ножевой вал-фреза одно- и двухрезцовый для деревообрабатывающих станков и способ формирования и заточки режущих элементов

Формула изобретения

1. Ножевой вал-фреза с одним или двумя режущими элементами, содержащий цилиндроидный корпус вала с режущими элементами, выполненными в его теле, и с осями, оснащенными местами для размещения подшипников, а также деталей для соединения вала с силовым приводом, отличающийся тем, что вал изготавливается из низкоуглеродистой, подельной стали, на цилиндроидной поверхности которого наплавляется или напыляется слой высокоуглеродистого или легированного металла, либо твердого сплава, толщиной 1,5-2 мм, для обеспечивания требуемой твердости и износостойкости режущих элементов, причем их контур, от режущей кромки до стружколомателя включительно, формируется на торце, на передней грани, вписываясь в толщину спирального биметаллического слоя, образованного по эвольвенте в виде спирали и состоящего из слоя наплавленного металла и слоя нижележащего низкоуглеродистого поделочного металла, из которого изготовлено основное тело вала-фрезы.

2. Способ формирования и заточки режущих элементов на образующей цилиндроидной поверхности тела вала-фрезы, отличающийся тем, что весь контур режущих элементов, в поперечном сечении, от режущей кромки до криволинейной поверхности стружколомателя включительно, формируется на передней грани торца спирального биметаллического слоя, выполняемого по эвольвенте в виде спирали на цилиндроидной поверхности вала-фрезы, профилированным абразивным инструментом, причем при каждой переточке контур полностью обновляется.

Описание изобретения к патенту

1. Изобретение относится к области станкостроения, в частности к станкам для обработки древесины резцами, закрепленными на вращающихся ножевых валах.

2. Аналоги и прототипы - валы ножевые фуговочных (шлихтовальных) рейсмусовых и 4-х сторонних строгальных станков.

Положительные свойства прототипа

1. Простота изготовления режущих ножей из любой подходящей стальной полосы достаточной жесткости.

2. Относительная надежность клинового крепления ножей в пазах.

3. Относительная простота изготовления ножевого вала.

Отрицательные свойства прототипа

1. Непропорциональное возрастание технологической сложности изготовления ножей - при их термообработке (деформация, коробление) и т.п. по мере увеличения их длины.

Цель изобретения

1. Удешевление изготовления ножевого вала за счет использования дешевых сортов стали - Ст.2, Ст.3.

2. Упрочнение в таких условиях ответственных частей вала, в частности режущих элементов, путем наплавки слоя высокопрочной стали.

3. Снятие вопроса резцов для ножевых валов существенно увеличенной длины.

4. Работа вала-фрезы без необходимости каких-либо настроек кроме переточек в течение всего ресурса наплавленного слоя.

Пути решения поставленной задачи

1. Изготовление тела вала из дешевых низкоуглеродистых сортов стали, малоподверженных короблению и термической деформации.

2. Наплавка, напыление или иной способ нанесения на основу из мягкой стали слоя из прочной качественной стали с необходимыми свойствами толщиной 1,5-2 мм, обеспечивая условия для формирования на поверхности вала стойких при работе режущих элементов необходимого профили (фиг.4) с требуемыми техническими характеристиками.

3. Наращивание слоя качественной стали на поверхность вала, например, эл. дуговой сваркой с применением угольных электродов (способ Бенардоса) или металлических электродов (способ Славянова), или напылением, или иным способом, обеспечивающим надежное сцепление наращиваемого слоя с основой.

4. Изготовление основы вала с затылованием и размерами, учитывающими последующее увеличение линейных размеров вследствие наплавки металла толщиной 1,5-2 мм по всей образующей цилиндроидной части.

5. Упрочнение шеек вала под посадочные места подшипников и т.п., например, путем цементации.

6. При однорезцовом (однозубом) вале-фрезе возникает его статическая неуравновешенность из-за дебалансной массы затылованной части (фиг.8а, б и 9), которая, если пренебречь незначительным изменением радиуса Ц.М. и изменением ее развернутой длины, является практически величиной постоянной и составляет около 0,8 кг и реально может быть компенсирована контрдебалансами. Дебалансная масса каждого их них, размещенных на торцах цилиндроидной части вала (фиг.3), составит 0,4 кг.

7. Учитывая "укорачивание" волн строгания при "косом" строгании (фиг.6 и 7) возникает возможность повышения скорости подачи заготовок на обработку. Так, для получения шага волны строгания до 5 мм потребуется скорость подачи заготовок 2 м/с. Поэтому применение 2-х резцового вала вызовет усложнение конструкции (и весьма существенное!) подающего механизма, т.к. скорость подачи составит 4-5 м/с (!).

Графический материал

1. Фиг.1

Показано поперечное сечение вала-фрезы с одним режущим элементом. Пунктиром показана архимедова спираль по которой стачивается диаметр вала при переточках.

2. Фиг.2

Показано поперечное сечение вала-фрезы с двумя режущими элементами. Пунктиром показана архимедова спираль по которой стачивается диаметр вала при переточках.

3. Фиг.3

Представлен боковой вид вала-фрезы с показом участков для статической и динамической балансировки, противобалансов и шейки с посадочными местами под подшипники, упрочняемые цементацией.

4. Фиг.4

Показано сечение профиля режущей части резца (зуба) на образующей вала с показом угла присадки и контура стружколомателя.

5. Фиг.5

Показано сечение сформированного профиля режущей части резца (зуба) и взаимный контакт с профилированным абразивным кругом для очередной переточки.

6. Фиг.6

Показана схема взаиморасположения ножевого вала и заготовки при положении оси вращения перпендикулярно направлению подачи. Расстояние между гребнями волн строгания ₁=12/5 мм при частоте вращения вала 4000 об/мин и скорости подачи 50 м/мин.

7. Фиг.7

Показана схема положения вала под углом 80 относительно направления подачи и уменьшения вследствие этого расстояния между гребнями волн строгания до ₂=2,15 мм при скорости подачи 50 м/мин (соответственно, 4,3 мм при 100 м/мин).

8. Фиг.8а, б

Показаны принципиальный кольцеобразный вид и форма неуравновешенной массы, угловое изменение положения ее Ц.М. после переточек и величины радиуса расположения Ц.М. при этом.

9. Фиг.9

Показана развертка неуравновешенной (дебалансной) массы и пример расчета ее величины (0,8 кг)

Спецификация пояснительная

1. Основа вала-фрезы из мягкой низкоуглеродистой стали.

2. Слой нарощенного (наплавленного, напыленного и т.п.) металла из высококачественной стали.

3. Режущий элемент (резец, зуб).

4. Противодебалансы (противобалансы), противовесы.

5. Посадочные места подшипников.

6. Абразивный профилированный круг профилирующий.

7. Линия затылования вала (архимедова спираль), она же линия развертки по вершинам и подошве зуба в ходе переточек.

8. Угол присадки резца, зуба (передний угол).

9. Контур стружколомателя.

10. Участки статической и динамической балансировки.

11. Гнезда, высверленные в ходе балансировок.

12. Снимаемый при переточке слой металла.

13. Зона цементации шеек вала под подшипники.

14. Фаска контрольная прямолинейности режущей кромки резца.

15. Неуравновешенная масса при однорезцовом вале-фрезе.

16. Развертка неуравновешенной массы 14.

17. Ц.М. (центр массы) неуравновешенной массы 14.

18. Контрольные риски.

19. Высота режущего зуба (резца).

20. Уступ.

21. Рабочая цилиндроидная часть вала.

22. Шейка вала.

