Современные концевые фрезы выпускаются монолитных конструкций, т. е. рабочая и хвостовая части выполнены из одного и того же материала. Это приводит к повышенному расходу инструментальных материалов, но значительно повышает эксплуатационную надежность фрез. Для фрез из твердого сплава дополнительно увеличивают жесткость и соответственно точность обработки, именно этим фактором объясняется широкое применение монолитных твердосплавных фрез для обработки деталей из алюминиевых сплавов. Кроме повышения производительности применение твердосплавных фрез обеспечивает снижение высоты микронеровностей обработанной поверхности с Ra = 2,5–3,2 до Ra = 0,20–0,63 мкм из-за уменьшения коэффициента трения пары обрабатываемый и режущий материал и деформации деталей из-за снижения работы пластической деформации в зоне пластического контакта и уменьшения термомеханической нагрузки на обрабатываемые конструктивные элементы деталей. Это объясняется тем, что теплопроводность твердого сплава значительно превышает теплопроводность других инструментальных материалов.
Аналогичная картина имеет место и для других обрабатываемых материалов.
Дополнительно необходимо отметить, что изготовление монолитных фрез значительно упрощает их загрузку в подающие устройства станков для изготовления инструмента методом вышлифовки по целому. Кроме того, дополнительно необходимо учитывать, что при изготовлении фрез из быстрорежущей стали увеличивается возврат вольфрамсодержащих материалов для вторичного использования.
В целом применение цилиндрических хвостовиков обеспечивает значительное повышение точности закрепления осевых конструкций инструмента. По данным погрешность закрепления фрез с цилиндрическим хвостовиком обеспечивает следующие значения радиального биения контрольного валика при вылете последнего 3D:
- термопатроны ≤ не более 0,003 мкм;
- гидропластные и гидравлические ≤ не более 0,010 мкм;
- цанговые патроны ≤ не более 0,020 мкм;
- цанговые с резьбовой частью ≤ не более 0,040 мкм;
- патроны для закрепления силами упругой деформации ≤ не более 0,003 мкм;
- патроны типа Weldon ≤ не более 0,020 мкм.
При использовании переходных цилиндрических цанг для патронов — гидропластных, гидравлических, цанговых и закрепляющих инструмент силами упругой деформации — необходимо учитывать точность применяемых переходных цанг.
Цилиндрические цанги могут быть нормальной точности и высокой.
У цанг нормальной точности взаимное расположение наружных и внутренних поверхностей находится в пределах 0,01 мм, у цанг высокой точности — в пределах 0,005 мм.
В термопатронах, патронах типа Weldon и цанговых с резьбовой частью применение цилиндрических цанг не допускается.
В патроны с гидропластом наоборот не допускается применять без переходных элементов. Применение переходных цилиндрических цанг приводит к снижению передаваемого крутящего момента и допустимой осевой силы. КПД зависит от толщины стенок переходных цанг и их геометрических размеров, с учетом этого целесообразно применять цанговые патроны (переходники с цанговыми патронами, у которых диаметр базовой цанги возможно ближе к диаметру применяемой фрезы). Поясним это следующим примером: диаметры базовых цанг могут быть 32, 25, 20 и 12 мм. Во всех этих случаях предусмотрены цанги для закрепления фрез диаметром 8 мм. Наиболее эффективна будет цанга, установленная в цанговый патрон с базовой цангой 12 мм, имеющая наибольшую эластичность. Во всех прочих случаях КПД патронов будет наименьшим. Учет этого, естественно, приводит к увеличению количества переходных элементов инструментальной системы, но с этим приходится считаться. Дополнительно необходимо учитывать особенности конструкций цилиндрических цанг. В настоящее время наиболее широко применяются цилиндрические цанги с односторонним расположением пазов. Подобного типа цанги технологичны при изготовлении, но при закреплении инструмента распределенная нагрузка распределяется неравномерно, что приводит к снижению передаваемого крутящего момента и осевой составляющей силы резания. Подобную конструкцию имеют цанги CG395 (рис. 1).
