Різець з обертовою ріжучою кромкою

Изобретение относится к инструменту, применяемую в металлообработке и в други х о траслях для резания труднообрабатываемых материалов и деталей с большими поверхностями обработки, когда замена инструмента снижает качество изделия. Изобретение также относится к горнорежущему инструменту, особенно для резания абразивных горных пород, а именно к инструменту, у которого его режущая часть вращается под действием сил трения с обрабатываемым материалом и при стабильном самовращении участки рабочей кромки, находящиеся в контакте с обрабатываемым материалом, постоянно меняются, что существенно снижает температуру в зоне резания и повышает работоспособность инструмента в десятки раз по сравнению с обычными резцами. В мировой практике для повышения надежности и работоспособности машин и различной техники создаются новые все более прочные материалы, в связи с чем возникают проблемы при их обработке для получения деталей. Созданы высоколегированные и жаропрочные стали и другие труднообрабатываемые материалы, при резании которых стойкость обычных твердосплавных резцов исчисляется несколькими секундами, после чего инструмент необходимо менять. Известен резец-мортира Игнатьева (Соколов Н.В. Режущий инструмент системы А.Н. Игнатьева, ОНТИ, МКТП СССР, 1934), который выполнен с трубчатой рабочей частью, установленной на двух радиальных подшипниках и одном упорном в корпусе с возможностью свободного вращения. Недостатком резца-мортиры является то, что диаметр режущей части значительно меньше (в 3 - 4 раза) диаметра опор вращения, поэтому для достижения крутящего момента, равного моменту сопротивления в опорах, что является необходимым условием самовращения, необходимо увеличивать угол l установки оси рабочего кольца к вектору скорости резания Vр. Это в свою очередь вызывает увеличение заднего угла, что снижает прочность режущей части. Учитывая сказанное и большие габариты этого инструмента, область его применения ограничена. Известен также твердосплавный резец-столбик конструкции ВНИИТМАШ (Андреев Г.С. Некоторые особенности работы резцов с вращающейся режущей частью из твердого сплава. Сб. ЦНИИТМАШ. Кн.2. Исследования в области технологии обработки металлов резанием. - Машгиз, 1957). У этого резца диаметры режущей части и опоры равны, однако применение подшипников скольжения увеличивает момент сопротивления, что снижает надежность устойчивого самовращения режущей части инструмента, а, следовательно, его эффективность. Наиболее близким решением по технической сути, принятым нами за прототип, является резец с вращающейся режущей кромкой, содержащий держатель, на котором установлен твердосплавный рабочий элемент, имеющий возможность свободного вращения в опоре, при этом его рабочая и опорная части выполнены за одно целое и имеют форму грибка (Землянский В.А., Гранин Ю.Ф., Старченко Б.В. Круглые самовращающиеся резцы. - Ма шиностроение, 1965. - №6). В прототипе наружный диаметр рабочей части в два раза больше по сравнению с диаметром опорной части, что повышает стабильность его самовращения при меньших углах l и позволяет увеличить угол заострения режущей части. Недостатком резца по прототипу является сложность изготовления твердосплавного рабочего элемента, имеющего форму грибка, большой расход твердого сплава и консольное свисание торца рабочей части над опорой, вследствие указанного выше соотношения размеров, что снижает прочность инструмента и является причиной осевой вибрации, тем более, что в конструкции отсутствуе т ограничение перемещения инструмента вдоль оси от опоры. В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования конструкции резца с вращающейся режущей кромкой, в которой за счет подбора соотношения размеров, входящи х в конструкцию элементов, введения дополнительных элементов и изменения связей между ними достигается стабильное и равномерное вращение режущей части в процессе обработки, повышается прочность элементов конструкции и ликвидируется вибрация рабочего кольца, что позволяет повысить работоспособность инструмента, производительность резания и качество обработанной поверхности. Поставленная задача достигается тем, что у резца с вращающейся режущей кромкой, содержащего держатель с установленным на нем твердосплавным рабочим элементов, имеющим возможность свободного вращения в опоре, согласно изобретению рабочий элемент выполнен в виде твердосплавного рабочего кольца, у которого наружный диаметр в 2,5 - 3,5 раза превышает его внутренний диаметр, при этом на периферийной части держателя, контактирующей с торцем твердосплавного рабочего кольца, симметрично продольной оси держателя и заподлицо с ним целесообразно установить твердосплавный элемент, например в виде полудиска, а сам держатель выполнить из двух частей головки и хвостовика, соединенных друг с другом с возможностью фиксированного поворота вокруг продольной оси. Конструктивное выполнение предлагаемого нами резца приводит к достижению приведенных вы ше технических результатов благодаря тому, что при выбранном соотношении между наружным и внутренним диаметрами твердосплавного рабочего кольца равном от 2,5 до 3,5 обеспечивается стабильное самовращение режущей кромки при малом значении угла l установки оси рабочего кольца к вектору скорости резания Vр, равном 5°. Высокая стойкость и работоспособность самовращающегося резца возможна только при стабильном вращении рабочего кольца резца, которое возможно, когда крутящий момент равен моменту сопротивления в опоре Mкр = Mс . Крутящий момент увеличивается с увеличением наружного диаметра рабочего кольца и угла l. Как показали эксперименты, первый параметр ограничен размерами обрабатываемой детали, а второй затиранием наружной поверхности кольца по обработанной поверхности детали. С уменьшением внутреннего диаметра кольца снижается момент сопротивления в опоре, однако при этом уменьшается прочность опоры и возможны поломки. Поэтому заявляемое соотношение между наружным и внутренним диаметром твердосплавного рабочего кольца имеет существенное значение. Наиболее оптимальным при этом является выбор соотношения между высотой рабочего кольца и диаметром его внутреннего отверстия, равного от 1,0 до 1,5, т.