Шпиндельная оснастка для станков с ЧПУ

Для закрепления фрез с цилиндрическими хвостовиками наиболее широкое применение нашли патроны и переходники типа Weldon. Они просты по конструкции и позволяют закреплять фрезы в диапазоне диаметров от 6 до 40 мм. Для исполнений хвостовиков HSK 100, 125, 160 возможны исполнения патронов (переходников) для закрепления цилиндрических хвостовиков фрез больших диаметров. Конструкция патрона Weldon приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Патрон типа Weldon с хвостовиком HSK

Крепление фрез диаметром до 20 мм выполняется одним винтом, свыше 20 мм — двумя. Патрон прост по конструкции, обеспечивает надежное закрепление инструмента. К его недостаткам необходимо отнести:

1. повышенное биение режущих кромок инструмента из-за односторонней выборки зазора при закреплении;
2. возможность самораскрепления болтов при обработке поверхностей большой протяженности в условиях вибраций, для исключения этого целесообразно применять стопорные винты с мелким шагом;
3. для каждого диаметра хвостовика фрезы необходимо применять свой типоразмер патрона;
4. повышенная величина дисбаланса, ограничивающая допустимую частоту вращения, так, например, для патронов с конусом HSK 63 частота вращения, как правило, не превышает 22 000 мин–1. Допустимые значения частот вращения приводятся в технической документации, на что следует обращать особое внимание, так как у одних и тех же типоразмеров патронов (оправок) допустимые частоты вращения могут отличаться в широких диапазонах.

На рисунках 2-4 приведены конструкции термопатронов и термоудлинителей. Термопатроны предназначены для закрепления цилиндрических хвостовиков фрез как из твердого сплава, так и из быстрорежущих сталей.

Рис. 2. Термопатрон с хвостовиком HSK

Рис. 3. Термопатрон с хвостовиком HSK с каналами для подачи СОЖ

Раскрепление фрез из быстрорежущих сталей возможно не на всех типах приборов для термофиксации. Области применения приборов приведены в технических описаниях. Для исключения ошибок целесообразно на рабочих местах на шильдиках и инструкциях операторов приборов дублировать данную информацию. По сравнению с патронами типа Weldon термопатроны обеспечивают:

высокую точность закрепления фрез, биение режущих кромок не более 0,003 мм;
надежное и виброустойчивое закрепление, в том числе и при больших вылетах инструмента;
наибольшую допустимую частоту вращения инструмента до 45 000–80 000 мин^–1 при соответствующем классе динамической балансировки (G).

К недостаткам термопатронов необходимо отнести:

необходимость применения патронов под каждый диаметр инструмента и приборов для закрепления и раскрепления;
закрепление фрез с хвостовиками с лысками и проточками не допускается.

Рис. 4. Термоудлинитель

Практически не уступают по точности термопатронам патроны для закрепления фрез силами упругой деформации, но превосходят их по виброустойчивости за счет полостей в корпусах, заполненных виброгасящим составом. Кроме того, патроны не требуют применения энергоемких приборов для закрепления инструмента. Для закрепления достаточно ручного или электрического насоса и переходных втулок. Схема закрепления цилиндрических хвостовиков инструмента приведена на рисунке 5.

При приложении усилий через переходные втулки к местам, указанным стрелками, отверстие в патроне принимает форму цилиндра, что позволяет установить фрезу или иной инструмент с цилиндрическим хвостовиком, после снятия сил хвостовик надежно закреплен силами упругой деформации.

Рис. 5. Схема закрепления цилиндрических хвостовиков упругой деформацией корпуса

Преимуществами данных патронов являются:

• высокая точность закрепления инструмента (без переходных цилиндрических цанг не хуже 0,003 мм);
• высокая виброустойчивость патронов;
• низкое энергопотребление электрических насосов для закрепления (раскрепления) инструмента или полное ее отсутствие для насосов с ручным приводом;
• высокая допускаемая частота вращения фрез до 45 000–80 000 мин–1 при соответствующем классе динамической балансировки (G);
• большой срок службы по сравнению с термопатронами без потери точности из-за отсутствия циклов нагрева, охлаждения;
• возможность применения цилиндрических переходных цанг для расширения диапазона диаметров, закрепляемого инструмента.

Минимальные значения крутящих моментов, передаваемых патронами типа Tribos для хвостовиков, изготовленных по h6, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Минимальные значения крутящих моментов для патронов типа Tribos

Схема гидравлического патрона приведена на рисунке 6.

Своеобразная форма упругих элементов и высокое давление в рабочей полости обеспечивает возможность равномерного распределения усилий закрепления и обеспечение работы с большими крутящими моментами. Достигаемые значения передаваемых крутящих моментов при закреплении инструментов с хвостовиками, изготовленными по 6 квалитету точности, проведены в таблице 2.

Рис. 6. Гидравлический патрон с хвостовиком HSK

Таблица 2. Предельные значения крутящих моментов для базовых диаметров гидравлических патронов

Схема гидропластного патрона приведена на рисунке 7.

В конструкциях патронов, где рабочее давление на упругий элемент передается гидропластом, зажим хвостовика менее равномерен. Небольшая толщина упругой втулки не допускает приведение патрона в рабочее состояние без установленного инструмента из-за опасности потери точности. Гидравлические и гидропластные патроны применяют с промежуточными цилиндрическими цангами. По точности и допустимой частоте вращения они незначительно уступают термопатронам и патронам с закреплением инструмента силами упругой деформации. Патроны с гидропластом применять без промежуточных втулок не допускается. В данных патронах закреплять хвостовики с лысками не рекомендуется.

Рис. 7. Гидропластный патрон с хвостовиком HSK

Типовая конструкция цангового патрона приведена на рисунке 8. Допускаемая частота вращения приведенных конструкций патронов определяется допустимой частотой вращения гайки, которая значительно ниже допустимой частоты вращения корпуса. Точность зависит от степени точности постоянной конической цанги и сменных цилиндрических цанг. Дополнительно необходимо отметить, что основным недостатком патронов данной конструкции наряду с высоким дисбалансом является возможность самопроизвольного отвинчивания гайки в условиях вибраций при обработке поверхностей большой протяженности.

Рис. 8. Цанговый патрон с хвостовиком HSK

Допускаемая частота вращения, как правило, находится в пределах от 8000 до 12 000 мин^–1. От данных недостатков в значительной степени свободен цанговый патрон высокой точности, приведенный на рисунке 9.

Рис. 9. Цанговый патрон высокой точности с хвостовиком HSK

Данный патрон имеет сбалансированную конструкцию, самотормозящую цангу, дополнительно фиксируемую стопорными винтами. Все это устраняет недостатки вышеприведенной конструкции, но патрон более сложен и очень чувствителен к загрязнениям и требует высокой культуры эксплуатации.

Впрочем, все это относится к любой шпиндельной оснастке для многоцелевых станков.

Расширение номенклатуры зажимаемых хвостовиков одним патроном обеспечивается применением цилиндрических цанг. Сменные цанги применимы для всех типов патронов, за исключением термопатронов. Они выпускаются с концентричностью наружных и внутренних диаметров 0,002, 0,005 и 0,010 мм. Их применение приводит к снижению точности закрепления и передаваемых крутящих моментов.

В связи с вышесказанным необходимо обращать особое внимание на выбор цилиндрических цанг для станков, имеющих повышенную частоту вращения шпинделя.

На рисунке 10.приведена конструкция цангового патрона для закрепления сверл. Его особенностью является применение конических цанг с большой величиной хода лепестков (0,5 мм).

Рис. 10. Цанговый патрон с хвостовиком HSK для закрепления сверл

Конические цанги (рис. 11. для данных патронов сменные, их типоразмер выбирается в зависимости от диаметров применяемых сверл с шагом 0,5 мм.

Рис. 11. Цанга для патрона для закрепления сверл

Для передачи больших крутящих моментов при черновом фрезеровании могут быть применены специальные цанговые патроны с закреплением фрез с резьбой на цилиндрическом хвостовике. Особенности конструкции цанги приведены на рисунке 12.

Фреза от осевого смещения и передачи повышенного крутящего момента фиксируется специальным сухарем. Закрепление фрез по данной схеме имеет повышенное биение режущих кромок. Патроны подобного типа непригодны для станков с частотой вращения более 6000 мин^–1.

Рис. 12. Цанга для закрепления фрез с резьбовой частью на хвостовике

Для торцовых и дисковых фрез целесообразно применять оправки с торцовыми шпонками (рис. 13). Они динамически уравновешены. Применение оправок с радиальным расположением шпонок допустимо для низких частот вращения шпинделя (менее 6000 мин^–1).

Рис. 13. Оправка для торцовых и дисковых фрез

Для модульных наладок все вышеизложенное остается в силе, только каждый патрон (оправка) будет состоять из базового корпуса и переходника (рис. 14). На рисунке приведена модульная инструментальная наладка, состоящая из базового корпуса типа NC, трех переходников и патрона типа Weldon.

Рис. 14. Модульные патроны (оправки)

Кроме вышеприведенной шпиндельной оснастки на многоцелевых станках применяют патроны для нарезания резьбы метчиками и плашками с предохранительными муфтами. Конструкция патрона с муфтой предельных моментов приведена на рисунке 15.

Рис. 15. Метчиковый патрон

Нарезание резьбы метчиком характеризуется низкой скоростью резания и большим крутящим моментом. Бóльшая часть с электрошпинделями имеет малые допустимые значения крутящих моментов, что делает процесс нарезания резьбы не только неэффективным, но и ненадежным. Дополнительно необходимо учесть то, что очень трудно найти информацию по расчетам значений М_кр для материалов, применяемым в настоящее время в промышленности. С учетом этого, при настройке вспомогательного инструмента наладчик установит на предохранительной муфте допустимое значение момента, исключающее поломку метчика. После обработки детали резьбу придется дорезать слесарю. Или же исключать переходы нарезания резьбы из технологических операций программной обработки. С учетом этого, целесообразно метчиковые патроны по возможности исключать из применения, а формообразование резьбы выполнять резьбовыми фрезами. В настоящее время возможно фрезерование резьбы начиная от диаметра М 4, в том числе и в материалах повышенной прочности. При этом следует учесть, что фрезерование резьбы имеет следующие преимущества:

• достижение более высоких классов точности резьбы;
• низкая высота микронеровностей, обработанных поверхностей;
• возможность формообразования резьбы в термообработанных материалах, даже когда применение твердосплавных метчиков затруднено или невозможно;
• высокая точность взаимного расположения резьбы относительно других конструктивных элементов деталей.

К недостаткам необходимо отнести относительно небольшую глубину фрезеруемой резьбы порядка (0,8–1,2 D).

На многоцелевых станках широко применяют обработку отверстий. Применение расточных оправок с микрорегулировкой расточных резцов, широко применяемых на координатно-расточных станках даже с устройствами динамической балансировки, вряд ли можно признать оправданным. Если на координатно-расточном станке точные размеры отверстий рабочий исключительно высокой квалификации получает по методу пробных проходов и промеров, то подобный подход к построению программных операций непригоден по следующим причинам.

1. Стоимость часа работы программного многоцелевого станка велика, и рост затрат времени на промеры и корректировку положения режущей кромки инструмента не только при наладке оборудования, но и при серийной работе, приведет к снижению эффективности работы последнего. Необходимость подналадки в процессе работы обусловлена как износом инструмента, так и колебанием твердости обрабатываемых заготовок даже в одной партии.
2. Навыки наладчика или даже оператора по работе с оправками с микрометрической регулировкой режущих кромок и специальным измерительным инструментом несопоставимы с расточником, что приведет в любом случае к увеличению потерь времени из-за простоев станка, связанных с необходимостью измерения, а не контроля диаметра отверстия, и подналадки на размер инструмента.
3. При обработке точных отверстий возможности подналадки ограничены минимальной глубиной среза, меньшие значения припуска лезвийный инструмент удалить просто не может, это приведет к нестабильности технологического процесса.

Для исключения этого целесообразно применять двухрезцовые расточные уравновешенные с точки зрения прилагаемых сил резания расточные блоки (рис. 16, 17).

Рис. 16. Расточной блок, работающий по методу деления толщины среза

Рис. 17. Расточной блок, работающий по методу деления ширины среза

Для растачивания в условиях низкой жесткости целесообразно применять виброустойчивые борштанги (рис. 18, 19). Приведенная конструкция борштанги требует предварительной настройки в зависимости от условий эксплуатации. Твердосплавная борштанга свободна от этого недостатка, но она имеет более высокую стоимость.

Рис. 18. Виброустойчивая борштанга твердосплавная

Рис. 19. Виброустойчивая борштанга со встроенным демпфером

Данные борштанги применяются для чистовой расточки отверстий диаметром от 20 до 46 мм и соответственно длиной 130–330 мм. Допустимая частота вращения данных борштанг естественно будет ограничена классом динамической уравновешенности.