PL212038B1 - Układ aktywnego narzędzia rozprężnego do precyzyjnego rozwiercania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ aktywnego narzędzia rozprężnego do precyzyjnego rozwiercania, zwłaszcza wieloostrzowego rozwiertaka rozprężnego z aktywną kompensacją zużycia ostrza przeznaczony zwłaszcza do seryjnej lub wielkoseryjnej obróbki otworów przelotowych i nieprzelotowych. Podczas pracy narzędzia o zdefiniowanej geometrii ostrza, krawędzie i płaszczyzny poddawane są procesom trybologicznym, jak również silnemu oddziaływaniu zjawisk chemicznych i cieplnych. Towarzyszące temu negatywne skutki, takie jak ścieranie ostrza, adhezja materiału ostrza i materiału obrabianego, dyfundowanie atomów materiału skrawającego w głąb materiału obrabianego, jak i wpływ temperatury (w strefie skrawania) na właściwości materiału skrawającego, skutkują stępieniem ostrza, a tym samym negatywnie wpływają na geometrię powierzchni obrabianej. W przypadku seryjnej obróbki otworów dokładnych, z uwagi na redukcję liczby i czasów operacji, dąży się do uzyskania ostatecznej geometrii otworów za pomocą narzędzi o zdefiniowanej geometrii ostrza. Z punktu widzenia uzyskania wymaganej tolerancji wymiarów oraz jakości powierzchni obrabianych otworów dla całej serii, wpływ zmiany geometrii ostrza w wyniku jego zużycia wymaga przeprowadzania pomiarów kontrolnych, wymiany narzędzia, bądź kompensacji zużycia ostrza (np. głowice wytaczarskie z możliwością precyzyjnego ustawiania promieniowego ostrza, rozwiertaki rozprężne). Czynności wymagają najczęściej stosowania dodatkowych sond pomiarowych, a w przypadku samych narzędzi skrawających, ich demontażu, co wiąże się z zatrzymaniem pracy obrabiarki, czyli występowaniem przestojów.

W szwajcarskim opisie patentowym nr 275208 przedstawione zostały dwa rozwiązania nastawnego rozwiertaka maszynowego do dokładnej obróbki otworów walcowych. W obu przypadkach wynalazek, dzięki zastosowaniu pierścienia rozprężnego, umożliwia kompensację zużycia ostrza powstałego podczas obróbki. Pierścień rozprężny o postaci zbliżonej do zwiniętej sinusoidy posiada bądź ukształtowaną geometrię uzębienia bądź pełni funkcję korpusu z wlutowanymi płytkami skrawającymi. Wewnętrzna część pierścienia posiada fragmenty powierzchni stożkowych. W pierwszym przypadku pierścień ustalany jest na gwintowanym trzpieniu oprawki narzędziowej w taki sposób, że średnica stożka przylegającego do wewnętrznych fragmentów stożkowych pierścienia rozprężnego wzrasta w kierunku części roboczej narzędzia (do zewnątrz), natomiast czoło pierścienia przylega do kołnierza oprawki narzędziowej. Średnica trzpienia jest mniejsza niż średnica wewnętrzna pierścienia. Precyzyjne osiowe centrowanie pierścienia uzyskuje się poprzez wkręcanie na trzpień narzędzia stożkowej tulei, przylegającej do wewnętrznych, stożkowych fragmentów powierzchni pierścienia. Sposób kompensacji zużycia ostrza bazuje na współpracy powierzchni stożkowych pierścienia elastycznego oraz tulejki stożkowej i polega na rozprężaniu pierścienia na wymaganą średnicę poprzez dokręcanie nakrętki i jednoczesne wciskanie na trzpień pierścienia stożkowego. Taki sposób zapewnia tym samym promieniowo-symetryczny rozkład sił. W drugim przypadku jednolity trzpień oprawki ma część walcową bezpośrednio przechodzącą w powierzchnię stożkową. Część walcowa posiada wykonany rowek wpustowy. Oprawka posiada na przedniej części (przed chwytem narzędzia) nacięty gwint, po którym obraca się nakrętka. Do nakrętki przylega, osadzona na części walcowej oprawki, specjalna tulejka, której drugi koniec ma postać kołnierza. Tulejka, która posiada wykonany rowek, nie ma możliwości obrotu względem osi oprawki, ponieważ osadzona jest na wpust, umożliwiający jedynie osiowe przesuwanie tulejki. Elastyczny pierścień zorientowany jest na oprawce tak samo jak w przypadku rozwiązania pierwszego, czyli płaszczyzną czołową przylega do powierzchni kołnierza, natomiast wewnętrzne fragmenty powierzchni stożkowej opierają się na stożkowym fragmencie trzpienia. Sposób kompensacji zużycia ostrza polega w tym wypadku na rozprężaniu pierścienia elastycznego poprzez dokręcanie nakrętki. W wyniku dokręcenia nakrętki, wypychana na zewnątrz trzpienia para: tulejka elastyczny pierścień powoduje rozprężanie pierścienia na stożkowym fragmencie trzpienia. W obu rozwiązaniach, współpraca powierzchni stożkowych ma miejsce tylko w przedniej części pierścienia elastycznego, co skutkuje tym, że podczas rozprężania elastycznego pierścienia nie następuje zmiana średnicy (o stałą wartość) na całej wysokości pierścienia elastycznego, a jedynie korekta zbieżności, czyli kompensacja zużycia tej części ostrza, które bezpośrednio bierze udział w procesie skrawania.

