Зажимные патроны, корректирующие положение инструмента

На первый взгляд, цель конструкторов и изготовителей инструментальных патронов довольно проста – создать устройство, удерживающее инструмент с достаточной жесткостью в конкретных условиях применения таким образом, чтобы он обеспечивал точность обработки в широком спектре операций. Еще надо сделать так, чтобы использовать устройство было легко, чтобы операции по замене инструмента были быстрыми и точными, срок службы – продлен, а качество поверхности увеличено.

Всё чаще промышленность сталкивается с этими и другими задачами и решает их с использованием новых патентованных систем захвата, зажима и блокировки, а также за счет уменьшения вибрации. Промышленность также расширяет линейки всевозможных патронов, увеличивая их размеры, например, для нужд отраслей энергетики, машиностроения или большегрузных транспортных систем, а также уменьшая патроны, например, для изготовления деталей медицинского назначения и для аэрокосмической промышленности.

Конец эры держателей Weldon?

К примеру, компания Haimer-USA (Вилла Парк, Иллинойс), предлагает использовать совершенно новый подход, который, по её мнению, может вообще вытеснить инструмент типа Велдона с боковым замком. Этот подход зародился пять лет назад, когда компания искала способ решения одной из сложных задач металлообработки в рамках очередного заказа от компаний Боинг и GKN. Этим заказчикам всё чаще приходилось работать с пакетами легких, но высокопрочных и коррозионно-стойких труднообрабатываемых материалов, таких, как титан.

«При черновой обработке фрезы все время вытягивались из патронов любых систем. Обычные кулачковые патроны, патроны с запрессовкой, гидрозажимом, термозажимом, высокоточные цанговые патроны – ни один из них не работал как надо», – утверждает Брент Холден, президент компании Haimer USA. «Это приводило к повышенному браку, чрезмерному износу инструмента и даже его поломке, не говоря уже о потерянном времени. Нужна система, которая бы гарантированно не допускала вытягивания инструмента», – говорит Холден.

В тот раз эти компании вынуждены были вернуться к системе боковой фиксации велдоновского типа, которая имеет свои недостатки, в частности, децентровку инструмента, вынуждающую уменьшать частоту вращения шпинделя, что приводило к возникновению значительной боковой нагрузки, которая может вызвать поломку фрезы. К 2008 году система Safe-Lock (Сейф-Лок), запатентованная Haimer, была готова к тестированию.

Принцип работы Safe-Lock

На хвостовике инструмента протачиваются спиральные канавки. Совмещаясь с твердосплавными штифтами внутри зажима (цангового, гидрозажимного или термоусадочного), эта проточка создает фрикционный зажимной момент и блокирует инструмент при вращении в рабочем направлении. Это предотвращает прокручивание и вытягивание инструмента из патрона при тяжелых режимах обработки. Совокупность защиты от вытягивания и высокой точности зажима, предотвращающей биение, приводит к уменьшению вибрации, меньшему износу и позволяет эффективно осуществлять металлообработку на высоких скоростях.

Система позволяет использовать инструмент различной длины. Во время «полевых испытаний» системы Safe-Lock, по словам Холдена, «ни разу не было вытягивания инструмента, что позволило увеличить скорость обработки и повысить скорость снятия материала».

Первоначально занимавшаяся разработками для оборонной и аэрокосмической промышленности, компания Haimer предполагает, что в будущем появится новый стандарт, который, в конечном итоге, вообще вытеснит систему Weldon. У компании появился амбициозный план по увеличению выпуска патронов такой системы, а также по предоставлению изготовителям инструмента лицензии на нарезку канавок Safe-Lock в выпускаемой оснастке.

Haimer уникален – это производитель зажимных патронов, не выпускающий одновременно еще и сам режущий инструмент, в отличие от остальных. Компания просто выдала лицензии и спецификации на свою спиральную нарезку большому числу компаний, занимающихся производством металлорежущего инструмента: Sandvik Coromant, Kennametal, Widia и Walter.

«С нашей помощью до людей только ещё начало доходить, что им следует просто выбросить патроны с боковой фиксацией раз и навсегда, иначе они просто выбрасывают свои деньги», – сказал Холден. Haimer оснащает новой системой Safe-Lock свои патроны: термоусадочный «Power Shrink», цанговый «Power Collet», а также усиленный термоусадочный «Heavy Duty Shrink Fit» для тяжелых режимов. В целом системой Safe-Lock может быть оснащен любой инструмент диаметром от 12.7 до 50.1 мм.

Инновации компании Iscar в области зажимных патронов

В рамках послекризисной маркетинговой кампании известный производитель металлорежущего инструмента, компания Iscar (Арлингтон, Техас), представила на Международной Выставке Технологий Производства (IMTS) беспрецедентно широкую палитру продуктов за все 60 лет своего существования, включающую инновационные решения во всей продуктовой линейке.

Изюминкой этих новшеств является Dove IQ Turn – система фиксации для высоконагруженных токарных операций, часть линейки новинок, также носящей имя «Dove IQ». Такое название было придумано из-за принципа фиксации «ласточкин хвост», который земляки Майка Тайсона называют «dovetail».

Система Dove IQ создана с целью решения нескольких задач. Первая из них – это фиксация твердосплавной пластины в гнезде резца, предотвращающая подъем ее задней части во время высоконагруженных токарных работ. Кроме того, метод, используемый в настоящее время, предполагающий использование односторонних твердосплавных пластин и держателей с верхним зажимом, имеет такие недостатки, как недостаточное количество режущих граней, а также прерывистый сход стружки из-за помехи на пути стружки в виде этого самого верхнего зажима.

В системе Dove IQ компания применила соединение резца и пластины вида «ласточкин хвост», предотвращающее подъем пластины, а также рычажную систему, которая устраняет необходимость в верхнем зажиме.

«Это совершенно новый дизайн в деле тяжелой токарной обработки», – говорит Ренди Хаджинз, менеджер Iscar по токарной и винторезной продукции. Более того, такая система может применяться и с двухсторонними пластинами, так, что вместо двух режущих кромок используются четыре.

Ожидается, что система Dove IQ Turn найдет свое применение в растущей области высоконагруженных токарных работ для нефтяной и горнодобывающей промышленности.

Глубокая обработка металлов резанием без вибрации

При увеличении длины инструмента возрастает его склонность к вибрации, особенно при высоких оборотах шпинделя. Сила резания стремится изогнуть инструмент, вызывая гармонические самовозбуждающиеся колебания и, в конце концов, биение. Представленное на IMTS устройство Smart Damper компании BIG Kaiser (Гофман Истейтс, Иллинойс) является зажимом со встроенной системой гашения вибрации при финишном сверлении глубоких отверстий и при фрезеровании с большим вылетом фрезы, созданным специально для решения этих проблем.

Имеющий соотношение длины к диаметру шесть к одному и общую длину 406 мм, Smart Damper устраняет вибрацию, вынуждающую операторов ограничивать скорость вращения со снижением производительности. Устройство позволяет работать с окружной скоростью до 99 метров в минуту.

Отсутствие вибрации дает производителям возможность применять обработку с высокими скоростями, увеличить производительность и качество поверхности. Джек Берли, вице-президент по продажам и проектированию компании BIG Kaiser, заявил, что он не имеет права разглашать технологию, используемую для устранения вибрации в устройстве Smart Damper, за исключением того, что оно не использует жидкость, как это делают другие подобные устройства, а также что оно основывается на технологии, подобной D-Vibe.

«Она просто уникальна», – говорит Берли. «Наш продукт разрабатывался японской компанией BIG Daishowa и с самого начала был нацелен на чистовое сверление и растачивание». И даже, несмотря на то, что невозможно до конца обмануть физику, BIG Kaiser, тем не менее, предлагает свой 100-миллиметровый модуль расширения для Smart Damper.

Модернизированный цанговый патрон

Тем временем Seco Tools  (Мичиган) в феврале 2013 года запустил в производство модернизированный цанговый патрон, подходящий для любых операций металлообработки, включая высокоскоростные. Высокоточные цанговые патроны EPB 5672, показанные ранее, могут похвастаться более продолжительным сроком службы и лучшим качеством поверхности –благодаря максимальному биению в три микрона на вылете в три диаметра, а также улучшенной передаче крутящего момента и жесткостью.

Сила зажима инструмента почти вдвое выше, чем у существующих цанговых патронов. Более того, патроны 5672 обеспечивают лучший зажим инструментов малого диаметра по сравнению с термоусадочными, предпочтительная область применения которых начинается от диаметра 16 миллиметров.

Новый цанговый зажим также обладает надежным осевым и радиальным позиционированием инструмента с хорошей повторяемостью результатов. Майк Смит – менеджер по продукции отдела Tooling System компании Seco – заявил, что на второй квартал 2013 был запланирован выход линейки ещё более мелких размеров. По словам Смита, несмотря на то, что Seco отдает предпочтение термоусадочным патронам, патроны 5672 приносят реальную прибыль. Хотя 5672 и дороже примерно в полтора раза, чем термоусадочный, цанговые патроны не требуют первичных капиталовложений в покупку термоусадочного аппарата.

Тем не менее, Смит признал, что время смены инструмента при использовании термоусадки при использовании хорошего оборудования (например, моделей производства Seco) может составлять всего три секунды против двух минут для цангового патрона, что в конечном итоге быстро окупает машину за счет экономии времени.

Патрон EPB 5672 имеет хромирование для защиты от окисления, улучшенную шлифовку конуса и, опционально, упорный винт с конической передней частью и сквозным каналом для охлаждающей жидкости.

Патроны для нарезания резьбы

Всё еще используете цанговые зажимы для нарезания резьбы? Тогда мы идем к вам!

При использовании цанговых зажимов вы теряете преимущества специализированных патронов, которые не только увеличивают срок службы метчиков, но и улучшают качество резьбы. Большинство производителей оборудования скажут, что для нарезания резьбы вполне достаточно зафиксировать метчик в цанговом патроне нового станка. «Однако со временем червяк винтовой передачи изнашивается в зоне наиболее частого использования, от чего страдает точность позиционирования», – заверил представитель компании Big Kaiser Джек Берли.

При жестком нарезании резьбы необходимо подать шпиндель точно на определенное расстояние при каждом обороте метчика. Ввод метчика – не настолько большая проблема, как его вывод из отверстия с готовой резьбой, поскольку при выводе он должен двигаться точно по той же траектории, по которой вошел, чтобы не повредить витки готовой резьбы. Абсолютная синхронизация необходима для получения чистой поверхности резьбы и сохранения целостности метчика. Аксиальное несовпадение подачи станка и движения метчика может привести к появлению заусенцев и преждевременному износу метчика из-за дополнительной нагрузки на него.

Цанговый зажим спроектирован не для этих целей. Он не может компенсировать неверные параметры подачи, в отличие от резьбонарезного патрона со встроенными эластичными компонентами, которые компенсируют расхождение. «Это полезное качество патронов часто не замечают, и большинство потребителей даже не знает, что именно они теряют», – сказал Берли.

Действительно, область зажима метчика в последнее время – предмет конкуренции многих компаний, предлагающих всё новые и новые особенности конструкции. Компания BIG Kaiser расширила свою линейку резьбонарезных патронов Mega Synchro, добавив в нее устройство MGT36 в области больших диаметров и MGT3 – в области малых. Как заявил Берли, «большинство клиентов сразу же отмечает значительное увеличение срока службы метчиков».

Растущее семейство резьбонарезных патронов

Тем временем компания Emuge (Западный Бойлстон, Массачусетс), лидер в технологиях резьбонарезания, заявила, что именно она была первопроходцем в использовании резьбонарезных патронов SSY и имеет самую широкую линейку предложений в области резьбонарезных патронов, продолжая ее расширять.

В прошлом году Emuge представила новый модульный патрон MQL SoftSynchro для станков с синхронизированным шпинделем. Новая модульная система MQL SoftSynchro позволяет использовать корпус одного и того же патрона для интеграции систем смазки и охлаждения MQL (минимум смазки) или HSK (пустотелый хвостовик). Модульные устройства Emuge линейки SoftSynchro могут быть самостоятельно собраны из стандартных компонентов в зависимости от размера метчика, конфигурации системы смазки и области применения.

Новая модульная система типа MQL состоит из систем подачи смазки и подачи воздуха, находящихся под одинаковым давлением, и цангового адаптера, проходящего через весь корпус патрона. При использовании этой системы давление в сопле подачи смазки в патрон и на выходе окружающей его воздушной системы одинаково, что предотвращает утечку смазки внутри патрона MQL.

Модульный патрон также может поставляться с подпружиненной трубкой, что является предпочтительным вариантом использования системы MQL. Модульная система устройства высокого давления обеспечивает хорошую пропускную способность при давлении до 50 бар в агрегатах высокого давления системы SSY. Эти патроны также опционально оснащаются регулировочным винтом, позволяющим определять вылет метчика.

Модульная система также оснащена механизмом «Heli-Coil» (Хели-Койл), устраняющим силы, действующие на метчик при затяжке гайки цангового зажима. При затяжке этой гайки с метчиком, упирающимся в регулировочный винт, возникают напряжения, которые могут повредить либо метчик, либо винт. Осевое движение цанги может составлять от 0.08 до 3 мм, при этом возникают силы от 800 до 5000Н. Механизм Heli-Coil компенсирует это осевое движение, предотвращая нежелательное смещение и потенциальное повреждение метчика или регулировочного винта системы смазки. «Heli-Coil защищает рабочие элементы, особенно твердосплавный метчик, предотвращая его сдвиг после установки вылета при затягивании цанговой гайки,» – говорит Девид Риденур, менеджер по изготовлению и продажам зажимной оснастки компании Emuge.

Новые модульные компоненты поставляются в двух вариантах: KSN1 ER20 и KSN3 ER32. Недавно Emuge также добавила в эту линейку резьбонарезные патроны KSN5 и KSN6 SoftSynchro. По словам представителя компании, эти патроны являются самыми крупноразмерными в отрасли, нашедшими свое место во все увеличивающейся нише использования крупных метчиков при изготовлении деталей для нужд нефтяной промышленности, электроэнергетики и ветроэнергетики, а также в производстве больших дизельных двигателей для локомотивов и судов.

В серии KSN5 представлены метчики размеров от M16 до M56 и метчики стандарта ANSI размером до 1¾ дюйма.

Серия KSN6 представлена метрическими метчиками от M24 до M76 и дюймовыми — от 1 до 2½ дюйма с адаптерами.

Как обстоят дела у малышей

Тем временем компания Rego-Fix (Индианаполис, штат Индиана) ещё больше миниатюризировала свои зажимные патроны швейцарской точности, благодаря выходу линейки powRgrip системы пресс-фит (запрессовочной) и зажимного патрона с тонкой носовой частью powRgrip 6, или, как его ещё называют, PG6.

Запущенный в производство в прошлом году патрон PG6 превосходно подходит для аэрокосмической, автомобильной, медицинской и часовой промышленности. Он обладает самым маленьким среди конкурентов наружным диаметром в 10 миллиметров, при диаметре зажима от 0.2 до 3.175 мм. Благодаря такой особенности конструкции патрон PG6 не представляет собой помехи при обработке труднодоступных мест и превосходно подходит для работы в узких выемках, обеспечивая высокий уровень производительности. Дополненный зажимами расширенной линейки HSK 40E, патрон PG6 увеличивает спектр возможностей системы powRgrip, которая обеспечивает самое малое биение, улучшенную компенсацию вибрации, легкость в установке, увеличенный срок службы инструмента и асимметричную силу зажима.

Вместе с PG6 компания Rego-Fix представила свою разработку secuRgrip для наиболее требовательных задач металлообработки. «Что самое главное», – утверждает Дейв МакГенри, технический инженер компании Rego-Fix,  – «любой, кто использует инструмент системы Велдона, может использовать и патроны secuRgrip. Для них не нужен какой-либо особый инструмент. Мы даем новую жизнь старому стандарту. Зажим сильнее и безопаснее, чем тот, который достигается методами температурной усадки. При том, что у термоусадочных патронов точность зажима достигает трех микрон, надежность зажима зачастую не соблюдается. Патроны secuRgrip и powRgrip, в отличие от них, не теряют ни в точности, ни в силе зажима и поставляются с гарантией пять лет или 20000 операционных циклов».

Компания Rego-Fix достигла таких характеристик зажима в патроне secuRgrip путем резьбовой фиксации инструмента в цанге. Как и у патронов powRgrip, все соединения компонентов патрона гасят вибрацию естественным способом, поскольку разные компоненты изготовлены из разных марок стали, обладающих отличающимися колебательными гармониками, что естественным образом гасит самовозбуждающиеся колебания.

После того, как инструмент запрессован в патрон, на цангу накручивается специальная фиксирующая гайка, ещё лучше фиксируя инструмент по месту. В патроне нечему и некуда двигаться, поэтому скорее сломается инструмент, зажатый в патрон, чем все остальное. «Это единственно возможный вид поломки», – заверяет Генри.

Источник: перевод статьи Toolholders that Grip, Lock and Raise the Bar
главного редактора Sme.org Сары Вебстер (Sarah A. Webster)

Статья первоначально опубликована
в январском выпуске журнала
Manufacturing Engineering за  2013 год.