EA000101B1 - Способ резания и режущий вращающийся инструмент - Google Patents

Description

Настоящее изобретение относится к методу и конструкции режущих вращающихся резцов, которые могут быть использованы для землеройных работ, планировки и бурения горной породы и грунта и других неметаллических хрупких материалов, для разрушения, добычи и обработки строительных материалов, а также могут быть смонтированы на соответствующем оборудовании, предназначенном для разрушения вышеуказанных материалов.

Механизм режущего процесса показан в общем виде на фиг.1. Резание материала, такого как горная порода, осуществляется благодаря напорному усилию Т и нормальной составляющей С_п силы резания, генерируемых приводом оборудования. Под действием этих сил инструмент одновременно перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях, генерируя сложные напряжения, которые преодолевают сопротивление породы.

Под действием силы С_п1, распределенной по передней грани резца, в породе образуются напряжения сжатия, которые достаточно велики для разрушения, но предварительно нагружают породу для оказания сопротивления дальнейшим напряжением.

Под действием силы Т в породе создается режущее напряжение из-за высокого уровня концентрации нагрузки, генерируемой режущей кромкой резца. Это режущее напряжение обеспечивает генерирование и развитие трещин в хрупком материале.

В то же самое время, обе силы С_п и Т генерируют замкнутую зону сверх сжатой породы, расположенной рядом с режущей кромкой резца. Это так называемое ядро является аккумулятором энергии, которая может разряжаться взрывом, когда аккумулированная энергия превосходит конечное сопротивление породы.

В связи с тем, что выше указанные разрушающие трещины распространяются от режущей кромки в направлении наименьшего сопротивления, они первоначально стремятся к открытой поверхности породы. Однако эти трещины не могут обойти повышенное сопротивление объема породы, сжатой силой С_п. В связи с этим, разрушающие трещины проходят вокруг сжатий породы и достигают открытой поверхности на расстоянии L от передней грани резца, изолируя напряженный объем породы и отделяя этот кусок от всего массива породы.

Под непрерывным комбинированным действием напряжений сжатия и среза последовательные куски породы отделяются от массы породы в целом или почти целом состоянии, в основном благодаря активным разрушающим трещинам и взрыву ядра после того, как достаточная энергия аккумулируется для преодоления разрушения трещины.

Поэтому, в эффективном процессе резания требуется поддерживать достаточную концентрацию нагрузки на режущей кромке резца. Это обеспечивается положительным задним углом δ резца таким образом, что сила Т действует только на тонкую линию контакта между породой и режущей кромкой резца. Этот линейный контакт является критическим, поскольку режущая способность быстро снижается при сравнительно небольшом износе в этой области. Значительная ширина этой контактной площади понижает концентрацию напряжений в породе и значительно подавляет генерирование длинных трещин.

Эффективный режущий резец должен иметь оптимальную комбинацию высокой режущей способности и высокой прочности режущего резца, надежную защиту от перегрузки, сохранение положительного заднего угла и поддержание других первоначальных параметров в течении всего времени службы режущего резца.

Множество инструментов было разработано с целью достижения некоторых из вышеуказанных свойств.

Первая группа породоразрушающих инструментов включает резцы с невращающимися режущими элементами. Патент США № 1 174 433 описывает невращающийся резец, который имеет выпуклую переднюю грань. Однако он имеет положительный передний угол: угол между его продольной осью и срезанной (обработанной) поверхностью позади резца (называемый углом атаки) менее 90°. Он имеет короткую режущую кромку, положительный передний угол и малый угол заострения. По сравнению с настоящим изобретением, этот резец имеет низкую прочность и сопротивление износу, и он может быть использован только для разрушения мягкой и неабразивной породы.

Патент США № 4 538 777 описывает невращающиеся резцы, имеющие породоразрушающий элемент с вогнутой передний гранью, сориентированной на большой положительный передний угол, который используется для повышения прочности резца (включая защиту от перегрузки). Однако, этот резец также имеет низкую режущую и проникающую способность. Резец ориентирован под углом атаки, который меньше 90°.

Вторая группа запатентованных породоразрушающих инструментов включает в себя круглые резцы с симметричными режущими элементами, которые вращаются вокруг собственных продольных осей.