Справка

В самый тяжелый, начальный период ВОВ, связанный с эвакуацией основной массы промпредприятий на Восток, с их размещением и разворачиванием мощностей на Урале и Сибири, особо остро стоял вопрос электроэнергии. Ее было либо катастрофически мало, либо не было совсем. Поэтому остро стоял вопрос энергосберегающих технологий. Именно в 1941-42 г.г. работами советских специалистов по деревообработке, в частности Бершадского (труды ЦНИИМОД), было доказано, что формирование строганной поверхности п/материала при скоростях подачи до 50 м/мин осуществляется одним резцом. Остальные же резцы не участвуют в процессе, а лишь дробят стружку, неоправданно транжиря электроэнергию. Требование экономии электроэнергии реализовалось путем утопления ножей (резцов) на 1,5-2 мм, кроме одного. Это, естественно, вызывало некоторую разбалансировку вращающихся масс, появление вибрации, сокращение срока службы подшипников, но главное - экономия электроэнергии на 20-30% была налицо! А это было решающим фактором. По сути, аналогичная ситуация складывается и сейчас, но в несколько ином аспекте: энергия есть, но она стремительно дорожает, делая продукцию многих предприятий неконкурентоспособной по стоимости. Пока это еще решается путем удорожания. Но наступит момент, когда такой примитив откажет. Конечно, предприятия, работающие на экспорт, еще побарахтаются за счет неравенства паритета рубля и западных валют...

Некоторые сведения по валу

Начальный диаметр (по режущей кромке) вала 140 мм

Диаметр вала перед 1-й реставрацией 130 мм

Диаметр вала после 1-й реставрации 135 мм

Диаметр вала перед 2-й реставрацией 125 мм

Диаметр вала после 2-й реставрации 130 мм

Конечный допустимый диаметр вала 120-125 мм

Прикидочный расчет и результирующие экономические данные

Ресурс переточек (развернутая длина слоя переточек) однорезцовый вал

l_разв.=D=3,14140=440 мм,

принимаем 430 мм;

двухрезцовый вал

принимаем 210 мм.

Критерий затупления резца (зуба), когда требуется переточка - скругление режущей кромки с R=0,08-0,1 мм. Требуемая толщина съема металла, до восстановления остроты режущей кромки - t=0,1-0,12 мм.

Принимаем, что затачивание потребуется раз в смену, т.е. 3 раза в сутки. Общий съем металла составит 0,123=0,35 мм, тогда общий ресурс выработки всего наплавленного слоя по времени составит:

при однорезцовом вале

430 мм: 0,35 мм/сутки=1230 (суток), принимаем 1200 суток;

при двухрезцовом вале

210 мм: 0,35 мм/сутки=600 суток.

Месячный фонд раб. времени (при 5-дневной неделе) - 22,4 дня

Длительность эксплуатации вала до реставрации:

Однорезцовый вал - 1200 суток: 22,4 дня/мес=53,7 мес,

или 53,7 мес: 12 мес=4,47 (года),

принимаем 4 года.

Двухрезцовый вал - 600 суток: 22,4 дня/мес=26,8 мес,

или 26,8 мес: 12 мес=2,24 (года),

принимаем 2 года.

Итак, ресурс вала составляет 2-4 года (как минимум!) с возможностью его увеличения (см. округления в "Расчетах") до реставрации. С учетом принятой технологии - наплавки металла - после выработки ресурса и последующей реставрации диаметр вала уменьшится не на 10 мм, а на 7-8 мм (за счет наплавляемого слоя). Поэтому практически вал может подвергаться 3-х кратной реставрации с потерей диаметра до 20 мм и общим сроком службы 10-16 лет (!). Конечный диаметр вала 120 мм.

Основной перечень признаков существенной новизны

1. Ведение процесса строгания валом-фрезой оснащенной одним резцом (режущим элементом).

2. Изготовление вала из малоуглеродистой мягкой стали с наплавкой или напылением слоя твердой углеродистой стали.

3. Использование металла самого вала как материала для режущего элемента.

4. Формирование режущей части режущего элемента из наплавленного слоя металла, а стружколомателя - из мягкой стали, входящей в основу вала.

5. Применение регулирующих противовесов, обеспечивающих полную уравновешенность вала в ходе переточек с учетом изменения местоположения Ц.М. (центра массы) неуравновешенной массы вала как в угловом выражении, так и в линейной величине его радиуса.

6. Формирование и обновление всего контура режущего элемента при каждой переточке.

