Инструмент для формирования отверстий методом пластического сверления

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для формирования отверстий с использованием метода пластического сверления. Инструмент выполнен в виде тела вращения, которое содержит расширяющую, калибрующую и торцующую формообразующие поверхности. Тело вращения инструмента выполнено из быстрорежущей стали с нанесенным на его формообразующие участки промежуточного теплоизолирующего слоя, затрудняющего теплоотвод из зоны обработки в инструмент и далее в шпиндель станка, и внешнего износостойкого покрытия. Упрощается изготовление инструмента, увеличивается производительность процесса сверления и снижается его стоимость.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к технологической операции формирования отверстий в несущих элементах конструкций с использованием метода пластического сверления.

Известен способ формирования круглых отверстий, заключающийся в резании материала вращающимися спиральными сверлами [1]. Данный способ является наиболее распространенным в машиностроительном производстве, заключающийся в том, что к месту предполагаемого отверстия подводят инструмент, имеющий на торце режущие кромки. За счет приложения нагрузки вдоль оси инструмента формируют отверстие, образующееся в результате отделения стружки режущими кромками. Данный способ имеет недостатки, заключающиеся в отделении стружки, низкой чистоте обработки поверхности отверстия. Кроме того, при сверлении отверстий спиральными сверлами возникает проблема недостаточной производительности процесса вследствие быстрого износа режущих кромок инструмента.

Известен способ формирования отверстий методом пластического сверления [2], который был принят в качестве прототипа заявленного способа. В данном способе отверстия формируются методом пластического сверления, при котором к обрабатываемой поверхности прижимают гладкий вращающийся твердосплавный инструмент, создающий за счет трения локальный нагрев поверхности до температуры, при которой материал под действием нормальной нагрузки, приложенной к вращающемуся инструменту, выдавливается наружу с формированием отверстия, повторяющего геометрию вращающегося инструмента. Данный способ позволяет получать чистые поверхности отверстий без образования стружки, а также производит вытяжку материала вдоль оси отверстия, что позволяет получать более качественную резьбу в тонкостенных элементах конструкций.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что при обработке материалов с высокой теплопроводностью затрудняется процесс разогрева материала в зоне обработки, приводящий к замедлению пластического выдавливания материала из области формируемого отверстия, что снижает производительность процесса пластического сверления.

В качестве аналогичного инструмента для формирования отверстий принимаются спиральные сверла, широко применяемые в машиностроении [1]. Недостатком сверл является их низкая стойкость к изнашиванию и, как следствие, низкая производительность процесса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является инструмент для пластического сверления [3], содержащий рабочую часть с симметричным относительно оси инструмента профилированным поперечным сечением, имеющим стороны с малой кривизной, включающую конический, имеющий остроконечный центрирующий элемент, и призматический участки и хвостовик, в котором рабочая часть снабжена дополнительными коническим и призматическим участками, профилированные поперечные сечения которых соответствуют сечениям конического и призматического участков, последовательно расположенными между призматическим участком и хвостовиком, при этом на дополнительном призматическом участке на сторонах с малой кривизной жестко закреплены четыре режущих зуба, равномерно расположенные относительно друг друга. Предлагаемый инструмент решает задачу уменьшения длительности изготовления втулки под резьбу в листовой или трубчатой заготовке. Недостатком инструмента является то, что при пластическом сверлении значительная часть сгенерированного трением тепла отводится через инструмент в шпиндель станка, что снижает скорость пластического выдавливания материала в зоне обработки, что, в свою очередь, снижает производительность процесса сверления. Кроме того, недостатком прототипа является его высокая стоимость и сложность изготовления.

Технический результат настоящего изобретения заключается в увеличении производительности процесса пластического сверления, а также в снижении стоимости и упрощении изготовления инструмента, предназначенного для получения отверстий в деталях из металлов и сплавов методом пластического сверления с температурой плавления менее 1200°С.

Технический результат достигается тем, что на поверхность воздействуют вращающимся инструментом, создающим локальный нагрев поверхности и формирование отверстия заданного диаметра, при этом обрабатываемый участок поверхности дополнительно подогревают от внешнего источника тепла, а инструмент, для осуществления разработанного способа, представляющий собой тело вращения, содержащее формообразующие поверхности - расширяющую, калибрующую и торцующую - и хвостовик, изготовлен из быстрорежущей стали с нанесением на его формообразующие участки промежуточного теплоизолирующего слоя, затрудняющего теплоотвод из зоны обработки в инструмент и далее в шпиндель станка, и внешнего износостойкого покрытия, обеспечивающего долговечность инструмента. Теплоизолирующий слой и твердосплавное покрытие наносят детонационным методом.

При осуществлении заявленного способа дополнительно к разогреву поверхности материала за счет трения используют внешний источник теплоты, локально разогревающий материал в области формирования отверстия. При использовании внешнего подогрева достигаются следующие преимущества:

- использование менее мощного и дорогостоящего оборудования для получения отверстий заявленным способом;

- получение отверстий в тонкостенных (или хрупких) деталях, поскольку снижаются осевые нагрузки при выдавливании предварительно размягченного материала;

- получение отверстий в деталях с высоким теплоотводом, где нагрев за счет трения может оказаться недостаточным;

- повышение долговечности инструмента за счет уменьшения силового воздействия;

- повышение производительности обработки за счет возможности повышения величины осевой подачи при формировании отверстий.

Указанные положительные эффекты в заявленном способе обусловлены рациональным разделением функций разогрева (от внешнего источника тепла) и формообразования (деформирующим инструментом).

