3.9. Приспособления для инструмента

Приспособления для металлорежущего инструмента разнообразны по видам и конструкциям. Эти приспособления обеспечивают не только установку и закрепление на станке режущего инструмента (резцов, сверл, разверток, метчиков, плашек, фрез и другого), но и регулирование его положения в процессе обработки, а также быструю замену в случае необходимости.

Некоторые приспособления дают возможность вести обработку несколькими инструментами одновременно, включают в свою конструкцию специальные устройства, предохраняющие инструмент от поломок, а также конструктивные элементы компенсации износа инструмента и устройства его автоматической подналадки.

Приспособление для металлорежущего инструмента оказывает непосредственное влияние на точность обработки. От точности изготовления приспособлений зависит погрешность расположения режущего инструмента на станке, что во многих случаях определяет погрешности формы и размеров обработанных деталей.

Критерием оценки необходимости применения приспособлений для металлорежущего инструмента является минимальная себестоимость обработки.

Основные требования к приспособлениям для металлорежущего инструмента следующие:

• крепление режущего инструмента с необходимой точностью, жесткостью и виброустойчивостью;

• возможность регулирования положения режущих кромок относительно координат технологической системы станков;

• расширение технологических возможностей станков;

• концентрация технологических переходов;

• удобство в эксплуатации (быстросменность, простота обслуживания и наладки);

• технологичность изготовления.

Приспособление выбирается, как правило, к имеющемуся станку по уже выбранному режущему инструменту для данного перехода (операции) технологического процесса. Оно должно иметь установочные поверхности и элементы крепления, соответствующие режущему инструменту, а также поверхности установки и элементы крепления, соответствующие посадочным местам станка. Поэтому при выборе приспособления необходимо:

• предварительно определить конструкцию режущего инструмента, форму и конструктивные особенности его установочных поверхностей и элементов крепления;

• предварительно установить вид и характер посадочного места данного станка, форму установочных поверхностей, особенности элементов и требуемый характер крепления;

• сравнить соответствующие данные установочных поверхностей и элементов крепления режущего инструмента и посадочного места станка;

• подобрать по соответствующим ГОСТам или нормалям (или спроектировать) приспособление, которое по своим данным соответствовало бы и режущему инструменту, и станку, т.е. являлось бы согласующим промежуточным звеном между режущим инструментом и станком;

• проверить соответствие выбранного приспособления характеру выполняемого перехода (операции) технологического процесса.

Рассмотрим различные конструкции приспособлений для металлорежущего инструмента.

Трехкулачковые бесключевые сверлильные патроны (рис. 3.99) предназначены для закрепления сверл и других стержневых инструментов. Патроны позволяют крепить инструмент рукой без ключа, хорошо центрируют инструмент и надежно удерживают его при работе. Патроны могут иметь хвостовик с нормальным конусом Морзе или выполняются с внутренним укороченным конусом Морзе.

Корпус 1 патрона имеет на наружной поверхности сетчатую накатку. Внутри корпуса вставлена и втулкой 6 закреплена обойма 3, в трех пазах которой под углом 120° размещены кулачки 2, которые своими Т-образными торцами вставлены в Т-образные радиальные пазы головки винта 5. Винт связан с втулкой 8 левой резьбой. При вращении рукой корпуса 1 по часовой стрелке вместе с ним вращается обойма 3 с кулачками, находящимися в пазах обоймы.Кулачки своими торцами передают вращение винту 5, который вывинчивается из втулки 8 и смещает кулачки в осевом направлении. Скользя по внутренней конической поверхности конуса, кулачки сближаются и закрепляют инструмент.

Рис. 3.99. Трехкулачковый бесключевой сверлильный патрон:

1 − корпус патрона; 2 − кулачок; 3 − обойма; 4 − шарик; 5 − винт; 6, 8 − втулки;

7 − кольцо; 9 − хвостовик

В процессе работы винт 5 под действием крутящего момента резания стремится вывернуться из втулки 8, что увеличивает силы, закрепляющие инструмент, а следовательно, увеличивается надежность его крепления. Чтобы уменьшить силы трения при закреплении или раскреплении инструмента, между буртами втулки 8 и втулки 6 размещены шарики 4. Благодаря шарикам легко раскрепить инструмент даже при очень сильном его закреплении.

Для смены инструмента корпус 1 поворачивается против часовой стрелки, при этом винт 5 ввинчивается во втулку 8 и Т-образными пазами головки тянет кулачки 2. Скользя заплечиками по пазам обоймы 3, кулачки размыкаются и освобождают инструмент. Кольцо 7, запрессованное на конце втулки 8, позволяет удерживать патрон при закреплении и раскреплении инструмента, а также предохраняет патрон от повреждений. При необходимости хвостовик 9 может быть запрессован в отверстие втулки 8.

При сверлении отверстий большой глубины с высокими режимами резания применяют сверла с внутренними отверстиями, через которые СОЖ подводится к режущим кромкам инструмента. Такие сверла крепятся в специальных патронах.

Патрон с торцовым уплотнением (рис. 3.100) обеспечивает подвод СОЖ к инструменту через отверстие в шпинделе.

Вращающаяся втулка 15 патрона закрепляется на шпинделе 1 станка винтами 2. В канавках посадочного отверстия втулки расположены уплотнительные кольца 16. В нижнюю торцовую поверхность втулки 15 упирается текстолитовое кольцо 9, связанное штифтами 10 с корпусом 6, который смонтирован на подшипниках 5 и 7 и при вращении втулки 15 остается неподвижным. Сверху к корпусу винтами 4 прикреплена крышка 13. Палец 12 с роликом 11 скользит при осевом перемещении шпинделя по упорной планке, закрепленной на станине станка, и удерживает патрон от вращения.

СОЖ подводится к патрону через штуцер 8 и далее поступает к инструменту через кольцевую канавку и отверстия в текстолитовом кольце 9, а также через кольцевую канавку, отверстия втулки 15 и отверстие шпинделя. Уплотнение между торцом втулки 15 и кольцом 9 образуется при сжатии пружин 3 болтами 14. При работе патрона дополнительное уплотнение создается подаваемой СОЖ, которая действует на свободную поверхность кольца 9, поджимая его к торцу вращающейся втулки. Величина давления в зоне контакта торцовых поверхностей втулки и кольца определяется отношением площади контакта к площади свободной поверхности кольца 9, на которую давит подаваемая жидкость.

Рис. 3.100. Патрон с торцовым уплотнением для подачи СОЖ под

высоким давлением:

1 − шпиндель; 2, 4 − винты; 3 − пружина; 5, 7 − подшипники; 6 − корпус патрона;

8 − штуцер; 9 − текстолитовое кольцо; 10 − штифт; 11 − ролик; 12 − палец;

13 − крышка патрона; 14 − болт; 15 − втулка: 16 − уплотнительное кольцо

Уплотнительное кольцо 9 в патроне выполнено из текстолита ПТК, стабильно работающего при скорости скольжения. До 330 м/с при удельном давлении до 11 МПа.

Для достижения требуемой точности обработки развертки крепятся в самоустанавливающиеся патроны, которые обеспечивают перемещение инструмента с целью достижения соосности инструмента и обрабатываемого отверстия.

Применяют три вида самоустанавливающихся патронов: качающиеся, плавающие, качающиеся и плавающие одновременно.

Качающийся патрон (рис. 3.101, а) закрепляют в шпинделе станка коническим хвостовиком в корпусе 1. В отверстии корпуса на штифте 4 с некоторым зазором установлена втулка 5 с коническим отверстием под хвостовик развертки. Шарик 3 и подпятник 2 образуют осевую опору втулки 5. При работе втулка может качаться в пределах имеющегося зазора (в результате чего развертка поворачивается на некоторый угол относительно оси шпинделя), а следовательно, обеспечивает совмещение оси развертки с осью обрабатываемого отверстия.

Плавающие патроны обеспечивают свободное совмещение оси развертки с осью обрабатываемого отверстия без перекоса инструмента. Корпус 15 патрона (рис. 3.101, б) с коническим отверстием под инструмент размещен в выточке хвостовика 14, которым патрон крепится в шпинделе станка. Во фланце корпуса запрессованы два штифта 11, на которые надеты втулки 12. Такие же два штифта 6 запрессованы в двух диаметрально противоположных отверстиях торца хвостовика 14. На штифтах 6 также находятся втулки.