В первой подгруппе этих вращающихся инструментов, породоразрушающие элементы резцов имеют коническую форму (прямой конус) и разрушают породу их выпуклыми задними гранями, как описывается, например, в патентах США № 3 650 656; 3 807 804 и 4 804 231. Патент СССР № 1671850-A1 описывает тот же, так называемый, конический тип резца, который имеет ограниченную контактную поверхность, зависящую от угла атаки, который может меняться от 0 до 90°. Описанные резцы являются резцами разрушающего типа, которые работают без генерирования длинных разрушающих трещин. Резцы сориентированы под углом атаки, который не превышает 90°. Они имеют выпуклые передние и задние грани; нулевой или отрицательный задний угол и положительный передний угол. Их самовращение ненадежно. Поэтому они не могут самозатачиваться. К этим резцам предъявляются значительно высокие специфические энергетические требования для разрушения породы в сравнении с настоящим изобретением.

Вторая подгруппа вращающихся инструментов включает резцы, которые разрушают породу их передними гранями, как описано, например, в патенте США № 5 078 219. Этот резец имеет выпуклую заднюю грань, положительный задний угол и угол атаки, близкий к нулю. Резец является режущим инструментом, когда его режущая кромка является острой. Однако конструкция резца не защищает его от быстрого затупления. Самозатачивание резца невозможно, поскольку не имеется коррекции изношенной области резца. Как обсуждалось выше, значительная ширина этой контактной площади для нормального усилия Т значительно снижает режущую способность.

Третья подгруппа вращающихся инструментов представлена резцами долотчатого типа, как описано, например, в немецких патентах № 3 336 154-A1 и 3 234 521-А1. Эти резцы имеют заменяемый режущий рукав в форме трубчатого долота с заостренным передним концом. Резцы имеют довольно маленький угол заострения, значительный положительный передний угол и малый задний угол. Поэтому эти резцы имеют низкую прочность и износостойкость и они могут быть применены только для разрушения мягкой неабразивной породы. По сравнению с настоящим изобретением резцы имеют угол атаки, значительно меньший 90°, передняя грань их вогнутая, задняя грань выпуклая, и резец не может самозатачиваться.

В соответствии с этим, целью настоящего изобретения является обеспечение метода резания и режущего вращающегося инструмента, который устраняет недостатки существующих.

Более конкретно, целью настоящего изобретения является обеспечение метода резания режущего вращающегося инструмента, который обеспечивает высокую прочность и поддержание высокой режущей способности резца в течение всего срока службы, независимо от нормального износа резца вдоль поверхности зацепления.

В соответствии с этими целями и другими, которые будут видны далее, одна черта настоящего изобретения заключается, кратко говоря, в методе резания, в соответствии с которым вращающийся режущий инструмент используется с корпусом и обычно круговым режущим элементом или множеством элементов, соединенных с корпусом, в котором режущий элемент имеет выпуклую переднюю грань, и в методе согласно изобретению режущий вращающийся инструмент ориентирован таким образом, что угол атаки режущего элемента резца превышает 90°. (Угол атаки - это угол между продольной осью резца и срезанной поверхностью позади резца).

При осуществлении метода и конструировании резца в соответствии с настоящим изобретением обеспечиваются следующие преимущества:

- значительная режущая способность резца, которая обеспечивает высокоэффективное разрушение породы и других подобных материалов;

- непрерывное принудительное самовращение резца вокруг его собственной продольной оси, повышенную длину режущей кромки резца и равномерный износ вдоль задней грани;

- непрерывное принудительно самозатачивание резца, которое поддерживает первоначальный задний угол резца вдоль всей режущей кромки путем сошлифовывания внедряющегося материала режущего элемента вдоль его задней грани;

- повышенная прочность резца в результате высокой надежности резца и долговечности и повышенного диапазона рабочих материалов, которые могут быть применены из-за высокорационального передаточного усилия через режущий инструмент к резцу;

- напряжение в хрупком режущем элементе почти полностью сжимающее;

- эффективная работа резца, до тех пор. пока большая часть режущего элемента использована нормальным износом, обеспечивающая долгий срок жизни резца.

Новые черты, которые являются характеризующими изобретение, указаны, в частности, в прилагаемых пунктах формулы. Изобретение же само по себе, как его конструкция, так и метод работы, вместе с дополнительными целями и преимуществами, будут лучше поняты из следующего описания специфических воплощений в сочетании с сопровождающими чертежами.

