Сверлильный инструмент

Название	Сверлильный инструмент
Разработчик (Авторы)	Скрипкин А.А., Королев А.В., Королев А.А.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	198358
Дата регистрации	02.07.2020
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к металлорежущим инструментам для сверлильных и фрезерных станков.

При обработке резанием, в особенности металлических заготовок, возникает проблема, связанная с тем, что сверлильный инструмент, например сверло, вертикальная фреза или развертка (в дальнейшем будем рассматривать сверло), нагревается вместе с материалом заготовки. Поэтому в особенности при автоматизированном серийном изготовлении необходима охлаждающая смазка охлаждающе-смазочным средством (в дальнейшем называемым смазочным материалом). При так называемой мокрой обработке в просверливаемое отверстие вводят большой избыток смазочного материала в жидкой форме. Однако этот вид охлаждающей смазки связан со сравнительно высокой стоимостью установки и расходами на снабжение смазочным материалом, очистку и тому подобное. Кроме того, при сверлении введение смазочного материала в просверливаемое отверстие осуществляется с значительными трудностями. Поэтому применяются системы смазки, в которых смазочный материал подводится с помощью транспортирующих приспособлений через шпиндель обрабатывающего станка и, по меньшей мере, один канал для смазочного материала, имеющийся в сверле, к соответствующим местам обработки, приблизительно в зоне главных режущих кромок сверла или передней грани. Но в таких системах смазки уже только поэтому необходимо сравнительно большое количество смазочного материала, потому что подводящие трубопроводы, ведущие от снабжающего устройства к обрабатывающему станку или к его шпинделю, должны быть заполнены смазочным материалом. Кроме того, с помощью обычных снабжающих устройств с трудом осуществляется точное дозирование смазочного масла в небольших количествах.

Из патента Японии JP №58102613 известен сверлильный инструмент с полой цилиндрической сверлильной головкой. Сверлильный инструмент, в частности сверло, содержит хвостовик, режущую часть и, по меньшей мере, один внутренний канал для смазочного материала, выходящий наружу, по меньшей мере, одним выходным отверстием в рабочей зоне сверла, и по меньшей мере, одну запасную емкость, служащую питающей емкостью для смазочного материала. Сверлильная головка переходит с одной стороны в хвостовик, с помощью которого обеспечивается возможность зажима сверлильного инструмента в станке. В сверлильную головку вставлена по существу чашеобразная питающая емкость и зафиксирована с помощью винтового соединения. Недостатком известного сверлильного инструмента является то, что питающая емкость расположена в рабочей зоне, то есть, в зоне режущих кромок сверлильной головки и поэтому подвергается воздействию больших тепловых и механических нагрузок. В соответствии с этим, питающая емкость должна быть выполнена очень прочной. Кроме того, ее необходимо закреплять на сверлильном инструменте с помощью дорогостоящих и массивных крепежных средств. Недостатком является также то, что питающую емкость необходимо каждый раз приспосабливать к форме рабочей зоны сверлильного инструмента. Это обусловливает сложный и потому дорогой процесс изготовления. В патенте Австрии AT №29794 описан сверлильный инструмент, на торцевой стороне хвостовика которого расположена питающая емкость. Однако эта питающая емкость значительно выступает за периметр хвостовика, что делает невозможным или, по меньшей мере, значительно затрудняет зажимание в гнезде для крепления инструмента.

Известен инструмент для обработки резанием металлических заготовок согласно патенту Румынии RO №102494, который представляет собой токарный резец, закрепленный стационарно, в то время как обрабатываемая токарным резцом заготовка вращается.

Известный токарный резец представляет собой так называемый зажимной держатель с хвостовиком из инструментальной стали и установленным на его рабочем конце режущим телом из твердого режущего материала, главным образом твердого сплава.

Зажимной держатель простирается в продольном направлении, так же как и его канал "b" для охлаждающего средства. Запасные ресиверы "с" и "а" для смазочного материала, вытекающего вследствие нагрева из распылительного сопла "е" в направлении режущего тела или режущей насадки, расположены перпендикулярно к нему.