7. Перемещение контура режущего элемента в ходе переточек по спиральной кривой с опорой элемента своим основанием на внутреннюю спиральную кривую, а его режущей кромки на внешнюю спиральную кривую, являющуюся одновременно линией затылования вала.

Формирование вала-фрезы и его режущего элемента (статика)

Из мягкой, низкоуглеродистой стали вытачивается основа 1 вала (фиг.3), состоящая из цилиндр 21, участков 10 для балансировки, мест для противовесов 4 и шеек вала 22 с местами для подшипников 5, а также муфт, полумуфт, шкивов и т.п. Проводится затылование рабочей цилиндрической части вала 21 с использованием либо математических спиралей, например спираль Архимеда, либо циркульных кривых с тем или иным числом центров, от 2 до 6-8. При этом формируется уступ 20, определяющий будущую высоту зуба 10 и шаг спирали. Одновременно проводится упрочнение мест посадки подшипников. После придания надлежащей геометрической формы основе вала его нагревают и производят наплавку или напыление слоя высококачественной стали толщиной 1,5-2 мм (фиг.3, 4, 5 поз.2) и после медленного охлаждения (для выравнивания термических напряжений) проводится механическая обработка по удалению излишков и наплывов нанесенного слоя металла. В этом состоянии вал готов к эксплуатации.

Замечание

Вал выполняется в двух вариантах: однорезцовый (фиг.1) и двухрезцовый (фиг.2). У каждого свои особенности и сложности, подлежащие преодолению: у однорезцового - постоянное наличие несбалансированной массы 15 с переменным, по мере переточек, положением ее Ц.М. (центра массы) применения противовесов 4; у двухрезцового вала - полная сбалансированность, но сложность в эксплуатации станка по причине чрезмерно высокой скорости подачи заготовок на обработку - до 250 м/мин (или 5 м/с) для эффективного использования возможностей станка в полной мере (!!!)

Приведение вала-фрезы к повседневной эксплуатационной готовности (динамика)

Смонтированный на станке вал приводится во вращение и вдоль его длины по вершине уступа 20 наносится абразивным бруском, закрепленным на заточном устройстве, контрольная фаска 14, свидетельствующая о прямолинейности зоны формирования режущего элемента по внешнему (описанному) диаметру вала. После этого вал 1 неподвижно фиксируется в определенном положении уступа 20 относительно профилирующего абразивного круга 6 и с помощью последнего производится выборка профиля режущего элемента (резца) 8, 9, включая угол его присадки 8 и контур стружколомателя 9. По окончании этого процесса заточной блок отводится в сторону и станок готов к работе. После определенного числа переточек, регламентированного методикой, когда Ц.М. существенно сместится в угловом выражении, производится изменение положения противовесов 4 для восстановления полной уравновешенности вала. Основной же перечень операций, описанных выше, повторяется при каждой переточке.

Учитывая расположение вала-фрезы неперпендикулярно направлению подачи заготовок на обработку (фиг.7), расстояние между вершинами волн строгания сокращается. Если при перпендикулярном положении вала относительно направления подачи и скорости подачи = 50 м/мин шаг строгания = 12,5 мм (фиг.6), то при максимальном развороте вала (80) при той же скорости подачи = 50 м/мин, 10 равен 0,174 и составит лишь 2,15 мм. При увеличении вдвое скорости подачи, т.е. до 100 м/мин, = 4,3 мм. А для 5 миллиметровой волны строгания потребуется скорость 120 м/мин или 2 м/с. Для двухрезцового вала-фрезы скорость подачи составит соответственно 240-250 м/мин или порядка 5 м/с. Это создает определенные технические трудности при стабильном поддержании такой высокой пропускной способности станка. Поэтому цифра ресурса 2-х резцового вала в 2 года не отражает в полной мере смысла этого показателя.

Кроме всего изложенного, рассматривая процессы резания, происходящие в описанном типе строгания, следует принимать во внимание, что наряду с движением режущей кромки режущего элемента относительно древесины под прямым углом будет иметь место динамическое перемещение древесины вдоль режущей кромки, что будет способствовать повышению чистоты резания. Характер стружки при этом будет "спиралеобразным", "кудрявым".