На фиг. 1 схематически показан механизм разрушения породы; на фиг.2 - режущее устройство, снабженное режущим вращающимся резцом в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.3 а - вращающийся резец в соответствии с изобретением с режущим элементом, имеющим переднюю грань цилиндрической формы и заднюю грань плоской формы; на фиг.3 б - режущий вращающийся резец с режущим элементом в соответствии с изобретением, имеющий переднюю грань обратной конической формы и заднюю грань плоской формы; на фиг. 3с - режущий вращающийся резец с режущим элементом в соответствии с изобретением, имеющий переднюю грань прямой конической формы и заднюю грань плоской формы; на фиг. 3d - режущий вращающийся резец с режущим элемен5 том в соответствии с изобретением, имеющий переднюю грань цилиндрической формы, и заднюю грань вогнутой формы; на фиг.4а - режущий вращающийся резец с простым режущим элементом на цилиндрическом корпусе резца в соответствии с изобретением; на фиг.4Ь - режущий вращающийся резец с множеством режущих элементов на ступенчатом цилиндрическом корпусе в соответствии с изобретением; на фиг.4с - режущий вращающийся резец с режущим элементом, имеющим круглую плавную форму в поперечном сечении, в соответствии с изобретением; на фиг.4б - режущий вращающийся резец с режущим элементом, имеющим многогранную форму в поперечном сечении в соответствии с изобретением; на фиг.4е - режущий вращающийся резец с режущим элементом, имеющим форму ромашки в поперечном сечении, в соответствии с изобретением; на фиг.5а - вид в плане режущего вращающегося резца, показывающий угол бокового отклонения в соответствии с изобретением; на фиг.5Ь главное продольное сечение режущего вращающегося резца и все вертикальные углы в плане в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.5с - поперечное сечение режущего вращающегося резца в соответствии с изобретением; на фиг.6 - перспективный вид режущего вращающегося резца в процессе резания в соответствии с изобретением.

Режущий инструмент (фиг.2, 3, 4) в соответствии с настоящим изобретением имеет корпус, который обозначен ссылкой 1, и режущий элемент - вставку, которая обозначена ссылкой

2. Корпус далее имеет заднюю часть 3, которая способствует вращению резца вокруг его продольной оси и может быть использована для удержания режущего инструмента.

Как можно видеть из фиг.2, задняя часть резца размещена в резцедержателе 4 и удерживается удерживающим элементом 5. Резцедержатель или множество резцедержателей расположены соосно друг с другом и прикреплены к опоре резца 6. Главные углы, обеспечивающие пространственную ориентацию каждого из режущих вращающихся резцов, определяются монтированием резцедержателя на опоре резца, как будет объяснено ниже. Задняя часть 3 резца и, следовательно, режущего вращающегося резца удерживается в резцедержателе так, что она вращается относительно продольной оси и зафиксирована в осевом направлении. Цилиндрический или конический корпус изготавливается, как правило, из сплавов стали, которые имеют значительную эластичность и прочность.

Вставка 2 (фиг.3) кольцеобразная и может быть выполнена в виде непрерывного кольца или композитного кольца, выполненного из индивидуальных сегментов. Внутреннее отверстие кольца может быть цилиндрическим или коническим, в то время как его поверхность, находящаяся в контакте с корпусом, может быть плоской или искривленной. В других вариантах изобретения весь резец может быть выполнен исключительно из одного материала.

Верхняя поверхность вставки может быть плоской, как показано на фиг.3а, 3Ь, 3с. Она может быть также вогнутой, как показано на фиг.3ф или выпуклой, как показано на фиг.3е. Наружная поверхность кольца, которая является передней гранью резца, всегда имеет выпуклую форму, образованную образующей цилиндра, как показано на фиг.3а, 3d и 3е, или форму прямого конуса, как показано на фиг.3с, или форму перевернутого конуса, как показано на фиг.3Ь.

Наружный контур режущего элемента может быть прямым, как показано на фиг.4а, или ступенчатым, как показано на фиг.4Ь.

Форма режущего элемента в поперечном сечении может быть круглой, как показано на фиг.4с, или многогранной, как показано на (|)nr\4d. или ромашкообразной, как показано на фиг.4е.

Вставка, как правило, сделана из твердых износостойких материалов, предпочтительно спеченных твердых сплавов группы карбидовольфрама. Выпуклая форма передней грани вставки является предпочтительной, поскольку режущие силы направлены к центру круга и приводят, в основном, к безопасным усилиям сжатия вместо усилий напряжения, которые крайне опасны для хрупких инструментов типа твердых сплавов, из которых выполнена вставка.

