Санкт-Петербург: +7 (812) 603-42-02
Москва: +7 (499) 653-94-95

Шпиндельная оснастка фрезерных станков. Особенности и сравнительный анализ.

 

Если сравнивать отдельные системы инструментальных оправок, их технические характеристики и их сопряжение со шпинделем станка, становится ясным, что оптимальной системы инструментальной оправки для всех случаев применения не существует. Выбор системы ― это всегда уникальное решение, которое зависит от множества параметров. Инструментальная оправка не может рассматриваться как изолированная часть, ее необходимо рассматривать во взаимодействии со всей системой, состоящей из зажима заготовки, инструмента, инструментальной оправки, шпинделя и станка. В качестве крайнего сопряжения с обрабатываемой деталью, инструментальная оправка играет важную роль не в последнюю очередь потому, что способна хотя бы частично компенсировать слабые стороны всей системы.

Выбор идеальной системы инструментальной оправки должен происходить в несколько этапов. Во-первых, очень важно определить основные критерии, существенно влияющие на общую стабильность процесса. Сюда входят требуемое усилие зажатия, радиальная жесткость, выступающий контур и, если учитывается, стабильность в высокоскоростных применениях. На втором этапе центр внимания сосредотачивается на критериях качества, влияющих на качество, точность и производительность технологического процесса. Сюда входят точность обработки и повторяемость, качество балансировки, поглощение вибраций, подача охлаждения и возможность настройки длины. И наконец, на третьем этапе, рекомендуется рассмотреть экономические критерии в рамках анализа экономической эффективности инвестиций, критерии "затраты-выгоды" (то есть оценку затрат, срока службы, гибкости и возможности повторного использования, а также затрат на выполнение предстоящих операций).

Базовые критерии жизненно важны для стабильности процесса
Зажимное усилие инструментальной оправки определяет, до какой степени момент на сопряжении оправки и инструмента будет контролируемым. Если зажимное усилие достаточно по величине, то зацепление режущей кромки инструмента с материалом будет равномерным. Если усилие недостаточно, инструмент начнет проворачиваться в оправке, и рез будет нестабильным. В крайних случаях инструмент может быть полностью выброшен из оправки.  Последние технологические разработки позволяют увеличить усилия зажатия гидравлических зажимных патронов до такого уровня, что стала возможной даже силовая механическая обработка деталей. Имея диаметр 20 мм, современные гидравлические зажимные оправки способны передавать моменты величиной до 900 Нм.

Высокая радиальная жесткость обеспечивает значительные усилия резания (например, большие величины и высокие скорости подачи инструмента). Поэтому она является важным критерием в случае силовой обработки, поскольку оказывает решающее влияние на время обработки и, тем самым, на производительность, а также на возможный вылет инструмента. Радиальная жесткость зависит от свойств материала инструментальной оправки (модуля Е) и его обработки, от геометрической формы оправки и от способа ее встраивания в общую систему станка, в частности, от сопряжения со шпинделем станка. Проще говоря: чем короче инструментальная оправка, чем больше ее диаметр, тем более однородной является система, состоящая из инструмента и его крепления, тем прочнее крепление инструмента и тем шире опора для держателя на шпинделе, и, следовательно, больше радиальная жесткость.

 

Если заготовки обрабатываются на современных 5-осевых станках всего за два шага зажатия, доступ к заготовке играет существенную роль. Для этого необходимы тонкие инструментальные оправки, способные передавать достаточно высокий момент, обеспечивая при этом высокую точность обработки детали. В случае необходимости, в особо узких местах, в качестве альтернативы, используются удлинительные вставки, устанавливаемые между инструментом и оправкой. В отличие от инструментальных оправок, оптимально сопрягаемых с интерфейсом шпинделя, удлинители инструмента могут использоваться достаточно гибко. Они доступны с различными технологиями зажатия.

Если во время высокоскоростной резки скорости вращения шпинделя достигают 80 000 об/мин и более, инструментальные оправки должны соответствовать особым условиям с точки зрения геометрии, концентричности, качества балансировки, а также с точки зрения надежности при смене инструмента. Чем меньше диаметр зажатия, тем быстрее не только механические универсальные, но и терморазжимные и гидравлические инструментальные оправки достигают пределов своих возможностей, будь то потому, что доступное пространство недостаточно для соответствующего зажимного механизма или потому, что инструменты таких небольших размеров невозможно надежно заменять или точно регулировать. Другие технологии зажатия, такие как технология полигонального зажатия, которая не содержит подвижных частей, также добиваются признания.

 

Высокопроизводительные гидравлические зажимные оправки, такие как SCHUNK TENDO E compact, имеют высокие зажимные усилия и могут надежно передавать моменты до 900 Нм, в зависимости от зажимаемого диаметра.

 

Критерии качества определяют точность и производительность.
Точность выбега: в случае прецизионной обработки точность выбега инструментов и всей приводной системы имеет решающее значение. Они определяют, соответствуют ли требованиям размеры и допуски. Кроме того, точность выбега существенно влияет на износ режущей кромки инструмента и на срок службы шпинделя станка. Если зажимаемый инструмент не вращается соосно к инструментальной оправке, существует опасность возникновения погрешностей, и требуемые размеры заготовки получены не будут. Более того, во время обработки может начаться биение инструмента, что приведет к образованию микроскопических повреждений лезвия и ускорит его износ.

Повторяемая точность: Точность повторения инструментальной оправки показывает, насколько хорошо крепление инструмента может воспроизводить определенные параметры при нескольких последовательных попытках. Для современной прецизионной обработки важна не столько абсолютная точность, сколько точность повторения операций станка, и, следовательно, инструментальной оправки. В современных станках с ЧПУ систематические ошибки могут сравнительно легко компенсироваться с помощью алгоритмов управления станком. Однако это возможно только в том случае, если обеспечивается высокая степень повторяемости, т. е. если все соответствующие отклонения будут в большой степени идентичны. Таким образом, точность повторения инструментальной оправки является решающей при определении того, какая точность в конечном итоге будет достигнута на заготовке.

Качество балансировки: Говоря проще, дисбаланс возникает в том случае, когда масса вращающегося тела распределена неравномерно, то есть либо центр тяжести не находится на оси вращения (статический дисбаланс), либо главная ось инерции не параллельна оси вращения (динамический дисбаланс). Инструментальные оправки часто сочетают в себе статический и динамический дисбаланс. Причинами могут быть: технические особенности конструкции инструментальной оправки или самого инструмента (например, односторонние инструменты); асимметричный дизайн инструментальной оправки (например, расположение установочных канавок или зажимных винтов); асимметричное распределение массы вследствие погрешностей изготовления; несоосность или ошибки при монтаже вращающегося тела. Инструментальные оправки с большой разбалансировкой имеют отрицательные воздействия в нескольких аспектах: более низкое качество поверхности вследствие вибраций на инструментальной оправке; ограниченные скорости резания; снижение точности обработки; более короткий срок службы инструмента; повреждение подшипника станка.

Поглощение вибраций: В зависимости от частотной характеристики отклика всей системы, включающей станок, инструментальную оправку, инструмент, зажим заготовки и заготовку, вибрации возникают во время любого процесса обработки. Они могут оказать значительное влияние на результат обработки и привести к увеличению износа инструмента, поломке инструмента или повреждению станка. Подобно автомобильному амортизатору, инструментальные оправки способны подавлять вибрации и поддерживать плавное и ровное резание, в зависимости от технологии зажатия. Это позволяет снизить уровень шума, улучшить качество поверхности заготовки, продлить срок службы инструмента и защитить шпиндель.

Подача охлаждающей жидкости: охлаждающая смазка выполняет множество функций в процессе механической обработки. Она удаляет стружку, уменьшает тепло и трение, обеспечивает равномерную температуру инструмента и заготовки и соблюдение заданных допусков. В зависимости от типа подачи охлаждающей жидкости, можно различать внешнее, периферийное и внутреннее охлаждение. Внутреннее охлаждение обладает особыми преимуществами: СОЖ поступает точно на режущую кромку, не требуя совмещения сопла подачи охлаждающей жидкости вручную; стружка при этом надежно удаляется из узких и глубоких пазов: даже при сверлении глубоких отверстий режущая кромка будет охлаждаться эффективно. В результате продлевается срок службы инструмента, а показатели процесса тоже значительно увеличиваются.

Производитель SCHUNK  представляет интеллектуальный держатель инструмента гидравлического расширения iTENDO, который контролирует процесс обработки непосредственно на инструменте и позволяет в режиме реального времени контролировать параметры резки. Держатель инструмента обеспечивает полное документирование стабильности процесса, мониторинг предельных значений без участия оператора, обнаружение поломки инструмента и контроль скорости вращения и скорости подачи в режиме реального времени. Во время обработки интеллектуальный держатель инструмента постоянно анализирует процесс обработки. Если процесс становится нестабильным, он может быть остановлен в режиме реального времени и без вмешательства оператора, уменьшен до ранее определенных базовых параметров или адаптирован до тех пор, пока срез не вернется к стабильному диапазону.

 

Экономические критерии влияют на эффективность обработки.
Хотя основные производственные показатели и критерии качества непосредственно определяют процесс обработки и всегда считаются приоритетными, экономические критерии помогают прийти к окончательному решению с экономической точки зрения. Дополнительно к затратам на приобретение инструментальной оправки, необходимо учитывать прямые затраты: срок службы, инвестиции в периферийные устройства, эксплуатационные расходы (смена инструмента, очистка, предварительная настройка длины и обслуживание), гибкость, потребление энергии при смене инструмента и повторное использование креплений. С другой стороны, косвенные затраты играют особенно важную роль. К ним относятся, прежде всего, затраты на инструмент (поскольку срок службы инструмента может значительно отличаться в зависимости от используемой зажимной системы), а также затраты/экономия, связанные с уменьшением или увеличением производительности. В течение срока службы косвенные затраты на инструментальную оправку могут привести к экономии, выражаемой пятизначным числом. Кроме того, в последнее время приобретает быстро растущее значение предотвращение несчастных случаев. 

По материалам компании Schunk https://schunk.com/ru_ru/domasnaa-stranica/

 

Рассмотрим особенности различной зажимной оснастки (патронов) для обрабатывающих центров.
В литературе (каталогах) можно встретить вот такой сравнительный анализ преимуществ свойств различной шпиндельной оснастки (страница из каталога Schunk)

 
 
По диапазону допустимых частот эксплуатации  (страница из каталога Hoffman)
 
 
 
По усилию затяжки инструмента (страница из каталога Iscar)
 
 
 Думаю со мной согласятся многие, но самыми распространенными являются цанговые патроны (при этом наибольшее применение имеют патроны под цангу типа ER).
 
 Как правило, стандартные цанговые патроны из среднего ценового сегмента имеют не слишком высокую точность (радиальные биения 0,003-0,005 мм) и сбалансированы по G6.3 (в пределах 12-15 тыс.оборотов).
 Патроны такого типа вполне справляются с обычными задачами обработки, при умеренных вылетах, при ведении обработки с допусками до 6-7 степени точности.

 

 

Применение высокоточных цанг и сбалансированных гаек, более точная балансировка позволяют продвинуть цанговые патроны в точностных и скоростных характеристиках.
Балансировка таких патронов G2.5 проводится на скоростях до 25тыс. оборотов, а специальная балансировка до 50 тыс. оборотов (согласно тем данным, которые представлены в каталогах).


Хотя, конечно, производители лукавят: уже после 10-15 тыс. оборотов рекомендовано устанавливать патрон в сборе с инструментом на балансировочную машину и проводить балансировку в сборе (но перед этим не плохо было бы установить патрон в сборе на прессетор и проверить биение инструмента).
Также следует отметить, что цанги типа ER при оборотах уже более 10 тыс. значительно снижают усилие зажатия инструмента из-за увеличенной конусности цанги (8°) и влияния на нее центробежных сил.


Применение цан типа OZ, KSP и прочих с уменьшенной конусностью, позволяет использовать цанговые патроны на более высоких скоростях, с высокой точностью и моментом закрепления инструмента.

 

 

Патроны типа SLIM  тоже из разряда цанговых патронов с высокой точностью и минимальными радиальными габаритами очень удобная оснастка для работ в глубоких пазах и карманах.

  

 

Современные технологии уже сегодня позволяют довести цанговые патроны, казалось бы, до пределов совершенства. Даже тайваньские производители заявляют, что значения по точности соизмеримы с классными термопатронами, не говоря о производителях дорогих брендов...

Для примера ниже приведены страница из каталога Тайваньского производителя SYIC и страница из каталога Big Diashowa - заявленная точность до 1 микрона.

 

 

Силовые фрезерные патроны.
Отдельная группа оснастки для проведения черновой обработки концевым инструментом.
Основное назначение - передача высокого крутящего момента.

 

Самая не дорогая шпиндельная оснастка - патроны Weldon.
Такие патроны имеют не меньшее применение, в сравнении с цанговыми патронами. Патроны обеспечивают хорошую точность, возможность передачи большого крутящего момента, обеспечивают довольно высокую жесткость, имеют не большие радиальные габариты.
Хочу заметить, что порою повышенный шум работы фрезы в силовом патроне, может быть значительно снижен в патроне Weldon (это опыт из практики).

 

Оправки для крепления сменных фрезерных головок.
Как показывает опыт, применение подобных оправок позволяет значительно увеличить жесткость при фрезерной обработке. Зачастую фреза, зажатая будь то в силовой фрезерный патрон или в Weldon патрон, работает гораздо более шумно, чем фрезерная головка, вкрученная в подобную оправку (причем при одних и тех же режимах и вылете инструмента)
У дорогих производителей есть подобные оправки оснащенные вибропоглощающим материалом внутри или усиленные твердосплавными вставками для увеличения жесткости.

 

Обратите внимание на схему для создания требуемого вылета А1 инструмента  необходимого для обработки детали. При применении различной оснастки получаются такие варианты, где А2, А3, А4 - расстояние от обрабатываемой плоскости до торца шпинделя.