Рис. 3.101. Патроны для крепления разверток:

а − качающийся; б − плавающий; в − качающийся и плавающий; 1, 15 − корпуса патронов; 2 − подпятник: 3, 10, 16 − шарики; 4, 6, 11 − штифты; 5, 8, 12, 22 − втулки;

7, 18, 23 − гайки; 9 − кольцо; 14, 17 − хвостовики; 13 − поводковое кольцо;

19 − пружина; 20 − сепаратор; 21 − шайба; 24 – направляющая цанга; 25 − поводок

Между фланцем корпуса и торцом хвостовика расположено поводковое кольцо 13, в четырех гнездах которого размещены шарики 16, передающие осевое усилие инструмента через фланец корпуса на торец хвостовика. В поводковом кольце имеются также четыре паза, в которые входят втулки штифтов 11 и 6. При работе патрона крутящий момент от хвостовика 14 к корпусу 15 передается через штифты 6, поводковое кольцо 13 и штифты 11.

Фланец корпуса поджимается к торцу хвостовика гайкой 7, соединенной с хвостовиком резьбой. Между гайкой и фланцем корпуса для уменьшения трения расположены шарики 10. Шарики размешены в сепараторе между двумя кольцами 9. Втулка 8 на корпусе предохраняет патрон от загрязнений. Конструкция патрона исключает перекос инструмента при работе и допускает смещение («плавание») корпуса 15 с инструментом в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, на величину до 1,5 мм.

Патроны для крепления разверток с цилиндрическим и коническим хвостовиками допускают как угловые смещения инструмента («качание»), так и радиальные его смещения в плоскости, перпендикулярной к оси («плавание»), В шпинделе станка патрон закрепляется хвостовиком 17 (рис. 3.101, в). Между торцом хвостовика и торцом втулки 22 на шайбе 21 установлены в сепараторе 20 шарики, через которые хвостовик воспринимает от втулки осевую силу резания при работе инструмента.

Крутящий момент от хвостовика к втулке передается через поводок 25, имеющий по концам закругленные шестигранные выступы, грани которых сдвинуты относительно друг друга на 30°. Верхний выступ поводка входит в шестигранное отверстие хвостовика, а нижний − в аналогичное отверстие втулки 22. Втулка поджимается к хвостовику пружиной 19, которая действует на фланец гайки 18, связанной резьбой с втулкой 22. Инструмент в патроне закрепляется с помощью гайки 23, которая при вращении по резьбе втулки 22 смещает в осевом направлении цангу 24.

Подвижный патрон для крепления плашек (рис. 3.102) состоит из направляющей оправки 4 с конусным хвостовиком и подвижной втулки-плашкодержателя 2 с пятью винтами 1 для крепления плашки.

Рис. 3.102. Подвижный патрон для крепления плашек и метчиков со втулкой:

1 − винт; 2 − подвижная втулка-плашкодержатель; 3 − рукоятка;

4 − направляющая оправка

Конец рукоятки 3, ввинченной во втулку, служит шпонкой и входит в паз оправки. Оправка своим хвостовиком вставляется в отверстие пиноли задней бабки, обеспечивая тем самым хорошее центрирование плашки при нарезании резьбы. К одной оправке целесообразно иметь несколько втулок, что позволит заранее установить и закрепить во втулках различные плашки. Набор настроенных втулок дает возможность во время работы быстро заменять плашки (путем смены втулок) без лишних потерь времени на переналадку.

Резьбонарезные головки применяют для нарезания наружной и внутренней резьбы на револьверных, токарных, сверлильных, агрегатных, болторезных станках. Головки позволяют регулировать средний диаметр нарезаемой резьбы и допускают установку в одном корпусе различных гребенок, что делает инструмент универсальным.

Принцип устройства и работы винторезных головок одинаков, видоизменяется лишь конструктивное оформление узлов в соответствии с назначением головок. Резьбообразующим элементом в головке являются четыре дисковые резьбовые гребенки 2 с кольцевыми витками и заборным конусом (рис. 3.103, а). Гребёнки располагаются на специальных кулачках 4 равномерно по окружности и на равном расстоянии от центра, определяемом диаметром нарезаемой резьбы. Опорная поверхность кулачков имеет наклон, что обеспечивает расположение гребёнок под углом φ наклона резьбы к оси головки. Витки каждой гребёнки смещены в осевом направлении относительно витков другой гребёнки на 1/4 шага. Таким образом, гребёнки определённого шага резьбы образуют комплект, в котором каждая гребёнка имеет свой номер и устанавливается на определённое место в головке.

