Инструмент для изготовления деталей из композитных материалов

Инструмент для изготовления деталей из композитных материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение касается инструмента для изготовления материалов из композитных материалов и машины для обработки, содержащей такой инструмент.

Композитные материалы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Их область применения, касающаяся, главным образом, аэронавтики и, первоначально, космонавтики, расширяется и в настоящее время внедряется в такие области, как автомобильная промышленность, железнодорожная индустрия или же индустрия досуга (серфинг,...).

В производстве деталей для самолетостроения обработка является высокочастотной операцией. Она позволяет получить не только точные пространственные размеры изготовленных деталей, но позволяет также изготавливать сложные детали из материалов, трудно поддающиеся деформации.

Что касается композитных материалов, операция обработки по заданному профилю осуществляется непосредственно на финишной стадии с помощью обрабатывающего инструмента, осуществляющего один или несколько проходов в толще этой детали, при этом необходимое число этих проходов зависит от этой толщины.

Однако было отмечено, что обработка по заданному профилю детали из композитных материалов может сопровождаться появлением дефектов в детали и полученный таким образом конечный продукт не обладает ожидаемыми механическими свойствами. Такие дефекты, являющиеся следствием вспучивания складок волокон, называются также «отслаиванием». При отсутствии отбраковки детали при контроле качества такие дефекты при обработке могут привести к разрушению детали.

Наблюдается также достаточно быстрый износ обрабатывающих инструментов, связанный с отсутствием контроля глубины прохода в толще детали, от одного прохода к другому. Таким образом, преждевременный износ инструмента вызывает более частые остановки обрабатывающей машины и требует вмешательства квалифицированного оператора. Расходы, вызванные сменой инструмента, а также потеря производительности, связанная с вмешательством оператора, несовместимы с экономическими требованиями производства деталей для самолетостроения.

Кроме того, обрабатывающие инструменты из известного уровня техники, используемые при обработке деталей из композитных материалов, не позволяют выполнять отверстия или полости в этих деталях.

Изготовление деталей вырезанием из плоского листа больших размеров такими обрабатывающими инструментами требует, следовательно, необходимости начала работы с края этого листа, чтобы дойти до первой детали, которую необходимо вырезать. Машина не может переместиться непосредственно в точку начала вырезания детали, так как последняя привязана своими координатами к установочной метке, принадлежащей этому листу.

Выборка дополнительного материала значительно повышает, таким образом, время вырезания деталей в листе и вызывает преждевременный износ обрабатывающего инструмента.

Наконец, механическая обработка композитных материалов требует все более и более совершенных режущих инструментов для значительного увеличения производительности резки и уменьшения, таким образом, времени, необходимого для операций обработки по заданному профилю детали из композитных материалов.

Объектом настоящего изобретения является инструмент для обработки деталей из композитных материалов, простых по конструкции и в использовании, позволяющих контролировать глубину прохода этого инструмента для того, чтобы эта глубина была постоянной от одного прохода к другому при одновременном выполнении черновой обточки и финишной обработки обрабатываемой по заданному профилю детали.

Другим объектом настоящего изобретения является обрабатывающий инструмент, способный одновременно выполнить операции черновой обточки и финишной обработки при непосредственном погружении в материал детали.

В связи с этим изобретение касается инструмента для обработки деталей из композитных материалов, причем этот инструмент имеет основной корпус строго цилиндрической формы.

В соответствии с изобретением основной корпус имеет полирующую часть диаметром D1, имеющую основную ось, и абразивную часть диаметром D2 при D2<D1, причем осью абразивной части является основная ось. Кроме того, абразивная часть содержит на конечной части, по меньшей мере, один режущий элемент, позволяющий осуществить внедрение инструмента в упомянутые детали, причем этот режущий элемент абразивной части выполнен полым в форме инверсного усеченного конуса.

Предпочтительно, чтобы инструмент имел, по меньшей мере, один центральный канал, выходящий на внешнюю поверхность абразивной части, для обеспечения смазки последней.

Предпочтительно, чтобы смазка инструмента обеспечивалась по каналу, выполненному в центре основного корпуса инструмента и открывающемуся в крайней абразивной части на уровне режущего инструмента.

Предпочтительно также, чтобы основной канал имел, кроме того, жидкостные связи с, по меньшей мере, одним дополнительным каналом, открывающимся на внешнюю поверхность упомянутой абразивной части.

Предпочтительно, чтобы дополнительные каналы были распределены на многих уровнях абразивной части для одновременной смазки внешней поверхности абразивной части. Смазывающими жидкостями являются, например, смазочно-охлаждающая жидкость или эмульсия.

Предпочтительно также, чтобы абразивная часть содержала абразивные частицы со средним размером абразивных частиц между, примерно, 300 мкм и 1000 мкм.

Предпочтительно также, чтобы полирующая часть содержала абразивные частицы со средним размером абразивных частиц между, примерно, 100 мкм и 600 мкм.

Размер абразивных частиц имеет, обычно, большие размеры. Очевидно, что существует разброс вокруг средней величины абразивной частицы. Тем не менее следует осуществлять более строгий контроль над распределением размеров частиц, чтобы отобранная таким образом полирующая часть обеспечивала единообразную финишную обработку деталей из композитных материалов.

Предпочтительно, чтобы полирующая часть содержала пустоты между абразивными частицами.

Предпочтительно, чтобы средние размеры этих пустот составляли от 10 до 500 мкм.

Предпочтительно также, чтобы полирующая часть содержала, по меньшей мере, сплошную или нет зону для захвата инструмента.

Изобретение касается также машины для обработки деталей из композитных материалов, содержащей зажимное устройство для режущего инструмента.

В соответствии с изобретением этот режущий инструмент является инструментом, описанным выше.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:

Фиг.1 схематично изображает инструмент для обработки детали из композитных материалов на виде сбоку (Фиг.1а) и в разрезе (Фиг.1b) в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.2 изображает вид в частичном разрезе инструмента по фиг.1, показывающий абразивную часть в процессе погружения в материал детали.

Фиг.3 схематично представляет инструмент для обработки детали из композитных материалов, концы которого представлены в разрезе (Фиг.3а) в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения. На фиг.3b изображен в крупном масштабе конец абразивной части обрабатывающего инструмента.

Фиг.1 изображает инструмент для обработки детали из композитных материалов в соответствии с особым вариантом осуществления изобретения. Этот инструмент имеет основной корпус строго цилиндрической формы. Этот основной корпус содержит, с одной стороны, полирующую часть 1 диаметром D1 с основной осью 2, и, с другой стороны, абразивную часть 3 с диаметром D2, при этом D2<D1. Абразивная часть 3 отцентрована по основной оси 2 таким образом, что размер между двумя частями (D2-D1)/2 определяет боковую выборку инструмента при финишной обработке.

Плечико, образующееся из-за разности диаметров между двумя частями 1, 3 основного корпуса, позволяет поддерживать глубину постоянного прохода инструмента независимо от толщины обрабатываемой по профилю детали.

Кроме того, полирующая 1 и абразивная 3 части детали позволяют осуществить одновременно черновую обточку и финишную обработку этой детали без смены обрабатывающего инструмента в обрабатывающей машине. Основной корпус является моноблочным. Он предпочтительно является металлическим, например стальным.

Абразивная часть основного корпуса содержит на конце 4, по меньшей мере, один режущий элемент 5, предназначенный для осуществления погружений элемента в детали. Этот режущий элемент 4 делает возможным выполнение отверстий или полостей, например, в деталях из композитных материалов.

Режущий элемент 5 выполнен полым в форме инверсного усеченного конуса на конце 4 абразивной части 3. Фиг.2 изображает вид в разрезе такого инструмента в состоянии погружения в материал детали 6. Инструмент перемещается справа налево в направлении погружения, обозначенном стрелкой 7. Инструмент имеет внутреннюю режущую кромку 8 в абразивной части, которая работает в материале.

Абразивная часть 3 содержит абразивные частицы, имеющие средний размер абразивной частицы между примерно 300 мкм и 1000 мкм, предпочтительно между 400 мкм и 850 мкм.

Эти абразивные частицы предпочтительно выбираются из группы, содержащей кубический нитрид бора, монокристаллический или поликристаллический алмаз, карбид и комбинации этих элементов.

В случае, когда абразивные частицы абразивной части 3 являются поликристаллическим алмазом, нанесение этих частиц может быть осуществлено электролитическим осаждением, нанесением металлической пайкой или припайкой поликристаллического алмаза, либо нанесением слоев алмаза химическим осаждением из паровой фазы (СVD-“Chemical vapor deposition”). Известная специалистам техника нанесения покрытия здесь не будет рассматриваться.

Полирующая часть 1 диаметром D2 содержит абразивные частицы, средний размер каждой из которых колеблется от 100 мкм до 600 мкм, предпочтительно от 250 до 500 мкм.

Абразивные частицы для полирующей части 1 могут быть выбраны из группы, содержащей алмаз, оксид алюминия, оксид циркония или комбинации этих элементов.

В случае, когда абразивные частицы полирующей части 1 являются поликристаллическим алмазом, нанесение этих частиц может быть выполнено электролитическим осаждением.

Полирующая часть 1 содержит предпочтительно зону сплошной или несплошной поверхности, не показанной на чертеже, позволяющую осуществить захват инструмента оператором для его снятия или установки в держателе обрабатывающей машины.

Инструмент имеет также часть, размещенную сзади основного корпуса инструмента, форма которой позволяет вставить инструмент в держатель. Эта часть может быть выполнена различным образом так, чтобы ее можно было установить в держатели любого типа, известные специалистам. В этом случае эта часть содержит цилиндрический хвостовик, выполненный так, чтобы его можно было вставить в держатели типа SA, цанги или хомута.

Диаметр D1 полирующей части 1 предпочтительно составляет от 10 до 32 мм ±10%, диаметр D2 абразивной части 3 меньше диаметра D1. Например, диаметр D2 составляет от 6 до 28 мм ±10%.

