RU2024361C1

RU2024361C1 - Cooled cutting tool

Info

Publication number: RU2024361C1
Authority: RU
Inventors: Венедикт Геннадиевич Васильев
Original assignee: Венедикт Геннадиевич Васильев
Priority date: 1992-05-13
Filing date: 1992-05-13
Publication date: 1994-12-15

Abstract

FIELD: machining. SUBSTANCE: cooled cutting tool has holder 1 with air-tight inclined cavity 2 which filled partially with cooling medium 4. Cavity 2 is closed by cutting plate 3 at one its end and formed partially by internal surfaces, two bushings 5 and 6 connected telescopically together. External bushing 5 has internal polished surface and is fixed motionless in holder 1 by means of thread. Internal bushing 6 has closed edge and is mounted for axial movement when pressure changes in inclined cavity 2. Heat-exchange surface is made along three fourths of external surface of internal bushing 6. When power of heat release changes in cutting zone, for example, when the power increases, vapor pressure increases in cavity 2 and bushing 6 shifts away from bushing 5, as a result, volume of the cavity increases and condensation area increases as well. When heat release power decreases in cutting zone, vapor pressure decreases in cavity 2 and bushing 6 shifts back into bushing 5 under action of atmospheric pressure and condensation areas decreases. EFFECT: improved efficiency of machining. 2 dwg

Description

Изобретение относится к обработке металлов резанием, а именно к резцам с внутренним охлаждением. The invention relates to the processing of metals by cutting, namely to cutters with internal cooling.

Известен резец с внутренним охлаждением, в державке которого выполнена наклонная полость. С одной стороны наклонная полость закрыта режущей пластиной, с другой стороны к наклонной полости подсоединена трубка из теплопроводного материала. Полость частично заполнена охлаждающей средой. Трубка из теплопроводного материала соединена с помощью трубопровода с резервуаром, который заполнен инертным газом. Между тепловодной трубкой и трубопроводом расположена низкотеплопроводная вставка, изолирующая первое от газового резервуара для уменьшения колебаний температуры внутри последнего, что увеличивает точность регулирования зоны конденсации при работе. Трубка из теплопроводного материала снабжена охлаждающей радиационной поверхностью-холодильником. Однако сложность и громоздкость конструкции, необходимость использования при изготовлении и эксплуатации, большое количество разнородных материалов и веществ являются существенными и главными недостатками вышеназванного резца. Known cutter with internal cooling, in the holder of which an inclined cavity is made. On the one hand, the inclined cavity is closed by the cutting insert, on the other hand, a tube of heat-conducting material is connected to the inclined cavity. The cavity is partially filled with cooling medium. A tube of heat-conducting material is connected via a pipeline to a reservoir that is filled with an inert gas. Between the warm water tube and the pipeline there is a low-heat insert that insulates the former from the gas reservoir to reduce temperature fluctuations inside the latter, which increases the accuracy of regulation of the condensation zone during operation. The tube of heat-conducting material is equipped with a cooling radiation surface-refrigerator. However, the complexity and cumbersome design, the need to use in the manufacture and operation, a large number of dissimilar materials and substances are significant and main disadvantages of the above cutter.

Кроме того, утверждение авторов о наличии во внутренней полости резца при его работе, границы раздела пар-газ не соответствуют действительности, т. к. при работе вышеназванного резца в его внутренней полости имеют место явления диффузии возникающие тогда, когда в газовой смеси существует разность (градиент) концентрации какого-либо компонента. Процесс диффузии в этом случае приводит к исчезновению градиента и превращает неоднородную газовую смесь в однородную, а разность температур во внутренней полости вышеназванного резца, обеспечивающей термодиффузию, создает конвективное течение газовой смеси (пар + инертный газ). В результате такой конвекции нагретая часть газовой смеси (пар + инертный газ) движется относительно холодной части (инертный газ), образуя противоток. При этом происходит интенсивное перемешивание паров воды с инертным газом, например азотом, и образование границы раздела пар-газ физически не возможен. In addition, the authors claim that there is a cutter in the internal cavity during its operation, the vapor-gas interface does not correspond to reality, since during the operation of the above-mentioned cutter, diffusion phenomena occur in its internal cavity when there is a difference ( gradient) the concentration of any component. The diffusion process in this case leads to the disappearance of the gradient and turns the inhomogeneous gas mixture into a homogeneous one, and the temperature difference in the internal cavity of the above-mentioned cutter, which provides thermal diffusion, creates a convective flow of the gas mixture (steam + inert gas). As a result of such convection, the heated part of the gas mixture (steam + inert gas) moves relative to the cold part (inert gas), forming a countercurrent. In this case, intensive mixing of water vapor with an inert gas, such as nitrogen, occurs, and the formation of a vapor-gas interface is physically impossible.

Известен резец с внутренним охлаждением, содержащий корпус, в котором со стороны режущей пластинки выполнена полость, частично заполненная теплоносителем. Между режущей пластинкой и полостью резца расположена прокладка, выполненная из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из меди. К корпусу резца шарнирно присоединена трубка, также выполненная из теплопроводного материала, например меди. В качестве теплоносителя могут быть использованы вода либо легкокипящие жидкости, например один из видов фреонов. Known cutter with internal cooling, comprising a housing in which from the side of the cutting insert a cavity is made, partially filled with coolant. Between the cutting plate and the cavity of the cutter is a gasket made of a material with a high coefficient of thermal conductivity, for example, copper. A tube is also pivotally attached to the cutter body, also made of a heat-conducting material, such as copper. Water or low boiling liquids, for example, one of the types of freons, can be used as a heat carrier.

В трубке размещен поршень со штоком, выведенным за ее свободный торец и имеющим на своей наружной поверхности кольцевые проточки. В сквозном поперечном отверстии свободного конца трубки размещен стержень с проточкой, входящий в один из кольцевых проточек штока и подпружиненный с одной стороны упругой пластинкой, закрепленной на трубке посредством кольца. В поршне размещен обратный клапан, соединенный с атмосферой через сквозное отверстие штока. На наружной поверхности трубки могут быть выполнены ребра, а на свободном конце штока для удобства пользования - рукоятка. Основным недостатком вышеназванного резца наряду со сложностью и громоздкостью его конструкции является и то, что для изменения температурного режима трубки-теплоносителя необходимо как вмешательство рабочего, так и дополнительное оборудование. A piston is placed in the tube with a rod extended beyond its free end and having annular grooves on its outer surface. In the through transverse hole of the free end of the tube there is a rod with a groove that is included in one of the annular grooves of the rod and spring loaded on one side with an elastic plate fixed to the tube by means of a ring. A check valve is placed in the piston, connected to the atmosphere through a through hole of the rod. On the outer surface of the tube, ribs can be made, and on the free end of the stem for convenience of use - a handle. The main disadvantage of the aforementioned cutter, along with the complexity and cumbersomeness of its design, is that both the intervention of the worker and additional equipment are necessary to change the temperature regime of the coolant tube.

Известен также резец с внутренним охлаждением, содержащий державку с герметичным каналом, частично заполненным жидкостью, установленную в каналах втулку из электроизоляционного материала, размещенный в канале поршень с токопроводящим штоком, связанный со штоком и размещенный во втулке электроизолятор, два электроконтакта, один из которых установлен на штоке, а другой установлен во втулке с возможностью взаимодействия со штоком и электроизолятором и подпружинен пружиной относительно державки, и режущую пластинку, закрепленную на державке. Кроме того, поршень подпружинен относительно втулки пружиной. Электроконтакты связаны с системой управления станка. При обработке режущая пластина нагревается. Тепло через пластинку передается на державку с жидкостью. Жидкость испаряется, охлаждая при этом державку. По достижении в канале давления, превышающего давление пружины, поршень перемещается вместе со штоком. При этом электроизолятор перемещается относительно контакта до тех пор, пока не замкнется контакт с токопроводящим штоком. Электрическая цепь замыкается и в систему управления станка поступает сигнал на отвод резца от детали для его охлаждения или на изменение режимов резания [1]. Also known is a cutter with internal cooling, comprising a holder with an airtight channel partially filled with liquid, a sleeve of electrical insulation material installed in the channels, a piston with a conductive rod placed in the channel, an electrical insulator connected to the rod and placed in the sleeve, two electrical contacts, one of which is mounted on the rod, and the other is installed in the sleeve with the possibility of interaction with the rod and the insulator and is spring-loaded relative to the holder, and a cutting plate fixed to the holder avke. In addition, the piston is spring loaded relative to the sleeve by a spring. Electrical contacts are connected to the machine control system. During processing, the cutting insert heats up. Heat is transferred through the plate to the holder with liquid. The liquid evaporates while cooling the holder. When the pressure in the channel exceeds the spring pressure, the piston moves with the rod. In this case, the insulator moves relative to the contact until the contact with the conductive rod closes. The electric circuit is closed and the control system of the machine receives a signal to remove the cutter from the part for cooling or to change the cutting conditions [1].

Резец имеет следующие недостатки: теплообмен между режущей пластиной и теплоносителем, в качестве которого используется жидкость, осуществляется через материал державки (стали марок У8 или У9, У10, 40Х, 45Х), который обладает небольшим значением коэффициента теплопроводности, вследствие чего не обеспечивается достаточно эффективный теплоотвод от режущей пластины в глубь державки резца, что приводит к интенсивному нагреву передней части корпуса державки резца. При этом все более интенсивно испаряется жидкий теплоноситель, находящийся в передней части герметичного канала, выполненного вдоль корпуса державки резца. Теплоотвод к жидкому теплоносителю через внутреннюю поверхность передней части корпуса державки резца превысит теплоотвод от него в глубь корпуса державки резца, испарившимся теплоносителем, через внутреннюю поверхность герметичного канала не ограниченного поршнем. Газовая составляющая теплоносителя увеличивается и давление в герметичном канале растет. По достижении в герметичном канале давления, превышающего усилие пружины, поршень перемещается вместе со штоком. При этом электроизолятор перемещается относительно подпружиненного электроконтакта до тех пор, пока последнее не замкнется с токопроводящим штоком. Электрическая цепь замыкается и в систему управления станка поступает сигнал на отвод резца от детали для его охлаждения или на уменьшение скорости резания и уменьшение подачи, что приводит к снижению производительности обработки. The cutter has the following disadvantages: heat transfer between the cutting insert and the coolant, which is used as a liquid, is carried out through the holder material (steel grades U8 or U9, U10, 40X, 45X), which has a small coefficient of thermal conductivity, as a result of which a sufficiently effective heat sink is not provided from the cutting insert deep into the tool holder, which leads to intense heating of the front of the tool holder body. At the same time, the liquid coolant located in the front of the sealed channel along the body of the tool holder is evaporating more and more intensively. The heat sink to the liquid coolant through the inner surface of the front part of the tool holder body will exceed the heat sink from it deep into the tool holder body, which has evaporated the heat carrier, through the inner surface of the sealed channel not limited by the piston. The gas component of the coolant increases and the pressure in the sealed channel increases. Upon reaching a pressure in the sealed channel exceeding the force of the spring, the piston moves with the rod. In this case, the insulator moves relative to the spring-loaded electrical contact until the latter is closed with a conductive rod. The electrical circuit is closed and the machine control system receives a signal to remove the cutter from the part to cool it or to reduce the cutting speed and feed rate, which leads to a decrease in processing productivity.

Предлагаемый охлаждаемый резец, содержащий державку с герметичной наклонной полостью, частично заполненной жидкой охлаждающей средой, и режущую пластину, закрепленную в державке и закрывающую с одного конца указанную полость, от известных отличается тем, что герметичная полость частично образована внутренними поверхностями введенных в резец двух телескопически связанных между собой втулок, наружная из которых с выполненной полированной внутренней поверхностью неподвижно закреплена посредством резьбы в державке, а внутренняя, закрытая в торце, установлена с возможностью осевого перемещения при изменении давления в наклонной полости, при этом на трех четвертях наружной поверхности внутренней втулки выполнена теплообменная поверхность. The proposed cooled cutter, comprising a holder with a sealed inclined cavity partially filled with liquid cooling medium, and a cutting plate fixed in the holder and covering said cavity at one end, differs from the known ones in that the sealed cavity is partially formed by the inner surfaces of two telescopically connected between each of the bushes, the outer of which with the polished inner surface is made fixedly fixed by means of a thread in the holder, and the inner one is closed melted at the end, it is installed with the possibility of axial movement when the pressure in the inclined cavity changes, while on three quarters of the outer surface of the inner sleeve a heat exchange surface is made.

На фиг. 1 представлен предлагаемый резец, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1. In FIG. 1 presents the proposed cutter, a longitudinal section; in FIG. 2 is a section along AA in FIG. 1.

Резец состоит из державки 1, в которой выполнена наклонная полость 2. С одной стороны наклонная полость 2 закрыта режущей пластиной 3 и частично заполнена жидкой охлаждающей средой 4 с низкой температурой кипения, например водой. Объем охлаждающей среды 4 рекомендуется выбрать из соображений обеспечения возможности смачивания опорной поверхности режущей пластины 3. С другой стороны в наклонной полости 2 размещены герметично две телескопически связанных между собой медные втулки 5 и 6. Наружная втулка 5 с выполненной полированной внутренней поверхностью неподвижно закреплена посредством резьбы в державке 1. Во втулке 5 с возможностью осевого перемещения при изменении давления в наклонной полости 2 герметично установлена закрытая в торце втулка 6. Герметичность обеспечивается наличием эластичного уплотнительного кольца 7, например из резины, установленного на открытом, переднем конце втулки 6, где выполнено соответствующее посадочное место - кольцевой паз по наружной поверхности. Глубина кольцевого паза выполнена такой, что при размещении в нем эластичного уплотнительного кольца 7 последнее оказывает на внутреннюю поверхность втулки 5 минимальное, но достаточное для сохранения герметичности в наклонной полости 2 усилие. На 3/4 своей длины втулка 6 имеет теплообменную поверхность, выполненную в виде чередующихся продольных выступов и пазов прямоугольной формы по наружной ее поверхности. Ограничение хода втулки 6 при перемещении ее вдоль втулки 5 осуществляется при помощи винта 8, установленного на конце втулки 5. The cutter consists of a holder 1, in which an inclined cavity 2 is made. On one side, the inclined cavity 2 is closed by a cutting plate 3 and partially filled with a liquid cooling medium 4 with a low boiling point, for example, water. It is recommended that the volume of the cooling medium 4 be selected for reasons of wetting the support surface of the cutting insert 3. On the other hand, two telescopically connected copper sleeves 5 and 6 are hermetically sealed in the inclined cavity 2. The outer sleeve 5 with its polished inner surface is fixedly fixed by thread holder 1. In the sleeve 5 with the possibility of axial movement when changing the pressure in the inclined cavity 2 is hermetically sealed at the end of the sleeve 6. The tightness of both is sintered by the presence of an elastic sealing ring 7, for example, of rubber mounted on the open, front end of the sleeve 6, where the corresponding seat is made - an annular groove on the outer surface. The depth of the annular groove is such that, when an elastic sealing ring 7 is placed in it, the latter exerts a minimum but sufficient force to maintain tightness in the inclined cavity 2 on the inner surface of the sleeve 5. On 3/4 of its length, the sleeve 6 has a heat exchange surface made in the form of alternating longitudinal protrusions and grooves of a rectangular shape on its outer surface. The stroke limit of the sleeve 6 when moving it along the sleeve 5 is carried out using a screw 8 mounted on the end of the sleeve 5.

Резец работает следующим образом. В процессе обработки режущая пластина 3 нагревается и тепло от нее передается охлаждающей среде 4. Под действием температуры охлаждающая среда 4 испаряется и в виде пара переносится к герметичной наклонной полости, образованной внутренними поверхностями втулок 5 и 6. На холодных стенках пар конденсируется и под действием сил тяжести конденсат возвращается в зону нагрева наклонной полости 2 и цикл повторяется. При обработке металла с другими теплофизическими характеристиками, а также при обработке материалов с неоднородной твердостью при поперечном точении и при обработке деталей с переменным припуском меняется мощность тепловыделения в зоне резания. При увеличении последнего увеличивается и давление пара в герметичной полости. Когда давление пара в этой полости станет достаточным для преодоления сил трения эластичного уплотнительного кольца 7 о внутреннюю поверхность втулки 5, втулка 6 выдвигается из нее, увеличивая объем полости и, следовательно, увеличивая поверхность конденсации. Когда же происходит уменьшение мощности тепловыделения в зоне резания, то уменьшается и давление пара в полости, образуемой внутренними стенками втулок 5 и 6. Тогда под действием атмосферного давления втулка 6 вдавливается обратно во втулку 5. The cutter works as follows. During processing, the cutting insert 3 heats up and heat is transferred from it to the cooling medium 4. Under the influence of temperature, the cooling medium 4 evaporates and is transferred in the form of steam to a sealed inclined cavity formed by the inner surfaces of the bushings 5 and 6. On the cold walls, the steam condenses under the action of forces gravity condensate returns to the heating zone of the inclined cavity 2 and the cycle repeats. When processing metal with other thermophysical characteristics, as well as when processing materials with non-uniform hardness during transverse turning and when machining parts with a variable allowance, the heat release power in the cutting zone changes. With an increase in the latter, the vapor pressure in the sealed cavity also increases. When the vapor pressure in this cavity becomes sufficient to overcome the friction forces of the elastic sealing ring 7 on the inner surface of the sleeve 5, the sleeve 6 extends from it, increasing the volume of the cavity and, therefore, increasing the surface of condensation. When there is a decrease in heat dissipation power in the cutting zone, then the vapor pressure in the cavity formed by the inner walls of the bushings 5 and 6 also decreases. Then, under the influence of atmospheric pressure, the sleeve 6 is pressed back into the sleeve 5.

Таким образом, благодаря использованию предлагаемой упрощенной конструкции резца становится возможным автоматическое изменение условий конденсаций пара, позволяющее как расширить технологические возможности за счет изменения условий конденсации пара при обработке материалов с различной твердостью и на различных режимах резания, так и повысить стойкость резца за счет более эффективного охлаждения режущей пластины. Thus, due to the use of the proposed simplified design of the cutter, it is possible to automatically change the conditions of steam condensation, which allows both to expand technological capabilities by changing the conditions of steam condensation when processing materials with different hardness and at different cutting conditions, and to increase the resistance of the cutter due to more efficient cooling cutting plate.

Claims

A COOLED CUTTER containing a holder with a sealed inclined cavity partially filled with liquid cooling medium, and a cutting plate fixed in the holder and covering the cavity from one end, characterized in that the sealed cavity is partially formed by the inner surfaces of two bushings telescopically connected to each other , the outer of which, with a polished inner surface, is fixedly fixed by means of a thread in the holder, and the inner one, closed from the end, is installed axially movable when the pressure change in the inclined cavity, the three-quarters of the outer surface of the inner sleeve is formed the heat exchange surface.