1.2. Способы крепления режущих инструментов на станках

По способу крепления на станках все инструменты делятся на стержневые, насадные и концевые (хвостовые).

У стержневых инстру­ментов крепежная часть представляет собой стержень круглого, прямо­угольного или квадратного сечений, выполненный заодно с корпусом и закрепляемый в суппорте станка.

Рис. 1.4. Крепежная часть насадных режущих инструментов с цилиндрическим (а) и коническим (б) отверстиями

У насадных инструментов в корпусе имеются отверстия цилиндри­ческой или конической формы (рис. 1.4), с помощью которых инструмен­ты насаживаются на оправки. Сами же инструменты представляют собой тела вращения, на цилиндрической или конической поверхности которых находятся режущие зубья. Цилиндрические посадочные отверстия диа­метрами 8... 100 мм стандартизованы, их выполняют с высокой точно­стью - по Н6 и Н7, а для передачи крутящего момента делают продоль­ную шпоночную канавку шириной b_к = 2...25 мм. Базирование инстру­мента осуществляется по отверстию и его торцам. Однако в связи с тем, что эта посадка подвижная и всегда имеется зазор между инструментом и оправкой, это вызывает нежелательное биение режущих кромок.

Более точную посадку обеспечивают конические отверстия с ко­нусностью 1:30 (рис. 1.4, 6), используемые, например, у разверток и зенкеров. Чтобы не ослаблять стенки корпуса инструмента, шпоночные пазы, служащие для передачи крутящего момента, выполняют на торце корпуса.

С обоих торцов цилиндрических и конических посадочных отвер­стий снимают фаски f_ф, а в середине отверстий делают выточку глубиной 1 мм и длиной 1/3... 1/4 от длины отверстия. Выточка уменьшает длину посадочной поверхности, сокращает трудоемкость ее изготовления, а также уменьшает износ шлифовального круга. У инструментов дискового типа (фрезы, долбяки) такие выточки не делают.

Диаметры оправок для насадных инструментов определяют расче­том из условия допустимой прочности на кручение и изгиб.

Концевые инструменты изготавливают с цилиндрическими или ко­ническими хвостовиками, которые входят в отверстия шпинделей стан­ков непосредственно или через переходные втулки, оправки и патроны.

Достоинствами цилиндрических хвостовиков (рис. 1.5) являются: простота при высокой точности изготовления, возможность регулирова­ния вылета инструмента в осевом направлении. Недостаток - наличие зазора при подвижной посадке. Для передачи крутящего момента неко­торые типы хвостовиков имеют поводки в виде квадратов, лысок или вырезов для крепления винтами. Гладкие цилиндрические хвостовики применяют у инструментов малых диаметров, закрепляемых в цанговых или кулачковых патронах.

Лучшее центрирование с посадкой без зазора обеспечивает крепле­ние с помощью конических хвостовиков. Чаще всего используют само­тормозящиеся хвостовики типа Морзе (№ 0...6) и метрические с конус­ностью 1:20 (угол конуса 2 a = 2°50'). Достоинством этих конусов являет­ся возможность передачи крутящих моментов без дополнительных эле­ментов и только за счет сил трения на поверхностях контакта конуса с гнездом. При этом, например, у сверл момент трения увеличивается при возрастании осевой составляющей силы резания.

Рис. 1.5. Типы цилиндрических хвостовиков режущих инструментов

Рис. 1.6. Конические хвостовики Морзе: а, б – типы; в – схема выбивания клином конического хвостовика из шпинделя станка

На рис. 1.6 показаны конические хвостовики с лапкой (рис. 1.6, а) и за­тяжкой (рис. 1.6, б) в гнезде болтом. При этом следует иметь в виду, что лапка не должна передавать крутящий момент, а предназначена только Для «выбивания» инструмента из гнезда с помощью клина (рис. 1.6, в).

Для увеличения силы трения хвостовики обычно термически не об­рабатывают за исключением лапки, которую закаливают для предохране­ния от смятия. Чтобы не повредить клином центровое отверстие, торец лапки обрабатывают по радиусу.

Крутящий момент, передаваемый конусом, можно определить из расчетной схемы (рис. 1.7). Здесь касательная составляющая силы трения на поверхности конуса

где Р₀ – осевая составляющая силы резания; N – нормальная составляющая силы трения; a - угол наклона образующей конуса; μ – коэффициент трения.

Крутящий момент от касательной составляющей силы трения на среднем диаметре:

Рис 1.7. Расчетная схема для определения крутящего момента, передаваемого коническим хвостовиком (2 a < 3°)

При изготовлении конуса возможна угловая погрешность Δα,, кото­рая снижает М_кр и влияет на биение режущих кромок. С учетом этого уточненное значение М_кр

Здесь допускаемое значение Δa =10', а коэффициент трения μ = 0,096 (сталь по стали).

Определив экспериментально отношение М_кр /Р₀ для заданного зна­чения диаметра инструмента, можно по уравнению (1.1) найти диаметры конуса D, d и подобрать по ГОСТ 25557-82 ближайший номер хвос­товика.

У хвостовиков без лапок (см. рис. 1.6, б) для создания осевого уси­лия и предотвращения выпадения хвостовика из гнезда на торце делают резьбовое отверстие, в которое ввертывается болт-тяга (штревель). Такие хвостовики применяют на фрезах при малых осевых составляющих силы резания.

Для уменьшения габаритов хвостовиков в некоторых инструментах используют укороченные хвостовики Морзе (№ 1...4) с сохранением наибольшего диаметра D и уменьшением длины конуса.

Рис. 1.8. Конический хвостовик с конусностью 7:24

Широкое применение у быстросменных инструментов нашли также хвостовики (рис. 1.8) с конусностью 7:24 (2a = 16°35'). Они обеспечива­ют хорошее центрирование, но не являются самотормозящими. Поэтому для передачи крутящего момента на торце хвостовиков предусмотрены шпоночные пазы. Крепление в шпинделе осуществляется путем затяжки штревелем или специальным захватом за цилиндрическую выточку на конце хвостовика. Раньше такие конусы применялись на фрезерных станках для крепления фрез в шпинделе непосредственно или через оп­равку, однако в последние годы их стали широко применять для крепле­ния режущих и вспомогательных инструментов на станках с ЧПУ.

В настоящее время разработан ГОСТ Р 51547-2000 на полые кони­ческие хвостовики типа HSK (Hohlschafte Kegel), обеспечивающие на­дежное базирование и закрепление режущих инструментов при сверх­скоростной обработке (с частотами вращения более 8000 мин^-1). В отли­чие от хвостовиков 7:24 они имеют значительно меньшие габариты, а крепление инструмента в них осуществляется по «горячей» посадке - с натягом (Н7/р6, Н7/п6). Действие таких патронов основано на том, что при нагреве в специальных устройствах посадочное отверстие патрона увеличивается в диаметре, и хвостовик закрепляемого инструмента вставляется в это расширенное отверстие (рис. 1.9). После охлаждения патрона до температуры в помещении диаметр посадочного отверстия возвращается к исходному размеру и обеспечиваются очень большие усилия зажима.

У всех концевых инструментов на торцах предусматривают центро­вые отверстия, необходимые для их изготовления и переточки. Они, как правило, имеют предохранительные выточки или фаски, так как при по­вреждении конической опорной поверхности центровых отверстий уве­личивается биение режущих кромок. У инструментов малых диаметров вместо отверстий делают прямые конусы (см. рис. 1.5, в, г).

Рис. 1.9. Крепление по «горячей» посадке сверла в патроне типа HSK для сверхскоростной обработки