RU2279963C1

RU2279963C1 - Device for supplying lubricant-coolant in working small-diameter holes

Info

Publication number: RU2279963C1
Application number: RU2005103997/02A
Authority: RU
Inventors: Евгений Степанович Киселев (RU); Евгений Степанович Киселев; Владислав Николаевич Ковальногов (RU); Владислав Николаевич Ковальногов; Михаил Викторович Табеев (RU); Михаил Викторович Табеев
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-07-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: device comprises wave guide that is provided with openings for guiding the tool and supplying lubricant-coolant and is connected with the piezoelectric converter for exciting ultrasonic vibration in the jet of lubricant-coolant through the cutting tool. The ultrasonic generator provides the signal for exciting the ultrasonic vibration to be modulated in amplitude and frequency and perpendicular to the basic cutting edge of the drill. The angle defined by the hole axis in the wave guide for guiding tool and cutting tool is equal to one fourth of the angle at the drill top.

EFFECT: enhanced efficiency.

1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к обработке металлов лезвийным инструментом с применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на операциях изготовления отверстий малого диаметра из различных материалов осевым режущим инструментом.The invention relates to mechanical engineering, namely to metal processing with a blade tool using cutting fluids (coolant) in the operations of manufacturing holes of small diameter from various materials with an axial cutting tool.

Наиболее близким к заявленному изобретению устройством того же назначения по совокупности признаков является устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при обработке отверстий малого диаметра, включающее наложение на СОЖ ультразвуковых колебаний (УЗК) перед зоной резания и (одновременно) через режущий инструмент, в зону контакта режущих кромок последнего с заготовкой путем наложения радиально-осевых колебаний на направляющую (кондукторную) втулку, которая имеет отверстие для подачи СОЖ, сообщающееся с отверстием для направления инструмента. При этом суммарная длина излучающих и передающих частей устройства равна или кратна половине длины волны УЗК, а точка крепления этих деталей должна находиться в месте с наименьшей амплитудой колебаний на расстоянии от точки излучающей накладки, совпадающей с центром сверла, равном или кратном четверти длины волны (см. патент РФ №2203792 "Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке отверстий малого диаметра" / Киселев Е.С., Табеев М.В. от 8.01.2002, Бюл. №13. 2003). В результате наложения УЗК на СОЖ у нее повышается проникающая способность из-за возникновения в струе жидкости кавитации и гидротечений, что приводит, в свою очередь, к повышению периода стойкости режущего инструмента и производительности обработки.The closest to the claimed invention a device for the same purpose, by a combination of features, is a device for supplying cutting fluids (coolant) when machining small diameter holes, including applying ultrasonic vibrations (ultrasonic vibrations) to the coolant in front of the cutting zone and (simultaneously) through the cutting tool, in the contact zone of the cutting edges of the latter with the workpiece by applying radial-axial vibrations to the guide (conductor) sleeve, which has an opening for supplying coolant in communication with the hole for instrument board. In this case, the total length of the radiating and transmitting parts of the device is equal to or a multiple of half the ultrasonic ultrasound wavelength, and the attachment point of these parts should be in the place with the smallest amplitude of oscillations at a distance from the point of the radiating lining, coinciding with the center of the drill, equal to or a multiple of a quarter of the wavelength RF patent No. 2203792 "Device for supplying cutting fluids during the processing of small diameter holes" / Kiselev ES, Tabeev MV from 8.01.2002, Bull. No. 13. 2003). As a result of applying ultrasonic testing to the coolant, its penetrating ability increases due to the occurrence of cavitation and hydroflows in the liquid stream, which, in turn, leads to an increase in the durability of the cutting tool and processing productivity.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что, как и при известном устройстве для подачи активированной СОЖ, колебания на режущий инструмент накладываются без учета направления главных режущих кромок сверла, а значит, и силы резания, действующей на инструмент, что снижает эффективность использования энергии ультразвукового (УЗ) поля. Кроме того, реализация функциональных свойств СОЖ в зоне обработки к тому же сдерживается параметрами выходного сигнала, поступающего на излучатель с генератора. Синусоидальная форма сигнала не дает возможности полностью реализовать эффект кавитации, способствующей интенсификации проникновения СОЖ в зону резания, так как для каждой частоты УЗК существует верхний предел размеров газовых пузырьков, являющихся зародышами кавитации: в процессе кавитации участвуют лишь те пузырьки, размер которых меньше резонансных (Л.К.Зарембо, В.А.Красильников. Введение в нелинейную акустику. - М.: Наука, 1966, с.262).The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method include the fact that, as with the known device for supplying activated coolant, vibrations on the cutting tool are superimposed without taking into account the direction of the main cutting edges of the drill, and therefore the cutting force acting on the instrument, which reduces the energy efficiency of the ultrasonic (ultrasound) field. In addition, the implementation of the functional properties of the coolant in the processing zone is also constrained by the parameters of the output signal supplied to the emitter from the generator. The sinusoidal waveform does not make it possible to fully realize the cavitation effect, which facilitates the penetration of coolant into the cutting zone, since for each ultrasonic frequency there is an upper limit on the size of gas bubbles, which are cavitation nuclei: only those bubbles smaller than resonant ones are involved in the cavitation process (Л K.K. Zarembo, V.A. Krasilnikov, Introduction to Nonlinear Acoustics (Moscow: Nauka, 1966, p. 262).

Технический результат - увеличение производительности обработки и периода стойкости режущего инструмента при обеспечении заданного качества обработанных деталей.The technical result is an increase in processing productivity and durability of the cutting tool while ensuring the specified quality of the machined parts.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что, как и при известном устройстве, наложение УЗК на СОЖ осуществляют перед зоной резания и (одновременно) через режущий инструмент, в зону контакта режущих кромок последнего с заготовкой, путем возбуждения радиально-осевых УЗК на направляющей (кондукторной) втулке, которая имеет отверстие для подачи СОЖ, сообщающееся с отверстием для направления инструмента. Особенность заключается в том, что направление наложения УЗК перпендикулярно главной режущей кромке сверла, для чего колебания накладываются на режущий инструмент под углом, равным четверти угла при вершине 2φ. Такое решение позволяет более полно использовать энергию УЗ-поля, а значит, достигнуть большей интенсивности процесса кавитации в зоне резания (образуется большее число кавитационных пузырьков), что, в свою очередь, усиливает проникающее, охлаждающее, смазочное и другие функциональные свойства СОЖ и приведет к увеличению периода стойкости режущего инструмента и производительности обработки. Кроме того, использование УЗК, модулированных одновременно по амплитуде и частоте (фиг.2), уменьшает коэффициент трения инструмента о заготовку. Это также приводит к увеличению периода стойкости режущего инструмента и производительности обработки.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that, as with the known device, the application of ultrasonic testing on the coolant is carried out in front of the cutting zone and (simultaneously) through the cutting tool, in the contact zone of the cutting edges of the latter with the workpiece, by exciting the radial-axial ultrasonic inspection on the guide (conductor) sleeve, which has an opening for supplying coolant in communication with the hole for guiding the tool. The peculiarity lies in the fact that the direction of ultrasonic inspection is perpendicular to the main cutting edge of the drill, for which the oscillations are superimposed on the cutting tool at an angle equal to a quarter of the angle at the apex 2φ. This solution allows you to more fully use the energy of the ultrasonic field, and therefore, to achieve greater intensity of the cavitation process in the cutting zone (a larger number of cavitation bubbles are formed), which, in turn, enhances the penetrating, cooling, lubricating and other functional properties of the coolant and will lead to increase the durability of the cutting tool and processing performance. In addition, the use of ultrasonic testing, modulated simultaneously in amplitude and frequency (figure 2), reduces the coefficient of friction of the tool on the workpiece. This also leads to an increase in the durability of the cutting tool and machining productivity.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the set of essential features of the analogue, allowed to identify the set of essential distinguishing features in relation to the applicant's technical result in the claimed device set forth in the claims.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:To verify the compliance of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the distinctive features of the claimed device from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for a specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of a technical result is not revealed from the prior art determined by the applicant, in particular, the following transformations are not provided for by the claimed invention:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;- addition of a known product by any known part (s) attached to it according to known rules to achieve a technical result, in relation to which the effect of such additions is established;

- замена какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и пр.);- replacement of any part (element) of the product with the simultaneous elimination of the function due to its presence and the achievement of the usual result for such an exception (simplification, reduction of weight, dimensions, material consumption, increased reliability, etc.);

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;- an increase in the number of elements of the same type to enhance the technical result due to the presence in the tool of just such elements;

- выполнение известного средства или его или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;- the implementation of a known tool or its or its part (s) from a known material to achieve a technical result due to the known properties of this material;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.- the creation of a tool consisting of known parts, the choice of which and the relationship between them are based on known rules, recommendations, and the technical result achieved in this case is due only to the known properties of the parts of this tool and the relationships between them.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлений таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.The described invention is not based on a change in a quantitative sign (s), representations of such signs in relationship, or a change in its form. This refers to the case when the fact of the influence of each of these characteristics on the technical result is known, and new values of these signs or their relationship could be obtained on the basis of known dependencies and patterns.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a device.

Устройство содержит волновод 1, имеющий глухое центральное отверстие, направляющее струю СОЖ в зону обработки, в котором проделано под углом отверстие, пересекающееся с центральным каналом под углом φ. Отверстие в волноводе с минимальным зазором охватывает режущий инструмент (сверло-зенкер и др.) 2. Волновод 1 связан с пьезопреобразователем (вибратором) 3. Источником сигнала является УЗ-генератор. С волноводом 1 соединен штуцер 4.The device comprises a waveguide 1 having a blind central hole directing the coolant stream into the treatment zone, in which a hole is made at an angle that intersects with the central channel at an angle φ. The hole in the waveguide with a minimum gap covers the cutting tool (drill core drill, etc.) 2. The waveguide 1 is connected to the piezoelectric transducer (vibrator) 3. The signal source is an ultrasonic generator. Connector 4 is connected to waveguide 1.

СОЖ поступает через штуцер 4, прокладку из не проводящего ультразвуковые колебания материала 5, отражающую шайбу 6, отверстия в пьезоэлементах и в волноводе 1, а затем через отверстие в волноводе 7 по стружечным канавкам инструмента в зону резания.The coolant enters through the nozzle 4, a gasket of non-ultrasonic vibrating material 5, reflecting the washer 6, the holes in the piezoelectric elements and in the waveguide 1, and then through the hole in the waveguide 7 through the chip grooves of the tool into the cutting zone.

Таким образом, колебания одновременно накладываются на СОЖ и на осевой инструмент перпендикулярно направлению главной режущей кромки сверла.Thus, the vibrations are simultaneously superimposed on the coolant and on the axial tool perpendicular to the direction of the main cutting edge of the drill.

Электрические колебания УЗ-частоты, генерируемые УЗ-генератором, преобразуются в упругие механические колебания с помощью пьезопреобразователей 3. В результате наложения амплитудно-частотномодулированных УЗК на СОЖ в ней возникают высокие мгновенные давления. При этом происходит образование и колебание газовых пузырьков, ударных волн, вызывающих макро- и микропотоки СОЖ, образование микроканалов (капилляров), следовательно, жидкость глубже проникает в отверстие. Кроме того, при наложении УЗК на режущий инструмент происходит снижение коэффициента трения между контактирующими в процессе резания объектами. Улучшаются условия работы режущего инструмента, облегчается выход стружки, уменьшается контактная температура в зоне резания. Так как ультразвуковые колебания жидкости возбуждаются непосредственно в зоне обработки (в зазоре между инструментом и заготовкой) в направлении, перпендикулярном направлению главной режущей кромки осевого инструмента, при прохождении СОЖ через насадок интенсивность УЗК в зоне контакта режущих кромок с заготовкой возрастает. Поэтому происходит более полное использование энергии УЗ-поля, что повышает эффективность механической обработки в целом.The electrical vibrations of the ultrasonic frequency generated by the ultrasonic generator are converted into elastic mechanical vibrations using piezoelectric transducers 3. As a result of applying amplitude-frequency modulated ultrasonic ultrasound to the coolant, high instantaneous pressures arise in it. In this case, the formation and oscillation of gas bubbles, shock waves, causing macro- and microflows of the coolant, the formation of microchannels (capillaries), therefore, the liquid penetrates deeper into the hole. In addition, when applying ultrasonic testing to a cutting tool, the friction coefficient decreases between objects in contact during cutting. The working conditions of the cutting tool are improved, the chip output is facilitated, the contact temperature in the cutting zone is reduced. Since ultrasonic vibrations of the liquid are excited directly in the processing zone (in the gap between the tool and the workpiece) in the direction perpendicular to the direction of the main cutting edge of the axial tool, when the coolant passes through the nozzles, the ultrasonic intensity in the contact zone of the cutting edges with the workpiece increases. Therefore, a more complete use of the energy of the ultrasound field occurs, which increases the efficiency of machining as a whole.

