CZ32831U1

CZ32831U1 - Hybridní těleso obráběcího nástroje a obráběcí stroj s tímto tělesem

Info

Publication number: CZ32831U1
Application number: CZ2019-36000U
Authority: CZ
Inventors: Pavel KoĹľmĂn; Jiří Syrovátka; Robin Poul
Original assignee: Hofmeister S.R.O.
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2019-05-06

Description

Oblast techniky

Řešení spadá do oblasti konstrukce hybridního tělesa obráběcího nástroje, která se vyznačuje topologií spočívající ve spojení jednotlivých ocelových komponent s jednotlivými komponentami vyrobenými z kompozitních materiálů (CFRP, tj. Carbon Fiber Reinforced Polymer) s cílem dosažení lepších výsledných dynamických vlastností celých obráběcích nástrojů při obrábění v obráběcích strojích.

Dosavadní stav techniky

V oblasti konstrukce obráběcích nástrojů (rotačních i nerotačních) se v současnosti věnuje nespočet dokumentů oblasti nástrojové geometrie řezného břitu. Významnou roli sehrává zejména použitý řezný materiál a použitá technologie jeho výroby s využitím různých přístupů na ochranu před termomechanickým zatížením. Je zřejmé, že řezné břity mají dle současného stavu techniky z pohledu celkového řešení nástroje největší vliv na jeho životnost a produktivitu.

Konstrukční materiály používané v současnosti u těles obráběcích nástrojů s vyměnitelnými či pájenými břitovými destičkami jsou většinou tepelně zpracované vysokopevnostní oceli nebo slinuté karbidy. Někdy mohou být z důvodu nižších setrvačných hmot řečená tělesa ze slitin hliníku nebo titanu. Ty mají nižší hustotu, a tak představují nižší dynamické zatížení vřeten a ostatních častí obráběcích strojů. Nepřímým efektem nižších setrvačných hmot je prodloužení životnosti vřeten obráběcích strojů a s tím spojené příznivé ekonomické dopady. Vnitřní schopnost takových těles tlumit vibrace je však podobná ocelovým tělesům. Tělesa na bázi hliníku mají nízkou životnost danou nízkou pevností slitiny. Tělesa na bázi titanu jsou velmi drahá.

Se vzrůstajícími požadavky na velmi přesné obrábění hliníkových slitin (zejména v automobilovém průmyslu) se však uvedené přístupy ke konstrukci obráběcích nástrojů jeví jako nedostatečné. Je proto úkolem předkládaného technického řešení poskytnout konstrukci tělesa obráběcího nástroje, které má nízké setrvačné hmoty a výborné útlumové vlastnosti vznikajících vibrací při obrábění k zajištění velmi přesného obrábění.

Podstata technického řešení

Podstatou technického řešení je konstrukce hybridního tělesa obráběcího nástroje. Hybridním tělesem je myšleno těleso zvíce odlišných materiálů. Těleso obsahuje alespoň upínací část, přechodovou část a řeznou část. Upínací část tělesa je ze své podstaty uzpůsobena pro upnutí do obráběcího stroje známým způsobem, dle konkrétního provedení obráběcího stroje (např. pro upnutí do vřetene, revolverové hlavy či suportu stroje), ať přímo, nebo přes upínací systém (tm). Upínací část je přes přechodovou část propojena s řeznou částí. Řezná část je známým způsobem uzpůsobena k připevnění nejméně jednoho řezného břitu dle stavu techniky (zejména může být opatřena lůžkem se závitem). Přechodová část je alespoň částečně tvořena kompozitním materiálem (CFRP) s obsahem vinutých uhlíkových vláken. Řečený kompozitní materiál je propojen s upínací částí a řeznou částí. To znamená, že není pouze bodově nebo lineárně na případném kovovém nosném základu přechodové části, ale (alespoň částečně) přejímá i nosnou funkci přechodové části.

Je výhodné, pokud je objem uhlíkových vláken v kompozitním materiálu je v rozmezí 35 až 75 % obj. a jejich průměr je maximálně 12 pm. V kompozitním materiálu mohou zejména být obsažena vysokopevnostní (HS) uhlíková vlákna o pevnosti v tahu alespoň 5000 MPa

- 1 CZ 32831 U1 a vysokomodulová (HM) uhlíková vlákna o modulu pružnosti v podélném směru alespoň 600 GPa. Výhodný poměr řečených vysokomodulových (HM) uhlíkových vláken vůči vysokopevnostním (HS) uhlíkovým vláknům je alespoň 4:1 (jinými slovy, obsah vysokomodulových (HM) uhlíkových vláken může být v rozsahu 80 až 100 % obj.).

Technickým efektem popsané základní konstrukce tělesa obráběcího nástroje je znatelná hmotnostní úspora přechodové části obráběcího nástroje vyrobeného zřečeného kompozitního materiálu. To je dáno velmi nízkou hustotou kompozitního materiálu pouhých 1,5 až 1,7 g/cm³. Díky tomu činí hustota celého hybridního tělesa max. 6 g/cm³, což je znatelně méně než doposud známá ocelová tělesa. To má příznivý vliv na setrvačné hmoty. Díky tomu je při průměru obráběcího nástroje 160 mm za stejných podmínek obrábění dosaženo energetické úspory ve výši 10 až 15 % oproti srovnatelnému obráběcímu nástroji s celoocelovým provedením tělesa.

Obdobně je možné pro použití v totožném obráběcím stroji zvětšit průměr obráběcího nástroje. Tím je dosaženo větší obvodové rychlosti a tím i větší řezné rychlosti (rychlosti obrábění). Tím je dosaženo plynulejšího řezu, přesnějšího (jemnějšího) obrábění a vyšší produktivity.

Přechodová část rotačního provedení nástroje může obsahovat alespoň jeden vnitřní segment (zejména kovový) ve tvaru zahloubení pro upínací šroub. Upínací šroub slouží pro upnutí obráběcího nástroje do upínacího systému (tmu) obráběcího nástroje pro upnutí do vřetene obráběcího stroje. Vnitřní segment slouží jako dosedací plocha upínacího šroubu a zamezuje poškození kompozitního materiálu.

Ve zvláště výhodném provedení jsou upínací část a řezná část vzájemně spojeny pouze samonosným kompozitním materiálem. To znamená, že žádná případná kovová součást přechodové části (např. vnitřní segment pro upínací šroub) vzájemně nespojuje upínací část a řeznou část. Tímto konstrukčním řešením je velmi omezen přenos nežádoucích vysokofrekvenčních kmitů z upínací části na řeznou část, a naopak. Tím je zamezeno šíření negativních mechanických účinků způsobených jak vysokou kinetikou obráběcího nástroje, tak odporem vyvolaným při každém záběru řezného břitu s obráběným materiálem s přímým dopadem na kvalitu obrobeného povrchu.

Pro zajištění vyšší pevnosti nástroje a snadnější výroby může být u rotačního provedení nástroje alespoň část spojovací plochy mezi kompozitním materiálem a řeznou částí nebo upínací částí nebo vnitřním segmentem ve tvaru komolého kužele. Při vzájemném spojování dílů v průběhu výroby se spojovací plochy ve tvaru komolého kužele snadno vystředí a zajistí požadovanou vzájemnou polohu dílů. Navíc je plocha takto definované spojovací plochy větší než v případě spojovací plochy ve tvaru válce.

Fixace kompozitního materiálu k řezné části nebo upínací části nebo vnitřnímu segmentu je materiálovým spojem s přídavným materiálem a/nebo tvarovým spojem. Materiálovým spojem je zde myšleno zejména lepidlo nebo pájka. Tvarovým spojem mohou být zejména čepy, kolíky, tvarové zámky apod. Vzájemná fixace popsaných součástí je nutná pro bezpečný přenos kroutícího momentu z vřetene obráběcího stroje až k jednotlivým řezným břitům obráběcího nástroje.

Popsaný princip konstrukce s řečeným kompozitním materiálem je využitelný i pro nerotační provedení obráběcího nástroje. V takovém případě je upínací část tvarově uzpůsobena dle známého stavu techniky pro upnutí v upínacím systému nerotačního obráběcího nástroje v obráběcím stroji, jako je např. nožová hlava u soustruhu. Případně může být uzpůsobena pro upnutí v držáku obráběcího nástroje uzpůsobeného pro upnutí do upínacího systému nerotačního obráběcího nástroje v obráběcím stroji, jako je např. revolverová hlava u soustruhu.

-2CZ 32831 U1

Analogicky jako u rotačního provedení nástroje může být u nerotačního provedení nástroje alespoň část spojovací plochy ve tvaru šikmé rovinné plochy. Díky tomu je opět definována větší styčná plocha, než by tomu bylo v případě rovinné plochy kolmé na osu nástroje.

Souvisejícím technickým řešením je obráběcí stroj obsahující nejméně jeden obráběcí nástroj s výše popsaným hybridním tělesem.

Navrhované technické řešení se týká topologického řešení tělesa obráběcího nástroje jak rotačního, tak i nerotačního. Rotačním obráběcím nástrojem může být zejména frézovací hlava. Nerotačním pak zejména vyvrtávací tyč nebo soustružnický nůž. Těleso není vyrobeno z jednoho materiálu, nýbrž minimálně ze dvou. Jeho přechodová část mezi upínací části a řeznou částí využívá lehké vysoce pevné kompozitní materiály (CFRP) s obsahem vinutých uhlíkových vláken. Pro vytvoření jakéhokoliv tvaru tělesa obráběcího nástroje je tudíž těleso tvořeno jednotlivými částmi, které jsou mezi sebou ve finální fázi pevně spojené a vytváří jedno celistvé hybridní těleso. To je charakterizováno nízkou hmotností, která snižuje nežádoucí setrvačné síly. Ve výhodném provedení je těleso charakterizováno schopností tlumit nežádoucí vibrace během obrábění.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení navrhovaného řešení je popsáno s odkazem na výkresy, na kterých je na obr. 1 - axonometrický pohled na hybridní těleso pro rotační provedení obráběcího nástroje, pro názornost s jedním řezným břitem;

obr. 2 - příčný řez tělesem dle obr. 1;

obr. 3 - axonometrický pohled na hybridní těleso pro nerotační provedení obráběcího nástroje.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Hybridní těleso rotačního obráběcího nástroje, konkrétně frézovací hlavy o řezném průměru 160 mm s šestnácti břity 4, sestává ze čtyř hlavních separátních komponent - upínací části 1, přechodové části 2, řezné části 3 a vnitřního segmentu 5. Tyto komponenty jsou navzájem spojeny ve výsledný tvar hybridního tělesa.

Upínací část 1, řezná část 3 a vnitřní segment 5 jsou vyrobeny z vysokopevnostní oceli s hustotou 7,8 g/cm³ s pevností v tahu o velikosti 900 až 1200 MPa. Celá přechodová část 2 je vyrobená ze samonosného kompozitního materiálu (CFRP) 6. Vinutá uhlíková vlákna jsou v tomto případě ze 100 % tvořena vinutými vysokomodulovými (HM) uhlíkovými vlákny, vysokopevnostní (HS) uhlíková vlákna zde nejsou obsažena. Obsah vinutých uhlíkových vláken v kompozitním materiálu 6 činí 50 %, s hustotou uhlíkových vláken 2,17 g/cm³ a průměrem uhlíkových vláken 10 pm. Zbytek kompozitního materiálu 6 je tvořen polymemí matricí. Hustota kompozitního materiálu 6 činí 1,6 g/cm³.

Spojovací plochy 7, 7' jednotlivých komponent jsou ve tvaru komolého kužele s vrcholovým úhlem 70° až 140°. Řezná část 3 a přechodová část 2 jsou vzájemně spojeny 16 ks spojovacích čepů 8.

-3 CZ 32831 U1

Srovnáním frézovací hlavy o průměru 160 mm s popsaným hybridním tělesem se standardní a tvarově a rozměrově shodnou frézovací hlavou s celoocelovým tělesem bylo při nasazení frézovacích hlav v řezném procesu při shodných řezných podmínkách zjištěno:

Frézovací hlava s hybridním tělesem vůči frézovací hlavě s celoocelovým tělesem měla o 40 % nižší hmotnost, dosáhlo se s ní lepší kvality opracování rovinnosti frézované plochy o 20 %, zatížení vřetene při frézování bylo nižší o 15 %. Frézování navíc nebylo doprovázeno nepříjemnými zvuky na vyšších frekvencích, jakož tomu bylo naopak u frézovací hlavy s celoocelovým tělesem.

Příkladné provedení je patrné na obr. 1 a obr. 2.

Příklad 2

Hybridní těleso nerotačního obráběcího nástroje, konkrétně soustružnického nože s jedním břitem 4, sestává ze třech hlavních separátních komponent - upínací části 1, přechodové části 2 a řezné části 3. Tyto komponenty jsou navzájem spojeny ve výsledný podlouhlý tvar hybridního tělesa.

Upínací část 1_ a řezná část 3 jsou vyrobeny z vysokopevnostní oceli s hustotou 7,8 g/cm³s pevností v tahu o velikosti 900 až 1200 MPa. Celá přechodová část 2 je vyrobená ze samonosného kompozitního materiálu (CFRP) 6. Vinutá uhlíková vlákna jsou v tomto případě ze 100 % tvořena vinutými vysokomodulovými (HM) uhlíkovými vlákny, vysokopevnostní (HS) uhlíková vlákna zde nejsou obsažena. Obsah vinutých uhlíkových vláken v kompozitním materiálu 6 činí 50 %, s hustotou uhlíkových vláken 2,17 g/cm³ a průměrem uhlíkových vláken 10 pm. Zbytek kompozitního materiálu 6 je tvořen polymemí matricí. Hustota kompozitního materiálu 6 činí 1,6 g/cm³. Spojovací plochy jednotlivých komponent jsou ve tvaru šikmé rovinné plochy 9.

Claims

1. Hybridní těleso obráběcího nástroje obsahující upínací část (1), která je přes přechodovou část (2) propojena s řeznou částí (3) uzpůsobenou k připevnění nejméně jednoho řezného břitu (4), vyznačující se tím, že přechodová část (2) je alespoň částečně tvořena kompozitním materiálem (6) s obsahem vinutých uhlíkových vláken, přičemž kompozitní materiál (6) je propojen s upínací částí (1) a řeznou částí (3), hustota kompozitního materiálu (6) je 1,5 až 1,7 g/cm³ a hustota hybridního tělesa je max. 6 g/cm³.

2. Hybridní těleso obráběcího nástroje podle nároku 1, vyznačující se tím, že upínací část (1) a řezná část (3) jsou spojeny pouze samonosným kompozitním materiálem (6).

3. Hybridní těleso obráběcího nástroje podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsah vinutých uhlíkových vláken v kompozitním materiálu (6) je v rozmezí 35 až 75 % obj. a jejich průměr je maximálně 12 pm.

-4CZ 32831 U1

4. Hybridní těleso obráběcího nástroje podle některého z předešlých nároků, vyznačující se tím, že v kompozitním materiálu (6) jsou obsažena vysokopevnostní uhlíková vlákna o pevnosti v tahu alespoň 5000 MPa a/nebo vysokomodulová uhlíková vlákna o modulu pružnosti v podélném směru alespoň 600 GPa.

5. Hybridní těleso obráběcího nástroje podle nároku 4, vyznačující se tím, že poměr obsahu vysokomodulových uhlíkových vláken vůči vysokopevnostním uhlíkovým vláknům je alespoň 4:1.

6. Hybridní těleso obráběcího nástroje podle některého z předešlých nároků, vyznačující se tím, že pro rotační provedení obráběcího nástroje obsahuje přechodová část (2) alespoň jeden vnitřní segment (5) ve tvaru zahloubení pro upínací šroub pro upnutí do upínacího tmu obráběcího nástroje pro upnutí do vřetene obráběcího stroje.

7. Hybridní těleso obráběcího nástroje podle některého z předešlých nároků, vyznačující se tím, že pro rotační provedení obráběcího nástroje je alespoň část spojovací plochy (7, 7') mezi kompozitním materiálem (6) a řeznou částí (3) nebo upínací částí (1) nebo vnitřním segmentem (5) ve tvaru komolého kužele.

8. Hybridní těleso obráběcího nástroje podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že upínací část (1) je tvarově uzpůsobena pro upnutí v upínacím systému nerotačního obráběcího nástroje v obráběcím stroji a/nebo v držáku obráběcího nástroje uzpůsobeném pro upnutí do upínacího systému nerotačního obráběcího nástroje v obráběcím stroji.

9. Hybridní těleso obráběcího nástroje podle některého z předešlých nároků, vyznačující se tím, že fixace kompozitního materiálu (6) k řezné části (3) nebo upínací části (1) nebo vnitřnímu segmentu (5) je materiálovým spojem s přídavným materiálem a/nebo tvarovým spojem.

10. Obráběcí stroj, vyznačující se tím, že obsahuje nejméně jeden obráběcí nástroj s hybridním tělesem podle některého z předešlých nároků.