Для инструмента, имеющего такие диаметры для абразивной 3 и полирующей 1 частей, усеченный конус 5 имеет основание 11 диаметром, составляющим от 4 до 24 мм ±10% и вершину 12 диаметром от 2 до 20 мм ±10%. Такая геометрия режущего инструмента обеспечивает максимальный угол погружения инструмента.

Инструмент может содержать центральный канал 9, открывающийся на внешней поверхности абразивной части 3, что позволяет смачивать инструмент из центра. Предпочтительно, канал 9 открывается на конце 4 абразивной части 3 на уровне режущего инструмента 5 для обеспечения смазки последнего. Центральный канал 9 имеет также выходы 10 на внешнюю поверхность абразивной части 3.

Фиг.3 представляет другой вариант выполнения инструмента для обработки деталей из композитных материалов. Конструктивные элементы фиг.3, обозначенные теми же позициями, что и на фиг.1, представляют те же объекты. Абразивная часть 3 основного корпуса несет на конце 4 режущий элемент 5, предназначенный для внедрения инструмента в детали. Часть 13 внешней поверхности абразивной части 3 имеет алмазное покрытие. Центральный канал 9 соединен с сетью дополнительных каналов 14-20, распределенных по нескольким уровням и открывающихся в выходные отверстия 10. Эти дополнительные каналы 14-20 распределены предпочтительно в корпусе абразивной части 3 для равномерного орошения внешней поверхности инструмента, и в особенности части с алмазным покрытием 13. Диаметр центрального канала 10 превышает диаметр дополнительных каналов для обеспечения достаточного и постоянного давления орошения в дополнительных орошающих каналах 14-20. Выход центрального канала со стороны полирующей части 1 предпочтительно связан с системой питания смазочно-охлаждающей жидкостью под давлением. Это давление предпочтительно выше на 10 бар для обеспечения поступления смазочно-охлаждающей жидкости по комплексу держатель инструмента/инструмент.

Такое орошение через центр инструмента позволяет предпочтительно увеличить продолжительность работы инструмента при уменьшении засаливания, наблюдаемого в устройствах известного уровня техники, и скорость резания этим инструментом при сохранении качества обработки.

Преимущество с точки зрения соотношения стоимость инструмента/производительность инструмента для обработки деталей из композитных материалов по изобретению по сравнению с технологией, использующей режущий инструмент с режущими кромками из поликристаллического алмаза (PCD), составляет порядка от 95 до 98%.

1. Инструмент для обработки деталей из композитных материалов, содержащий строго цилиндрический основной корпус, отличающийся тем, что упомянутый основной корпус содержит полирующую часть (1) диаметром D1 с основной осью (2), абразивную часть (3) диаметром D2 при D2<D1, при этом упомянутая абразивная часть (3) отцентрована по упомянутой основной оси (2), а упомянутая абразивная часть (3) содержит на своем конце, по меньшей мере, один режущий элемент (5), предназначенный для осуществления внедрения упомянутого инструмента в упомянутые детали, при этом упомянутый режущий элемент (5) упомянутой абразивной части (3) содержит полость в форме инверсного усеченного конуса.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один центральный канал (9), открывающийся на внешнюю поверхность упомянутой абразивной части (3) для обеспечения смазки последней.

3. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что упомянутый центральный канал (9) связан жидкостной связью с, по меньшей мере, одним дополнительным каналом (14-20), открывающимся на внешнюю поверхность упомянутой абразивной части (3).

4. Инструмент по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутая абразивная часть (3) содержит абразивные частицы, при этом средний размер абразивной частицы составляет примерно от 300 до 1000 мкм.

5. Инструмент по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутая абразивная часть содержит абразивные частицы, выбранные из группы, содержащей кубический нитрид бора, поликристаллический алмаз, карбид и сочетания этих элементов.

6. Инструмент по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутая полирующая часть (1) содержит абразивные частицы, при этом средний размер абразивной частицы составляет примерно от 100 до 600 мкм.

7. Инструмент по п.6, отличающийся тем, что упомянутая полирующая часть (1) содержит пустоты между абразивными частицами.

8. Инструмент по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутая полирующая часть (1) содержит абразивные частицы, выбранные из группы, содержащей алмаз, оксид алюминия, оксид циркония и сочетания этих элементов.

9. Инструмент по одному пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутая полирующая часть (1) содержит сплошную или несплошную зону поверхности для захвата упомянутого инструмента.

10. Инструмент по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что он содержит размещенную сзади основного корпуса часть, форма которой обеспечивает захват упомянутого инструмента зажимным приспособлением.

11. Инструмент по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что диаметр D1 упомянутой полирующей части составляет от 10 до 32 мм ±10%, а диаметр D2 упомянутой абразивной части составляет от 6 до 28 мм ±10%.

12. Инструмент по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутый усеченный конус имеет основание (11) с диаметром, составляющим от 4 до 24 мм ±10%, и вершину (12) с диаметром, составляющим от 2 до 20 мм ±10%.

13. Машина для обработки деталей из композитных материалов, снабженная режущим инструментом, отличающаяся тем, что упомянутый режущий инструмент является инструментом по одному из пп.1-12.