Такому конструктивному выполнению режущего инструмента присущи вышеописанные недостатки и также требуется отдельная емкость для жидких смазочных материалов.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является сверлильный инструмент, в частности сверла, производимые фирмой Mikron Tool SA Agno, Schweiz, (официальный сайт: www.mikrontool.com) типа CrazyMill Cool P&S (прототип).

Известный сверлильный инструмент, в частности сверло нового типа CrazyMill Cool P&S, содержит хвостовик, режущую часть и сквозные внутренние каналы, расположенные параллельно оси вращения и используемые одновременно как для подачи смазочного материала, так и для охлаждения воздушно-масляным туманом, подаваемым из внешнего источника в внутренние каналы, причем выходные отверстия внутренних каналов находятся в рабочей зоне сверла.

К недостаткам прототипа следует отнести большую сложность изготовления сквозных внутренних каналов полуэллиптической формы в плане в твердосплавном материале сверла, сложность подачи под высоким давлением воздушно - масляного тумана для эффективного охлаждения и смазки режущих кромок инструмента при интенсивных режимах обработки, особенно твердосплавных материалов.

Задачей полезной модели является увеличение скорости потока воздушно-масляного тумана, подаваемого в рабочую зону сверлильного инструмента, и упрощение его конструкции.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы сверлильного инструмента и снижение затрат на его изготовление.

Поставленная задача решается тем, что в сверлильном инструменте, в частности сверле, содержащем хвостовик, режущую часть и сквозные внутренние каналы, расположенные параллельно оси вращения и используемые одновременно как для подачи смазочного материала, так и для охлаждения воздушно-масляным туманом, подаваемым из внешнего источника в внутренние каналы, причем выходные отверстия внутренних каналов находятся в рабочей зоне сверла, в хвостовике выполнена глухая вертикальная цилиндрическая проточка, в которой по всему ее объему размещена пленка из электрокалорического полимера, при этом часть сквозных внутренних каналов, расположенная в хвостовике, выполнена в виде сопла Вентури, а часть сквозных внутренних каналов, расположенных в рабочей части, выполнена цилиндрической формы.

За счет размещения в цилиндрической части инструмента электрокалорического полимера снижается температура подаваемой через сквозные внутренние каналы воздушно-масляного тумана, а за счет того, что часть сквозных внутренних каналов, расположенная в хвостовике, выполнена в виде сопла Вентури, повышается скорость потока воздушно-масляного тумана, подаваемого в рабочую зону сверлильного инструмента. Все это повышает эффективность работы инструмента, в частности, увеличивает скорость резания и повышает стойкость инструмента. А так как форма сквозных внутренних каналов, выполненных в рабочей части, является цилиндрической, то это упрощает конструкцию инструмента и затраты на его изготовление.

Сущность изобретения и возможность его практической реализации поясняется рисунком, на которой показана конструкция металлорежущего инструмента - сверла (фиг.).

Изображенная на фиг. предлагаемая конструкция имеет признаки спирального сверла, а именно - рабочую часть 1, хвостовик 4, две проходящие по спирали вокруг продольной оси сверла стружечные канавки 6 и две главные режущие кромки 7 с примыкающими к ним задними поверхностями. В хвостовике 4 выполнена глухая вертикальная цилиндрическая проточка 8, в которой по всему объему размещена пленка из электрокалорического материала 3, выходные отверстия 5 сквозных внутренних каналов 2 находятся в рабочей зоне сверла, а часть сквозных внутренних каналов 2, расположенных в хвостовике, выполнена в виде сопла Вентури 2а.

