Потребность в новых решениях по закреплению инструмента
возникла в связи с ростом выпуска станков для высокоскоростной
обработки. Первые опыты в этой области подтвердили предположения о
возрастании роли центробежных сил с ростом частоты вращения
инструмента.
Определяющими являются как величины масс инструмента,
так и смещение их центров относительно оси вращения. Очевидно, что
большие центробежные силы способны деформировать инструмент, исказить
траекторию его движения и даже разрушить элементы системы шпиндель
станка-инструмент-деталь.
Уже на стадии эксперимента в Высшей
технической школе в г. Аахене (Германия) было установлено, что широко
применявшиеся на станках с ЧПУ хвостовики инструмента с конусом 7:24
имеют слишком большую массу, что приводит к появлению осевой
составляющей центробежной силы, сопоставимой с силой закрепления
хвостовика инструмента в шпинделе. Так как эти силы направлены в
противоположные стороны, то происходит раскрепление инструмента,
нарушение его базирования и, следовательно, потери его точности и
жёсткости.
Поэтому был предложен ряд конструкций хвостовиков,
позволяющих значительно снизить указанные потери. После промышленных
испытаний сделан выбор в пользу полых конических хвостовиков HSK
(Hohlshafte Kegel) [1].
Инструмент с полым хвостовиком HSK закрепляется
кулачками в шпинделе с помощью тяги и нажимной втулки. Возврат
кулачков в положение разжима осуществляется пакетом пружин. Крутящий
момент передаётся через торец хвостовика шпонками. Важным является
силовое замыкание торца фланца хвостовика HSK на торец шпинделя,
которое возможно за счёт особо точного изготовления обоих сопрягаемых
изделий в пределах 0,002–0,006 мм как по базовым диаметрам конусов 1:10,
так и по осевому биению торцовых поверхностей.
Испытания новых
хвостовиков показывают, что их статическая податливость составляет
(1...2)x10-3 мкм/Н или в 6...7 раз выше, чем у конусов 7:24. При
динамических испытаниях подтверждён положительный эффект самозакрепления
хвостовиков HSK за счёт увеличения раскрытия кулачков 3 от возникающих
центробежных сил. В России новые хвостовики внедряются на основе
Государственного стандарта, который разработан в ОАО
«ВНИИинструмент».
Однако и с применением новых хвостовиков остаётся
проблема дисбаланса инструментальных блоков, собранных из
вспомогательных и режущих инструментов различной конфигурации, состоящих
из нескольких деталей. Поэтому актуальным является поиск методов сборки
инструментальных блоков с минимальным количеством деталей и минимальным
дисбалансом.
В настоящее время для закрепления инструмента на
высокоскоростных станках начали применять соединения по «горячей»
посадке, хорошо известные как посадки с натягом типа Н7/р6, Н7/n6,
образуемые соединением нагретых деталей.
Действие зажимных патронов
для закрепления по «горячей» посадке основано на том, что при нагревании
посадочное отверстие увеличивается в диаметре. Хвостовик закрепляемого
инструмента вставляется в это расширенное отверстие патрона.
При охлаждении до комнатной температуры диаметр отверстия
патрона возвращается к нормальному размеру, при этом возникают очень
большие зажимные усилия. Если закрепление осуществляется в диапазоне
упругих деформаций материала патрона, то оно может быть повторено
многократно.
Главными факторами при таком закреплении являются: время
нагрева, эффективная температура и направление теплового потока через
патрон.
В зоне, ограниченной участком сопряжения патрона и
хвостовика закрепляемого инструмента, нагревание до необходимой
температуры возможно, менее чем за 10 секунд. После установки
или извлечения режущего инструмента патрон охлаждается достаточно
быстро, чему способствует относительно большая масса патрона.
Распространение тепла в инструменте происходит значительно медленнее,
чем в теле патрона, так что инструмент имеет температуру вполне
применимую для его извлечения.
Можно перечислить главные
преимущества такой системы:
— быстрое закрепление и раскрепление:
— большие значения сил закрепления;
— отсутствие элементов,
провоцирующих возникновение центробежных сил при больших частотах
вращения;
— высокая изгибная жёсткость и низкая радиальная
контактная податливость;
— маленькие габариты патрона;
— высокая
точность закрепления за счёт изготовления посадочного отверстия с
концентричностью 0,003 мм относительно оси хвостовика патрона;
—
соответствие условиям высокоскоростной обработки и улучшенная
динамическая сбалансированность конструкции.