к. с уменьшением высоты снижается момент сопротивления и прочность кольца. Установка на держателе в зоне наибольшего нагружения при резании твердосплавного рабочего элемента позволяет снизить силы трения на торце опоры и повысить, ее жесткость, что увеличит надежность инструмента. Выполнение держателя с возможностью фиксированного поворота вокруг его продольной оси позволит устанавливать наибольший допустимый угол l и, следовательно, вести резание с наибольшей окружной скоростью Vо на рабочем кольце, которая равна Vо = Vр , sinl при Mкр = Mс , а следовательно, с минимальной температурой в зоне контакта резца с деталью. На фиг.1 показан резец, разрез; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - схема установки резца при обработке вала. Самовращающийся резец (фиг.1, 2) содержит держатель, состоящий из двух частей головки 1 и хвостовика 2, скрепленных друг с другом при помощи конического соединения 3 и винта 4. Держатель 1 - 2 также может быть выполнен за одно целое. В этом случае для установки оси опоры вращения рабочего кольца под углом l к вектору скорости резания Vр на той части держателя 1 - 2, которая закрепляется на станке фрезеруются две параллельные площадки сверху и снизу под углом l к горизонтальной плоскости. На головке 1 держателя 1 - 2 установлено твердосплавное рабочее кольцо 5 с режущей кромкой 6, свободно вращающееся вокруг оси 7, закрепленной на головке 1 при помощи гайки 8 и стопорной шайбы 9. На торце 10 головки 1 установлен твердосплавный элемент 11, например, в виде полудиска, расположенный симметрично продольной оси 12 держателя 1 - 2 заподлицо с поверхностью торца 10. Предлагаемое соотношение размеров от 2,5 до 3,5 было подобрано экспериментально при испытании резцов в процессе обработки заготовки диаметром 200мм из жаропрочной стали ХН77ТЮР на токарном станке ДИП-200 при скорости резания Vр = 5м/с. Угол l установки оси рабочего кольца к вектору скорости Vр (см. фиг.3) был равен 5°. Результаты испытаний приведены в таблице. Как видно из приведенных данных, резцы изготовленные с параметрами согласно предполагаемому изобретению (примеры 1, 2 и 3) имеют равномерное вращение режущей кромки рабочего кольца при обработке заготовки без поломок деталей резца и высокую стойкость, равную 240 - 260мин. При увеличении внутреннего диаметра рабочего кольца до 15м (отношение D/d равно 2) - пример 4, увеличилось сопротивление сил трения, что привело к неравномерному вращению рабочего кольца, образованию на режущей кромке лысок износа, снижению окружной скорости вращения кольца Vо (фиг.3) и стойкости инструмента. При отношении D/d, равном 4 (пример 5) рабочее кольцо было выполнено с внутренним отверстием, равным 7,5мм. Соответственно был уменьшен диаметр оси, на которой рабочее кольцо вращается, что вызвало ее поломку. При испытании резца по прототипу увеличилась неравномерность вращения и снизилась Vо до 0,15м/с, что объясняется при данном конструктивном выполнении увеличением площади опорной части и ростом момента сопротивления Mс. В результате появления на режущей кромке отдельных лысок износа, увеличилось усилие резания, что вызвало вибрацию резца-грибка в опоре и сколы по режущей кромке. Таким образом, резцы согласно предполагаемому изобретению имеют существенное преимущество по стойкости (250мин) как по сравнению с прототипом (30мин - пример 6), так и по сравнению с резцами с отношением параметров D/d меньшим (пример 4 - стойкость 50мин) и большим (пример 5 - стойкость 40мин) заявленных. Для заявляемого резца оптимальным также является отношение внутреннего диаметра d рабочего кольца к его высоте h, которое находится в пределах d/h = 1,0 ¸ 1,5. Это связано с тем, что при увеличении высоты кольца, когда d/h 1,5, снижается его прочность и возникают поломки. Заявляемый резец работает еле дующим образом. Для обработки заготовки ось 7 (фиг.1) рабочего кольца 5 устанавливается под углом l к вектору скорости резания Vр (фиг.3). С этой целью головку 1 (фиг.1) держателя 1 - 2 относительно его хвостовика 2 поворачивают вокруг оси 12 держателя 1 - 2 на заданный угол l и фиксируют ее в этом положении при помощи стяжного винта 4. Резец закрепляют в суппорте токарного станка, подводят к заготовке и осуществляют резание. На задней поверхности резца в зоне контакта с заготовкой возникает сила трения Fт, а на рабочем кольце 5 крутящий момент Mкр = Fт×D/2, который в случае преодоления момента сопротивления Mс в опоре обеспечивает равномерное вращение рабочего кольца 5 Mкр = Mс . В этом случае участки режущей кромки резца в процессе обработки постоянно сменяют друг др уга, благодаря чему существенно снижается температура в зоне резания. При наличии большого запаса длины режущей кромки (отношение всей длины, равной p×D или в рассмотренном случае - 94мм к участку, находящемуся в контакте с заготовкой, который в зависимости от режимов резания равен 5 - 10мм) заявляемый резец позволяет более, чем на порядок увеличить стойкость инструмента и в несколько раз скорость резания, т.е. производительность обработки.