Рис. 1. Типовая конструкция промежуточной цанги для цанговых патронов для фрез
Более эффективны цанги конструкции Иркутского НИАТ, разработанные для РМИ для обработки ПКМ. Данные цанги успешно могут быть применены в конструкциях цанговых патронов любых размеров (рис. 2). Их основным отличием является наличие одного сквозного поза по всей длине независимо от диаметра цанги. Это обеспечивает повышенную эластичность цанг. С эксплуатационной точки зрения, наиболее удобны будут цанги со встречным расположением пазов, но их изготовление затруднено.
Рис. 2. Типовая конструкция промежуточной цанги для цанговых патронов на примере патронов для РМИ для обработки ПКМ
При проектировании инструментальных наладок следует иметь в виду, что цанги имеют разные классы точности, у одних концентричность диаметров находится в пределах 0,002 мм, а у других в зависимости от класса точности: 0,01 мм для цанг нормальной точности или 0,005 мм — для высокой. Надежность закрепления фрез в значительной степени зависит от точности исполнительных размеров их хвостовиков. Именно этим фактором объясняется переход на исполнительные размеры хвостовиков по h5, ранее размеры выполнялись по h6, а отечественные стандарты до сих пор предусматривают исполнение по h8, как для универсального оборудования. Следует иметь в виду, что обработка в области интенсивных вибраций вызывает снижение коэффициента трения и соответственно снижение нагрузок передаваемых цангами. С этой точки зрения наиболее эффективны термопатроны и патроны, использующие упругие деформации.
Унификация присоединительных мест для дисковых фрез по аналогии с торцовыми фрезами повышает качество балансировки и является единственно возможным эффективным решением для многоцелевых станков при консольном закреплении инструмента.
Далее необходимо рассмотреть вопрос об эффективности конических соединений как шпинделя с базовыми корпусами, так и режущего инструмента с переходными элементами или оправками.
Основным преимуществом конических соединений является большой передаваемый крутящий момент наряду с этим для данный сопряжения имеют место следующие недостатки.
- Погрешность базирования на линейные размеры. Это приводит к тому, что даже для одного и того же станка (износом посадочного конуса шпинделя пренебрежем) для различных оправок (базовых корпусов) типа NC, изготовленных по степени точности АТ3, составит для фрезерных конусов 7:24 величину, равную 0,2 мм, а для типа СК — 0,4 мм (см. табл. 7 и 9). Погрешность базирования для конусов Морзе (допуск на размер А) в зависимости от номера конуса будет равна от 1,2 до 1,9 мм. В этом случае применение приборов для предварительной настройки инструмента на размер становится практически бесполезной, так как размер, введенный через клавиатуру системы управления, может отличаться от фактического на величину, превышающую толщину обрабатываемого полотна. Так, в нашем случае отклонение размера без учета упругих деформаций от сил закрепления может составить от 1,6 до 2,1 мм для оправок с конусами NC, что значительно превышает не только допуск на обработку даже относительно толстых полотен, но и может превысить их толщину. В этом случае обязательно применение датчиков нулевого отсчета для автоматической коррекции размеров (ручная корректировка размеров по координате Z для станков с автоматической сменой инструмента очень трудоемка).
- Изготовление цилиндрической рабочей части и конуса выполняется на различном оборудовании, имеющем как геометрическую точность погрешность разворота стола на половину угла конуса, так и физический износ; все это сказывается на точности инструмента. Поэтому инструмент с конусами как NC (CK), так и Морзе применяется только для черновой обработки.
- Применение оборудования с повышенной частотой вращения шпинделя приводит к тому, что составляющая центробежной силы, направленная в сторону, противоположную силе закрепления, стремится вырвать инструментальную наладку из шпинделя. Для уменьшения данного явления приходится уменьшать номера фрезерных конусов (массу оправок) и соответственно размеры применяемого инструмента. Все это приводит к снижению производительности черновой обработки. Следует иметь в виду, что при изготовлении заготовок из труднообрабатываемых материалов повышение коэффициента использования материала (КИМ) является технически сложной задачей. Дополнительно необходимо учесть, что крупногабаритные детали крыла и фюзеляжа из алюминиевых сплавов (панели), как правило, изготавливаются из плит; КИМ в этом случае может быть в пределах 0,05. Следует отметить, что панелирование конструкций нашло широкое применение в СССР (России) и США. В Европе в основном применяют клееклепанные конструкции при высокой степени автоматизации производственных процессов.
Широкое применение оборудования с частотой вращения шпинделя более 8000 мин–1 вызвало разработку нового типа конического сопряжения шпинделя со шпиндельной оснасткой. Основными особенностями конусов оправок HSK является базирование по короткому конусу и опорному торцу. Это достигается тем, что тонкостенный конус достаточно эластичен, при закреплении исходный зазор между торцовыми поверхностями шпинделя и вспомогательного инструмента, величина которого находится в пределах 0,01–0,02 мм (величина зазора зависит от номера конуса HSK) выбирается за счет упругой деформации при закреплении последнего в шпинделе. Это обеспечивает высокую жесткость крепления и виброустойчивость. Закрепление конуса выполняется разжимной цангой и поэтому при увеличении частоты вращения шпинделя не наблюдается уменьшение сил закрепления. Вспомогательный инструмент с конусами HSK может работать при частотах вращения до 160 000 мин–1. Естественно, предельнодопустимая частота вращения зависит от типа конуса и его размера. Каждая фирма изготовитель в технической документации указывает предельно допустимые частоты вращения, иногда поэлементно, например: на корпус цангового патрона одну, на гайку другую.
Были попытки сохранить традиционные фрезерные конуса. Для увеличения жесткости были предложены решения типа Вig-plus, когда также одновременно обеспечивался контакт по длинному конусу (7:24) и торцу (рис. 3).
Рис. 3. Типовая конструкция шпинделя и присоединительного места базового корпуса (втулки) по методу Big-plus
Для этого станки комплектовались по спецзаказу специальным шпинделем повышенной точности и оправками. Основной недостаток подобного типа закрепления инструмента сохранялся, при увеличении частоты вращения из-за большой массы наблюдается рост осевой составляющая центробежной силы, уменьшающей силу закрепления наладок. При достаточно большой частоте вращения осевая составляющая могла превысить силу закрепления и привести к поломке не только инструмента, но и шпинделя. При стандартных частотах вращения шпинделя данное решение очень эффективно; следует отметить, что оно позволяет также увеличить допустимую частоту вращения шпинделя.
Необходимо отметить, что для конусов HSK и Вig-plus до настоящего времени не решены вопросы их срока службы до их восстановления. Для решения данных вопросов можно рекомендовать контроль состояния конусов и предварительных зазоров до закрепления не реже одного раза в квартал с регистрацией полученных результатов в паспорте. По мере наработки статистических данных сроки проверки могут быть изменены.
При эксплуатации любых типов конусов обязательным условием является контакт по большему диаметру, в противном случае снижается виброустойчивость. Это в первую очередь относится к конусам СK, NC, MAS-BT, Морзе и в меньшей степени HSK и Big-plus, трение по контактирующим торцовым поверхностям является хорошим демпфером. В этом случае появление зазора, особенно по большему диаметру конуса, или даже уменьшение контактного давления приводит к периодическому смещению оси конуса с инструментом под нагрузкой. Следствием этого также является потеря виброустойчивости, но в меньшей степени, чем для конусов СK, NC, MAS-BT, увеличение динамического биения режущих кромок, снижение качества обработанной поверхности и, что является наиболее опасным, вытягивание концевых фрез с цилиндическими хвостовиками из патронов вследствие снижения коэффициента трения. Еще одним фактором, способствующим преждевременной потере виброустойчивости инструментальных наладок, является наличие на сопрягаемых конических поверхностях различных конструктивных элементов для унификации или повышения технологичности, например переходные втулки для установки фрез и осевых инструментов с лапкой, отверстий в конусах HSK, проточек на конусах Морзе.
При закреплении имеет место относительное перемещение сопрягаемых конических поверхностей и соответственно их износ. При интенсивной эксплуатации в местах отсутствия физического контакта естественно износ отсутствует. Это приводит к тому, что обязательный контакт по наибольшему диаметру конических сопрягаемых поверхностей смещается к площадкам, не подвергаемых износу, т. е. увеличивается фактический вылет инструмента, снижается площадь контакта и, как следствие, обработка сопровождается интенсивными вибрациями. Иногда данное явление возникает, когда высота образующей конуса шпинделя станка больше высоты конуса оправки. В этом случае из-за износа контакт переместится в сторону меньшего диаметра конуса. При этом следует учитывать, что линейные размеры кроме базового диаметра выполняются по отклонениям для свободных размеров, поэтому данные явления могут иметь место не на всей шпиндельной оснастке.