Z niemieckiego opisu patentowego nr 19945455 znane jest narzędzie wieloostrzowe do precyzyjnego wykonywania otworów z możliwością mechanicznego podtrzymywania ustalonej średnicy bez potrzeby zasilania przetwornika piezoelektrycznego. Pierścień rozprężny zaopatrzony w płytki skrawające, posiada wykonaną wewnętrzną powierzchnię stożkową. Pierścień rozprężny mocowany jest do końca oprawki narzędziowej. Istotnymi elementami składowymi opisywanego narzędzia są: przetworPL 212 038 B1 nik piezoelektryczny oraz trzpień - połączony z przetwornikiem piezoelektrycznym. Zarówno przetwornik piezoelektryczny, jak i trzpień mocowane są w osi narzędzia. Koniec trzpienia zakończony jest powierzchnią stożkową, przylegającą bezpośrednio do powierzchni stożkowej pierścienia rozprężnego. Rozprężanie pierścienia rozprężnego realizowane jest poprzez przesuwanie trzpienia za pomocą przetwornika piezoelektrycznego. Przetwornik piezoelektryczny, w tym rozwiązaniu, przewidziany jest głownie do precyzyjnego ustalenia średnicy pierścienia rozprężnego na odpowiednim przyrządzie nastawczym. Po ustaleniu średnicy pierścienia za pomocą mechanizmu podtrzymującego, narzędzie nie wymaga zewnętrznego zasilania przetwornika piezoelektrycznego.

Znane są też, aktywne metody precyzyjnej obróbki otworów z wykorzystaniem przetworników piezoelektrycznych. Niemiecki opis patentowy nr 4401496 ujawnia narzędzie jednoostrzowe z możliwością precyzyjnego ustalania ostrza narzędzia, w którym za pomocą przetwornika piezoelektrycznego zostaje wygenerowana siła w kierunku osiowym do chwytu narzędzia, oddziałująca na sprężyście odchylaną oprawkę w postaci trzpienia, która tworzy z układem przetwornika piezoelektrycznego dźwignię. Na końcu trzpienia znajduje się ostrze skrawające. Osiowo działająca siła powoduje promieniowe odchylenie trzpienia. Dzięki układom pomiarowym siły i przemieszczenia dźwigni rozwiązanie takie może mieć zastosowanie do automatycznej kompensacji zużycia ostrza.

