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.