RU203649U1

RU203649U1 - ULTRASONIC DRILL BIT FOR DRILLING POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Info

Publication number: RU203649U1
Application number: RU2020116566U
Authority: RU
Inventors: Данила Вячеславович Морозов; Ирина Владимировна Злобина; Николай Валерьевич Бекренев
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2021-04-14

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для обработки материалов резанием с воздействием ультразвука и может быть использована при сверлении отверстий в деталях из полимерных композиционных материалов с использованием ручного электроинструмента. Ультразвуковая насадка к дрели содержит корпус, фиксируемый при помощи трех винтов на корпусе редуктора дрели. В корпусе на сферическом двухрядном подшипнике размещен стакан с установленным в нем полуволновым пьезокерамическим электромеханическим преобразователем ультразвуковых колебаний. Стакан при помощи резьбового отверстия зафиксирован на шпинделе дрели и содержит два токосъемных кольца для подведения питания к преобразователю от ультразвукового генератора. В корпусе установлена дополнительная рукоятка. Снижается дефектность армированных углеродными волокнами композиционных материалов при использовании ручного электроинструмента. 3 ил.The utility model relates to devices for processing materials by cutting with the action of ultrasound and can be used when drilling holes in parts made of polymer composite materials using a hand-held power tool. The ultrasonic nozzle for the drill contains a housing that is fixed with three screws on the housing of the drill gearbox. In the housing on a spherical double-row bearing there is a glass with a half-wave piezoceramic electromechanical transducer of ultrasonic vibrations installed in it. The glass is fixed on the drill spindle by means of a threaded hole and contains two slip rings for supplying power to the transducer from the ultrasonic generator. An additional handle is installed in the body. Defectiveness of composite materials reinforced with carbon fibers is reduced when using a hand-held power tool. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам для обработки материалов резанием с воздействием ультразвука и может найти применение при сверлении отверстий в деталях из полимерных композиционных материалов с использованием ручного электроинструмента.The utility model relates to devices for processing materials by cutting with the action of ultrasound and can be used for drilling holes in parts made of polymer composite materials using a hand-held power tool.

В настоящее время полимерные композиционные материалы широко применяются в производстве летательных аппаратов, ветрогенераторов, водного транспорта, спортивного инвентаря. Помимо операций синтеза компонентов, формования и отверждения в их производстве, применяются операции сверления отверстий для установки крепежных элементов, в том числе к металлическим несущим конструкциям.Currently, polymer composite materials are widely used in the production of aircraft, wind turbines, water transport, and sports equipment. In addition to the operations of synthesizing components, forming and curing in their production, drilling operations are used to install fasteners, including to metal supporting structures.

В волокнистых полимерных композиционных материалах, в частности, пултрузионных и отвержденных формованных углепластиках, присутствует неоднородность структуры вследствие относительно мягкой и вязкой матрицы и высокотвердых волокнистых армирующих тканей, отличающихся повышенными абразивными свойствами, что приводит к крайне неравномерному процессу удаления стружки при обработке данных материалов резанием и быстрому затуплению и износу инструмента. Это вызывает увеличение сил резания и преимущественное разрушение матрицы. Армирующие структуры, освобожденные от связующего, «распушиваются» и выдавливаются на периферию зоны обработки, нарушая качество поверхности и точность ее формы. Указанный результат обработки вызывает необходимость повторного связывания отделившихся от монолита волокон компаундами с последующей их ручной зачисткой, или требует предварительного нанесения на входные и выходные поверхности эпоксидного слоя, через который после отверждения осуществляется сверление, а внешний слой после сверления удаляется, что увеличивает трудоемкость и снижает качество изготовления изделий.In fibrous polymer composites, in particular, pultruded and hardened molded CFRPs, there is structural heterogeneity due to a relatively soft and viscous matrix and high-hard fibrous reinforcing fabrics, characterized by increased abrasive properties, which leads to an extremely uneven chip removal process when processing these materials by cutting and fast bluntness and tool wear. This causes an increase in cutting forces and predominant destruction of the matrix. Reinforcing structures, freed from the binder, are "fluffed" and squeezed out to the periphery of the processing zone, violating the quality of the surface and the accuracy of its shape. The specified processing result necessitates re-bonding of the fibers separated from the monolith with compounds, followed by their manual stripping, or requires preliminary application of an epoxy layer to the input and output surfaces, through which drilling is carried out after curing, and the outer layer after drilling is removed, which increases labor intensity and reduces quality manufacture of products.

