PL164396B1 - Apparatus for testing screw-taps and drills for their rigidity and strength - Google Patents

Abstract

Urządzenie do badania wytrzymałości i sztywności gwintowników i wierteł zawierające siłomierze, czujniki kąta skręcania osadzone na narzędziu oraz czujnik momentu skręcającego, znamienne tym, ze posiada zespół wywierania siły osiowej oraz pomiaru siły osiowej i momentu skręcającego (A), który to zespół zawiera pierwszy elektryczny silnik skokowy (1) sprzęgnięty z pierwszą przekładnią falową (2) i poprzez pierwsze łożysko oporowe (3) połączony jest z pierwszą przekładnią śrubową kulkową (4), która przez pierwszy siłomierz (5) i czujnik momentu skręcającego (6) połączona jest z pierszym uchwytem tokarskim (7), w którym utwierdzony jestjeden koniec badanego narzędzia (10), zaś drugijego koniec utwierdzony jest w drugim uchwycie tokarskim (7a), który połączony przez drugą przekładnię falową (2a) z drugim elektrycznym silnikiem skokowym (1a) stanowi zespół wytwarzania momentu skręcającego (B), przy czym obydwa te zespoły (A i B) lezą w jednej osi symetrii, natomiast zespół wywierania i pomiaru siły promieniowej (C) usytuowany jest w osi symetrii prostopadłej do dwóch pozostałych zespołów (A i B) i zawiera trzeci elektryczny silnik skokowy (1b) sprzęgnięty z trzecią przekładnią falową (2b) i poprzez drugie łożysko oporowe (3a) połączony jest z drugą przekładnią śrubową kulkową (4a), która sprzęgnięta jest z drugim siłomierzem (5a) do którego przytwierdzonyjest popychacz (8) z wkładką pryzmatyczną stykającą się z badanym narzędziem (10),jak również w styku z narzędziem (10) umieszczony jest czujnik promieniowego przemieszczenia (11).Device for testing strength and stiffness taps and drills containing force gauges, sensors torsion angle mounted on tool and sensor torque, characterized in that it has a unit exerting an axial force and measuring the axial force i torque (A), which assembly comprises the first an electric stepper motor (1) coupled to the first wave gear (2) and through the first bearing the thrust (3) is connected to the first helical gear ball (4) which through the first dynamometer (5) and the torque sensor (6) is connected to the first with a lathe chuck (7) in which it is fixed there is one end of the tested tool (10), and the other end of it the end is fixed in the second chuck (7a) which is connected by a second wave gear (2a) with a second electric stepper motor (1a) is a torque generating unit (B), both these assemblies (A and B) lie in one axis symmetry, while the force exerting and measuring unit radial (C) is situated on the perpendicular symmetry axis to the other two teams (A and B) and includes a third electric stepper motor (1b) coupled to the third wave gear (2b) and through the second thrust bearing (3a) is connected to the second helical gear a ball (4a) which is coupled to the second dynamometer (5a) to which the pusher (8) z a prism insert in contact with the tested tool (10) as well as in contact with the tool (10) positioned is a radial displacement sensor (11).

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do badania wytrzymałości i sztywności gwintowników i wierteł, jak również do badania próbek w celu ustalenia optymalnych wymiarów materiału na te narzędzia.The subject of the invention is a device for testing the strength and rigidity of taps and drills, as well as for testing samples in order to determine the optimal dimensions of the material for these tools.

Badania doświadczalne wytrzymałości gwintowników i wierteł muszą być prowadzone zarówno w czasie skrawania, a więc wiercenia i gwintowania, jak i w sposób statyczny. Podczas tych badań niezbędne jest wywieranie obciążeń zewnętrznych złożonych, modelujących złożony stan naprężenia wynikający ze skomplikowanych kształtów gwintowników i wierteł, jak i warunków ich pracy, oraz wywieranie obciążeń zewnętrznych prostych, obejmujących czyste skręcanie, ściskanie lub zginanie. Znane i stosowane urządzenia do badań wytrzymałościowych gwintowników i wierteł ze stali narzędziowej umożliwiają prowadzenie badań, przeważnie statycznych i to dla szczególnych przypadków obciążenia zewnętrznego, np. rozciągania i ściskania lub skręcania. Urządzeniami tymi są skręcarki, siłomierze wiertarskie i specjalne oprawki. Skręcarki zbudowane są z zespołu napędowego, w skład którego wchodzi silnik elektryczny, przekładnia pasowa, przekładnia śrubowa lub stożkowa oraz ustrój pomiarowy w postaci momentomierza. Urządzenie to umożliwia wywieranie obciążenia wywołującego tylko skręcanie. Niemożliwe tu są badania wytrzymałościowe podczas skrawania. Siłomierz wiertarski zbudowany z użebrowanego korpusu jest montowany bezpośrednio w wiertarce. Na żebrach korpusu przytwierdzone są tensometry pomiarowe. Siłomierz ten umożliwia pomiar siły osiowej i momentu podczas wiercenia i gwintowania. Specjalne oprawki natomiast pozwalają na pomiar tylko momentu skręcającego podczas badań statystycznych. Wymienione urządzenia nie dają możliwości wywierania zarówno obciążeń prostych powodujących zginanie, rozciąganie czy ściskanie jak również kombinacji obciążeń prostych. Brak również w niektórych z tych urządzeń układów przeznaczonych do pomiaru odkształceń i przemieszczeń kątowych i liniowych.Experimental tests of the strength of taps and drills must be carried out both during cutting, i.e. drilling and tapping, and in a static manner. During these tests, it is necessary to apply complex external loads, modeling the complex stress state resulting from the complex shapes of taps and drills, as well as their working conditions, and to apply simple external loads, including pure torsion, compression or bending. The known and used devices for the strength testing of taps and drill bits made of tool steel enable to conduct tests, mostly static, and this for special cases of external load, e.g. tensile and compression or torsion. These devices are twisting machines, drilling force gauges and special holders. Twisting machines are made of a drive unit, which includes an electric motor, belt transmission, helical or conical transmission, and a measuring system in the form of a torque meter. This device enables the application of a load that only causes torsion. Strength tests during cutting are not possible here. The drill force gauge, made of a ribbed body, is mounted directly in the drill. Measuring strain gauges are attached to the body's ribs. This force gauge measures the axial force and torque during drilling and tapping. Special holders, on the other hand, allow only the torsional torque to be measured during statistical tests. The devices mentioned do not allow for the application of both simple loads causing bending, tension or compression, as well as combinations of simple loads. Some of these devices also lack systems designed to measure angular and linear deformations and displacements.

Urządzenie według wynalazku zawierające siłomierze, czujniki kąta skręcenia oraz czujnik momentu skręcającego wyróżnia się tym, że zbudowane jest z zespołu wywierania siły osiowej oraz pomiaru siły osiowej i momentu skręcającego, który to zespół zawiera pierwszy elektryczny silnikThe device according to the invention, comprising dynamometers, torsion angle sensors and a torque sensor, is distinguished by the fact that it comprises an axial force application unit and an axial force and torque measurement unit, which unit comprises a first electric motor.

164 396 skokowy sprzęgnięty z pierwszą przekładnią falową i poprzez pierwsze łożysko oporowe połączony jest z pierwszą przekładnią śrubową kulkową, która przez pierwszy siłomierz i czujnik momentu skręcającego połączona jest z pierwszym uchwytem tokarskim. W uchwycie tym utwierdzony jest jeden koniec badanego narzędzia, zaś drugi jego koniec utwierdzony jest w drugim uchwycie tokarskim, który połączony przez drugą przekładnię falową z drugim elektrycznym silnikiem skokowym stanowi zespół realizacji momentu skręcającego. Obydwa te zespoły leżą w jednej osi symetrii, natomiast zespół realizacji i pomiaru siły promieniowej usytuowany jest w osi symetrii prostopadłej do dwóch pozostałych zespołów i zawiera trzeci elektryczny silnik skokowy, sprzęgnięty z trzecią przekładnią falową i poprzez drugie łożysko oporowe połączony jest z drugą przekładnią śrubową kulkową, która sprzęgnięta jest z drugim siłomierzem, do którego przytwierdzony jest popychacz z wkładką pryzmatyczną stykającą się z badanym narzędziem. Na narzędziu osadzony jest przynajmniej jeden czujnik kąta skręcenia, a w styku z narzędziem umieszczony jest czujnik jego promieniowego przemieszczania.The stepper coupled to the first waveguide and through the first thrust bearing is connected to the first ball helical gear which is connected via a first force gauge and a torque sensor to the first lathe chuck. One end of the tool under test is fixed in this chuck, and its other end is fixed in the other lathe chuck, which is connected by a second wave gear to a second electric stepper motor and constitutes the torque processing unit. Both these units lie on one axis of symmetry, while the unit for implementing and measuring the radial force is located on the axis of symmetry perpendicular to the other two units and includes a third electric stepper motor, coupled to the third wave gear, and through the second thrust bearing it is connected to the second ball screw gear. which is coupled with a second dynamometer to which a pusher with a prism insert is attached, in contact with the tested tool. At least one torsion angle sensor is mounted on the tool, and a sensor for its radial displacement is placed in contact with the tool.

Konstrukcja urządzenia według wynalazku ma wiele zalet, z których najistotniejszymi są: możliwość wywoływania i badania prostych oraz złożonych stanów obciążenia zewnętrznego, będącego dowolną kombinacją czystego skręcania, ściskania lub zginania, możliwość prowadzenia badań wytrzymałościowych w warunkach rzeczywistych, to jest podczas procesu gwintowania i wiercenia, wywieranie obciążenia zewnętrznego odbywa się w sposób bezstopniowy, a wywieranie poszczególnych składowych obciążenia zewnętrznego jest niezależne. Urządzenie może być użyte jako samodzielne stanowisko badawcze ustawione na płycie podsta wowej, jak również może być ustawione na tokarce. Ponadto, przy współpracy urządzenia z komputerem, wyposażonym w wielokanałowy, szybki przetwornik analogowo-cyfrowy zapewniono możliwość automatyzacji procesu badań, stabilizacji wielkości zadawanych i mierzonych oraz wygenerowania żądanych kształtów przebiegów wielkości zadawanych i mierzonych.The design of the device according to the invention has many advantages, the most important of which are: the ability to induce and test simple and complex states of external load, being any combination of pure torsion, compression or bending, the ability to carry out strength tests in real conditions, i.e. during the threading and drilling process, the external load is applied in a stepless manner and the individual components of the external load are applied independently. The device can be used as an independent test stand set on the base plate, and it can also be set up on a lathe. Moreover, with the cooperation of the device with a computer, equipped with a multi-channel, fast analog-to-digital converter, it was possible to automate the research process, stabilize the set and measured values and generate the desired shapes of the set and measured values.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym schemat blokowy urządzenia.The subject of the invention is shown in the embodiment on the drawing showing a block diagram of the device.

Urządzenie zbudowane jest z trzech zespołów: zespół siły osiowej oraz pomiaru siły osiowej i momentu skręcającego A, zespół wytwarzania momentu skręcającego B oraz zespół wywierania i pomiaru siły promieniowej C. Zespoły A i B leżą w jednej osi symetrii, zaś zespół C prostopadle do nich. Zespół A zbudowany jest z pierwszego silnika elektrycznego krokowego 1 przymocowanego swoim kołnierzem do pokrywy pierwszej przekładni falowej 2 tak, że czop wałka silnika 1 z tuleją pośrednią jest osadzony w otworze generatora dwufalowego przekładni falowej 2. Z pierwszej przekładni falowej 2 obroty wyjściowe przenoszone są przez pierwsze łożysko oporowe 3 na końcówkę pierwszej przekładni śrubowej kulkowej 4. Korpus tej przekładni 4 przymocowany jest do płyty prowadnika, który może przesuwać się względem płyty podstawowej z minimalnymi oporami tarcia dzięki zastosowaniu dziesięciu bloków prowadnicowych tocznych, nie uwidocznionych na rysunku. Na przedłużeniu osi śruby kulkowej przekładni 4, przymocowany jest do jej korpusu łącznik, w którym zawieszony jest na przegubach kulistych pierwszy siłomierz 5. Siłomierz 5 umożliwia pomiar sił osiowych Fx statycznych i dynamicznych rozciągających i ściskających jednym czujnikiem tensometrycznym. Z pierwszym siłomierzem 5 sprzęgnięty jest czujnik momentu skręcającego 6 przymocowany do podpory ustawionej na drugim prowadniku, nieuwidocznionych na rysunku. Na czujniku 6 jest współosiowo ustalony i zamocowany pierwszy uchwyt tokarski 7 samocentrujący, który służy do ustalania i mocowania jednego końca badanego narzędzia 10. Zespół realizacji momentu skręcającego B, przeznaczony tylko do badań statycznych zawiera drugi elektryczny silnik skokowy la, połączony z drugą przekładnią falową 2a,z którą sprzęgnięty jest drugi uchwyt tokarski 7a samocentrujący, w którym ustala się i mocuje drugi koniec badanego narzędzia 10. Przy przeprowadzaniu badań skrawania Zespół B należy zdemontować. Zespół wywierania i pomiaru siły promieniowej C jest podobnie zbudowany jak zespół A. Istotna różnica w budowie tego zespołu w stosunku do zespołu A zaczyna się od wspornika, w którym ustalony jest jeden koniec drugiego siłomierza 5a i zamocowany w nim jest popychacz 8, który przy pomocy wkładki pryzmatycznej przenosi siłę promieniową Fy na badane narzędzie 10. Na badanym narzędziu 10 osadzony jest pierwszy i drugi czujnik kąta skręcania 9, 9a, mierzący kąty skręcania w dwóch różnych płaszczyznach. W styku z badanym narzędziem 10 umieszczony jest czujnik promieniowego przemieszczenia 11 tego narzędzia.The device is composed of three units: the axial force unit and the axial force and torsional moment measurement unit A, the torque generating unit B and the radial force exerting and measurement unit C. The units A and B lie on one symmetry axis, and the unit C perpendicular to them. The unit A consists of a first stepper electric motor 1 fixed by its flange to the cover of the first wave gear 2, so that the shaft journal of the motor 1 with an intermediate sleeve is seated in the bore of the double-wave generator of the wave gear 2. From the first wave gear 2, the output revolutions are transmitted by the first a thrust bearing 3 onto the end of the first ball screw gear 4. The body of this gear 4 is attached to a guide plate which can slide relative to the base plate with minimal frictional resistance due to the use of ten roller guide blocks, not shown in the drawing. On the extension of the axis of the ball screw of the gear 4, a connector is attached to its body, in which the first dynamometer 5 is suspended on ball joints. The force gauge 5 enables the measurement of axial forces F x, static and dynamic tensile and compressive loads with one strain gauge. The first dynamometer 5 is coupled with a torque sensor 6 attached to a support positioned on the second guide, not shown in the drawing. A first self-centering lathe 7 chuck 7 is coaxially fixed and fixed on the sensor 6, which serves to locate and fix one end of the tested tool 10. The torque assembly B, intended only for static tests, comprises a second electric stepper motor 1a connected to the second wave gear 2a to which the second self-centering lathe chuck 7a is coupled, in which the other end of the tested tool 10 is fixed and clamped. When performing cutting tests, the assembly B must be disassembled. The unit for exerting and measuring the radial force C is similarly constructed as unit A. The significant difference in the structure of this unit compared to unit A begins with the bracket, in which one end of the second dynamometer 5a is fixed, and the pusher 8 is mounted therein, which by means of The prism insert transmits the radial force Fy to the tested tool 10. On the tested tool 10 are mounted first and second torsion angle sensors 9, 9a, measuring the torsion angles in two different planes. A radial displacement sensor 11 for this tool is placed in contact with the tested tool 10.

164 396164 396

Minimalna wartość przesunięcia osiowego lub promieniowego badanego narzędzia 10 względem płyty podstawowej, jakie nastąpi po jednym skoku elektrycznego silnika skokowego 1, Ib o kąt 1,8° przy przełożeniu zmniejszającym przekładni falowej 2, 2a, i = 200 oraz skoku śruby kulkowej, przekładni śrubowej kulkowej 4, 4a, P = 5mm wynosi 0,125jum/skok. Natomiast maksymalna wartość przesunięcia osiowego badanego narzędzia 10 w czasie 1 s. wynika z częstotliwości 640 skoków (po 1,8°) jakie może wykonać silnik skokowy w okresie 1 s., to jest 80 μΓη/sek.The minimum value of the axial or radial displacement of the tested tool 10 relative to the base plate that will occur after one stroke of the electric stepper motor 1, Ib by an angle of 1.8 ° with the reduction ratio of the wave gear 2, 2a, i = 200 and the pitch of the ball screw, ball screw gear 4, 4a, P = 5mm is 0.125 µm / stroke. On the other hand, the maximum value of the axial displacement of the tested tool 10 in 1 s results from the frequency of 640 strokes (1.8 ° each) that the stepper motor can perform in the period of 1 s, i.e. 80 μΓη / sec.

Maksymalną wartość momentu skręcającego Ms jaką można uzyskać przy pomocy zespołu B wynosi 234 Nm i wynika z momentu synchronizującego silnika skokowego, przełożenia przekładni falowej i jej sprawności.The maximum value of the torque Ms that can be obtained with the B assembly is 234 Nm and results from the synchronizing torque of the stepper motor, the gear ratio of the wave gear and its efficiency.

Przy pomocy zespołu C oprócz maksymalnych i minimalnych wartości przesunięć osiowych opisanych wyżej osiąga się maksymalną wartość siły promieniowej Fy do 17,64kN.With the aid of the C unit, in addition to the maximum and minimum axial displacements described above, the maximum value of the radial force Fy up to 17.64 kN is achieved.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies

Cena 10 000 złPrice: PLN 10,000

Claims (1)

Zastrzeżenie patentowePatent claim Urządzenie do badania wytrzymałości i sztywności gwintowników i wierteł zawierające siłomierze, czujniki kąta skręcania osadzone na narzędziu oraz czujnik momentu skręcającego, znamienne tym, że posiada zespół wywierania siły osiowej oraz pomiaru siły osiowej i momentu skręcającego (A), który to zespół zawiera pierwszy elektryczny silnik skokowy (1) sprzęgnięty z pierwszą przekładnią falową (2) i poprzez pierwsze łożysko oporowe (3) połączony jest z pierwszą przekładnią śrubową kulkową (4), która przez pierwszy siłomierz (5) i czujnik momentu skręcającego (6) połączona jest z pierszym uchwytem tokarskim (7), w którym utwierdzony jest jeden koniec badanego narzędzia (10), zaś drugi jego koniec utwierdzony jest w drugim uchwycie tokarskim (7a), który połączony przez drugą przekładnię falową (2a) z drugim elektrycznym silnikiem skokowym (1a) stanowi zespół wytwarzania momentu skręcającego (B), przy czym obydwa te zespoły (A i B) leżą w jednej osi symetrii, natomiast zespół wywierania i pomiaru siły promieniowej (C) usytuowany jest w osi symetrii prostopadłej do dwóch pozostałych zespołów (A i B) i zawiera trzeci elektryczny silnik skokowy (1b) sprzęgnięty z trzecią przekładnią falową (2b) i poprzez drugie łożysko oporowe (3a) połączony jest z drugą przekładnią śrubową kulkową (4a), która sprzęgnięta jest z drugim siłomierzem (5a) do którego przytwierdzony jest popychacz (8) z wkładką pryzmatyczną stykającą się z badanym narzędziem (10), jak również w styku z narzędziem (10) umieszczony jest czujnik promieniowego przemieszczenia (11).Device for testing the strength and stiffness of taps and drills comprising force gauges, torsion angle sensors mounted on the tool and a torsional torque sensor, characterized by having an axial force exerting device and axial force and torsional torque measurement device (A), the device comprising a first electric motor the stepper (1) coupled to the first wave gear (2) and through the first thrust bearing (3) it is connected to the first ball screw gear (4), which is connected to the first fixture via a first force gauge (5) and torque sensor (6) the lathe (7), in which one end of the tested tool (10) is fixed, and its other end is fixed in the second lathe chuck (7a), which is connected through the second wave gear (2a) with the second electric stepper motor (1a) generating a torsional moment (B), with both these units (A and B) lying on one axis of symmetry, while the exertion unit and of the radial force measure (C) is located in the symmetry axis perpendicular to the other two units (A and B) and contains a third electric stepper motor (1b) coupled to the third wave gear (2b) and through the second thrust bearing (3a) it is connected to the second a ball screw gear (4a), which is coupled with the second dynamometer (5a) to which the pusher (8) is attached with the prismatic insert in contact with the tested tool (10), as well as in contact with the tool (10), there is a radial displacement sensor (11).