к механической обработке, в частности к инструментам для сверления цилиндрических отверстий в многослойных сотовых клееных конструкциях, в основном, для сквозного сверления точных отверстий.

Кольцевое сверло, в общем случае, представляет собой полый цилиндр, на торце которого закреплены режущие зубья. Кольцевые сверла широко используются для выполнения отверстий в разных материалах: древесине, железобетоне, камне и др., - и различаются как формой и количеством режущих зубьев, так и материалом режущей части. Существует нормативная документация на кольцевые сверла:

- ТУ 2-035-524-76 Сверла кольцевые со вставными ножами из быстрорежущей стали;

- ГОСТ 17013-71 Сверла кольцевые твердосплавные. Основные размеры;

- ГОСТ 24638-85 Сверла алмазные кольцевые для железобетонных конструкций. Технические условия.

Но все известные кольцевые сверла не обеспечивают выполнение точных сквозных отверстий в многослойных сотовых клееных конструкциях. Информация об особенностях конструкции кольцевых сверл, предназначенных для обработки отверстий в клееных сотовых конструкциях, отсутствует. Проведенный патентный поиск не дал результатов. При этом в деталях из многослойных сотовых конструкций, применяемых в аэрокосмической промышленности, выполняется до нескольких сотен отверстий, предназначенных для вклейки опорных узлов. К особенностям сверления клееных сотовых конструкций следует отнести то, что отверстие необходимо выполнить в обшивках толщиной, как правило, менее 1 мм, в сотовом заполнителе, вклеенном между обшивками, при этом обеспечить точность не хуже 10 квалитета.

Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является кольцевое сверло (А.с. №904915, МКИ³ В23В 51/04).

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность получения точных и качественных отверстий в деталях из многослойных сотовых конструкций в связи с нежестким креплением режущих пластин в корпусе и геометрическими параметрами режущих зубьев, которые не обеспечивают максимальную точность выполнения отверстий.

Задача изобретения - разработка режущего инструмента в виде кольцевого сверла, обеспечивающего максимально возможную точность отверстий в деталях из многослойных сотовых конструкций, исключив при этом деформацию тонкостенных обшивок и порывы стенок сот, граничащих с зоной резания.

Указанная задача решается тем, что режущие зубья кольцевого сверла выполнены заодно с корпусом, причем их ширина не более 2,5 мм, а высота не менее 5 мм, при этом угол в плане у всех зубьев одинаковый и выполнен в диапазоне ϕ=100°÷105°.

Суть изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображено кольцевое сверло, а на фиг.2 представлена схема вырезания отверстия в многослойной сотовой конструкции. Кольцевое сверло состоит из корпуса 1 с хвостовиком 2 (коническим или цилиндрическим в зависимости от станочного оборудования) и режущих зубьев 3. На схеме вырезания отверстия показана сотовая конструкция 4 и кольцевое сверло 5.

Работает кольцевое сверло следующим образом.

После установки корпуса 1 хвостовиком 2 в приводное устройство станочного оборудования вращающееся кольцевое сверло прорезает насквозь деталь и затем выводится из детали совместно с вырезанным керном, образуя сквозное цилиндрическое отверстие.

Наиболее значимые параметры кольцевого сверла, влияющие на точность отверстий в клееных сотовых конструкциях, выявлены в результате проведенных исследований. При этом учитывалось влияние температуры и времени нагрева обшивок сотопанели при обработке их режущим инструментом, так как нагрев клея, соединяющего обшивки и сотовый заполнитель значительно выше температуры полимеризации, приводит к его охрупчиванию и частичной или полной потере прочностных свойств, что недопустимо.

Наиболее высокая точность отверстия обеспечивается при минимальных автоколебаниях и усилиях резания и достаточной жесткости инструмента. Опытным путем установлена максимальная ширина зуба кольцевого сверла t≤2,5 мм и минимальная высота зуба h≥5 мм. При большей ширине зуба и меньшей высоте снижается точность выполняемых отверстий.

Значительное влияние на точность отверстия оказывает величина угла в плане ϕ (половина угла при вершине). Для выявления закономерности рассеивания действительных размеров отверстий от величины угла ϕ было проведено экспериментальное сверление образцов сотопанели кольцевыми сверлами ⊘24 с различными углами ϕ, выполненными в диапазоне ϕ=70°...110°.

Распределение действительных размеров отверстий в сотопанели для верхней и нижней обшивки в зависимости от величины угла в плане ϕ приведены в таблице 1 и таблице 2.

Таблица 1 Распределение действительных размеров отверстий для ϕ=70°...90°
	Величина угла в плане ϕ, град.
Диаметр отверстия, мм	70°	80°	90°	70°	80°	90°
верхняя обшивка	нижняя обшивка
	Кол-во отв. m	Относит. кол-во отв. m/n	Кол-во отв. m	Относит. кол-во отв. m/n	Кол-во отв. m	Относит. кол-во отв. m/n	Кол-во отв. m	Относит. кол-во отв. m/n	Кол-во отв. m	Относит. кол-во отв. m/n	Кол-во отв. m	Относит. кол-во отв. m/n
24,00...24,05	1	0,01	0	0,00	0	0,00	0	0,00	0	0,00	0	0,00
24,06...24,10	4	0,04	4	0,04	2	0,02	4	0,04	3	0,03	2	0,02
24,11...24,15	14	0,14	12	0.12	6	0,06	10	0,10	12	0,12	3	0,03
24,16...24,20	34	0,34	36	0,36	10	0,10	30	0,30	20	0,20	8	0,08
24,21...24,25	38	0,38	34	0,34	12	0,12	42	0,42	28	0,28	10	0,10
24,26...24,30	6	0,06	8	0,08	24	0,24	8	0,08	11	0,11	24	0,24
24,31...24,35	3	0,03	6	0,06	20	0,20	6	0,06	14	0,14	22	0,22
24,36...24,40	0	0,00	0	0,00	18	0,18	0	0,00	8	0,08	20	0,20
24,41...24,45	0	0,00	0	0,00	6	0,06	0	0,00	4	0,04	8	0,08
24,46...24,50	0	0,00	0	0,00	2	0,02	0	0,00	0	0,00	3	0,03

Изменение распределения действительных размеров отверстий при изменении угла ϕ объясняется следующим:

1. При ϕ=90° сила резания Pz максимальна, что, вследствие малой жесткости конструкции и системы СПИД в целом, приводит к появлению значительных автоколебаний. Точность выполненных в образцах отверстий соответствует квалитетам 10÷14.

2. При ϕ=70°÷80° точность выполненных отверстий в верхней обшивке соответствует диапазону квалитетов 10÷12. Точность выполненных отверстий в нижней обшивке снижается и находится в диапазоне 10÷14 квалитета. Снижение точности отверстий в нижней обшивке можно объяснить различной последовательностью прохождения инструментом слоев сотовой конструкции, представленной на фиг.2. Последовательность обработки для верхней обшивки: алюминиевый лист и далее полимеризованный клей, представляющий собой ячеистую структуру с прерывистым характером резания. Для нижней обшивки наоборот - сначала прорезается полимеризованный клей, что влечет за собой увеличение автоколебаний, и далее алюминиевый лист, в котором отверстие разбивается вследствие увеличенных автоколебаний.

3. При ϕ=100°÷105° точность выполненных отверстий и в верхней и в нижней обшивке не хуже 10-го квалитета точности. При данной заточке угла ϕ режущей кромки кольцевого сверла наблюдается снижение автоколебаний и, как следствие, повышается точность отверстий. Причина заключается в том, что врезание происходит по наружному диаметру кольцевого сверла и прорезаемое отверстие является направляющим для режущего инструмента вплоть до момента прорезания обшивки (как верхней, так и нижней). При дальнейшем увеличении угла ϕ точность отверстий снижается, ухудшаются условия резания, что приводит к быстрому выкрашиванию режущей кромки сверла.

Анализ действительных размеров отверстий, приведенный в таблицах 1, 2, позволяет сделать вывод о том, что максимальная точность сквозных отверстий, выполненных кольцевым сверлом в клееных алюминиевых сотопанелях, достигается в диапазоне значений угла в плане ϕ=100°...105°.

Опытный образец инструмента изготовлен и опробован в производственных условиях. Результат положительный, полученные в сотовой конструкции сквозные отверстия выполнены в пределах 10 квалитета точности.

Кольцевое сверло для обработки сотовых конструкций, корпус которого выполнен в виде полого тела вращения с расположенными на его торце режущими зубьями, отличающееся тем, что режущие зубья выполнены заодно с корпусом, причем их ширина - не более 2,5 мм, а высота - не менее 5 мм, при этом угол в плане у всех зубьев одинаковый и выполнен в диапазоне ϕ=100-105°.