Известно положительное влияние на производительность и качество механической обработки труднообрабатываемых материалов виброволновых технологий, которые реализуются при помощи специального оборудования.It is known that vibration wave technologies, which are implemented with the help of special equipment, have a positive effect on the productivity and quality of machining of difficult-to-machine materials.

Известен ультразвуковой виброударный инструмент (патент RU №2259912 МПК B25D 9/14, опубликован 10.09.2005), предназначенный для релаксационно-упрочняющей и пассивирующей обработки, например, сварных соединений, поверхностей металлоконструкций, подвергнутых воздействию атмосферной, водной и почвенной коррозии. Ручной инструмент содержит корпус, втулку, установленную на связанные с корпусом направляющие с зазором между ее наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса, а также источник возбуждения, на котором втулка закреплена за волноводный акустический трансформатор в узле его продольных колебаний и отличается тем, что втулка закреплена на волноводном акустическом трансформаторе с натягом, усилие которого соответствует ее радиальной деформации, превышающей амплитуду поперечных колебаний волноводного акустического трансформатора в узле продольных колебаний при его работе на холостом ходу. Направляющие связаны с корпусом инструмента посредством эластичных виброизолирующих прокладок.Known ultrasonic vibro-impact tool (patent RU No. 2259912 IPC B25D 9/14, published 09/10/2005), intended for relaxation-hardening and passivating treatment, for example, welded joints, surfaces of metal structures exposed to atmospheric, water and soil corrosion. The hand tool contains a housing, a bushing installed on guides connected to the housing with a gap between its outer surface and the inner surface of the housing, as well as an excitation source on which the bushing is fixed to a waveguide acoustic transformer in the unit of its longitudinal vibrations and is characterized in that the bushing is fixed on a waveguide acoustic transformer with an interference fit, the force of which corresponds to its radial deformation, exceeding the amplitude of the transverse oscillations of the waveguide acoustic transformer in the longitudinal oscillation unit when it is idling. The guides are connected to the tool body by means of elastic vibration isolating pads.

Инструмент не может использоваться для обработки отверстий в полимерных композиционных материалах, поскольку не имеет вращающегося шпинделя для крепления концевого инструмента (сверла, зенкеры и т.п.). Другим недостатком устройства является применение магнитострикционного электромеханического преобразователя, отличающегося относительно большими размерами, требующего охлаждения и генератора со схемой подмагничивания.The tool cannot be used for machining holes in polymer composites, since it does not have a rotating spindle for attaching end tools (drills, countersinks, etc.). Another disadvantage of the device is the use of a magnetostrictive electromechanical converter, which is relatively large in size, requiring cooling and a generator with a bias circuit.

Так же известна ударная дрель (патент RU №2496610), которая содержит ударный механизм для удара по сверлу, элемент передачи вращения, элемент передачи удара, соединяющий элемент, установленный между элементом передачи вращения и элементом передачи удара, элемент переключения режима, стопорный элемент, цилиндрический трубчатый корпус, ограничительную трубку и сцепляющий шип. Сцепляющий шип установлен в эксцентрической позиции на элементе переключения режимов с возможностью выдвигаться в одной фазе и отходить в другой фазе с предопределенным ходом к периферии и от периферии соединяющего элемента. Стопорный элемент сцепляется с элементом передачи вращения и способен стопорить его вращение. Цилиндрический трубчатый корпус установлен в эксцентрической позиции относительно центра вращения на элементе переключения режима. Сцепляющий шип размещен в трубчатом корпусе. Ограничительная трубка установлена на элементе переключения режимов. Часть ограничительной трубки сформирована в виде округлой ограничительной части. Упомянутая ограничительная часть трубки установлена у внешней периферийной стороны сцепляющего шипа в элементе переключения режимов. Ограничительная часть трубки установлена с возможностью сдвигания стопорного элемента в позицию расцепления в одной из двух фаз сцепляющего шипа.An impact drill is also known (patent RU No. 2496610), which contains an impact mechanism for impacting a drill, a rotation transmission element, an impact transmission element, a connecting element installed between the rotation transmission element and the impact transmission element, a mode switching element, a locking element, cylindrical tubular body, restraining tube and coupling pin. The engaging pin is installed in an eccentric position on the mode switching element with the ability to extend in one phase and retract in another phase with a predetermined stroke to the periphery and from the periphery of the connecting element. The stopper element engages with the rotation transmission element and is capable of stopping its rotation. The cylindrical tubular body is installed in an eccentric position relative to the center of rotation on the mode switching element. The pin is housed in a tubular body. The restriction tube is installed on the mode switching element. The restraining tube part is formed as a rounded restraining part. The above-mentioned restrictive part of the tube is installed at the outer peripheral side of the engaging stud in the mode switching element. The limiting part of the tube is installed with the possibility of sliding the locking element into the disengaged position in one of the two phases of the engaging pin.