Выпуклая форма передней грани резца также способствует более эффективному съему разрушенной породы из зоны резания, благодаря рассеянию крошки по обеим сторонам резца.

Соединение вставки с корпусом может быть выполнено припаиванием, в частности, для композитного кольца - с помощью высокотемпературных наполняющих припоев, или выполнена по прессовой посадке. Кольцеобразная вставка обеспечивает полузакрытое размещение припаивающего материала для обеспечения прочного и надежного соединения корпуса со вставкой, что исключительно важно в условиях динамических нагрузок. Прессовая посадка, с другой стороны, устраняет остаточные термические напряжения, которые являются характерными для высокотемпературного припаивания ввиду разных коэффициентов расширения соединяемых элементов.

Непрерывные резцы, которые не разделены на корпус и вставку, также рекомендованы для резания неабразивных материалов. Они могут быть подвержены специальной термообработке, например изотермическому обжигу, для обеспечения различной твердости корпусной части и режущего элемента резца.

Главная черта настоящего изобретения заключается в том, что метод в соответствии с изобретением осуществляется таким образом, что режущий вращающийся резец сориентиро7 ван к поверхности породы, подлежащей резанию, под углом атаки β, который превышает 90°, как показано на фиг.2 и 5b.

Угол бокового отклонения а, показанный на фиг.5а и 5с, измеряется в плоскости поверхности срезанной породы и является уклоном между проекцией продольной оси резца и направлением перемещения резца.

Угол бокового отклонения определяет режущую силу С, обеспечивающую резание породы (С = Q · cos а) и вращающую (разрушающую) силу Q_rot, способствующую вращению резца относительно его собственной продольной оси (Q_rot = Q · sin α).

Угол атаки инструмента β в сочетании с углом бокового отклонения инструмента а обеспечивает благоприятные условия для оптимизации главных параметров инструмента, (включая передний угол ψ и задний угол δ режущей кромки резца.)

Пространственная ориентация инструмента, которая определяется углом атаки β и углом бокового отклонения а, придает следующие свойства:

- передняя грань резца является выпуклой поверхностью вставки, в то время как задняя грань резца является концевой поверхностью вставки; вращение инструмента вокруг его продольной оси (фиг.5Ь и 5с) происходит в связи с качением режущей кромки резца вдоль соответствующей поверхности породы под действием вращающего момента М_гоЬ М_гс* - это пара фрикционных сил, генерируемых силой Q_rot (и напорным усилием) тангенциальной силой Q;

- направление прямолинейного движения инструмента не совпадает с направлением резания (разрушения) породы, которое различно в каждой точке режущей кромки резца, как показано на фиг.5с;

- моментальное значение переднего угла ψ и заднего угла δι меняется непрерывно от точки к точке вдоль режущей кромки резца (дуга АЕ, фиг.5с).

В точке В (фиг.5с) задний угол δ_b имеет максимальное положительное значение. Перемещаясь от точки В направо и налево, этот угол понижается (si^_i = sii>_:, · cose_i) и принимает нулевое значение в точке d, и отрицательное значение - в точке Е. Геометрическая коррекция заднего угла инструмента путем введения положительного угла Δδ (фиг.5Ь; Δδ = cose ' sina) обеспечивает положительный задний угол по всей режущей кромке резца (дуга АЕ на фиг. 5с). Следовательно, это условие, необходимое для высокой концентрации напряжения породы на режущей кромке, поддерживается.

При условии |Δδ| = |δ₆|, задний угол инструмента в точке Е равен нулю.

Таким образом, по радиальной линии Е происходит самозатачивание в связи с непрерывным съемом задней грани материала, который будет вмешиваться в поддержание положительного заднего угла вдоль всей режущей кромки. Самозатачивание проходит вокруг точки Е, в то же самое время как износ происходит вдоль остатка режущей кромки.

В точке В на фиг.5с передний угол ψ_b имеет максимальные отрицательные значения. Перемещение от точки В направо или налево увеличивает этот угол таким образом, что он принимает нулевое значение в точке d, и положительное значение - в точке Е. Следовательно, в точке Е напорное усилие на единицу длины будет максимальным по сравнению с оставшимися точками режущей кромки инструмента по дуге АЕ на фиг.5с. Следовательно, интенсивность трения и износа являются максимальными в Е и в комбинации с нулевым значением заднего угла, обеспечивают условия, которые близки к затачиванию инструмента. С введением положительного угла коррекции Δψ (фиг.5Ь) эффект самозатачивания дальше повышается.