Одним из вариантов
практического использования «горячих» посадок является нагревание токами
высокой частоты (ТВЧ) [2].
Концентрированное переменное магнитное
поле создаёт вихревые токи в материале патрона. Выбранная частота
обеспечивает короткое время нагрева узкой полосы по периметру зоны
зажима. Высокая скорость этого процесса снижает уровень передачи тепла в
хвостовик инструмента. Это даёт возможность извлекать твёрдосплавный
инструмент из патрона также хорошо, как и инструмент из стали с
коэффициентом теплового расширения одинаковым с материалом патрона.
Установка выполняется как настольный прибор, в который встроены
высокочастотный генератор и контрольные датчики. Диапазон зажима от 6 до
32 мм обеспечен 3-мя индукторами, которые легко и быстро заменяются.
Рабочая зона выполнена из
специального теплостойкого материала для обеспечения длительного срока
эксплуатации.
Для эксплуатации генератора используется трёхфазное
напряжение 380В с максимальным значением тока 16А и сжатый воздух с
давлением 6 бар. На передней стенке генератора расположена панель
управления для выбора программ нагрева с применением подсказок из меню.
При ручном управлении все параметры нагрева могут быть введены с
отображением на дисплее. С помощью процессора могут быть выбраны
мощность и время нагрева в зависимость от введённых параметров
инструмента.
После пуска системы, охлаждаемый воздухом индуктор
автоматически устанавливается на патроне. Как только индуктор встает на
место, включается нагрев. Он продолжается от 5 до 10 секунд, в
зависимости от диаметра инструмента. После этого автоматически
начинается процесс охлаждения.
Для нагрева всей массы патрона с
хвостовиком HSK63 до температуры 2000С требуется энергия порядка 100
кДж. Если нагревать только зону закрепления, то потребность в энергии
сокращается до 20 кДж, а время охлаждения сокращается
пропорционально.
Для сокращения времени охлаждения используются
аллюминевые радиаторы. Эффект охлаждения достигается путём контакта
радиаторов с нагретой зоной патрона. При этом происходит очень быстрая
теплопередача на ребристую поверхность радиаторов, которые в свою
очередь дополнительно охлаждаются электрическим вентилятором, что
повышает эффект охлаждения в 10 раз.
В то время как один патрон с
установленным инструментом охлаждается в адаптере, следующий инструмент
может быть нагрет и заменён. В этой последовательности, возможно,
заменить 3-4 инструмента в минуту. При большом количестве закреплений
рассматриваемый метод горячих посадок обеспечивает удобное, безопасное и
экономически эффективное обслуживание.
Удерживающие силы, возникающие
в результате закрепления по «горячей» посадке значительно больше, чем в
других известных системах закрепления, и столь велики, что по уровню
вибраций образующийся инструментальный блок равноценен цельному
инструменту той же конфигурации. Точность установки по параметру
концентричности при таком методе также аналогична цельному инструменту.
Перемещение закреплённого инструмента вдоль оси вращения при
фрезеровании, которое является хорошо известной проблемой для других
зажимных патронов, исключается при зацеплении по «горячей» посадке.
В
описываемой системе закрепления возможно закрепление как быстрорежущего,
так и твёрдосплавного инструмента с одинаковым качеством. Для этого
используются одни и те же патроны. Для изготовления зажимных патронов
применяются специальная жаропрочная сталь и специальный процесс
термообработки, что позволяет сохранять высокую точность и упругие
свойства патронов при практически неограниченном количестве
перезакреплений (свыше 5000). Температурный диапазон 300-340°С,
необходимый для «горячих» посадок, значительно ниже температуры, при
которой могут произойти структурные изменения в материале зажимного
патрона.
Аналогичные системы разработаны другими известными
инструментальными фирмами. Тепловое воздействие с помощью ТВЧ
применяется в системе «Schrumpfgerat» [3], а с помощью перегретого
воздуха или газовой горелки — в системе «PYRO quart»
[4].
Литература:
1. DIN 69893. Kegel-Hohlschafte mit
Plananlage
2. Thermogrip/Thermic tool clamping. Bilz.1999.
3.
Wezkzeug — und Formenbau. Walter.1999.
4. High Speed Cutting (HSC).
MARWIN cutting tools.1999