Известна также ударная дрель-шуруповерт (патент RU 2591924 С2), содержащая шпиндель, планетарный зубчатый понижающий скорость механизм, муфтовый механизм, кулачковый механизм, выполненный с возможностью выборочного приложения осевого вибрационного движения к шпинделю, и вибрационной механизм. Муфтовый механизм содержит зубчатое колесо внутреннего зацепления последней ступени, выполненное с возможностью вращения на последней ступени планетарного зубчатого понижающего скорость механизма, сцепляемые элементы, выполненные с возможностью сцепления с концевой поверхностью зубчатого колеса внутреннего зацепления, и цилиндрическую винтовую пружину. Вибрационной механизм содержит переключающий элемент, выполненный с возможностью поворота в первое и второе угловые положения, соединительный элемент, соединенный с переключающим элементом, и исполнительный элемент, соединенный с соединительным элементом ивыполненный с возможностью поворота переключающего элемента в одно из первого и второго угловых положений. Цилиндрическая винтовая пружина расположена между переключающим элементом и исполнительным элементом. Соединительный элемент расположен с возможностью прохода через промежуток между сцепляемыми элементами и обхода вокруг заднего конца цилиндрической винтовой пружины. В результате уменьшаются габариты ударной дрели-шуруповерта в ее осевом направлении.Also known is an impact drill-screwdriver (patent RU 2591924 C2) containing a spindle, a planetary gear reduction mechanism, a clutch mechanism, a cam mechanism configured to selectively apply axial vibration motion to the spindle, and a vibration mechanism. The clutch mechanism contains an internal gear of the last stage, made with the possibility of rotation on the last stage of the planetary gear reduction of the speed of the mechanism, coupled elements made with the possibility of engagement with the end surface of the internal gear, and a coil spring. The vibration mechanism comprises a switching element rotatable to first and second angular positions, a connecting element connected to the switching element, and an actuating element connected to the connecting element and configured to rotate the switching element to one of the first and second angular positions. A coil spring is located between the switching element and the actuator. The connecting element is arranged so that it can pass through the gap between the coupled elements and bypass around the rear end of the coil spring. As a result, the dimensions of the impact drill-screwdriver are reduced in its axial direction.

Описанные выше устройства не могут быть использованы при обработке ручным электроинструментом изделий из полимерных композиционных материалов по следующим причинам.The devices described above cannot be used when processing articles made of polymer composite materials with a hand-held power tool for the following reasons.

Известные устройства реализуют способ сверления отверстий вращающимся с необходимым числом оборотов инструментом, которому могут сообщаться вибрации в осевом направлении с низкой частотой. Данный метод не возможно использовать применительно к обработке полимерных композитных материалов, так как использование низкочастотных вибраций в ударных дрелях не решает проблему, поскольку при этом характерна значительная амплитуда смещения инструмента и как следствие - ударные динамические нагрузки, которые могут привести к интенсивному дефектообразованию и растрескиванию композита вследствие его повышенной по сравнению с металлами и сплавами хрупкости и отмеченной выше неоднородности структуры.Known devices implement a method of drilling holes with a tool rotating at the required number of revolutions, which can be vibrated in the axial direction at a low frequency. This method cannot be used in relation to the processing of polymer composite materials, since the use of low-frequency vibrations in impact drills does not solve the problem, since this is characterized by a significant amplitude of tool displacement and, as a consequence, dynamic shock loads, which can lead to intense defect formation and cracking of the composite due to its increased brittleness in comparison with metals and alloys and the above-noted inhomogeneity of the structure.

