Выбор интерфейса шпинделя – это ключевое решение, так как оно часто определяет ограничения по эффективности резания металла. Нет единственно верного ответа на вопрос, какой интерфейс самый лучший – на самом деле это зависит от деталей, которые будут обрабатываться, и от операций, которые будут выполняться. Не следует полагать, что варианты стандартного шпинделя станка обязательно представляют собой лучший выбор интерфейса.
Требования к шпинделю станка
Когда не производится обработка, для интерфейса шпинделя требуется быстрая взаимозаменяемость. Однако при обработке крайне важно, чтобы сохранялся полный контакт между соединением шпинделя и инструмента, даже если усилия резания стремятся нарушить его. Важно выбрать интерфейс, который даёт хорошую жёсткость на изгиб и требуемый крутящий момент.
- Жёсткость на изгиб: необходима для обеспечения стабильного процесса резания при обработке инструментом с большим вылетом или с высокими нагрузками
- Передача крутящего момента: особенно важно для инструментов больших диаметров. Нагрузка, приложенная на расстоянии от осевой линии шпинделя (крутящий момент = сила x радиус), должна восприниматься большей контактной поверхностью.
- Точное положение инструмента по высоте центров: для обеспечения повторяемости и надёжности производства, что особенно важно при выполнении токарных операций
Параметры соединения, характеризующие способность выдерживать высокие изгибающие силы или радиальные силы резания, – это:
- Контактный диаметр фланца: контакт по торцу фланца увеличивает базу основания, уменьшая передачу сил резания.
- Усилие зажима: чем больше усилие зажима при креплении соединения, тем больше усилие резания, при котором соединение «проворачивается».
- Площадь поперечного сечения: уменьшение диаметра инструмента по отношению к контактному диаметру фланца уменьшает жёсткость инструмента.
- Передача крутящего момента: неспособность противостоять крутящему моменту означает немедленное отклонение от высоты оси центров и потерю точности, особенно при больших диаметрах инструментов и при точении.
История развития интерфейсов шпинделей станков
Интерфейс шпинделя развивался вместе со станками. Некоторые основные вехи, повлиявшие на изменения:
- Числовое программное управление, которое привело к автоматизации смены и хранения инструмента.Это привело к появлению конуса ISO с центральными болтами и канавками для захвата манипулятором
- Повышение оборотов шпинделя
- Многофункциональная обработка – точение, фрезерование и сверление с одним и тем же интерфейсом
Первым и самым известным интерфейсом был конус Морзе, разработанный для сверления ещё в 1868 г. В 1927 году появился конус с большим углом 7/24, называемый также конусом ISO. В 60-е годы для смены инструмента были добавлены канавки для захвата манипулятором и центральные болты (с тремя региональными вариациями): MAS-BT в Азии, ISO/DIN в Европе и CAT-V в Америке.
Недостатками конуса ISO являются низкая жёсткость на изгиб и ограничения частоты вращения из-за небольшого зажимного усилия и недостаточного торцевого контакта с концом шпинделя. Это привело к новым разработкам в 90-х годах прошлого века – BIG-PLUS® (японской компании BIG Daishowa), HSK (Комитетом DIN в Германии) и Coromant Capto® (внедрённая в 1990 году единственная система, разработанная для всех видов обработки – точения, фрезерования и сверления).
Типы интерфейсов шпинделя
В таблице внизу показаны четыре основных соединения и поэтапная эволюция от традиционного конуса ISO к системе Coromant Capto®. Все интерфейсы, кроме BIG-PLUS®, сегодня стандартизованы по DIN, ISO или ANSI.
| Угол конуса | Контакт по фланцу | Метод закрепления | Передача крутящего момента |
Конус ISO | 16,26° | Нет | Центральный болт | Приводные торцевые шпонки на фланце |
BIG-PLUS® | 16,26° | Да | Центральный болт | Приводные торцевые шпонки на фланце |
HSK-A | 5,7° | Да | Внутреннее закрепление сегментной цангой | Приводные торцевые шпонки на конусе |
Coromant Capto® | 2,88° | Да | Внутреннее закрепление сегментной цангой | Полигональное соединение |
Конус ISO 7/24
У конусов ISO угол всегда одинаковый. Канавка для захвата манипулятором и резьба под центральный болт могут быть разными. Доступны как CAT, ISO, DIN и MAS BT.
BIG-PLUS®
Система BIG-PLUS® разработана для обрабатывающих центров. Конус и канавка для захвата манипулятором те же, что и у традиционного конуса ISO, однако благодаря жёстким допускам по стыковому контакту достигнуто повышение жёсткости на изгиб. Стандартный держатель с конусом ISO можно установить в шпиндель BIG-PLUS®, однако это не рекомендуется. Дступны как CAT, ISO, DIN и MAS BT.
HSK
Система HSK (DIN 69893) разработана для обрабатывающих центров. Её отличает контакт по фланцу и закрепление сегментной цангой с пустотелым конусом, исключающим необходимость использования центральных болтов. Приводные торцевые шпонки имеют различную конфигурацию в зависимости от исполнения и в некоторых случаях отсутствуют для высокоскоростных исполнений.
- Тип A: общая механообработка, высокие изгибающие нагрузки и умеренный крутящий момент, автоматическая смена инструмента
- Тип B: для невращающегося инструмента, умеренные изгибающие нагрузки, высокий крутящий момент, специальные виды обработки, автоматическая смена инструмента
- Тип C: общая механообработка, высокие изгибающие нагрузки и умеренный крутящий момент, ручная смена инструмента (см. Тип A)
- Тип D: для невращающегося инструмента, умеренные изгибающие нагрузки, высокий крутящий момент, специальные виды обработки, ручная смена инструмента (см. Тип B)
- Тип E: высокоскоростная обработка, лёгкие и прочные шпиндели, низкие изгибающие моменты и крутящий момент, автоматическая смена инструмента, лёгкая балансировка
- Тип F: умеренные скорости, обработка мягких материалов, средние изгибающие моменты и крутящий момент, автоматическая смена инструмента, лёгкая балансировка
- Тип T: вращающийся и невращающийся инструмент с жёсткими допусками направляющего паза (для установки инструмента). «Шейка» не требуется, поэтому – улучшенное сопротивление изгибающему моменту
Внимание! Большинство станков, использующих интерфейс шпинделя HSK-T, всё ещё требует шейки для автоматической смены инструмента и магазинов – это значит, что требуются инструменты HSK A/C/T
Coromant Capto®
Coromant Capto® (ISO 26623) сочетает в себе преимущества HSK и BIG-PLUS®, при этом необходимость в приводных торцевых шпонках отпадает – привод осуществляется через трёхгранный конус с торцевым контактом. Прочное поперечное сечение соединения обеспечивает пространство для закрепления сегментной цангой с самым высоким зажимным усилием, что даёт непревзойдённую жёсткость на изгиб, передачу большого крутящего момента и точность положения относительно оси центров.
Улучшенная радиальная точность и передача крутящего момента потребовались для обеспечения требований трёх областей применения:
- Интерфейс шпинделя станка – обрабатывающие центры, токарно-карусельные станки
- Модульное соединение – обрабатывающие центры
- Ручная система быстрой смены инструмента – токарные станки
Coromant Capto® – самый распространённый интерфейс для многоцелевых станков, так как его можно использовать и для невращающегося инструмента (точение), и для вращающегося (фрезерование/сверление).