CZ36207U1 - Spirálový vrták do kovů - Google Patents

Description

Spirálový vrták do kovů

Oblast techniky

Technické řešení se týká vybrušovaného spirálového vrtáku z rychlořezné oceli určeného zejména k vrtání děr do austenitických nerezových ocelí.

Dosavadní stav techniky

Austenitické nerezové oceli se vyznačují několika vlastnostmi, které mají výrazně negativní vliv na proces vrtání. Je to především nízká tepelná vodivost, která je až čtyřikrát menší než u běžných uhlíkových ocelí. To ve svém důsledku znamená, že teplo, které vzniká při procesu vrtání a které je nutné odvést z místa řezu, má tendenci přecházet do nástroje, nikoli do třísky. Z toho vyplývá úkol navrhnout geometrii vrtáku tak, aby již při samotném procesu vrtání byl minimalizován vznik tepla.

Při zpracování austenitických nerezových ocelí představuje problém rovněž jejich vysoká adheze. Ta způsobuje tvorbu nárůstků, tzv. „blue efekt“. Možnost omezit tento jev vysokou řeznou rychlostí však limituje právě zvýšený vznik tepla.

Plasticita austenitických nerezových ocelí je až o 60 % vyšší než u běžných uhlíkových ocelí. Z této vlastnosti vyplývá požadavek na volbu velkého úhlu břitu vrtáku tak, aby výsledná geometrie byla ostrá a lehce řezala.

Austenitické nerezové oceli jeví dále tendenci k deformačnímu zpevnění. To způsobuje, že po počátečním zavrtání břitu vrtáku se na dně otvoru vytvoří tvrdá vrstva. Z této vlastnosti vyplývá požadavek volby velkých posuvů, tak aby se řezné břity vrtáku pohybovaly pod touto vrstvou. Z toho vyplývá požadavek na geometrii zajišťující tuhost vrtáku. Geometrie vrtáku má zajistit optimální tvar třísky, která je následně rychle odváděna z místa řezu, a současně má geometrie umožnit přívod co největšího množství chladicí kapaliny do místa řezu.

Problémy spojené s vrtáním do austenitických materiálů se v současné době řeší nasazením vrtáků z tvrdokovových materiálů. Ne vždy však lze tyto vrtáky použít, ať již z důvodu nedostatečné tuhosti strojů, kterou tento typ vrtáků vyžaduje, tak i vzhledem k ceně těchto vrtáků, která je ve srovnání s cenou vrtáků vyrobených z rychlořezných ocelí násobně vyšší.

Ze spisu CZ 306696 je znám spirálový vrták do kovů z rychlořezné oceli, který má dvě hlavní ostří, jedno příčné ostří, je opatřen bočními fazetkami o šířce 3 až 6 % průměru vrtáku a výbrusem na hřbetě do tří rovinných fazet, přičemž tloušťka jádra vrtáku činí 6 až 12 % průměru vrtáku. Hrana mezi první a druhou fazetou se sbíhá s hlavním ostřím směrem k obvodu vrtáku, kde prochází zadní stranou boční fazetky. Hlavní ostří u tohoto vrtáku neprobíhají v úsecích s největší řeznou rychlosti v rovině procházející osou vrtáku. Tato geometrie tak nevytváří ideální podmínky pro vektor sil působících na obě hlavní ostří. Vektor síly jako tečna ke kružnici opsané kolem středu vrtáku v příslušném bodě hlavního ostří totiž svírá s touto rovinou úhel vždy menší než ideálních 90°.

Technické řešení si klade za úkol navrhnout vrták z rychlořezné oceli vhodný do austenitických materiálů, jehož geometrie umožňuje vrtání relativně nízkou řeznou rychlostí při velkém odběru třísky, a to při dosažení vysoké životnosti.

- 1 CZ 36207 UI

Podstata technického řešení

Uvedený úkol splňuje spirálový vrták do kovů, který má příčné ostří a dvě hlavní ostří tvořená rovinnými fazetami, jejichž ke středu vrtáku rostoucí šířka se na obvodu vrtáku shoduje s šířkou boční fazetky, přičemž průměr jádra vrtáku činí 6 až 11 % průměru vrtáku. Podstata vrtáku spočívá v tom, že obě hlavní ostří mají při obvodu vrtáku přímé úseky o délce 0,1 až 0,18 průměru vrtáku, které leží v rovině procházející osou vrtáku, přičemž přímý úsek ostří plynule přechází do křivky dotýkající se obvodu jádra.

Hřbet vrtáku je s výhodou vybroušen do tří rovinných fazet, přičemž hrana mezi druhou a třetí fazetouje vedena tečně k obvodu jádra.

Vrcholový úhel vrtáku je s výhodou větší než 140°.

Ve vzdálenosti rovné průměru vrtáku, měřeno od špice, se průměr jádra vrtáku kuželovité zvětší na hodnotu 25 až 30 % průměru vrtáku a ve vzdálenosti šesti průměrů vrtáku na hodnotu 40 až 45 % průměru vrtáku. To přispívá k zajištění dostatečné tuhosti vrtáku.

Provedení hlavního ostří, které v 2/3 své délky od středu vrtáku přechází obloukem do osy vrtáku, splňuje požadavek, aby vektor síly jako tečna ke kružnici opsané kolem středu vrtáku v příslušném bodě hlavního ostří svíral s rovinou procházející osou vrtáku ideální úhel 90°. Navíc hlavní ostří v úseku 2/3 od středu vrtáku vytváří výhodný úhel, který svírá hlavní a příčné ostří, čímž vznikají výhodné podmínky pro zavrtání vrtáku a tím i pro vyvrtání velmi přesného otvoru. Takové řešení geometrie hlavního ostří navíc dovoluje volbu extrémního úhlu špice vrtáku většího než 140°, což výrazně snižuje hodnotu axiální síly při současném zachování dobrého středění vrtáku a následné geometrické přesnosti vyvrtaných otvorů. Provedení hlavního ostří podle vynálezu v kombinaci s výhodným profilem drážky rovněž vytváří výhodné podmínky pro řezný proces, který začíná již těsně u středu vrtáku. Tím se minimalizuje čelo vrtáku, které neřeže, ale pouze protlačuje. To má výrazný vliv jak na středění vrtáku, ale zejména na vývin tepla při vrtání, na zvýšení jeho výkonu a prodloužení životnosti.

Důležitým znakem navrhované geometrie vrtáku je extrémně tenké jádro, což výrazně snižuje velikost jak axiální síly, tak kroutícího momentu nutného pro proces vrtání a tím i vývin tepla v místě řezu. Současně s tím se prodlužuje i délka ostří, přičemž kladné hodnoty úhlu čela břitu jsou posunuty maximálně ke středu vrtáku. Odstupňované provedení jádra vrtáku zaručuje požadovanou tuhost s možností opakovaného přebrušování se zachováním původní geometrie vrtáku.

Profil vybrušované spirály je zvolen tak, aby ve spolupráci s břitem dobře formovala třísku a rychle ji odváděla z místa řezu. Spolu s provedením geometrie špice vrtáku rovněž umožňuje přívod maximálního množství chladicí kapaliny do místa řezu. Profil a stoupání spirály vrtáku byly optimalizovány tak, aby kladný úhel čela byl posunut co nejvíce ke středu vrtáku. To zvyšuje ostrost vrtáku a snižuje vývin tepla. Pro výbrus hřbetu vrtáku byl zvolen princip tzv. střechovitého výbrusu, který zaručuje konstantní úhel hřbetu po celé délce jeho ostří. Střechovitý výbrus je navíc proveden ve třech stupních tak, aby umožnil přívod maximálního množství chladicí kapaliny až do místa řezu.

Takto je vytvořena fazeta při hlavním ostří, jejíž šířka u středu vrtáku odpovídající průměru jádra se podél ostří vrtáku lineárně zužuje tak, aby navazovala na šířku boční fazetky lemující spirálu vrtáku. Tím se výrazně snižuje tření mezi fazetou a vrtaným materiálem v návaznosti na řeznou rychlost podél ostří zvyšující se s rostoucím průměrem vrtáku. Vrcholový úhel špice vrtáku byl zvolen s ohledem na minimalizaci silových poměrů a možnost nastavení velkého posuvu. Volbu velkého vrcholového úhlu umožňuje prohnuté hlavní ostří vrtáku, což je podstatný znak předkládaného technického řešení, který zajišťuje velmi dobré středění vrtáku, výrazně přispívá k jeho stabilizaci a vytváří optimální podmínky pro řezný proces.

-2CZ 36207 UI

Objasnění výkresu

Technické řešení bude dále objasněno pomocí výkresu, na němž je na obr. 1 pohled ve směru osy na čelo výhodného provedení vrtáku a na obr. 2 je bokorys vrtáku podle obr. 1.

Příklady uskutečnění technického řešení

Spirálový vrták do kovů podle obr. 1 a 2 má příčné ostří 1 a dvě hlavní ostří 2, která jsou tvořena rovinnými fazetami 3. Šířka fazety 3 se od okraje vrtáku k jeho středu zvětšuje, přičemž na obvodu vrtáku se shoduje s šířkou boční fazetky 4. Průměr d jádra 5 vrtáku činí 6 až 11 % průměru D vrtáku. Obě hlavní ostří 2 mají při obvodu vrtáku přímé úseky L o délce 0,16 průměru D vrtáku, úsek L činí tedy cca 1/3 délky hlavního ostří 2. Oba úseky L se nacházejí v rovině, v níž leží osa o vrtáku, tedy v pohledu podle obr. 1 v jedné přímce. Přímý úsek L hlavního ostří 2 plynule přechází do křivky K, která se dotýká obvodu jádra 5. Vrcholový úhel a vrtáku činí 145°. Průměr jádra 5 je po délce odstupňovaný: Ve vzdálenosti rovné průměru D vrtáku, měřeno od špice, se průměr d jádra 5 vrtáku kuželovité zvětšuje na hodnotu 25 až 30 % průměru D vrtáku a ve vzdálenosti šesti průměrů D vrtáku na hodnotu 40 až 45 % průměru D vrtáku. To přispívá k zajištění dostatečné tuhosti vrtáku. Hřbet vrtáku je vybroušen do tří rovinných fazet 3, 6, 7 přičemž hrana mezi druhou fazetou 6 a třetí fazetou 7 je vedena tečně k obvodu jádra 5.

Byly provedeny srovnávací testy uvedených vrtáků s vrtáky popsanými ve spisu CZ 306696 za těchto podmínek:

Průměr vrtáků 13,00 mm.

Výchozí podmínky pro testy:

Vrtaný materiál:

Austenitické nerezové ocel ČSN 417240, DIN1.4301

Deska rozměr 200 x 120 mm

Tloušťka desky: 20 mm

Otvory průchozí, rozteč otvorů 14,00mm

Stroj: HAAS VF2

Chladicí kapalina: QUAKER COOL 735OBFF, koncentrace 10%

Řezné podmínky:

Řezná rychlost: v = 32 m/min

Posuv: f = 0,20 mm/ot

Vrtání bylo vždy ukončeno při dosažení stavu, kdy vrták již nebyl schopný pokračovat v procesu vrtání.

Celkově bylo testováno 10 ks vrtáků od každého typu a u každého byl zaznamenán počet vyvrtaných otvorů. Průměrný počet vyvrtaných otvorů:

-3 CZ 36207 UI

Vrták podle patentu CZ306696:

119 otvorů.

Vrták podle předkládaného technického řešení: 182 otvorů

Měřením otvorů zhotovených uvedenými vrtáky bylo zjištěno, že všechny otvory byly v toleranci 13,00+0,025, tedy v toleranci H8.

Je zřejmé, že geometrie výbrusu předmětného vrtáku vede k podstatnému zvýšení životnosti vrtáku ίο najedno nabroušení.

Claims (4)

1. Spirálový vrták do kovů, který má příčné ostří (1) a dvě hlavní ostří (2) tvořená rovinnými fazetami, jejichž ke středu vrtáku rostoucí šířka se na obvodu vrtáku shoduje s šířkou boční fazetky 5 (4), přičemž průměr (d) jádra (5) vrtáku činí 6 až 11 % průměru vrtáku, vyznačující se tím, že obě hlavní ostří (2) mají při obvodu vrtáku přímé úseky (L) o délce 0,2 až 0,35 průměru (D) vrtáku, které leží v rovině procházející osou (o) vrtáku, přičemž přímý úsek (L) ostří (2) plynule přechází do křivky (K) dotýkající se obvodu jádra (5).

2. Vrták podle nároku 1, vyznačující se tím, že hřbet vrtáku je vybroušen do tří rovinných fazet ίο (3, 6, 7), přičemž hrana mezi druhou fazetou (6) a třetí fazetou (7) je vedena tečně k obvodu jádra (5).

3. Vrták podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vrcholový úhel (a) vrtáku je větší než 140°.

4. Vrták podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že ve vzdálenosti rovné průměru (D) vrtáku, měřeno od špice, se průměr (d) jádra vrtáku kuželovité zvětší na hodnotu 25 až 30 % 15 průměru (D) vrtáku a ve vzdálenosti šesti průměrů (D) vrtáku na hodnotu 40 až 45 % průměru (D) vrtáku.