Для проверки эффективности нового устройства были проведены лабораторные испытания при сверлении отверстий при различном направлении наложения колебаний. Наложение УЗК проводили под углами 25, 28, 31, 40, 50 градусов к оси сверла.To test the effectiveness of the new device, laboratory tests were conducted when drilling holes with different directions of application of vibrations. Ultrasound inspection was performed at angles of 25, 28, 31, 40, 50 degrees to the axis of the drill.

Анализ результатов испытаний показал, что при наложении колебаний под углом к оси сверла, равным 31° (этот угол соответствует направлению УЗК перпендикулярно к главной режущей кромке сверла), происходит (по сравнению с обычным сверлением) снижение крутящего момента М_кр и осевой составляющей силы резания Р₀ (см табл.). Это свидетельствует об улучшении условий работы инструмента и проникновения СОЖ в зону резания, а следовательно, о повышении периода стойкости инструмента, снижении энергозатрат на процесс резания и повышении производительности обработки.Analysis of the test results showed that when vibration is applied at an angle to the axis of the drill equal to 31 ° (this angle corresponds to the direction of the ultrasonic inspection perpendicular to the main cutting edge of the drill), a decrease in the torque M _cr and the axial component of the cutting force occurs (in comparison with conventional drilling) P ₀ (see table). This indicates an improvement in the operating conditions of the tool and the penetration of coolant into the cutting zone, and therefore, an increase in the tool life period, a reduction in energy consumption for the cutting process and an increase in processing productivity.

Угол наложения УЗК к оси сверла, °The angle of application of ultrasonic testing to the axis of the drill, ° Уменьшение крутящего момента и осевой силы резания по сравнению со сверлением с подачей СОЖ поливом на глубине 10D, %Reduction of torque and axial cutting force compared to drilling with the supply of coolant by irrigation at a depth of 10D,% М_кр M _cr Р₀ P ₀ 2525 99 55 2828 2424 1212 3131 2727 15fifteen 4040 2525 14fourteen 50fifty 18eighteen 11eleven Условия обработки: сталь 40Х - скорость резания V=28,5 м/мин, подача S=0,05 мм/об, СОЖ - 5% водный раствор Синхо 2М, расход СОЖ Q=4 л/мин; Инструмент - сверло диаметром D=4 мм ГОСТ 886-77 из быстрорежущей стали Р18 с углом при вершине 2φ=118°; глубина обработки отверстий L=50 ммProcessing conditions: steel 40X - cutting speed V = 28.5 m / min, feed S = 0.05 mm / rev, coolant - 5% aqueous Sinho 2M solution, coolant flow rate Q = 4 l / min; Tool - a drill with a diameter of D = 4 mm GOST 886-77 from high-speed steel P18 with an angle at the apex of 2φ = 118 °; hole machining depth L = 50 mm

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the following conditions are met when using the claimed device:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в машиностроении, а именно на операциях обработки отверстий из различных материалов осевым инструментом;- a tool embodying the claimed device in its implementation, is intended for use in mechanical engineering, namely in operations of processing holes from various materials with an axial tool;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанного в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;- for the claimed device in the form as described in the independent clause of the claims, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date is confirmed;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is able to ensure the achievement of the perceived by the applicant technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

A device for processing holes of small diameter with the supply of cutting fluid (coolant) containing a waveguide with holes for guiding the tool and for supplying coolant, a piezoelectric transducer associated with a waveguide for applying ultrasonic vibrations to the coolant stream through a cutting tool, characterized in that it contains an ultrasonic generator with an amplitude-frequency-modulated waveform, providing superposition of ultrasonic vibrations modulated simultaneously in amplitude and frequency, perpendicular to the hl implicit cutting edge of the drill, and the angle formed by the axis of the hole in a waveguide for guiding the tool, and the cutting tool is equal to a quarter of the angle at the apex of the drill.