Отметим, что сопло Вентури является разновидностью сопла Лаваля с конически расширяющимся фрагментом рабочего канала в направлении выхода из сопла. Такая геометрия канала позволяет существенно повысить скорость потока на выходе из сопла. Сопло Вентури обеспечивает в среднем повышение скорости потока на выходе в 1,5…2,5 раза, чем сопло с цилиндрическим каналом, имея тот же рабочий диаметр, что обеспечивает лучшие условия охлаждения воздушно-масляным туманом при использовании меньшего внешнего давления при его подаче, что упрощает конструкцию станка. Сквозные цилиндрические каналы, расположенные в рабочей части сверла, выполнена цилиндрическими, что значительно упрощает их изготовление. Хвостовик сверла 4 с выполненной глухой вертикальной цилиндрической проточкой 8, в которой по всему объему размещена пленка из электрокалорического материала 3 и часть сквозных внутренних каналов 2, расположенных в хвостовике, которые выполнены в виде сопла Вентури 2а, может быть изготовлен, например, с помощью 3D-принтера для изготовления металлических изделий [см. официальный сайт www.admateceurope.com, 3D-принтер ADMAFLEX 130 для металлов и керамики], с последующим соединением с рабочей частью сверла 1, например, с помощью контактной сварки.

Размещение в хвостовике в глухой вертикальной цилиндрической проточке по всему объему пленки из электрокалорического полимера [см. Охлаждающий полимер, http://www.russianelectronics.ru/leader-r/pechat/16820/; 11.08.2008 г.] позволяет за счет электрокалорического эффекта - изменения температуры диэлектрика под действием электрического поля - дополнительно понизить температуру потока охлаждающего воздушно-масляного тумана. В частности, на сегодняшний день получена тонкая пленка из электрокалорического полимера толщиной от 4 до 2 мкм, температура которой понижается на 12°С под действием электрического поля.

Рассчитывая на этапе проектирования режущего инструмента геометрические параметры сквозных цилиндрических каналов, включая сопло Вентури и глухой вертикальной цилиндрической проточки в хвостовике, а также подбирая технические характеристики пленки из электрокалорического полимера, смазочного состава, входного давления воздушно-масляного тумана можно обеспечить эффективное охлаждение инструмента.

Приведем пример практической реализации. Допустим, что для обработки твердосплавных деталей используется типовое сверло CrazyMill Cool P&S диаметром 6 мм; диаметр каждого из двух цилиндрических каналов составляет 1,5 мм; внешнее давление, создаваемое компрессором, для подачи воздушно-масляного тумана, выполняющего функцию смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), составляет 3 кг/см²; скорость воздушно-масляного тумана на выходе каждого из цилиндрических каналов, находящихся в рабочей зоне сверла, 5 м/с; скорость вращения инструмента 200 об/мин. Полагаем, что в этом случае условия охлаждения достаточные. При применении в предлагаемом инструменте сопла Вентури с минимальным диаметром 1 мм при той же величине внешнего давления, создаваемого компрессором, для подачи воздушно-масляного тумана, выполняющего функцию СОЖ, в 3 кг/см²; скорость воздушно-масляного тумана на выходе каждого из цилиндрических каналов, находящихся в рабочей зоне сверла, составит уже величину 8…10 м/с; а дополнительное снижение температуры воздушно-масляного тумана при применении пленки из электрокалорического полимера составит примерно 12°С, что в совокупности примерно на 35…40% улучшит условия охлаждения инструмента и позволит проводить обработку твердосплавных изделий с большей скоростью подачи инструмента или более твердосплавных изделий с той же скоростью, не сокращая время использования инструмента до его замены.

Поэтому практическая реализация предложенного технического решения позволяет отказаться от системы жидкостного охлаждения для смазки режущего инструмента, значительно упростить конструкцию как станка, так и сверла и обеспечить устойчивое и надежное воздушно-масляное охлаждение металлорежущего инструмента при обработке твердосплавных материалов, что решает поставленную задачу.

Формула полезной модели

Сверлильный инструмент, содержащий хвостовик, режущую часть и проходящие параллельно оси вращения сквозные внутренние каналы для подачи смазочного материала в виде охлаждающего воздушно-масляного тумана, выходящие отверстия которых расположены в рабочей зоне сверла, отличающийся тем, что часть сквозных внутренних каналов, расположенная в хвостовике сверлильного инструмента, выполнена в виде сопла Вентури, а часть сквозных внутренних каналов, расположенная в режущей части, выполнена цилиндрической формы, при этом хвостовик выполнен с глухой вертикальной цилиндрической проточкой, в которой по всему объему размещена пленка из электрокалорического полимера.

Изобретение "Сверлильный инструмент" (Скрипкин А.А., Королев А.В., Королев А.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога