Машинный конус — это система крепления режущего инструмента или державки инструмента в шпинделе станка или электроинструмента . Охватываемый элемент конической формы (то есть с конусом) вставляется в гнездо охватывающей части, имеющее соответствующий конус равного угла .
Почти все шпиндели станков и многие шпиндели электроинструментов имеют конус в качестве основного метода крепления инструментов. Даже на многих сверлильных станках , ручных дрелях и токарных станках, имеющих патроны (например, сверлильный или цанговый патрон ), патрон крепится с помощью конуса. На дрелях, сверлильных станках и фрезерных станках охватываемый элемент представляет собой хвостовик инструмента или хвостовик держателя инструмента, а охватывающее гнездо является неотъемлемой частью шпинделя. На токарных станках охват может принадлежать инструменту или шпинделю; носики шпинделя могут иметь охватываемые конусы, охватывающие конусы или и то, и другое.
Операторы станков должны иметь возможность быстро и легко устанавливать или снимать насадки инструмента. Например, токарный станок имеет вращающийся шпиндель в передней бабке, к которому можно прикрепить прямозубый привод или работать в цанге . Другим примером является сверлильный станок , на который оператор может захотеть установить сверло напрямую или с помощью сверлильного патрона.
Практически все фрезерные станки , от самых старых ручных станков до самых современных станков с ЧПУ , используют инструменты, которые перемещаются по конической поверхности.
Машинный конус — это простая, недорогая, легко воспроизводимая и универсальная система крепления инструмента. Это обеспечивает индексируемость , поскольку инструменты можно быстро менять, но они точно расположены как концентрически, так и аксиально благодаря конусу. Это также обеспечивает передачу высокой мощности через интерфейс, что необходимо для фрезерования.
Машинные конусы можно разделить на самоудерживающиеся и самовысвобождающиеся классы. При использовании самоудерживающихся конусов охватываемая и охватывающая втулки соединяются вместе и связываются друг с другом до такой степени, что силам сверления можно противостоять без дышла, и инструмент остается в шпинделе в режиме ожидания. При необходимости смены инструмента он выбивается клином. Конусы Морса и Джейкобса являются примером самоудерживающейся разновидности. При использовании самовысвобождающихся конусов самец не войдет в самку без удерживающего ее там дышла. Однако при хорошем тяговом усилии он очень прочно неподвижен. NMTB/CAT, BT и HSK являются примерами самовысвобождающихся разновидностей.
При небольших нагрузках (например, при работе задней бабки токарного станка или сверлильного станка) инструменты с самоудерживающимися конусами просто надеваются на шпиндель или в него; давление шпинделя на заготовку плотно вгоняет конический хвостовик в коническое отверстие. Трение по всей площади поверхности интерфейса обеспечивает передачу большого крутящего момента , поэтому использование шлицев или шпонок не требуется.
Для использования с тяжелыми нагрузками (например, со шпинделем фрезерного станка) обычно имеется шпонка для предотвращения вращения и/или резьбовая часть, которая фиксируется дышлом, которое зацепляет либо резьбу, либо головку тянущей шпильки, которая ввинчивается в них. Затем дышло затягивается, плотно втягивая хвостовик в шпиндель. Тяга важна для фрезерных станков, поскольку в противном случае поперечная составляющая силы привела бы к выходу инструмента из конуса.
Все конусы станка чувствительны к сколам , зазубринам (вмятинам) и грязи. Они не смогут точно расположиться, а самодержящаяся разновидность не будет надежно держаться, если такие проблемы будут мешать посадке самца в самку с плотным контактом по всей конической поверхности. Машинисты обучены содержать конусы в чистоте и обращаться с ними так, чтобы не допустить их повреждения другими инструментами. Циклы смены инструмента на станках с ЧПУ обычно включают продувку сжатым воздухом при замене одной державки инструмента на другую. Поток воздуха имеет тенденцию сдувать стружку, которая в противном случае могла бы попасть в контакт между держателем инструмента и шпинделем.
Инструменты с коническим хвостовиком вставляются в подходящее коническое гнездо и нажимаются или закручиваются на место. Затем они удерживаются за счет трения. В некоторых случаях необходимо усилить фрикционную посадку, например, с использованием тяги , по сути, длинного болта, который удерживает инструмент в гнезде с большей силой, чем это возможно другими способами. [ нужна цитата ]
Необходимо соблюдать осторожность при использовании обычного сверлильного или токарного станка, в котором нет тяги для втягивания конуса в зацепление, если используется инструмент, требующий высокого крутящего момента, но обеспечивающий небольшое осевое сопротивление. Примером может служить использование сверла большого диаметра для небольшого увеличения существующего отверстия. В этой ситуации может возникнуть значительная вращательная нагрузка. Напротив, режущее действие потребует очень небольшой тяги или силы подачи. Упор помогает удерживать конус на месте и обеспечивает необходимое фрикционное соединение.
Хвостовик не рассчитан на то, чтобы выдерживать скручивающие усилия, достаточные для того, чтобы конус соскользнул, и в этой ситуации он часто ломается. Это позволит инструменту вращаться в охватывающем конусе, что может привести к его повреждению. Для устранения незначительных повреждений доступны развертки с конусом Морзе.
Конические хвостовики лучше всего «прилипают» к гнезду, если и хвостовик, и гнездо чистые. Хвостовики можно протереть начисто, но гнезда, поскольку они глубокие и недоступные, лучше всего очищать с помощью специального инструмента для чистки конусов, который вставляют, поворачивают и вынимают.
Инструменты с коническим хвостовиком извлекаются из гнезда разными способами, в зависимости от конструкции гнезда. В сверлильных станках и подобных инструментах инструмент снимается путем вставки клиновидного металлического блока, называемого «выколоткой», в поперечное отверстие прямоугольной формы через гнездо и постукивания по нему. Поскольку поперечное сечение выколотки увеличивается при дальнейшем введении выколотки, в результате выколотка, упираясь в переднюю кромку хвостовика, выталкивает инструмент наружу. Во многих задних бабках токарных станков инструмент снимается путем полного втягивания пиноли в заднюю бабку, в результате чего инструмент прижимается к концу ходового винта или внутренней шпильки, отделяя конус и освобождая инструмент. Там, где инструмент удерживается тяговым стержнем, как в некоторых шпинделях фрезерных станков, тяговый стержень частично откручивается с помощью гаечного ключа, а затем постукивают молотком, который отделяет конус, после чего инструмент можно дополнительно выкрутить из резьбы и снять. Некоторые шпиндели фрезерных станков имеют невыпадающее дышло, которое выбрасывает инструмент при активном отвинчивании за пределы ослабленной стадии; они не требуют постукивания. Для простых головок с открытым доступом к заднему концу выколотку вставляют в осевом направлении сзади и выбивают инструмент.
Существует множество стандартных конусов, которые различаются по следующему:
Стандарты сгруппированы в семейства, которые могут включать разные размеры. Сокращение внутри семьи может быть последовательным, а может и не быть последовательным. Сужения Ярно и NMTB одинаковы, но семейства Джейкобса и Морса различаются.
Доступны адаптеры, позволяющие использовать один тип конической оснастки, например, Морзе, на станке с другой конусностью, например, R8 или наоборот, а также более простые адаптеры, состоящие из втулки с внешней и внутренней конусностью, позволяющие использовать небольшой инструмент Морзе. использовать в машинах большего диаметра.
Одним из первых применений конусов было крепление сверл непосредственно к станкам, например, в задней бабке токарного станка, хотя позже были разработаны сверлильные патроны , которые удерживали сверла с параллельным хвостовиком.
Конусы Brown & Sharpe , стандартизированные одноименной компанией, являются альтернативой более распространенному конусу Морзе. Как и Морзе, они имеют ряд размеров от 1 до 18, наиболее распространенными являются 7, 9 и 11. Фактическая конусность этих материалов находится в узком диапазоне, близком к 0,500 дюймов на фут (41,67 мм на метр).
Конус Джейкобса (сокращенно JT) обычно используется для крепления патрона сверлильного станка к оправке . Углы конусности непостоянны и варьируются от 1,41° на сторону для № 0 (и неясного № 2) .+От 1 ⁄ 2 ) до 2,33° на сторону для № 2 (и № 2 короткий).
Между № 2 и № 3 также есть несколько размеров: № 2 короткий, № 6 и № 33.
В конусах Ярно используется значительно упрощенная схема. Скорость конусности составляет 1:20 по диаметру, другими словами, 0,600 дюйма по диаметру на фут, 0,050 дюйма по диаметру на дюйм. Конусы варьируются от номера 2 до номера 20. Диаметр большого конца в дюймах всегда равен размеру конуса, разделенному на 8, диаметр малого конца всегда равен размеру конуса, разделенному на 10, а длина — это размер конуса, разделенный на 2. Например, размер большого конца Jarno № 7 составляет 0,875 дюйма (7/8). Размер маленького конца составляет 0,700 дюйма (7/10), а длина — 3,5 дюйма (7/2).
Система была изобретена Оскаром Дж. Билом из компании Brown & Sharpe .
Конус Морзе был разработан Стивеном А. Морсом из Нью-Бедфорда, штат Массачусетс, в середине 1860-х годов. [1] С тех пор он развивался, охватывая меньшие и большие размеры, и был принят в качестве стандарта многими организациями, в том числе Международной организацией по стандартизации (ISO) как ISO 296 и Немецким институтом стандартизации (DIN) как DIN 228. -1. Это один из наиболее широко используемых типов, который особенно часто встречается на хвостовиках спиральных сверл с коническим хвостовиком и разверток, в шпинделях промышленных сверлильных станков и в задних бабках токарных станков. Угол конусности конуса Морзе несколько варьируется в зависимости от размера, но обычно составляет 1,49 градуса (включая около 3 градусов).
В некоторых модульных ортопедических имплантатах всего тазобедренного сустава для соединения компонентов используется конус Морзе. [2] Аналогичным образом, в некоторых зубных имплантатах для соединения компонентов используется конус Морзе. [3]
Конусы Морзе бывают восьми размеров, обозначаемых целыми числами от 0 до 7, и одного половинного размера (4 1/2 - встречается очень редко и не показан в таблице). Часто обозначение сокращается до MT, за которым следует цифра, например, конус Морзе номер 4 будет MT4. Конус МТ2 — это размер, который чаще всего встречается в сверлильных станках диаметром до 1 ⁄ 2 дюйма. Короткие версии с тем же углом конуса, но чуть более половины обычной длины, иногда встречаются для целочисленных размеров от 1 до 5. Для них существуют стандарты, которые, помимо прочего, иногда используются в бабках токарных станков для сохранения большего сквозного отверстия шпинделя.
Конусы Морзе относятся к самоудерживающимся типам и могут иметь три типа концов:
Самоудерживающиеся конусы основаны на значительном преобладании осевой нагрузки над радиальной для передачи высоких крутящих моментов. Проблемы могут возникнуть при использовании больших сверл по отношению к хвостовику, если пилотное отверстие слишком велико. Резьбовой тип необходим для любой боковой нагрузки, особенно фрезерования. Исключение составляет лишь то, что такие неблагоприятные ситуации можно смоделировать для устранения заклинившего хвостовика. Разрешение болтовни поможет ослабить хватку. Острый (узкий) угол конуса может привести к такому заклиниванию при больших осевых нагрузках или в течение длительного времени.
Концевые фрезы с хвостовиком с конусом Морзе и хвостовиком иногда можно увидеть: в целях безопасности их необходимо использовать с С-образным воротником или чем-то подобным, вставляя его в шейку между фрезой и хвостовиком и отводя назад к большому концу конуса.
Сам конус составляет примерно 5/8 дюйма на фут, но точные соотношения и размеры конусов с хвостовиком различных размеров приведены ниже.
Конусы серии B представляют собой стандарт DIN (DIN 238), который обычно используется для установки патронов на оправки, как и более старая серия конусов Jacobs. Каждый конус в серии B фактически представляет собой маленький или большой конец конуса Морзе:
Число после B — это диаметр (D) большого конца конуса с точностью до миллиметра, который примерно на 1 мм больше, чем большой конец раструба (~2 мм в случае B22 и B24) [5 ] [6] [7]
Национальная ассоциация производителей станков (теперь называемая Ассоциацией производственных технологий) определила крутой конус, который обычно используется на фрезерных станках. Конус по-разному называют NMTB, NMT или NT. Конус составляет 3500 дюймов на фут, его также называют «7 из 24» или 7/24; вычисленный угол составляет 16,5943 градуса. [8] Все инструменты NMTB имеют этот конус, но инструменты бывают разных размеров: NMTB-10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 и 60. Эти конусы, очевидно, также были указаны в ASA (теперь ANSI). ) Б5.10-1943.
NMTB — это «самовысвобождающийся» или «быстрый» конус. В отличие от более острых самоудерживающихся конусов, описанных выше, такие конусы не предназначены для передачи высокого крутящего момента; высокие крутящие моменты передаются приводными шпонками, зацепляющими пазы на фланце. [9] [10] Цель состоит в том, чтобы обеспечить быструю и легкую смену различных инструментов (автоматически или вручную), гарантируя при этом, что инструмент или держатель инструмента будут плотно и жестко соединены со шпинделем и точно соосны ему. Больший конец, прилегающий к инструменту, обеспечивает большую жесткость, чем это возможно при использовании конусов Морзе или R8, установленных на сопоставимых машинах.
В патенте 1794361 (поданном 25 марта 1927 г.) описаны шпиндель фрезерного станка и формы инструмента с использованием крутого конуса. [11] Патент был передан Kearney & Trecker Corporation, Brown & Sharpe и Cincinnati Milling Machine Company . В патенте требовался конус, который мог бы свободно высвобождать инструмент, и выяснилось, что конус 3,5 из 12 обладает этим свойством. [12] В патенте также использовались шпонки, пазы и хвостовик на хвостовике инструмента, чтобы предотвратить выпадение хвостовика инструмента из шпинделя горизонтальной фрезы, когда оператор подсоединял дышло. [12]
ANSI B5.18-1972 определяет некоторые основные размеры шпинделей и хвостовиков фрезерных станков с конусами размеров 30, 40, 45, 50, 60. [13] В спецификациях описывается положение приводной шпонки и фланца, а также резьба тяги. -болт, удерживающий хвостовик в шпинделе.
Этот инструмент называется Quick Change; Национальная ассоциация станкостроителей, 1927 год; НМТБ; Машинный конус американского стандарта, ANSI B5.18; ДИН 2080/ИС 2340; ИСО Р 290-2583. [14] Имеются небольшие различия в резьбе и фланцах (JIS B 6339: MAS 403); а в европейских стандартах (например, конус ISO ) используется метрическая резьба.
Хвостовики инструментов NMTB имели конусность 7 из 24, но они также имели хвостовик постоянного диаметра (пилот) на конце хвостовика, который был описан в патенте 1927 года. В последующих вариантах конструкции хвостовик был уменьшен (что сделало хвостовик короче) и во фланце появилась V-образная канавка, что облегчило автоматическую смену инструмента. В современных конструкциях стали использовать силовые дышлы, которые захватывали тяговые шпильки (также известные как удерживающие ручки), которые ввинчивались в хвостовик инструмента, а не ввинчивающиеся дышлы. Приводное дышло будет захватывать тяговую шпильку, а не ввинчиваться в хвостовик инструмента.
Более современные конструкции державок стали известны как Caterpillar «V-образный фланец», CAT, V-образный фланец, ANSI B5.50, SK, ISO, International (INT), BT, ISO 7388-1, DIN 69871, NFE 62540. опять же, есть небольшие различия в инструментах. [14] Хотя основные размеры конуса одинаковы, существуют различия в фланцах, размерах врезной резьбы и шпильках; в международных версиях используются метрические размеры.
Державки HSK были разработаны в начале 1990-х годов. HSK означает de:Hohlschaftkegel; По-немецки «конусы с полым хвостовиком».
Крутые конусы имеют тенденцию ослабляться на высокой скорости, поскольку их цельные хвостовики жестче, чем шпиндели, в которые они входят, поэтому под действием высокой центробежной силы шпиндель расширяется больше, чем державка инструмента, что изменяет общую длину: то есть, когда шпиндель «расширяется» держатель инструмента имеет тенденцию перемещаться глубже в шпиндель по оси Z, что может привести к изготовлению деталей, выходящих за пределы допусков. Полый хвостовик HSK специально сделан тонким и гибким, поэтому он расширяется больше, чем шпиндель, и сжимается при вращении на высокой скорости. Кроме того, держатель HSK имеет двойной контакт: он входит в зацепление со шпинделем как на конусе, так и на верхней части фланца, что предотвращает осевое перемещение при возникновении теплового роста и/или центробежной силы шпинделя.
Гибкость также используется для обеспечения точного осевого местоположения. Державка HSK имеет как конический хвостовик, так и фланец с сопрягаемой поверхностью. Хвостовик короткий (примерно вдвое короче, чем у других машин с конусом), с неглубоким конусом (соотношение 1:10) и немного слишком большим, чтобы фланец мог полностью поместиться в гнезде. Тонкие стенки, короткий хвостовик и неглубокая конусность обеспечивают большое отверстие в задней части инструмента. Туда вставляется расширяющаяся цанга, которая соединяется с фаской под углом 30° внутри хвостовика. Когда дышло втягивается, оно расширяет цангу и втягивает хвостовик обратно в гнездо, сжимая хвостовик до тех пор, пока фланец не упрется в переднюю часть шпинделя. Это обеспечивает жесткое, повторяемое соединение, поскольку используется центробежная сила внутри шпинделя. По мере увеличения центробежных сил расширяющаяся цанга внутри HSK заставляет стенки хвостовика держателя инструмента оставаться в контакте со стенкой шпинделя.
Конструкция HSK была разработана как непатентованный стандарт. Рабочая группа, разработавшая стандарт HSK, состояла из представителей академических кругов, Ассоциации немецких производителей инструментов, а также группы международных компаний и конечных пользователей. Результатом стали немецкие стандарты DIN 69063 для шпинделя и 69893 для хвостовика. Рабочая группа HSK приняла не конкретную конструкцию продукта, а набор стандартов, определяющих держатели инструментов HSK для различных применений. Группа определила в общей сложности шесть форм хвостовиков HSK девяти размеров.
Размеры определяются по диаметру фланца хвостовика в миллиметрах. Эти диаметры взяты из ряда предпочтительных номеров R10' от 25 до 160 мм.
Сегодня формы хвостовиков обозначаются буквами от A до F и T. Основные различия между формами заключаются в положении приводных пазов, пазов для установки захвата, отверстий для подачи СОЖ и площади фланца.
А – основная форма. Хвостовик B-образной формы представляет собой вариант для применений с высоким крутящим моментом и имеет фланец на один размер больше диаметра вала. (Таким образом, хвостовик А-40 подойдет к гнезду В-50.)
Формы C и D представляют собой упрощенные варианты A и B для ручного использования, в которых отсутствуют функции для размещения автоматических сменщиков инструмента, такие как V-образный паз и соответствующие пазы для ориентации, а также углубление для чипа RFID.
Фланцы и конусы форм E и F аналогичны формам A и B, но предназначены для обработки легких материалов на очень высоких скоростях (20 000 об/мин и выше) за счет устранения всех асимметричных элементов для минимизации дисбаланса и вибрации.
ASME B5.62 «Инструменты с полым конусом с контактом фланца с торцом» [17] и ISO 12164-3:2014 «Размеры хвостовиков для стационарных инструментов» [18] включают дополнительную форму T, которая двунаправленно совместима с формой A, но имеет гораздо более жесткие допуски по ширине шпонок и шпоночных пазов, используемых для углового выравнивания. Это позволяет точно удерживать невращающуюся токарную оснастку. [19]
Соединение HSK зависит от сочетания осевых усилий зажима и натяга конического хвостовика. Все эти силы генерируются и контролируются конструктивными параметрами сопрягаемых компонентов. Хвостовик и шпиндель должны иметь точно сопрягающиеся конусы и поверхности, перпендикулярные оси конуса. Существует несколько методов крепления HSK. Все они используют некий механизм для усиления зажимного действия сегментов цанг, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Когда державка инструмента зажимается в шпинделе, сила тяги обеспечивает прочный контакт металл-металл между хвостовиком и внутренним диаметром зажимного узла. Дополнительное приложение силы тяги надежно фиксирует два элемента вместе в соединение с высоким уровнем радиальной и осевой жесткости. По мере вращения сегментов цанги зажимной механизм приобретает центробежную силу. Конструкция HSK фактически использует центробежную силу для увеличения прочности суставов. Центробежная сила также заставляет тонкие стенки хвостовика отклоняться в радиальном направлении с большей скоростью, чем стенки шпинделя. Это способствует надежному соединению, гарантируя прочный контакт между хвостовиком и шпинделем. Автомобильная и аэрокосмическая промышленность являются крупнейшими пользователями державок HSK. Другая отрасль, в которой наблюдается растущее использование, — это производство пресс-форм и штампов.
Этот конус был разработан компанией Bridgeport Machines, Inc. для использования в ее фрезерных станках. Конусы R8 не являются самоудерживающимися, поэтому для них требуется дышло, проходящее через шпиндель к верхней части машины, чтобы предотвратить ослабление при возникновении боковых сил. Они также снабжены шпонками (см. изображение) для предотвращения вращения во время вставки и удаления, хотя при использовании именно конус передает крутящий момент. Резьба тяги обычно составляет 7 ⁄ 16 ″–20 tpi ( UNF ). Угол конуса составляет 16°51′ (16,85°), внешний диаметр 1,25″ и длина 15/16 ″ . [20] (источник, производитель Bridgeport) Диаметр параллельной установочной части не имеет размера «дробных дюймов», как другие размеры, и составляет от 0,949″ до 0,9495″.
Инструменты с конусом R8 вставляются непосредственно в шпиндель станка. Цанги R8 обычно используются для крепления инструментов с круглыми хвостовиками, хотя можно удерживать любую форму, если в цанге вырезана соответствующая форма. Цанги имеют прецизионное отверстие с пазами осевого сжатия для крепления режущих инструментов и имеют резьбу для дышла. Система R8 обычно используется с цангами размером от 1/8 ″ до 3/4 ″ в диаметре или держателями инструментов такого же или немного большего диаметра . Цанги или держатели инструмента помещаются непосредственно в шпиндель, а тяга затягивается в верхнюю часть цанги или держателя инструмента над шпинделем. Другие инструменты, такие как сверлильные патроны, летучие фрезы, фрезы со сменными пластинами и т. д., могут иметь встроенный или добавленный к инструменту конический хвостовик R8.
Конус R8 обычно встречается на Бриджпорте и аналогичных револьверных мельницах из США, а также на (очень распространенных) копиях этих мельниц из других стран. Популярность во многом объясняется успехом Бриджпорта и других мельниц, которые были созданы по его образцу и производились на протяжении большей части 20-го века.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )Как показано в Таблице 1, хорошо зарекомендовавшие себя конусы для хвостовиков и головок, которые сейчас используются, варьируются от
1
⁄
2
дюйма до 1 дюйма или более на фут, при этом существует тенденция использовать несколько более крутой конус для больших размеров, чем для малых размеров, возможно, потому, что при небольших конусах ответственность проскальзывание, вызванное работой, не так велико, и «закусывания» конуса при вдавливании в гнездо достаточно для обеспечения эффективного вождения.
Для более крупных размеров должны быть предусмотрены шипы или язычки для облегчения вождения, а для еще больших размеров необходимы ключи какой-либо формы, поскольку, если угол конусности не очень мал, шипы могут скрутиться.
Когда предусмотрены такие вспомогательные средства привода, конус можно сделать более крутым, что дает преимущество, заключающееся в более легком разделении частей.
Источники