Istota układu, według wynalazku, polega na tym, że w oprawce narzędziowej w postaci tulei na jednym końcu promieniście i wzdłuż osi rozłożone są nacięcia, pomiędzy którymi jest zespół sprężyście odchylanych zacisków. Powyżej zacisków nacięty jest gwint zewnętrzny współpracujący z nakrętką zewnętrzną, natomiast na powierzchni walcowej zacisków umocowany jest pierścień rozprężny, przy czym fragmenty wewnętrznych powierzchni walcowych pierścienia rozprężnego przylegają do powierzchni sprężyście odchylanych zacisków. Na końcu powierzchni wewnętrznej zacisków znajdują się powierzchnie stożkowe, tworzące gniazdo, w które za pomocą osiowo działającej siły wciskany jest wałek stożkowy o takiej samej zbieżności jak powierzchnie stożkowe zacisków. Ponadto, co najmniej dwa zaciski, na swojej zewnętrznej powierzchni walcowej posiadają zabieraki oprawki, natomiast fragmenty wewnętrznych powierzchni walcowych pierścienia rozprężnego posiadają, co najmniej dwa nacięte rowki.

Korzystnie, pomiędzy wałkiem stożkowym oraz przetwornikiem piezoelektrycznym jest umieszczona kulka, przy czym w wałku stożkowym oraz w powierzchni czołowej przetwornika piezoelektrycznego jest wykonane wgłębienie o powierzchni sferycznej, którego średnica jest większa od średnicy kulki.

Korzystnym jest również, gdy pomiędzy wałkiem stożkowym oraz przetwornikiem piezoelektrycznym jest umieszczona kulka, przy czym w wałku stożkowym oraz w powierzchni czołowej przetwornika piezoelektrycznego jest wykonane wgłębienie o powierzchni stożkowej.

Korzystnie, drugi koniec przetwornika piezoelektrycznego osadzony jest w oprawce narzędziowej za pomocą łożyska. W oprawce narzędziowej nacięty jest wewnętrzny gwint pod nakrętkę łożyskową dociskającą łożysko do powierzchni oprawki.

Korzystnie jest również, gdy pomiędzy drugim końcem przetwornika piezoelektrycznego a elementem oporowym jest umieszczona kulka, przy czym w powierzchni czołowej drugiego końca przetwornika piezoelektrycznego i elementu oporowego jest wykonane wgłębienie sferyczne o średnicy większej od średnicy kulki lub wgłębienie o powierzchni stożkowej.

Przetwornik piezoelektryczny ma zabieraki połączone przewodami z zewnętrznym układem zasilania, przy czym zabieraki mocowane są w nieruchomym gnieździe elementu oporowego, w którym wykonane są dwa otwory na przewody zasilające przetwornik piezoelektryczny osadzony w nieruchomym gnieździe elementu oporowego, zaś drugi koniec elementu oporowego jest umieszczony poprzez połączenie wpustowe, w nieruchomej tulei.

Korzystnie, element oporowy mocowany jest w nieruchomej tulei z naciętym wewnętrznym gwintem.

Zaletą wynalazku jest sposób aktywnej kompensacji zużycia ostrza w rozwiertaku z pierścieniem rozprężnym, polegający na wciskaniu wałka stożkowego w gniazdo sprężyście odchylanych zacisków, na których osadzony jest pierścień rozprężny i posiadający na swojej wewnętrznej części fragmenty powierzchni walcowych. Ponadto stopniowe zużywanie geometrii ostrza skrawającego podczas pracy, jest kompensowane aktywnym oddziaływaniem przetwornika piezoelektrycznego na połączony z nim wałek stożkowy.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 - przedstawia półprzekrój osiowy układu aktywnego narzędzia rozprężnego, fig. 2 - przekrój oprawki

PL 212 038 B1 narzędziowej wraz z rzutem jej części czołowej, a fig. 3 - przekrój pierścienia rozprężnego oraz jego półprzekrój z ujawnionym rowkiem.

P r z y k ł a d 1

Układ aktywnego narzędzia rozprężnego ma w oprawce narzędziowej i w postaci tulei, na jednym końcu promieniście i wzdłuż osi rozłożone nacięcia 2, pomiędzy którymi jest zespół sprężyście odchylanych zacisków 3, a powyżej zacisków 3 nacięty jest gwint zewnętrzny 4 współpracujący z nakrętką zewnętrzną 5. Na powierzchni walcowej zacisków 7 umocowany jest pierścień rozprężny 6. Fragmenty wewnętrznych powierzchni walcowych pierścienia rozprężnego 8 przylegają do powierzchni sprężyście odchylanych zacisków 3. Na końcu powierzchni wewnętrznej zacisków 3 znajdują się powierzchnie stożkowe 9, tworzące gniazdo, w które za pomocą osiowo działającej siły wciskany jest wałek stożkowy 10 o takiej samej zbieżności jak powierzchnie stożkowe 9 zacisków 3. Sześć zacisków 3, na swojej zewnętrznej powierzchni walcowej 7 posiadają zabieraki oprawki 11, natomiast fragmenty wewnętrznych powierzchni walcowych 8 pierścienia rozprężnego 6 posiadają sześć naciętych rowów 12. Pomiędzy wałkiem stożkowym 10 oraz przetwornikiem piezoelektrycznym 15 jest umieszczona kulka 14, przy czym w wałku stożkowym 10 oraz w powierzchni czołowej przetwornika piezoelektrycznego 15 jest wykonane wgłębienie o powierzchni sferycznej 13, którego średnica jest większa od średnicy kulki 14. Drugi koniec przetwornika piezoelektrycznego 15 osadzony jest w oprawce narzędziowej 1 za pomocą łożyska 16. W oprawce narzędziowej 1 jest nacięty wewnętrzny gwint 17 pod nakrętkę łożyskową 18 dociskającą łożysko 16 do powierzchni oprawki narzędziowej 1. Przetwornik piezoelektryczny 15 ma dwa zabieraki 19 połączone przewodami 20 z zewnętrznym układem zasilania. Zabieraki 19 mocowane są w nieruchomym gnieździe elementu oporowego 22, w którym wykonane są dwa otwory 23 na przewody 20 zasilające przetwornik piezoelektryczny 15 osadzony w nieruchomym gnieździe elementu oporowego 22, zaś drugi koniec elementu oporowego 22 jest umieszczony poprzez połączenie wpustowe 26, w nieruchomej tulei 24 dokręcanej nakrętką wewnętrzną 25. Element oporowy 22 mocowany jest w nieruchomej tulei 24 z naciętym wewnętrznym gwintem. Oprawka narzędziowa 1 jest osadzona w uchwycie 21 narzędziowym wrzeciona obrabiarki.

P r z y k ł a d 2

Układ aktywnego narzędzia rozprężnego wykonany, jak w przykładzie pierwszym z różnicą, że ma dwa zaciski 3, na swojej zewnętrznej powierzchni walcowej 7 ze zabierakami oprawki 11, a fragmenty wewnętrznych powierzchni walcowych 8 pierścienia rozprężnego 6 posiadają dwa nacięte rowki 12, ponadto pomiędzy wałkiem stożkowym 10 oraz przetwornikiem piezoelektrycznym 15 jest umieszczona kulka 14, przy czym w wałku stożkowym 10 oraz w powierzchni czołowej przetwornika piezoelektrycznego 15 jest wykonane wgłębienie o powierzchni stożkowej 13. Ponadto pomiędzy drugim końcem przetwornika piezoelektrycznego 15 a elementem oporowym 22 jest umieszczona kulka, a w powierzchni czołowej drugiego końca przetwornika piezoelektrycznego 15 elementu oporowego 22 jest wykonane wgłębienie sferyczne o średnicy większej od średnicy kulki.

Zastosowanie wgłębienia sferycznego lub wgłębienie o powierzchni stożkowej o średnicy większej od średnicy kulki umieszczanej pomiędzy elementem oporowym 22 a w powierzchnię czołową drugiego końca przetwornika piezoelektrycznego 15 pozwala zmniejszyć ewentualne występowanie sił gnących oddziaływujących na przetwornik piezoelektryczny 15, który jest bardzo wrażliwy na naprężenia mechaniczne.

Mocowanie pierścienia rozprężnego 6 realizowane jest w ten sposób, ze po wsunięciu na zaciski 3 i obróceniu o pewien kąt, odpowiednie powierzchnie zabieraków oprawki 11 zetkną się z wewnętrznymi powierzchniami rowków 12. Współpraca zabieraków oprawki 11 oraz rowków 12 uniemożliwia ruch względny pierścienia rozprężnego 6 względem oprawki i podczas pracy narzędzia. Dokręcenie nakrętki zewnętrznej 5 do powierzchni czołowej pierścienia rozprężnego 6 ma za zadanie kasowanie luzów i dociśnięcie powierzchni rowków 12 pierścienia rozprężnego 6 do powierzchni zabieraków oprawki 11. Wałek stożkowy 10, oraz powierzchnia czołowa przetwornika piezoelektrycznego 15 posiadają wykonaną powierzchnię sferyczną 13, o średnicy większej od średnicy kulki 14, umożliwiającej, osiowe bazowanie przetwornika piezoelektrycznego 15. Drugi koniec przetwornika piezoelektrycznego 15 osadzony jest w oprawce narzędziowej 1 za pomocą łożyska 16, umożliwiającego obrót oprawki narzędziowej 1 względem przetwornika piezoelektrycznego 15. Oprawka narzędziowa 1 posiada nacięty wewnętrzny gwint 17, dzięki któremu za pomocą nakrętki łożyskowej 18 następuje dociśnięcie łożyska 16 do powierzchni oprawki 1. Prawy koniec przetwornika piezoelektrycznego 15 posiada dwa zabieraki 19, przez które, za pomocą przewodów 20 połączonych z układem zasilania, dostarczane jest napięcie do przetwornika piezoelektrycznego 15. Przetwornik

PL 212 038 B1 piezoelektryczny 15 podczas pracy narzędzia, nie obraca się razem z oprawką narzędziową 1. Oprawka 1 mocowana jest w uchwycie narzędziowym 21 obrabiarki, natomiast zabieraki 19 przetwornika piezoelektrycznego 15 mocowane są w nieruchomym gnieździe elementu oporowego 22, w którym wykonane są dwa otwory 23 przewidziane w celu poprowadzenia przewodów 20 zasilających przetwornik piezoelektryczny 15 do zewnętrznego układu zasilania. Element oporowy 22 mocowany jest w nieruchomej tulei 24 z naciętym wewnętrznym gwintem. Tuleja 24 przewidziana jest jako integralna część układu wrzeciennika obrabiarki. Po zamocowaniu narzędzia w uchwycie narzędziowym 21, następuje wstępne napięcie pierścienia rozprężnego 6 na wymaganą średnicę nominalną. Umożliwia to układ nakrętki wewnętrznej 25 i nieruchomej tulei 24. Poprzez dokręcenie nakrętki wewnętrznej 25 ma miejsce wypchnięcie elementu oporowego 22, który dzięki wykorzystaniu połączenia wpustowego 26 ma jedynie możliwość przesuwania się wzdłuż osi narzędzia. Jednocześnie ma miejsce wypchnięcie układu: przetwornik piezoelektryczny 15 - wałek stożkowy 10, a w konsekwencji odkształcenie zacisków 3 oraz samego pierścienia rozprężnego 6 na wymaganą średnicę nominalną. Tak przygotowany układ jest gotowy do pracy. W nowym układzie stopniowe zużywanie geometrii ostrza skrawającego podczas pracy jest od tego momentu kompensowane aktywnym oddziaływaniem samego przetwornika piezoelektrycznego 15 na połączony z nim wałek stożkowy 10.

Claims (26)

1 - oprawka narzędziowa,

1. Układ aktywnego narzędzia rozprężnego do precyzyjnego rozwiercania wyposażony w pierścień rozprężny i przetwornik piezoelektryczny mocowany w osi narzędzia umieszczony w oprawie, znamienny tym, że w oprawce narzędziowej (1) w postaci tulei ma na jednym końcu promieniście i wzdłuż osi rozłożone nacięcia (2), pomiędzy którymi jest zespół sprężyście odchylanych zacisków (3), a powyżej zacisków (3) nacięty jest gwint zewnętrzny (4) współpracujący z nakrętką zewnętrzną (5), natomiast na powierzchni walcowej zacisków (7) umocowany jest pierścień rozprężny (6), przy czym fragmenty wewnętrznych powierzchni walcowych pierścienia rozprężnego (8) przylegają do powierzchni sprężyście odchylanych zacisków (3), ponadto na końcu powierzchni wewnętrznej zacisków (3) znajdują się powierzchnie stożkowe (9), tworzące gniazdo, w które za pomocą osiowo działającej siły wciskany jest wałek stożkowy (10) o takiej samej zbieżności jak powierzchnie stożkowe (9) zacisków (3).

2 - nacięcia,

2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej dwa zaciski (3), na swojej zewnętrznej powierzchni walcowej (7) posiadają zabieraki oprawki (11), natomiast fragmenty wewnętrznych powierzchni walcowych (8) pierścienia rozprężnego (6) posiadają, co najmniej dwa nacięte rowki (12).

3 - zaciski,

3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy wałkiem stożkowym (10) oraz przetwornikiem piezoelektrycznym (15) jest umieszczona kulka (14), przy czym w wałku stożkowym (10) oraz w powierzchni czołowej przetwornika piezoelektrycznego (15) jest wykonane wgłębienie o powierzchni sferycznej (13), którego średnica jest większa od średnicy kulki (14).

4 - gwint zewnętrzny,

4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy wałkiem stożkowym (10) oraz przetwornikiem piezoelektrycznym (15) jest umieszczona kulka (14), przy czym w wałku stożkowym (10) oraz w powierzchni czołowej przetwornika piezoelektrycznego (15) jest wykonane wgłębienie o powierzchni stożkowej (13).

5 - nakrętka zewnętrzna,

5. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi koniec przetwornika piezoelektrycznego (15) osadzony jest w oprawce narzędziowej (1) za pomocą łożyska (16).

6 - pierścień rozprężny,

6. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy drugim końcem przetwornika (15) a elementem oporowym (22) jest umieszczona kulka, przy czym w powierzchni czołowej drugiego końca przetwornika piezoelektrycznego (15) i elementu oporowego (22) jest wykonane wgłębienie sferyczne o średnicy większej od średnicy kulki

7 - powierzchnia walcowa zacisków,

7. Układ, według zastrz. 6, znamienny tym, że w powierzchni czołowej drugiego końca przetwornika piezoelektrycznego (15) i elementu oporowego (22) jest wykonane wgłębienie o powierzchni stożkowej.

8 - powierzchnie walcowe pierścienia rozprężnego,

8. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że w oprawce narzędziowej (1) jest nacięty wewnętrzny gwint (17) pod nakrętkę łożyskową (18) dociskającą łożysko (16) do powierzchni oprawki (1).

9 - powierzchnie stożkowe,

9. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik piezoelektryczny (15) ma zabieraki (19) połączone przewodami (20) z zewnętrznym układem zasilania, przy czym zabieraki (19) mocowane są w nieruchomym gnieździe elementu oporowego (22), w którym wykonane są dwa otwory (23)

PL 212 038 B1 na przewody (20) zasilające przetwornik piezoelektryczny (15) osadzony w nieruchomym gnieździe elementu oporowego (22), zaś drugi koniec elementu oporowego (22) jest umieszczony poprzez połączenie wpustowe (26), w nieruchomej tulei (24).

10 - wałek stożkowy,

10. Układ, według zastrz. 9, znamienny tym, że element oporowy (22) mocowany jest w nieruchomej tulei (24) z naciętym wewnętrznym gwintem.

Wykaz oznaczeń na rysunkach

11 - zabierak oprawki,

12 - rowek,

13 - powierzchnia sferyczna,

14 - kulka,

15 - przetwornik piezoelektryczny,

16 - łożysko,

17 - wewnętrzny gwint,

18 - nakrętka łożyskowa,

19 - zabierak,

20 - przewód,

21 - uchwyt,

22 - element oporowy,

23 - otwór,

24 - tuleja,

25 - nakrętka wewnętrzna,

26 - połączenie wpustowe.