Заявленный способ получения отверстий осуществляется по следующим этапам. Обрабатываемую деталь фиксируют на станине сверлильного станка. Поверхность детали в области формирования отверстия нагревают внешним источником тепла, например, струей газовой горелки, до равномерного прогрева по толщине детали до определенной температуры. Затем, не прекращая действия внешнего источника тепла, формируют отверстие за счет выдавливания материала вращающимся инструментом.

Пример. Эксперимент проводили на трубе ⌀60 мм толщиной стенки 5 мм, изготовленной из стали 40Х, на обрабатывающем центре фирмы EMAG. Трубу закрепляли в тисках на станине обрабатывающего центра. Область формирования отверстия предварительно нагревали с помощью струи газовой горелки в течении 30 сек. Затем осуществляли обработку детали твердосплавным инструментом со следующими режимами: 1000 об/мин и подачей 500 мм/мин, при непрерывном подогреве детали от газовой горелки. В результате обработки сформировано качественное сквозное отверстие.

Второй эксперимент проводили без внешнего подогрева, при аналогичных режимах обработки. Сформировать отверстие не удалось, деталь получила механические повреждения (деформировалась) и стала непригодной для дальнейшей обработки, появились дефекты на инструменте.

Инструмент, необходимый для осуществления заявленного способа, изготавливается из быстрорежущей стали с нанесением на формообразующие участки инструмента (расширяющую, калибрующую и торцующую) промежуточного теплоизолирующего слоя (например, оксида алюминия), затрудняющего теплоотвод из зоны обработки в инструмент и далее в шпиндель станка, и внешнего износостойкого покрытия (например, твердого сплава), обеспечивающего долговечность инструмента. Применение быстрорежущих сталей в качестве основного материала обусловлено тем, что: во-первых, эти стали имеют низкую теплопроводность, что позволяет дополнительно уменьшить теплоотвод из зоны обработки; во-вторых, быстрорежущие стали дешевле и легче обрабатываются, чем твердые сплавы, что позволяет сделать инструмент более дешевым; в-третьих, быстрорежущие стали более устойчивы к ударам и вибрациям, чем твердые сплавы, что повышает эксплуатационную надежность инструмента; в-четвертых, быстрорежущие стали имеют высокую красностойкость, позволяющую без снижения прочности работать в условиях циклического нагрева до 600…650°С.

Известно, что температура разогрева инструмента для пластического сверления при эксплуатации не превышает 0,5·T_пл, где T_пл - температура плавления обрабатываемого материала, то заявляемый инструмент позволит обрабатывать конструкционные материалы с температурой плавления до 1200°С, например алюминиевые и медные сплавы.

Для нанесения твердосплавного и теплоизолирующего покрытий на инструмент предлагается использовать детонационный метод. Применение детонационного метода позволяет:

- обеспечить высокую скорость нанесения покрытий (несколько секунд на один инструмент);

- нанести покрытие с высокой адгезией (до 80 МПа) без значительного разогрева и деформации основы;

- сформировать в инструменте благоприятные остаточные напряжения сжатия, повышающие стойкость инструмента к циклическим нагрузкам.

После детонационного напыления твердосплавного покрытия на инструмент предлагается калибрующую и торцующую часть шлифовать в размер требуемого отверстия, а расширяющую часть оставить без шлифования. При этом благодаря естественной высокой шероховатости поверхности покрытия (R_z>30), полученного детонационным методом, в расширяющей части будет обеспечено более интенсивное тепловыделение при трении в зоне формирования отверстия и, как следствие, более высокая производительность обработки.

Таким образом, заявленный инструмент может использоваться для формирования отверстий в металлах и сплавах с температурой плавления до 1200°С и имеет более высокую эффективность и более низкую себестоимость, чем твердосплавный инструмент.

Пример. Изготовили инструмент из быстрорежущей стали Р18 с диаметром калибрующей части 4,8 мм.

На поверхности расширяющего, калибрующего и торцующего участков инструмента наносили теплоизолирующее покрытие из оксида алюминия детонационным методом толщиной 50 мкм на радиус. Длительность обработки с использованием детонационного комплекса «Дракон» составила 8 сек.

Далее на поверхности расширяющего, калибрующего и торцующего участков инструмента поверх теплоизолирующего покрытия наносили твердосплавное покрытие из сплава ВК-12 детонационным методом толщиной 60 мкм на радиус. Длительность обработки с использованием детонационного комплекса «Дракон» составила 10 сек. Далее калибрующую поверхность шлифовали до диаметра 5 мм.

Испытания инструмента проводили на дюралюминиевом швеллере с толщиной стенки 5 мм на обрабатывающем центре фирмы EMAG. Швеллер закрепляли в тисках на станине обрабатывающего центра. Затем осуществляли пластическое сверление швеллера при следующих режимах: частота вращения инструмента 4000 об/мин; осевая подача 400 мм/мин. В результате пластического сверления в стенке швеллера получено качественное сквозное отверстие, что подтверждает эффективность заявляемого инструмента.

Литература

1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1, 2 / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

2. US Patent №4428214. Flow drilling process and tool therefore /. Bredesky, Jr.; Louis P; Head, Jr.; Glenn D; Le Master; William C.; Winter; David C. Date Issued: January 31, 1984.

3. Патент РФ №2335370. Инструмент для пластического сверления / Е.Ю. Татаркин, О.В. Золотев. Опубл. 10.10.2008, бюл. №28.

Инструмент для формирования отверстий методом пластического сверления, выполненный в виде тела вращения, содержащего расширяющую, калибрующую и торцующую формообразующие поверхности, и хвостовик, отличающийся тем, что тело вращения инструмента выполнено из быстрорежущей стали с нанесенным на участки его формообразующих поверхностей промежуточным теплоизолирующим слоем и внешним износостойким покрытием.