Техническая проблема создания предлагаемой полезной модели заключается в повышении качества поверхности отверстий при сверлении полимерных композиционных материалов путем наложения на инструмент ультразвуковых колебаний.The technical problem of creating the proposed utility model is to improve the surface quality of the holes when drilling polymer composite materials by imposing ultrasonic vibrations on the tool.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в улучшении обрабатываемости и снижении дефектности армированных углеродными волокнами композиционных материалов при использовании ручного электроинструмента.The technical result of the proposed utility model is to improve the machinability and reduce the defectiveness of composite materials reinforced with carbon fibers when using a hand-held power tool.

Технический результат достигается за счет сообщения инструменту ультразвуковых колебаний определенной частоты при помощи технологической насадки, устанавливаемой на ручную электродрель вместо трехкулачкового патрона.The technical result is achieved by communicating ultrasonic vibrations of a certain frequency to the instrument using a technological nozzle installed on a hand-held electric drill instead of a three-jaw chuck.

Техническая сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.The technical essence of the proposed utility model is as follows.

Ультразвуковая насадка к дрели для сверления отверстий в деталях из полимерных композиционных материалов характеризуется тем, что она выполнена с возможностью соединения с инструментом дрели и содержит корпус с ручкой, выполненный с возможностью фиксации посредством трех винтов на корпусе редуктора дрели, и стакан, расположенный в корпусе на сферическом двухрядном подшипнике и выполненный с резьбовым отверстием для установки насадки на шпинделе дрели, при этом в стакане установлены полуволновой пьезокерамический электромеханический преобразователь ультразвуковых колебаний и два токосъемных кольца для подведения питания к указанному преобразователю от ультразвукового генератора.An ultrasonic nozzle for a drill for drilling holes in parts made of polymer composite materials is characterized by the fact that it is capable of being connected to the drill tool and contains a housing with a handle made with the possibility of fixing by means of three screws on the housing of the drill gearbox, and a glass located in the housing on spherical double-row bearing and made with a threaded hole for mounting the nozzle on the drill spindle, while a half-wave piezoceramic electromechanical transducer of ultrasonic vibrations and two slip rings are installed in the glass to supply power to the specified transducer from the ultrasonic generator.

Конструкция предлагаемой полезной модели поясняется чертежом Фиг. 1 - общий вид полезной модели. Пример исполнения полезной модели представлен на Фиг. 2. В качестве дрели используется модель Hammer Flex UDD950A.The design of the proposed utility model is illustrated by the drawing FIG. 1 is a general view of the utility model. An example of the implementation of the utility model is shown in Fig. 2. The Hammer Flex UDD950A model is used as a drill.

На Фиг. 1 обозначено: 1 - ультразвуковая насадка, 2 - ручная электродрель, 3 - кабель питания дрели, 4 - кабель питания ультразвукового электромеханического преобразователя, 5 - дополнительная рукоятка, 6 - ультразвуковой генератор, 7 - кабель питания ультразвукового генератора.FIG. 1 is marked: 1 - ultrasonic nozzle, 2 - hand electric drill, 3 - power cable of the drill, 4 - power cable of the ultrasonic electromechanical transducer, 5 - additional handle, 6 - ultrasonic generator, 7 - power cable of the ultrasonic generator.

На Фиг. 2 обозначено: 8 - пьезокерамический электромеханический преобразователь, 9 - вращающийся стакан, 10 - двухрядный сферический подшипник, 11 - цанга крепления инструмента, 12 - токосъемные кольца, 13 - колодка со щетками, 14 - корпус, 15 - шпиндель дрели, 16 - гайка, фиксирующая пьезокерамический электромеханический преобразователь, 17 - активная накладка, 18 - гайка крепления цанги, 19 - редуктор дрели.FIG. 2 marked: 8 - piezoceramic electromechanical transducer, 9 - rotating glass, 10 - double-row spherical bearing, 11 - tool holder, 12 - slip rings, 13 - block with brushes, 14 - body, 15 - drill spindle, 16 - nut, fixing piezoceramic electromechanical transducer, 17 - active pad, 18 - collet fastening nut, 19 - drill reducer.

Ультразвуковая насадка к дрели содержит рабочий инструмент - сверло, соединенный с ультразвуковой насадкой 1, включающей в себя пьезокерамический электромеханический преобразователь 8, предназначенный для создания ультразвуковых колебаний. Кроме того, ультразвуковая насадка 1 содержит корпус 14, фиксируемый при помощи трех винтов на корпусе редуктора дрели 19, в корпусе на сферическом двухрядном подшипнике 10 размещен вращающийся стакан 9 с установленным в нем пьезокерамическим электромеханическим преобразователем 8, стакан 9 при помощи резьбового отверстия зафиксирован на шпинделе дрели 15 и содержит токосъемные кольца 12 для подведения питания к пъезокерамическому электромеханическому преобразователю 8 от ультразвукового генератора 6, а в корпусе 14 установлена дополнительная рукоятка 5.The ultrasonic nozzle for the drill contains a working tool - a drill connected to an ultrasonic nozzle 1, which includes a piezoceramic electromechanical transducer 8, designed to create ultrasonic vibrations. In addition, the ultrasonic nozzle 1 contains a housing 14, which is fixed with three screws on the housing of the drill gearbox 19, a rotating glass 9 with a piezoceramic electromechanical transducer 8 installed in it is placed in the housing on a spherical double-row bearing 10, the glass 9 is fixed on the spindle with a threaded hole drill 15 and contains slip rings 12 for supplying power to the piezoceramic electromechanical transducer 8 from the ultrasonic generator 6, and an additional handle 5 is installed in the housing 14.

Ультразвуковая насадка 1 используется следующим образом. При необходимости сверления отверстий в полимерных композиционных и других труднообрабатываемых материалах со шпинделя дрели 15 снимают трехкулачковый патрон и надевают на металлический корпус редуктора дрели 19 корпус ультразвуковой насадки 14 с одновременным закреплением на резьбовом конце шпинделя дрели 15 вращающегося стакана 9 (предварительно из стакана вынимают пьезокерамический электромеханический преобразователь 8). Во вращающийся стакан 9 устанавливают пьезокерамический электромеханический преобразователь 8, к которому подведен кабель питания 4, от токосъемных колец 12, которые в свою очередь принимают ток от колодки с щетками 13, и фиксируют при помощи специальной гайки 16. В отверстие активной накладки 17 пъезокерамического электромеханического преобразователя 8 устанавливают цангу крепления инструмента 11 с отверстием необходимого диаметра, а в отверстие - сверло. Зажимают сверло в цанге 11 при помощи гайки, крепления цанги 18. Включают ультразвуковой генератор 6, который подключен к источнику питания с помощью кабеля питания 7 и устанавливают частоту его выходного напряжения в резонанс с собственной частотой колебательной системы «пьезокерамический электромеханический преобразователь - цанга - сверло». Момент резонанса определяют по максимальной интенсивности звучания металлического предмета (например - отвертки), вводимой в контакт с вершиной сверла. Включают привод ручной электродрели 2, подключенной с помощью кабеля питания 3 к источнику питания и устанавливают требуемое число оборотов. После этого осуществляют обработку отверстий. В процессе обработки ультразвуковую насадку 1 придерживают при помощи дополнительной рукоятки 5. Точное вращение стакана 9 с пъезокерамическим электромеханическим преобразователем 8 обеспечивается при помощи двухрядного сферического подшипника 10, компенсирующего возможную несоосность резьбового конца шпинделя дрели 15 и передней опоры стакана 9.Ultrasonic nozzle 1 is used as follows. If it is necessary to drill holes in polymer composite and other difficult-to-machine materials, the three-jaw chuck is removed from the spindle of the drill 15 and the case of the ultrasonic nozzle 14 is put on the metal case of the drill gear 19 while the rotating nozzle 9 is attached to the threaded end of the drill spindle 15 (the piezoceramic electromechanical transducer is removed from the glass beforehand eight). A piezoceramic electromechanical transducer 8 is installed into the rotating glass 9, to which the power cable 4 is connected, from the collector rings 12, which in turn receive current from the shoe with brushes 13, and are fixed using a special nut 16. In the hole of the active pad 17 of the piezoceramic electromechanical transducer 8, a collet for fastening the tool 11 with a hole of the required diameter is installed, and a drill is installed in the hole. Clamp the drill in the collet 11 with a nut, fastening the collet 18. Turn on the ultrasonic generator 6, which is connected to the power source using the power cable 7 and set the frequency of its output voltage to resonance with the natural frequency of the oscillatory system "piezoceramic electromechanical transducer - collet - drill" ... The moment of resonance is determined by the maximum sound intensity of a metal object (for example, a screwdriver) brought into contact with the tip of the drill. Turn on the drive of the hand-held electric drill 2 connected with the power cable 3 to the power source and set the required number of revolutions. After that, the holes are processed. During processing, the ultrasonic nozzle 1 is held with an additional handle 5. The exact rotation of the glass 9 with the piezoceramic electromechanical transducer 8 is ensured by means of a double-row spherical bearing 10, which compensates for possible misalignment of the threaded end of the drill spindle 15 and the front support of the glass 9.

Эффективность применения ультразвукового сверления полимерных композиционных материалов при помощи предлагаемой полезной модели подтверждена следующими экспериментальными результатами, результаты которых представлены на Фиг. 3. На Фиг 3 обозначено: а - кромки отверстия и выходная поверхность при обработке без ультразвука, 6 - кромки отверстия и выходная поверхность при обработке с ультразвуком. При амплитуде 10 мкм наблюдается снижение силы резания на 25-27%, при увеличении амплитуды до 15 мкм снижение силы резания составило 38-40%. При этом на текущем графике изменения силы проявились периодические изменения ее значения в пределах 6-7%, очевидно, вызванные сгенерированными автоколебательными процессами в системе. При меньших амплитудах снижение параметра составило соответственно: при А=8 мкм - 18%, А=5 мкм - 12-15%, А=2 мкм - 8-10%. Отмечено практически полное отсутствие валиков разориентированных, расслоившихся выдернутых волокон на выходе сверла и ровные кромки отверстия при ультразвуковом сверлении. Также отмечено снижение количества выдернутых волокон и более ровные кромки отверстия при использовании в качестве матрицы углеткани.The effectiveness of the use of ultrasonic drilling of polymer composite materials using the proposed utility model is confirmed by the following experimental results, the results of which are presented in Fig. 3. In Fig. 3 it is indicated: a - the edges of the hole and the exit surface during processing without ultrasound, 6 - the edges of the hole and the exit surface during processing with ultrasound. With an amplitude of 10 microns, a decrease in the cutting force by 25-27% is observed, with an increase in the amplitude to 15 microns, a decrease in the cutting force was 38-40%. At the same time, on the current graph of the force change, periodic changes in its value within 6-7% appeared, apparently caused by the generated self-oscillatory processes in the system. At lower amplitudes, the decrease in the parameter was, respectively: at A = 8 μm - 18%, A = 5 μm - 12-15%, A = 2 μm - 8-10%. Almost complete absence of beads of misoriented, delaminated pulled out fibers at the exit of the drill and smooth edges of the hole during ultrasonic drilling were noted. Also, a decrease in the number of pulled out fibers and smoother edges of the hole were noted when using carbon fabric as a matrix.

Тем самым решается техническая проблема создания предлагаемой полезной модели: повышение качества поверхности отверстий при сверлении полимерных композиционных материалов путем наложения на инструмент ультразвуковых колебаний.This solves the technical problem of creating the proposed utility model: improving the surface quality of holes when drilling polymer composite materials by imposing ultrasonic vibrations on the tool.

Claims

An ultrasonic nozzle for a drill for drilling holes in parts made of polymer composite materials, characterized in that it is capable of being connected to a drill tool and contains a housing with a handle made with the possibility of fixing by means of three screws on the housing of the drill gearbox, and a glass located in the housing on a spherical double-row bearing and made with a threaded hole for installing a nozzle on a drill spindle, while a half-wave piezoceramic electromechanical transducer of ultrasonic vibrations and two slip rings for supplying power to the specified transducer from an ultrasonic generator are installed in the glass.