Основные способы соединения инструмента со шпинделем
В современном станкостроении применяется несколько ключевых методов для надежного присоединения инструментального блока к шпинделю станка или револьверной головке. Каждый из них имеет свои особенности, преимущества и области применения.
Классическое соединение с конусом 7:24
В станках сверлильно-фрезерно-расточной группы исторически наиболее распространено соединение с использованием конических поверхностей, имеющих стандартную конусность 7:24. Главное преимущество такого конуса — отсутствие самоторможения, что значительно облегчает извлечение оправки из шпинделя. Передача крутящего момента осуществляется через торцовые шпонки. Фиксация оправки внутри шпинделя обеспечивается с помощью тяги и тарельчатых пружин или затяжного винта, приводимого в действие гидроцилиндром или электродвигателем.
Однако с развитием технологий, особенно высокоскоростной обработки на станках с ЧПУ, у этого классического типа соединения выявился ряд существенных недостатков:
- Большая масса и сложность балансировки, что повышает риск возникновения вибраций в процессе работы.
- Значительные центробежные силы на высоких оборотах, вызывающие деформацию («вспучивание») оправки. Это может привести к её выдвижению из шпинделя, снижению жесткости и надёжности соединения, а в некоторых случаях — к заклиниванию при резком торможении.
- Изменение условий контакта между шпинделем и оправкой, что ведет к заклиниванию хвостовика или, наоборот, появлению недопустимых зазоров.
- Подвижки в шпоночном соединении под действием центробежных сил, что критично при экстремально высоких частотах вращения.
Инновационное соединение HSK (Hollow Shank Kegel)
В ответ на эти вызовы было разработано и получило широкое распространение соединение типа HSK (Hollow Shank Kegel), созданное в Аахенском техническом университете в Германии. Его принципиальные отличия:
- Значительно меньшие диаметр и длина конуса по сравнению с классическим.
- Двойное базирование: как по конической, так и по торцевой поверхности, что предотвращает чрезмерное затягивание оправки в шпиндель.
- Полый конус, благодаря которому хвостовик и шпиндель под действием центробежных сил работают в сходных условиях, минимизируя риск деформации.
Габаритные размеры соединения типа HSK
Параметр | Значения (мм)
--- | ---
Наружный диаметр | 32, 40, 50, 63, 80, 100
Диаметр конуса d2 | 24, 30, 38, 48, 60, 75
Длина конуса | 16, 20, 25, 32, 40, 50
Конусность | 1:10
Существует два основных варианта зажима оправки HSK:
- Ручной зажим (часто используется в револьверных головках): поворот установочного винта разводит зажимные кулачки, которые создают силу F. Её осевая (Foc) и радиальная (Fp) составляющие обеспечивают плотный прижим оправки к шпинделю.
- Автоматический зажим (для станков с автооператорами): коническая тяга, перемещаясь, разводит сегменты цанги, которые входят в контакт с внутренней поверхностью хвостовика, создавая аналогичную силу зажима F.
Специфика соединений в токарных станках
В станках токарной группы также применяются разнообразные методы крепления. Инструменты могут устанавливаться непосредственно в резцедержатель или через переходные оправки и втулки. Конструкции фиксации постоянно совершенствуются:
- Система Sandvik Coromant: Инструментальные блоки базируются по трём точкам в горизонтальной плоскости и двум стенкам в вертикальной. Зажим осуществляется подпружиненной тягой, которая при смене инструмента разгружается, обеспечивая жесткое и надежное соединение.
- Система Krupp Widia: Крепление блока происходит на цилиндрической цапфе державки. Центральная тяга, перемещаясь, воздействует на наклонные штифты, которые входят в выточку блока, подтягивая его к торцу державки. Крутящий момент передается шпонками.
- Система Kennametal-Hertel: Соединение головки с державкой происходит через зацепление плоских зубчатых полумуфт. Затяжка в осевом направлении выполняется тягой в цанговом патроне.
Перспективное соединение Capto
Особого внимания заслуживает высокоэффективное соединение типа «Capto», которое используют многие ведущие производители. Оно основано на принципах HSK, но хвостовик имеет трёхлепестковую (тригональную) форму в поперечном сечении. Как и в HSK, используется двойное базирование по конусу и торцу. Уникальность Capto заключается в том, что под нагрузкой от сил резания в самом соединении возникают упругие напряжения, создающие дополнительный эффект зажима с усилием в несколько тонн. Это делает соединение исключительно жестким и компактным, что позволяет успешно применять его не только в токарных, но и в сверлильно-фрезерно-расточных станках для установки режущих инструментов в шпиндельные оправки.