Само тело патрона Weldon или массивная гайка силового фрезерного патрона (или полимерпластового)  в конечном итоге увеличивают вылет инструмента относительно торца шпинделя, что является неблагоприятным условием и для жесткости в целом и для подшипников шпинделя.

 

Данное видео показывает разницу хода обработки, в зависимости от того, в какую оснастку зажат инструмент.

 

Оправки для торцевых фрез.
На них акцентировать внимание в данной статье не будем.

Оправки предназначены для установки торцевых фрез. Бывают они нескольких типов предварительной балансировки (в основном G2.5 и G6.3), у производителей дорогого сегмента встречаются с повышенной точностью с гидрозажимом (в основном имеет смысл для легкой чистовой обработки).


Оправки с большим вылетом изготавливаются с системами динамического виброгашения, можно посмотреть у Sandvik, Seco, Big Diashowa и т.д... На сегодняшний день есть даже в производстве у тайваньских производителей.

Про антивибрационный инструмент советуем прочитать статью "Антивибрационные инструменты, борштанги, оснастка (Damping vibration tools)..." 

 

Сверлильные патроны.

На них тоже долго не будем акцентировать внимание.
Как вариант, сверлильные патроны могут быть либо с насадным патроном на оправку (что практически в несколько раз дешевле), либо могут быть в одном моноблоке с хвостовиком (такие патроны дороже, но более точные, есть возможность подачи СОЖ).

 
 

 

Термопатроны.

Высокоточные патроны для крепления осевого инструмента позволяют вести обработку в труднодоступных местах (узких пазах, карманах), обеспечивают высокую жесткость, подходят для высокоскоростной обработки, имеют большое усилие зажима инструмента, имеют очень высокую балансировку.


Производители дорогого сегмента могут усиливать конструкции твердосплавными вставками или вибропоглащающими материалами.
Количество циклов переустановки инструмента зависит как и от качества самих патронов (материала), так и от качества индукционных машин и методов охлаждения патрона.
Надо заметить, зачастую виброгашение цангового патрона лучше, чем термопатрона.

 

 

Гидропластовые патроны.

Отдельная группа оснастки, обладающая рядом замечательных преимуществ.


По мимо того, что гидропластовые патроны имеют высокую точность (в пределах 1-3 микрона), они существенно снижают вибрацию при скоростных методах обработки.
Обращаю внимание! именно при скоростной чистовой обработке в полной мере проявляются виброгасящие свойства гидропластовых патронов (для черновой обработки я бы их не рекомендовал).

 

На данных видео показана правильная скоростная работа гидропластового патрона.

 

А вот ролик Sandvik, где показана попытка черновой обработки в гидропластовом патроне — можно сказать только одно: "оно хоть как-то но работает..."

 

Schunk хотя бы обеспечил при съемке более спокойную работу инструмента, но так тоже лучше не фрезеровать пазы.

Есть скоростное фрезерование по трахоидальной траектории, где инструмент работает гораздо спокойнее и эффективнее при обработке пазов, и в более полной мере проявляются преимущества гидропластовых патронов.
Т. е. гидропласт более эффективно гасит высокочастотные колебания, возникающие в процессе обработки (свист, писк и т.д.), т. е. работа по стратегии скоростной обработки (высокая скорость инструмента, большая глубина и малое боковое перекрытие 0,05-5% в зависимости от диаметра и глубины обработки).
 
Практические наблюдения показывают, что при правильно выбранной стратегии  инструмент в гидропластовых патронах имеет увеличенный ресурс на 30-60%, особенно при обработке нержавеющих сталей, титана и жаропрочных материалов. Причем на многих заводах, работающих с такими материалами, в гидропластовых патронах можно увидеть практически любой инструмент — фрезы, сверла, развертки, метчики и т.д.
 
Есть специальные серии патронов (их тоже причисляют к гидропластовым), которые рассчитаны для силовой (черновой) обработки —  типа серия SINO у Schunk, но там под крепежной гайкой находится полимерпласт (что-то типа мягкой пластмассы). Вот они и большое усилие зажима обеспечивают и точность, и черновую обработку, и незначительное гашение вибрации. 

Вот так он выглядит со снятой гайкой (синее - это полимерпласт)

 


 

Прочие патроны.

Сюда можно отнести различные расточные головки (патроны), патроны для метчиков, переходные патроны (оправки) под сверла и фрезы с коническим хвостовиком и т.д.
Не будем на них останавливаться.

 

На данном видео сравнивают как работает фреза в разных типах патронов: цанговый, термопатрон, гидропластовый и т.д.

 

И думаю будут интересными такие сравнительные данные, взятые из каталогов разных производителей.

 Данные из каталога Haimer:
 

 

 

Данные из каталога Schunk:

 

 

Данные из каталога Sandvik:

  
 

 

 

Поделиться: