Стержневидная инструментальная оправка для прикрепления резцов в узловых точках

Оправка предназначена для прикрепления по меньшей мере одного резца для механической обработки и выполнена с возможностью зажатия на первом конце и имеет второй свободный конец. По меньшей мере один резец расположен по существу в узловой точке на расстоянии по меньшей мере 10 диаметров оправки от первого конца. Достигается повышение качества обработки за счет уменьшения колебаний оправки. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к стержневидной инструментальной оправке, используемой в металлорежущих станках, в частности, для обработки с удалением стружки и в этой связи для растачивания с особенно большим вылетом. В этом контексте термин «вылет» обычно относится к расстоянию между точкой закрепления инструментальной оправки и местоположением резца. Большие вылеты необходимы, например, при растачивании в глубоко обрабатываемых деталях. Изобретение также может использоваться в связи с другими формами механической обработки, когда используется стержневидная инструментальная оправка, и может использоваться для инструментальных оправок, удерживающих несколько резцов. При такой механической обработке в стержне генерируются колебания, что является проблемой, так как колебания вызывают перемещение резца относительно обрабатываемой детали. Это понижает допуски на размер и достижимую отделку поверхности и может даже приводить к шумам и отказам. Типичные варианты применения такой механической обработки относятся к автомобильной промышленности, авиационной промышленности, энергетическому сектору и добывающему нефтяному и газовому оборудованию.

Для уменьшения таких колебаний обычной практикой является использование демпферов в стержне и с помощью таких демпферов длина вылета может быть увеличена обычно в порядке до 12×D, где D - это диаметр стержня.

Для особенно больших вылетов становятся более доминирующими изгибные колебания в стержне более высокого порядка и такие колебания трудно гасить. В этом контексте термин «изгибные колебания более высокого порядка» означает, что стержневидная инструментальная оправка колеблется вокруг центральной линии и пересекает эту линию в нескольких точках в каждом колебательном цикле. Эти точки упоминаются как узловые точки. Эти колебания вызывают смещение u^ω(x, t) инструментальной оправки, которое зависит от положения вдоль оси х, времени и вида колебаний и которое воздействует на положение резца. На практике это ограничивает максимальную полезную длину вылета.

Посредством расположения резца, как предложено в соответствии с настоящим изобретением, длина вылета может быть значительно увеличена без понижения допусков на размер или качества обработанной поверхности, достижимых при механической обработке.

Перед резцом может быть расположен демпфер и он может быть вставлен в тонкостенное поперечное сечение. Резец может быть размещен в узловой точке второй резонансной частоты или вблизи нее. В этом контексте узловая точка второй резонансной частоты относится к первой узловой точке после точки закрепления, в которой ось инструментальной оправки колеблется вокруг прямолинейной центральной оси инструментальной оправки. Она является точкой, в которой u^ω2 (x, t) находится на его минимальном уровне. Это дало хорошие результаты для больших вылетов. Демпфер будет воздействовать на первую резонансную частоту и частично на виды колебаний более высокого порядка. Точка, в которой можно прикрепить резец, может быть вычислена аналитически посредством анализа методом конечных элементов или посредством измерения с использованием модального анализа. Измерения методом модального анализа могут быть выполнены впоследствии для расположения узловой точки точно в точке крепления резца.

Следовательно, настоящее изобретение описывает стержневидную инструментальную оправку, имеющую длину $$\ell$$ для прикрепления по меньшей мере одного резца механической обработки. Инструментальная оправка выполнена так, что она имеет главную точку крепления на первом конце и, при необходимости, дополнительную опору относительно обрабатываемой детали и имеет второй свободный конец. В ходе работы инструментальная оправка колеблется с изгибными волнами более высокого порядка вокруг по меньшей мере одной узловой точки, расположенной на прямолинейной оси (x), движущимися от его первого конца. По меньшей мере один резец расположен, по существу, в узловой точке на расстоянии от свободного конца в направлении первого конца.

Расстояние между первым концом инструментальной оправки и по меньшей мере одним резцом может составлять порядка 0,78 $$\ell$$ -0,91 $$\ell$$ . Это расстояние типично для однородных стержней. Однако инструмент может состоять из различных материалов и выемок, и многие факторы могут влиять на фактическую величину. Другими словами, фактические величины могут отличаться от указанных выше величин.

Гаситель колебаний может быть расположен между свободным концом держателя и по меньшей мере одним резцом.

Между по меньшей мере одним резцом и главной точкой закрепления может быть образована дополнительная опора.

По меньшей мере один резец может быть расположен в узловой точке колебаний второго порядка.

По меньшей мере один резец может быть расположен в узловой точке (точках) колебаний третьего порядка.

По меньшей мере один резец может быть расположен в узловой точке (точках) колебаний четвертого порядка.

Инструментальная оправка может иметь диаметр D, и по меньшей мере один резец может быть расположен на расстоянии по меньшей мере 10×D от первого конца или дополнительной опоры.

Инструментальная оправка также может содержать дополнительную опору по меньшей мере между одним резцом и первым концом. По меньшей мере один резец может быть расположен на расстоянии по меньшей мере 10×D от дополнительной опоры.

Инструментальная оправка также может предусматривать расположение одного или более резцов в каждой узловой точке. Такие резцы могут быть расположены в разных положениях по окружности инструмента в узловых точках.

Инструментальная оправка может работать с видами колебаний более высокого порядка таким образом, что образуются по меньшей мере две узловые точки. Резцы могут быть расположены по меньшей мере в двух из этих узловых точек или вблизи них. Например, если существуют три узловые точки, резцы могут быть расположены в одной, двух, или, возможно, всех трех из этих узловых точек. Обычно резцы будут расположены в узловой точке, ближайшей к свободному концу инструментальной оправки, для осуществления механической обработки с самым большим возможным вылетом. Кроме того, в каждой узловой точке могут быть расположены два, три или больше резцов. Например, при наличии трех узловых точек и трех резцов в каждой узловой точке применяют в общей сложности девять резцов. Однако нет необходимости иметь одинаковое количество резцов в каждой узловой точке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой вид инструментальной оправки, удерживающей резец согласно изобретению;

Фиг.2 представляет собой схематический вид инструментальной оправки в первом режиме поперечных колебаний;

Фиг.3 представляет собой вид инструментальной оправки во втором режиме поперечных колебаний;

Фиг.4 представляет собой вид инструментальной оправки в третьем режиме поперечных колебаний;

Фиг.5 представляет собой вид инструментальной оправки в четвертом режиме поперечных колебаний; и

Фиг.6 представляет собой вид инструментальной оправки во втором режиме поперечных колебаний и имеет дополнительную опору согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ СО ССЫЛКАМИ

НА ПРИЛАГАЕМЫЕ ЧЕРТЕЖИ

На фиг.1 показана стержневидная инструментальная оправка 1, проходящая между первым концом 4, на котором инструментальная оправка 1 зажата в металлорежущем станке, опорой 5 для обрабатываемой детали (не показана), и вторым свободным концом 3, в котором инструментальная оправка не закреплена. На фиг.1 показана конфигурация инструментальной оправки 1 в нерабочем состоянии, имеющем центральную ось. Резец 2 прикреплен к инструментальной оправке 1 на расстоянии в направлении внутрь от свободного конца 3. Свободный конец 3 может включать гаситель колебаний и может иметь форму втулки. В этом случае резец будет прикреплен между первым концом 4 и демпфером. Гаситель колебаний может быть, например, демпфером, имеющим упруго прикрепленную демпфирующую массу, или может быть активным демпфером, например, содержащим пьезоэлектрические или электродинамические элементы. Однако свободный конец инструментальной оправки также может включать только массу. Эта масса может быть заданной весовой массой или может включать заменяемые грузы для регулирования или «настраивания» узла. Расстояние между свободным концом 3 и резцом также может регулироваться или посредством перемещения резца, или создания узла регулируемой длины между резцом и свободным концом 3. Узел также может включать средства для регулирования во время работы и может включать приводы для перемещения массы вдоль оси между свободным концом 3 и резцом. В качестве альтернативы расстояние между резцом 2 и свободным концом 3 может регулироваться посредством одного или более приводов. Могут использоваться датчики, например, такие как акселерометры, датчики нагрузки или тензодатчики для определения узловых точек и, следовательно, точки крепления для резца. Стержневидная инструментальная оправка 1 также может включать несколько резцов. Например, если инструментальная оправка колеблется в режиме свободных колебаний третьего порядка таким образом, что образуются две узловые точки, резцы могут быть расположены в этих узловых точках.

На фиг.2 показана принципиальная схема инструментальной оправки 1, изображенной как однородная консольная балка, зажатая на первом конце 4. Инструментальная оправка 1 имеет длину $$\ell$$ и показана в первом режиме ω1 отклонения. В этом первом режиме отклонения изобретение не может использоваться, поскольку этот режим отклонения не демонстрирует узловых точек. Прямолинейная ось x проходит от точки закрепления на первом конце 4.

На фиг.3 показана инструментальная оправка 1, которая, как и на фиг.2, изображена как однородная балка длиной $$\ell$$ , зажатая на первом конце 4 и имеющая свободный конец 3. Инструментальная оправка показана во втором режиме ω2 отклонения и имеет узловую точку 6 на расстоянии 0,78 $$\ell$$ , при этом узловая точка 6 будет пригодна для расположения резца в этом случае. Расстояние 0,78 $$\ell$$ измерено от первого конца 4, на котором инструментальная оправка зажата, и до местоположения резца 2. Если инструментальная оправка 1 состоит из разных материалов и/или имеет разнородную конфигурацию или дополнительную опору, узловая точка 6 будет занимать немного другое положение относительно показанной величины 0,78 $$\ell$$ .

На фиг.4 показана принципиальная схема инструментальной оправки 1, подобной показанной на фиг.2 и 3, имеющей длину $$\ell$$ , зажатой на первом конце 4 и имеющей свободный конец 3, в режиме ω3 отклонения третьего порядка, в котором на инструментальной оправке 1 существуют две узловые точки 6. Эти узловые точки 6 пригодны для прикрепления резца. Первая узловая точка расположена на расстоянии 0,50 $$\ell$$ , а вторая узловая точка расположена на расстоянии 0,87 $$\ell$$ . Как правило, резец будет расположен в наиболее удаленной узловой точке.

На фиг.5 показана принципиальная схема инструментальной оправки 1, подобной показанной на фиг.2, 3 и 4, имеющей длину $$\ell$$ , зажатой на первом конце 4 и имеющей свободный конец 3. Инструментальная оправка 1 показана в режиме ω3 отклонения четвертого порядка, в котором существуют три узловые точки 6, расположенные на расстояниях 0,36 $$\ell$$ , 0,64 $$\ell$$ и 0,91 $$\ell$$ соответственно. Как правило, резец будет расположен в наиболее удаленной узловой точке на расстоянии 0,91 $$\ell$$ .

На фиг.6 показана инструментальная оправка 1 согласно изобретению во втором режиме поперечного отклонения. Инструментальная оправка 1 показана с первым зажатым концом 4 и включает дополнительную опору 5, второй свободный конец 3 и резец 2 в узловой точке 6. На чертеже показано в несколько увеличенном виде как форма инструментальной оправки 1 изменяется в ходе работы. Опора 5 относительно обрабатываемой детали перемещает узловую точку 6 к свободному концу 3. Это можно видеть по тому, что второй режим поперечного отклонения инструментальной оправки 1 производит секцию между первым концом 4 и опорой 5, на которую меньше воздействует форма колебаний (она по существу прямая). Между опорой 5 и свободным концом 3 центральная ось отступает от прямой формы. Опора 5 относительно обрабатываемой детали может состоять из несущих поверхностей между обрабатываемой деталью и опорой или между инструментальной оправкой 1 и опорой 5. Конечно, опора 5 не всегда требуется.

1. Стержневидная инструментальная оправка (1), имеющая длину $$\ell$$ для прикрепления по меньшей мере одного резца (2) для механической обработки, выполненная с возможностью зажатия на первом конце (4) и свободная на втором конце (3), и имеющая возможность колебания в ходе работы с изгибными колебаниями вокруг по меньшей мере одной узловой точки (6), расположенной на прямолинейной оси (х), проходящей от первого конца (4),
отличающаяся тем, что
по меньшей мере один резец (2) расположен в узловой точке (6) на расстоянии от второго конца (3) к первому концу (4), причем оправка имеет диаметр D, а по меньшей мере один резец (2) расположен на расстоянии по меньшей мере 10×D от первого конца (4).

2. Оправка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между первым концом (4) и по меньшей мере одним резцом составляет 0,78 $$\ell$$ -0,91 $$\ell$$ .

3. Оправка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что между вторым концом (3) и по меньшей мере одним резцом (2) расположен амортизатор колебаний.

4. Оправка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один резец (2) расположен в узловой точке (6) для колебаний второй формы.

5. Оправка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один резец (2) расположен в узловой точке (6) для колебаний третьей формы.

6. Оправка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один резец расположен в узловой точке (6) для колебаний четвертой формы.

7. Оправка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной опорой (5) между по меньшей мере одним резцом (2) и первым концом (4).

8. Оправка (1) по п. 7, отличающаяся тем, что по меньшей мере один резец (2) расположен на расстоянии по меньшей мере 10×D от дополнительной опоры (5).

9. Оправка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один резец расположен в одной узловой точке (6).

10. Оправка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что в случае колебаний с образованием по меньшей мере двух узловых точек (6), по меньшей мере один резец (2) расположен в по меньшей мере каждой из по меньшей мере двух указанных узловых точек (6).

11. Оправка (1) по п. 10, отличающаяся тем, что по меньшей мере два резца (2) расположены в по меньшей мере каждой из по меньшей мере двух из указанных узловых точек (6).