Отрицательный передний угол инструмента, который максимален в центральной части режущей кромки, способствует самозащите от перегрузки. Отрицательный передний угол генерирует подъемную силу, которая поднимает инструмент от породы. Такая перегрузка обычно вызывается повышением твердости породы, подлежащей разрушению.

Постоянное вращение инструмента вокруг продольной оси является надежным в связи со следующими факторами:

- отсутствие существенного сопротивления вращению вдоль задней грани инструмента изза положительного заднего угла;

- использование значительной режущей силы С (по сравнению с напорным усилием), которая обеспечивается приводом режущего оборудования для получения значительного Q_rot.

Характер и осевое направление износа инструмента вдоль задней грани в комбинации с непрерывным обновлением путем самозатачивания до первоначальных значений заднего угла вдоль всей задней кромки инструмента обеспечивает эффективную работу инструмента в режущем режиме до того, как износ фактически охватит всю вставку.

Угол атаки в соответствии с настоящим изобретением может быть в диапазоне от 90 до 120°. Угол бокового отклонения может быть в диапазоне от 5 до 40°. Передний угол может быть в диапазоне от +15 до -15°. Задний угол может быть в диапазоне от 0 до 20°. Угол заострения может быть в диапазоне от 50 до 100°.

В то время как в изобретении иллюстрируется и описывается, как воплощены метод резания и режущий вращающийся резец, оно не имеет своим намерением быть ограниченным показанными деталями, поскольку различные модификации и структурные изменения могут быть сделаны любым способом, без отклонения от настоящего изобретения.

Claims (17)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент, включающий вращающийся режущий элемент и средство для установки упомянутого режущего элемента таким образом, чтобы упомянутый режущий элемент имел угол атаки, превышающий 90°, и угол бокового отклонения не менее 5°.
2. 2. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п. 1 , отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет выпуклую переднюю грань.
3. 3. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п.2, отличающийся тем, что упомянутая выпуклая передняя грань режущего элемента имеет либо форму цилиндра, либо форму прямого или обратного конуса.
4. 4. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п. 1 , отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет заднюю грань с формой, выбранной из группы, содержащей выпуклую форму, вогнутую форму, плоскую форму и комбинацию этих форм.
5. 5. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п. 1 , отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет в продольном сечении наружную поверхность прямой или ступенчатой формы.
6. 6. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п. 1 , отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет в поперечном сечении наружную поверхность с формой, выбранной из группы круглой формы, формы многоугольника либо формы ромашки.
7. 7. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п. 1 , отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет угол атаки между 90 и 120°.
8. 8. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п. 1 , отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет угол бокового отклонения от 5 до 40°.
9. 9. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п. 1 , отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет передний угол от -15 до +15°.
10. 1 0. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п.1, отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет задний угол от 0 до 20°.
11. 11. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п.1, отличающийся тем, что упомянутый режущий элемент имеет угол заострения от 50 до 100°.
12. 1 2. Режущий самовращающийся и самозатачивающийся инструмент по п. 11 отличающийся тем, что упомянутый задний угол режущего элемента имеет положительную угловую коррекцию, обеспечивающую самозатачивание режущего элемента и определяемую формулой Δδ < arcsin (sina · cosP), где α - угол бокового отклонения; β - угол атаки.
13. 13. Способ резания, включающий этапы обеспечения вращения режущего элемента: монтирование упомянутого элемента монтирующим средством и перемещение монтирующего средства, отличающийся тем, что монтирующее средство перемещают таким образом, чтобы упомянутый режущий элемент имел угол атаки, превышающий 90°, и угол бокового отклонения.
14. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что упомянутое монтирование включает монтирование упомянутого режущего элемента таким образом, чтобы обеспечить угол атаки упомянутого режущего элемента от 90 до 120°.
15. 15. Способ по п. 13, отличающийся тем, что упомянутое монтирование включает монтирование режущего элемента таким образом, чтобы обеспечить угол бокового отклонения упомянутого режущего элемента от 1 0 до 40° в любую из обеих сторон наклона.
16. 16. Способ по п. 13, отличающийся тем, что упомянутое монтирование включает монтирование режущего элемента таким образом, чтобы обеспечить передний угол упомянутого режущего элемента от -15 до +15°.
17. 17. Способ по п. 13, отличающийся тем, что упомянутое монтирование включает монтирование режущего элемента таким образом, чтобы обеспечить задний угол упомянутого режущего элемента от 0 до 20°.