Д-р Андре Фрич (Andree Fritsch), Leuco Ledermann GmbH & Co. KG, Horb (Германия)

Когда речь заходит о факторах производства, определяющих наивысшее качество выпускаемых изделий, то в первую очередь говорят об инструменте. Но даже самый совершенные фрезы, сверла или пилы не смогут реализовать свои возможности, если между ними и шпинделем станка не будет своеобразного переходного интерфейса – системы крепления. Практика показывает, что часто в ускоренном износе или даже поломке инструмента повинны именно загрязненные или изношенные зажимные патроны. А при разрушении они представляют серьезную угрозу безопасности и здоровью оператора оборудования. Таким образом, добротно сработанная и точная система крепления не только является ключевым технологическим моментом, позволяющим добиться скоростной высококачественной обработки заготовки, но и играет важнейшую роль в обеспечении безопасности на рабочем месте.

Для концевого инструмента и сверл система крепления является переходным элементом между ними и шпинделем. Именно на нее возложена задача передачи крутящего момента и поглощения продольных и поперечных сил, возникающих во время обработки. При этом устройство зажима хвостовика должно обеспечивать точность позиционирования осей инструмента и шпинделя станка.

Практика показывает: уменьшение биений в 2 раза, как правило, вдвое продлевает ресурс стойкости режущей кромки инструмента. Одновременно, вес самого зажимного устройства должен быть как можно меньше, и оно не должно вносить какой-либо дисбаланс в работу станка или вызывать вибрацию.
У пользователей, как правило, нет возможности провести достаточно точные измерения и правильно оценить качество и точность изготовления той или иной системы крепления. Поэтому им при покупке оборудования необходимо обратить самое пристальное внимание на то, чтобы зажимной патрон соответствовал современным стандартам DIN, EN, ISO. Сертифицированные по этим стандартам инструменты сейчас предлагают все ведущие производители. Таким образом, приобретение станка с качественным устройством крепления становится первым шагом к производству продукции, пользующейся повышенным спросом. Я могу только предостеречь от покупки дешевых изделий малоизвестных производителей.

Инструмент и устройство крепления
Прежде, чем вставить инструмент в зажимной патрон, необходимо изучить информацию, указанную на нем. Обычно это максимальная скорость вращения (количество оборотов в минуту) и максимально допустимое отклонение от оси (эксцентриситет), которые указаны после информации об инструменте (диаметр и высота обработки). На концевом инструменте также помечена минимальная длина крепления. В этом случае важно вставлять хвостовик так глубоко, как это возможно, или произвести данную операцию в соответствии с требованиями, предъявляемыми к зажимному устройству (они указываются в его инструкции). Как правило, хвостовик необходимо утопить в патрон хотя бы до отметки, которая показывает минимальную длину зажима – это поможет избежать поломки инструмента или самораскрытия патрона при нарастании биений. Хочу отметить, что категорически запрещается вносить какие-либо изменения в хвостовики фрез и сверл, т.е. осуществлять их шлифование и подточку. Ведь при этом диаметр зажимаемой части может измениться и оказаться меньше минимального зажимаемого диаметра цанги, что будет иметь самые непредсказуемые последствия, к примеру, приведет к постепенному выскальзыванию хвостовика.

Устройства крепления для стандартной и ЧПУ технологий
Наиболее распространенным из всех устройств крепления инструмента является цанговый патрон - его можно увидеть на любом предприятии. Несмотря на то, что этот способ зажима проверен временем и довольно дешев, следует сделать несколько замечаний.
Цанговый патрон состоит из трех главных элементов: а) корпуса патрона, b) цанги и с) зажимной гайки

Чистота обработки и эксплуатации поверхностей патрона является основным фактором, определяющим точность взаимодействия этих трех составляющих частей. Любое загрязнение функциональных поверхностей 1-5 в конечном итоге приводит к неточности их соединения, что может повысить амплитуду биений до максимально допустимой и даже выше. В худшем случае биение инструмента способно ослабить зажимную гайку. Поэтому цанговые патроны следует применять только на станках со скоростью вращения инструмента не более n = 20000 об./мин. При более высоком количестве оборотов рекомендуются использовать высокоточные гидравлические и обжимные системы.
Когда зажимная гайка затягивается, между отдельными функциональными поверхностями возникают силы трения. Как результат - цанговый патрон подвержен износу, который может усилиться из-за ошибок в эксплуатации. Именно поэтому все известные производители рекомендуют хотя бы раз в год менять цанговые патроны, чтобы обеспечить высокое качество крепления инструмента.
Современные станки предлагают скорости работы, которые значительно превосходят n = 20000 об./мин, и, соответственно, предъявляют более жесткие требования к точности и соостности крепления. В этих случаях используются гидравлические или обжимные системы. Из-за меньшего уровня деформации здесь становится возможным использование инструмента с хвостовиками высокой точности обработки. Допуск обработки хвостовика должен достигать, по меньшей мере, g7, однако рекомендуется использование хвостовиков и с g6. Хвостовики с зажимными поверхностями, такими как Weldon, в большинстве случаев не применимы, потому что вызывают необратимую деформацию в зажимной области и, тем самым, разрушают устройство крепления.
Гидравлический зажимной патрон представляет собой закрытую, заполненную маслом систему, в которой для зажима инструмента используется гидравлическое давление.

Создает давление гайка - ее поворачивают шестиугольным гаечным ключом. При этом давление во внутреннем масляном резервуаре с помощью поршня доводится до 400 бар. В результате зажимное кольцо зажимает хвостовик. Как правило, высококачественные гидравлические зажимные системы, предлагаемые известными производителями, имеют две зоны давления, что позволяет надежно предотвратить любое биение инструмента. Погрешность соосности системы «инструмент - зажимной патрон» находится в диапазоне 3 мм.

Обжимные патроны – еще один способ установки инструмента, предлагающий сравнимую степень соосности. Следует различать два типа подобных систем: термические или тепловые обжимные патроны и так называемое крепление инструмента силовым обжатием. Для работы, как с первой, так и со второй системой требуется специальное оборудование.
Термическая обжимная технология основана на физическом принципе расширения металла под действием температуры. Патрон в этом случае нагревается (обычно индуктивно) в специальном устройстве (рис. 5, слева). Зажимное кольцо расширяется – теперь в него можно вставить инструмент. Во время последующего охлаждения зажимное кольцо сжимается и надежно захватывает хвостовик. Благодаря небольшому времени нагрева современные индукционные нагреватели позволяют работать со стальным и твердосплавным инструментом.

Система зажима инструмента силовым обжатием использует другой физический принцип (рис. 6, слева). Сечение зажимного отверстия здесь имеет не круглую, как в других случаях, а многоугольную (полигональную) форму (рис 6.1, слева). Оно становится круглым только в том случае, когда его сдавливают, как правило, при помощи специального пресса (рис. 6, справа). В результате в зажимное отверстие можно вставить хвостовик инструмента (рис. 6.3, слева). Когда на патрон перестает действовать давление, он принимает прежнюю форму и зажимает хвостовик (рис. 6.4, слева). Благодаря этим принципам термические обжимные патроны и системы крепления инструмента силовым обжатием могут быть очень тонкими и занимают мало места.

Помимо зажимных систем, описанных выше, для концевого инструмента имеется множество различных зажимных патронов для быстрой смены сверлильного инструмента, описание которых выходит за рамки данной статьи. Однако и тут для пользователей действует общее правило: следует применять только оборудование известного производителя.

Зажимные устройства для поточных производств
Классическим зажимным устройством для станков, работающих в проходном режиме, в настоящее время все еще остается система на основе крепежного фланца (рис. 7, слева). Он устанавливается на шпиндель станка с конструктивно выверенным зазором и закрепляется при помощи накидной гайки. Благодаря посадке с зазором между сверлом и шпинделем осевые биения предопределены, и пользователь практически не имеет возможности как-то повлиять на них. В этом случае, лучшее решение может предоставить применение гидравлических систем крепления с двумя зажимными зонами (рис. 7, справа). Они позволяют не только добиться практически идеальной соосности, но, что даже более важно, поддерживать ее постоянно.

В настоящее время разработаны так называемые гидравлические зажимные патроны, которые зажимают не только шпиндель, но и инструмент, и действуют как внутрь, так и наружу. На рис. 8 представлен пример такого патрона с системой быстрого крепления. В этом случае инструмент крепится не при помощи гаек, а на байонет, в котором используются также зажимные болты. (Байонет - быстрое соединение деталей, при котором одна из них с прорезью насаживается на другую с соответствующим выступом и поворачивается так, чтобы выступ стопорил деталь, - прим ред.). Во время смены инструмента в систему быстрого крепления подается сжатый воздух, который ослабляет зажимные болты. После этого, легким вращательным движением руки, инструмент можно вынуть из байонета и установить новый, повторив всю процедуру в обратном порядке.

Заключение
Системы крепления – важнейшие переходные узлы между инструментом и шпинделем. Срок службы инструмента, качество обработки заготовки и безопасность рабочего места, – все это в значительной степени зависит от них. В этой статье мы познакомились с фундаментальными принципами взаимодействия элементов системы «инструмент – зажимная система – шпиндель». Читатели получили представление о наиболее совершенных из представленных на рынке систем, а также об их основных отличительных чертах. Важно еще раз повторить, что приобретение той или иной системы крепления – вопрос доверия, так как из-за сложности необходимых измерений пользователь едва ли получит когда-нибудь возможность заранее гарантировать качество изделия. Поэтому стоит последовать совету специалиста, который непременно поможет выбрать наилучшую систему для решения любой производственной задачи.

Рис. 1. Общая схема системы «шпиндель – устройство крепления – инструмент»

Составляющие биений инструмента
- эксцентриситет шпинделя
- эксцентриситет крепления шпиндель – зажимной патрон
- эксцентриситет зажимного патрона
- эксцентриситет крепления зажимной патрон – инструмент
- эксцентриситет инструмента

Рис. 2 Информация об инструменте, отмеченная на хвостовике в соответствии со стандартом EN 847
Макс. количество оборотов (RPM) = 12.000 при эксцентриситете е = 0,06 мм
Маркировка:
n max = 12000 e 0.06
также отмечена минимальная длина крепления хвостовика

Рис. 3. Общий вид и функциональные поверхности цангового патрона
а) Корпус патрона
b) Цанга
с) Зажимная гайка

1. Внутренняя поверхность цанги
2. Внутренняя конусообразная поверхность патрона
3. Внешняя конусообразная поверхность цанги
4. Рабочая поверхность зажимной гайки
5. Вкладыш

Рис. 4. Общий вид гидравлического зажимного патрона

Рис. 5. Принцип работы термической обжимной технологии и термофотография процесса
Инструмент
Индукционная катушка (для операции нагрева)
Охлаждающий элемент (для операции охлаждения)
Термический зажимной патрон
Приспособление

Рис. 6. Принцип работы системы крепления инструмента силовым обжатием и пресс

Рис. 7. Классический крепежный фланец и гидравлическая зажимная система

Рис. 8. Гидравлическая система быстрого крепления, действующая в двух направлениях с двумя зонами зажима
Внутренняя зона зажима
Внешняя зона зажима
Болт для быстрого крепления

Еще новости на эту тему:
	Определение качества инструмента
	Алмазные фрезы LEUCO с P-SYSTEM - больше чем просто новый инструмент