Деревообрабатывающее оборудование
и комплексный инжиниринг

Инструментальная оснастка для обрабатывающих центров с ЧПУ. Часть 1

Часть 1

Обрабатывающий центр с ЧПУ — это многофункци­ональное оборудование, на котором возможна комплек­сная и высокоточная обработка заготовок из древесины, компо­зиционных материалов на ее основе, пластиков и т.д.

Обрабатывающий центр с ЧПУ обладает многофункциональ­ностью за счёт возможности последовательного или парал­лельного (для многошпиндель­ных центров) применения раз­личного режущего инструмента, в частности с помощью системы автоматической смены инстру­мента. При этом эффективность работы центра во многом зависит от оптимального выбора инс­трументальных систем (систем инструментальной оснастки).

Рис. 1. Вспомогательный инструмент с хвостовиком SK 40 и цанговым патроном

Высокоскоростные электро­шпиндели являются важнейшими функциональными механизмами обрабатывающих центров с программным управлением, цикл работы которых полностью автоматизирован. Одним из элементов этого цикла явля­ется автоматическая смена инструментальной системы в шпинделе.

Под инструментальной сис­темой (системой инструмен­тальной оснастки) для автома­тизированного оборудования понимается комплекс, состоя­щий из режущего инструмента, вспомогательного инструмента и приспособлений (или прибо­ров) для их настройки. Вспомо­гательный инструмент служит для быстрого закрепления режущего инструмента в шпин­деле станка.

Повышение производительности обрабатывающих центров с ЧПУ в значительной мере зави­сит от технического уровня вспомогательного инструмента, обеспечивающего возможность сокращения всех составляющих общего времени обработки детали.

Рис. 2. Вспомогательный инструмент SK 30 с термоусадочным патроном и штревелем

В связи с тем, что в современных центрах с ЧПУ все более часто используются высокоскоростные режимы обработки, вспомога­тельный инструмент должен обеспечить:

— минимальные радиальные биения;

— минимальный дисбаланс;

— высокую повторяемость бази­рования;

— высокую жёсткость и вибро­устойчивость.

Кроме того, форма вспомога­тельного инструмента не должна создавать препятствий для эффективного отвода стружки к аспирационной системе.

Хвостовики вспомогательного инструмента

Для установки в шпиндель станка вспомогательный инструмент имеет специальный хвостовик, а также фланец с канавкой под захват манипулятора системы автоматической смены инс­трумента и переднее зажим­ное устройство для крепления режущего инструмента или сменных устройств для уста­новки и закрепления режущего инструмента, отличающегося от стандартного по конструкции и типоразмерам. К таким уст­ройствам относятся различные адаптеры, удлинители, оправки и буксы.

Рис. 3. Штревель и цанга

Наиболее распространёнными типами хвостовика вспомога­тельного инструмента до сих пор остаются хвостовики с крутым цельным конусом SK 7:24 (SK- Steilkegel нем. — крутой конус).

Конструкция таких хвостовиков для обрабатывающих центров выполняется по ГОСТ 25827-93 (Исполнение 2), требования которого соответствуют DIN 69871. На основе этого немецкого стандарта был разработан меж­дународный стандарт ISO 7388. Впрочем, стандарт ISO имеет некоторые отличия. В частнос­ти, он учитывает особенности конструкции шпинделей станков фирмы Morbidelli/SCM. Для ряда станков этой фирмы главным отличием является то, что тор­цевая поверхность хвостовика, прилегающая к торцу шпинделя, имеет зубчатый венец.

Рис. 4. Вспомогательные инструменты HSK-F50 с цанговыми патронами

Наиболее широко в дерево­обрабатывающих центрах с ЧПУ применяются хвостовики типоразмеров SK 30, SK 40 и ISO 30.

Вспомогательный инструмент с хвостовиком MAS 403 BT по японскому стандарту JIS B

6339 обычно используется на станках производства стран азиатского региона. Хвостовик

имеет некоторые конструк­тивные отличия от конс­трукции DIN(ISO) по длине базового конуса, форме, размерам и расположению канавки под захват мани­пулятора.

Поэтому, инструмент с хвос­товиком MAS 403 BT может при­меняться только на станках с соответствующей конструкцией шпинделя.

Рис. 5. Вспомогательный инструмент SK 40 с патроном Weldon

Небольшая, но очень важная деталь в инструментальном оснащении станка – штревель (стяжной болт). Он применяется в конструкции вспомогатель­ного инструмента SK(ISO) и предназначен для надежного закрепления (затяжки) вспо­могательного инструмента в шпинделе станка.

Своей резьбовой частью штре­вель вворачивается в хвостовик. Цанга зажимного механизма станка захватывает штревель за головную часть. Затем зажимной механизм станка закрепляет вспомогательный инструмент в шпинделе.

Штревели выпускаются по раз­личным стандартам: DIN 69872, ISO 7388, MAS 407 ВТ — для инструмента с хвостовиком по MAS 403 BT. Для центров фирмы Morbidelli/SCМ приме­няются штревели особой конс­трукции.

Потребность в новых конструк­циях хвостовика возникла в связи с применением высоко-скоростных станков с частотой вращения более 15000 мин-1. Для высокоскоростной обработки деталей разработан стандарт DIN 59893 (российский аналог — ГОСТ Р 51547-2000) на хвостовики вспомогательного инструмента с обозначением HSK (аббревиату­ра от Hohlschäfte Kegel = полый конический хвостовик). Стандарт DIN 59893 включает в себя 6 типов хвостовиков 35 типоразме­ров. Для деревообрабатывающих центров используются типы E и F, типоразмеров 40, 50 и 63.

В качестве опорной поверхности в соединениях HSK используется торец шпинделя. Эта особен­ность наряду с высоким усилием затягивания обеспечивает пяти-, семикратное повышение дина­мической жесткости соединения по сравнению с конусами SK. При использовании зажимных патронов с хвостовиками типа HSK 63F радиальное биение, воз­никающее при работе двухлез­вийного инструмента, находится в пределах 2-5 мкм при вылете инструмента от 40 до 250 мм.

При установке в коническое гнездо шпинделя хвостовики HSK деформируются в ради­альном направлении (изнутри наружу) и прочно прижимаются к торцу шпинделя. Благодаря этому повторяемость положения инструментов при их смене находится в пределах 100 мкм, а усилие зажима возрастает по мере увеличения центробежных сил.

Для очистки торцевой и кони­ческой поверхности шпинде­лей под хвостовики HSK и SK используются специальные приспособления. Регулярная очистка зажимного устройства шпинделя обеспечивает точное вращение и максимальную пере­дачу усилия.

Например, фирма AKE выпускает такие устройства для HSK 63F (корпус из твёрдого ПВХ) и для SK30,40 (корпус из твёрдой древесины с покрытием из нату­ральной кожи).

Устройства для крепления режущего инструмента

Вспомогательный инструмент для станков с ЧПУ имеет различ­ные устройства для крепления режущего инструмента или сменных устройств. В первую очередь рассмотрим устройства, предназначенные для креп­ления концевого режущего инструмента.

Наиболее распространенными устройствами являются цанговые патроны с разрезной цангой.

Цанговые патроны применяются преимущественно для зажима инструментов с диаметром хвостовика не более 25 мм.

Рис. 8. Вспомогательный инструмент с оправкой для крепления насадных фрез

Инструмент с цилиндрическим хвостовиком удерживается в зажимной цанге посредством стяжной гайки. Меняя цангу, можно крепить в патроне инс­трументы с различными диамет­рами хвостовиков. Цанги могут передавать крутящий момент до 220-250 Н/м и чаще всего выпус­каются с углами конуса 2°52’ (DIN 6388) и 8° (DIN 6499).

Специалисты рекомендуют использовать цанги и патроны с углом 2°52’ (DIN 6388), посколь­ку они способны обеспечивать передачу большего (на 5-10%) крутящего момента.

Патрон, как правило, снабжен стяжной гайкой, опирающей­ся на шарикоподшипник, что обеспечивает необходимое усилие зажима инструмента и незначительное изнашивание цанги. Такие патроны применимы для инструментов правого и левого вращения. Равномерный ход инструмента обеспечивается при условии полной сбалансиро­ванности не только патрона, но и стяжной гайки. Можно сказать, что цанговый патрон - это типо­вое зажимное устройство для инструментов с цилиндрическим хвостовиком, вращающихся с частотой до 24000 мин.-1 и допускающих несоосность не более 0,02 мм. Используя пре­цизионные зажимные цанги и регулярно производя их замену, можно обеспечить стабильную работу инструмента и высокое качество обработки.

Патроны Weldon с боковым креп­лением (с одним или двумя зажим­ными винтами) предназначены для крепления инструментов с диаметром хвостовика от 6 до 32 мм. Они обеспечивают высокую степень жесткости. Режущий инструмент в этом случае должен иметь специальную лыску (или две лыски) под фиксирующий винт (или два винта). По сравне­нию с термоусадочными, патроны Weldon обеспечивают такой же уровень жесткости фиксирования, но у термоусадочных патронов значительно ниже радиальное биение.

Устройства Weldon хорошо под­ходят для фрезерования по формату и для предварительного (чернового) фрезерования с большим съемом материала. Форма патрона разрабатывается с учетом оптимального отвода стружки к вытяжной системе. Он может использоваться как для правого, так и для левого вращения. Максимально допус­тимая частота вращения 24000 мин-1. Однако, на практике такие устройства используются при частоте вращения шпинделя не более 15000 мин-1. Для профили­рования и чистовой обработки они подходят только условно.

Патроны с гидравлическим зажи­мом используются для высоко­точного крепления концевого инструмента. Они обеспечивают минимальные осевые биения режущего инструмента, но при этом способны передавать мень­шие крутящие моменты по срав­нению с цанговыми (на 20-30%). А по сравнению с патронами типа Weldon и термоусадочными пат­ронами у гидрозажимных пере­даваемый крутящий момент ниже более, чем в два раза. Поэтому они используются для чистовой обработки поверхностей при небольших нагрузках.

Необходимое для зажима хвос­товика давление создается в кольцевой камере патрона при повороте по часовой стрелке спе­циального винта с внутренним шестигранником, установленно­го в предохранительном кольце. Помимо точности крепления инструмента к достоинствам патронов с гидравлическим зажимом следует отнести воз­можность применения на высо­ких частотах вращения шпинделя (снижение центробежных сил из-за отсутствия крепежных эле­ментов), а также виброгасящий эффект жидкости.

Для надежного фиксирования инструментов, например, при возможном снижении давления, хвостовая часть инс­трумента оснащается предох­ранительными винтами. Винт выбирается в зависимости от размера хвостовика инстру­мента. Концевые фрезы, выпол­ненные целиком из твердого сплава, обязательно должны иметь фиксирующий винт и, кроме того, специальную насадку (втулку) из стали на хвостовике. Соединение между хвостовиком твердосплавного инструмента и стальной насадкой должно быть прочным (пайка, термоусадка или склеивание). Максимально допустимая частота вращения для гидрозажимных патронов — 25000 мин-1.

Патроны с гидравлическим зажимом часто выпускаются для крепления концевого инструмента с диаметром хвосто­вика 25 мм. Концевой инструмент с меньшим диаметром хвостовой части может быть зафиксирован с помощью переходной втулки. Но при использовании переходных втулок уменьшается усилие зажима и возрастает радиальное биение. Поэтому переходные втулки рекомендуется исполь­зовать только в исключительных случаях.

Альтернативой перечисленным выше типам патронов являют­ся термоусадочные патроны, в которых разогрев посадочного отверстия осуществляется с помо­щью индукционных устройств с высокочастотными генераторами. При этом посадочное отверстие в патроне увеличивает свой диаметр и позволяет закреплять в нем инструмент при последую­щем охлаждении. Конструктивно усадочный патрон представляет собой легкое тело вращения, в котором нет ни одной подвижной детали. Поэтому его собственная несбалансированность чрезвы­чайно мала. Диаметр зажимаемых хвостовиков — 3-32 мм, время термозажима — от 3 до 7 сек. Для надежного крепления хвостовик инструмента должен выполняться по 6 квалитету точности и входить в посадочное отверстие на глу­бину не менее 2,5d.

Усадочные патроны центрируют хвостовик с эксцентриситетом не более 0,002 мм и поэтому позволяют повысить частоту вращения до 40000 мин.-1 Они обеспечивают высокое качество обработанной поверхности, сохраняя его в течение всего срока службы. Кроме того, благодаря непревзойденной жесткости крепления режущего инструмента, они способны надежно работать при больших нагрузках.

Рис. 9. Пример системы инструментальной оснастки для фрезерования фальца дверного полотна

Для закрепления инструмента этим способом созданы две установки: с верхним и нижним расположением индукционной катушки. Часто для этих целей используется специальное пере­носное устройство, которое содержит в одном корпусе блок нагрева индукционного типа и узел охлаждения.

Эффективность применения термоусадочных патронов резко возрастает по мере увеличения диаметра хвостовика. Исследова­ния показали, что при диаметре хвостовика инструмента более 11 мм наибольший крутящий момент воспринимают термо­усадочные патроны, причем по мере увеличения диаметра хвостовика создаваемое усилие зажима возрастает быстрее по сравнению с другими типами патронов. Перечисленные пре­имущества позволяют применять термоусадочные патроны для высокоскоростного фрезеро­вания, для обработки деталей с большой нагрузкой (большим съемом материала), для черновой обработки и др. Патроны этого типа — неотъемлемая часть современных обрабатывающих центров с высокооборотными шпинделями.

Помимо концевых инструментов в обрабатывающих центрах с ЧПУ используется и насадные, имеющие посадочное отверстие и устанавливаемые на специаль­ных оправках. Как патроны, так и оправки имеют конические хвостовики (SK, HSK и ВТ), позво­ляющие автоматически забирать их из гнезд многопозиционных магазинов и устанавливать в шпиндель.

Длина рабочей части оправки может быть подобрана согласно условиям эксплуатации или в соответствии с применяемым режущим инструментом. Поса­дочные отверстия инструментов, фиксируемых на оправке, должны иметь допуск не более H7.

Необходимые для крепления отдельного инструмента или блоков на оправке зажимные шайбы могут быть изготовле­ны в разных исполнениях: с предохранением от проворота и без него. Зажимные шайбы с предохранителем от проворота используются только для инстру­ментов, которые не фиксируются на оправке шпонками, штифтами или винтами.

Зажимные шайбы без предох­ранителя от проворота исполь­зуются в качестве завершаю­щего элемента для установки отдельных инструментов или блоков инструментов, прочно соединенных с оправкой.

Оправки могут быть выполне­ны в виде сменных устройств вспомогательного инструмента (агрегатированный вспомога­тельный инструмент). Базисная часть в этом случае представляет собой хвостовик SK, HSK или ВТ с фланцем и канавкой под захват манипулятора, а также с устройством для крепления оправки или другого сменного устройства (например, цангового или трехкулачкового патрона). Однако, такой способ формиро­вания инструментальной системы увеличивает погрешности креп­ления режущего инструмента за счет появления дополнительного разъема со своими погрешностя­ми базирования. Это накладывает ограничения на частоту вращения шпинделя, снижает точность и качество обработки.

Применяются оправки различной конструкции для установки насадных фрез, дисковых пил и дробилок.

Универсальные трехкулачковые патроны используют для креп­ления инструментов с цилинд­рическими хвостовиками диа­метром до 16 мм. Направление вращения возможно как правое, так и левое. Быстросменные трех­кулачковые патроны крепятся в шпинделе центра с помощью хвостовиков типа SK, HSK и ВТ. При выборе патрона следует обратить внимание на закалку зажимных губок, а также на необходимость защиты от попа­дания внутрь пыли и стружки. Универсальные патроны можно использовать для крепления сверл, а также концевых фрез с диаметром хвостовика до 16 мм. Они обеспечивают точное цент­рирование (радиальное биение не более 0,02 мм) и достаточное усилие зажима концевых инстру­ментов при частоте вращения до 6000 мин.-1

Предложения компании «Тул Лэнд»

Компания «Тул Лэнд» предлагает вспомогательный инструмент для станков и обрабатывающих центров с ЧПУ и автоматической сменой инструмента производс­тва широко известной в России польской фирмы FABA. Продук­ция этой фирмы сумела занять достойное место на мировом и российском рынке дереворе­жущего инструмента благодаря высокому уровню качества при вполне доступных ценах.

В офисе продаж компании «Тул Лэнд» вы можете заказать вспомогательный инструмент с хвостовиками SK 30 (ISO 30) и штревели к ним, которые соответствуют конструкции подавляющего большинства шпинделей станков и центров европейского производства. Этот вспомогательный инструмент оснащен цанговыми патронами со сменными прецизионными цангами под хвостовики конце­вого инструмента диаметром от 4 до 25 мм. Этот вспомогательный инструмент предназначен для работы в шпинделях с частотой вращения до 24000 мин-1.

Кроме цанговых патронов вспо­могательный инструмент ISO 30 оснащается патронами типа Weldon под диаметры хвосто­виков режущего инструмента от 6 до 25 мм.

Для насадных фрез предлагаются оправки с хвостовиками ISO 30 рабочей длины 73, 93 и 103 мм под фрезы с диаметром посадоч­ного отверстия 30 и 40 мм.

Для высокоскоростной обра­ботки в ассортимент вспомога­тельного инструмента фирмы FABA включены системы с хвостовиками HSK 50 F и HSK 63 F с цанговыми патронами и патронами типа Weldon. Пре­имущества хвостовиков HSK позволяют предложить оправки под насадные фрезы длиной до 123 мм (HSK 63 F).

Вспомогательный инструмент фирмы FABA точно сбаланси­рован, обеспечивает быструю смену режущего инструмента и надежное крепление в шпинделе станка.

В следующем номере нашего журнала мы рассмотрим современный режущий инструмент,приспособления и приборы для сборки и настройки систем инструментальной оснастки, применяемых для станков и обрабатывающих центров с ЧПУ, а также основные принципы, которыми следует руководствоваться при выборе таких систем.

Список номеров