Гребенки в комплекте отличаются между собой условным расстоянием от базового торца гребенки до оси впадины резьбы, которое возрастает для ряда гребенок 1, 2, 3, 4,..., n на 1/n части шага. Гребенки 2 устанавливают на кулачки с помощью специальных звездочек 3, позволяющих поворачивать гребенку на некоторый угол после перетачивания.

Крепление гребенок к кулачкам осуществляется винтами 1. Кулачки 4 расположены в Т-образных пазах корпуса 6 и находятся под воздействием пружин 5, которые упираются в штифты 13, связанные с кулачками. Пружины стремятся отвести кулачки с гребенками от центра и поджимают кулачки скошенными торцами к наклонным опорным поверхностям 16

Рис. 3.103. Невращающаяся винторезная головка в рабочем положении (а) и

с открытыми гребенками (б):

1, 15 − винты; 2 − гребенки; 3 − звездочка; 4 − кулачок; 5, 11 − пружины; 6 − корпус головки;

7 − обойма; 8, 13 — штифты; 9 − кольцо; 10 − хвостовик; 12 − рукоятка;

14 − заготовка; 16 − поверхность обоймы; 17 − поверхность кулачка;

18 − обработанная деталь

обоймы 7. Поворотом обоймы относительно корпуса регулируют диаметр нарезаемой резьбы. Этот поворот осуществляется винтами 15, которые расположены в обойме и упираются в выступ кольца 9, имеющего штифт 8, входящий в отверстие корпуса 6. При повороте кольца 9 корпус с кулачками также поворачивается, положение опорной точки кулачков относительно наклонной опорной поверхности обоймы изменяется, и гребенки смещаются в радиальном направлении. Головка настраивается обычно по эталонному винту или проходному резьбовому калибру.

Головка закрепляется на станке хвостовиком 10, который находится в отверстии корпуса; выступ хвостовика входит в паз корпуса. Пружина 11 поджимает корпус к хвостовику. Рукоятка 12 находится в исходном положении. При нарезке резьбы подача головки равна (или больше) шагу нарезаемой резьбы. Для работы с подачей, большей чем шаг резьбы, головка в станке должна крепиться с помощью компенсирующего патрона.

Незадолго до конца рабочего хода подачу головки прекращают. Хвостовик с обоймой останавливается, а гребенки вместе с корпусом, увлекаемые вращающейся заготовкой, продолжают двигаться вдоль ее оси, нарезая резьбу (самозатягиваются).

Рабочие поверхности 17 кулачков выходят из обоймы, кулачки вместе с гребенками под действием пружин расходятся в радиальном направлении (рис. 3.103, б), скосы кулачков сдвигают обойму в сторону хвостовика. С разведенными кулачками головка отводится от обработанной детали 18.

В рабочее положение гребенки возвращаются поворотом рукоятки 12 с эксцентриком, палец которого входит в продольный паз корпуса головки. При повороте рукоятки обойма надвигается на скосы кулачков и сжимает кулачки вместе с гребенками к центру в исходное рабочее положение. При необходимости разведение гребенок в конце рабочего хода может быть выполнено вручную поворотом рукоятки с эксцентриком без отключения подачи.

Быстродействующие патроны для фрез используют при работах, связанных с частой сменой инструмента. Патроны позволяют менять инструмент без применения шомпола, что сокращает время на замену инструмента в 2 − 3 раза. На рис. 3.104 патрон показан с переходным фланцем 4, который винтами 6 крепится к торцу шпинделя фрезерного станка.

Рис. 3.104. Быстродействующий патрон для фрез:

1 − втулка; 2 − гайка; 3, 5, 6 − винты; 4 − переходной фланец; 7 − фреза

Торцовые шпонки шпинделя входят в соответствующие пазы фланца и передают на него крутящий момент. В отверстии фланца выполнены два паза под соответствующие выступы на втулке 1, в которой винтом 5 крепится фреза 7. С фланцем связана гайка 2, имеющая винт 3, входящий в канавку на фланце, которая выполнена на половине окружности фланца. Винт ограничивает поворот гайки на половину окружности.

На гайке выполнены два паза, аналогичные пазам фланца 4. Совместив пазы на гайке и фланце, втулку 1 с фрезой можно вставить в шпиндель. Если после этого гайку 2 повернуть по часовой стрелке, то фланец гайки войдет в проточку, имеющуюся на втулке, и гайка затянет втулку с инструментом в гнезде шпинделя станка.

Конструкция оправки с микрометрическим регулированием положения резца D_p (рис. 3.105) состоит из корпуса 2, на переднем торце которого имеется наклонное отверстие под державку 6 с квадратным сквозным отверстием для резца 7.

Рис. 3.105. Оправка с микрометрическим регулированием вылета резца

с помощью резьбовой пары:

1 − шпонка державки; 2 − корпус оправки; 3 − толкатель; 4 − пружина; 5 − лимб-гайка;

6 − державка; 7 − резец; 8, 9 − винты

На державке выполнена резьба, на которую навинчена лимб-гайка 5 со шкалой. Державка для предотвращения поворота снабжена шпонкой 1, которая скользит по шпоночному пазу, имеющемуся в отверстии корпуса 2. Пружина 4 и толкатель 3 постоянно прижимают лимб-гайку 5 к плоскости корпуса 2. Резец 7 предварительно устанавливается в пазу державки 6 и фиксируется винтом 8, жестко соединяющим резец с державкой. Вылет резца регулируется поворотом лимба-гайки на некоторый угол, соответствующий определенному числу делений лимба. Цена одного деления лимба равна радиальному перемещению резца на 0,01 мм. Винт 9 служит для окончательного фиксирования державки и резца в заданном положении. Предварительная настройка на размер производится на приборе вне станка, а окончательная подналадка − по пробному проходу.

Конструкции приспособлений для крепления инструмента на станках с ЧПУ состоят из двух основных элементов: поверхности для установки самого приспособления на станке и присоединительных поверхностей для установки режущего инструмента. Устройства, осуществляющие автоматическую смену

Рис. 3.106. Приспособление для растачивания с автоматическим регулированием положения резца:

1 − оправка; 2 − шпиндель; 3 − шпиндельная бабка; 4 − общий корпус; 5 − поршень;

6 − палец; 7 − бесконтактный датчик; 8 − коническое колесо; 9 − стержень;

10 − зубчатая передача; 11 − обойма; 12 − сухарь; 13 − резец; 14 − крышка механизма перемещения резца; 15 − переходник; 16 − кольцо корпуса оправки; 17 − подпружиненный упор

инструмента и его крепление на станке, определяют конструкцию хвостовика, который должен быть одинаковым для всех приспособлений к данному станку.

Приспособление для растачивания с подналадкой резца по данным измерений показано на рис. 3.106. В приспособлении используется головка с микрометрическим регулированием и клиновой механизм. Оправка 1 устанавливается в шпинделе 2. На корпусе оправки имеется кольцо 16 с рифлениями для возможности отсчета числа оборотов шпинделя с помощью бесконтактного датчика 7.

На оправке расположено коническое колесо 8, во впадины зуба которого может входить палец 6 стопорного устройства, работающего от пневмоцилиндра двойного действия, который управляется двухпозиционным трехходовым клапаном с приводом от электромагнита (на рисунке не показан). Команда на электромагнит поступает от системы ЧПУ станка. Поршень 5 снабжен регулировочной гайкой, необходимой для установки пальца 6 так, чтобы он, войдя во впадину колеса 8, образовал зазор 0,05...0,15 мм.

Пневмоцилиндр с поршнем 5 и бесконтактный индуктивный датчик 7 располагаются в общем корпусе 4, устанавливаемом на шпиндельной бабке 3.

Подналадка положения резца 13 выполняется после измерения обработанного отверстия. По команде системы ЧПУ палец 6 входит во впадину колеса 8. Число оборотов шпинделя, необходимое для выдвижения резца на величину коррекции размера, отсчитывается при низкой частоте вращения шпинделя.

Вращение шпинделя 2 через двухступенчатую дифференциальную передачу с остановленным колесом 8 кинематически преобразуется во вращение стержня 9, который через передачу 10 вращает обойму 11 с внутренней резьбой. При вращении обоймы 11 сухарь 12 с наружной резьбой перемещается вдоль оси и своим выступом выдвигает резец 13, который для исключения зазоров прижимается к сухарю 12 подпружиненным упором 17. Механизм перемещения резца закрывается крышкой 14.

При необходимости замены резца или перемещения на несколько миллиметров необходимо ослабить винты в переходнике 15, чтобы стержень 9 вышел из зацепления с выходным валом дифференциальной передачи. После этого для замены резца следует повернуть обойму 10 до полного его перемещения внутрь головки, после чего возможно его извлечение. При значительном изменении диаметра обработки обойму 11 вращают до необходимого выдвижения резца, пользуясь градуированной шкалой с ценой деления 0,02 мм.

Для закрепления инструмента на высокоскоростных станках с ЧПУ применяются соединения по «горячей» посадке с натягом типа , образуемые соединением нагретых деталей.

Действие зажимных патронов для закрепления по «горячей» посадке основано на том, что при нагревании посадочное отверстие увеличивается в диаметре. Хвостовик закрепляемого инструмента вставляется в это расширенное отверстие патрона (рис. 3.107). При охлаждении до комнатной температуры диаметр отверстия патрона возвращается к нормальному размеру, при этом возникают очень большие зажимные усилия. Если закрепить инструмент с усилием в диапазоне упругих деформаций материала патрона, то закрепление может быть повторено многократно с постоянными характеристиками.

Главные преимущества такой системы:

• быстрое закрепление и раскрепление инструмента;

• большие значения сил закрепления;

• отсутствие центробежных сил при больших частотах вращения;

• маленькие габариты патрона;

• высокая точность закрепления за счет изготовления посадоч­ного отверстия с концентричностью 0,003 мм относительно оси хвостовика патрона.

Одним из вариантов практического использования «горячих» посадок является нагревание зажимных патронов токами высокой частоты.

Рис. 3.107. Зажимной патрон для закрепления инструмента

по горячей посадке

Надежное закрепление инструмента на станках с ЧПУ в патроне при высоком крутящем моменте достигается независимо от точности хвостовика (допустимо h7) благодаря гидромеханическому способу зажима (рис. 3.108). Давление масла в штуцере 2 создает усилие, необходимое для деформации втулки 1, зажимающей режущий инструмент 3 в патроне.

Передаваемый высокий крутящий момент предохраняет инструмент от проскальзывания в патроне. Даже при черновых операциях механизм сохраняет свойство самозатягивания, когда при обработке отсутствует гидравлическое давление.

Усилие закрепления остается постоянным в продолжение всего процесса обработки и сохраняется в течение длительного периода эксплуатации.

Приспособления для металлорежущих инструментов, используемых на агрегатных станках, различаются по конструкции. Например, длина инструментальных наладок (режущего и вспомогательного инструментов) агрегатного станка барабанного тина достигает значительной величины, многие инструменты соединены со шпинделями с помощью плавающих патронов. В таких случаях для устранения провисания инструментов применяют инструментальные поддержки. Их конструктивное исполнение зависит от вида инструмента, для поддержания которого они предназначены.

Инструментальное приспособление в виде поддержки для агрегатного станка барабанного типа показано на рис. 3.109. При подходе поддержки 10 к конусному штырю 3, установленному на неподвижной стойке приспособления, корпус 12 поддержки отводится вниз на двух скалках 11 с помощью ролика 9, закрепленного на оси 8. Такой отвод необходим, чтобы пропустить при рабочем цикле утолщенный удлинитель вспомогательного инструмента, в котором закреплен режущий инструмент 1, направляемый втулкой 2. Поддержка 10 перемещается на двух штангах 5, связанных со шпиндельной коробкой 4, и поджата пружинами 6 к упорным регулировочным гайкам 7.

Рис.3.108. Гидромеханический зажимной патрон с инструментом:

1 – втулка; 2 – штуцер для подачи и отвода масла; 3 – режущий инструмент

Рис. 3.109. Инструментальное приспособление в виде поддержки на агрегатном станке барабанного типа:

1 − режущий инструмент; 2 − втулка; 3 − конусный штырь; 4 − шпиндельная коробка; 5 − штанга; 6 − пружина; 7 − регулировочная гайка; 8 − ось; 9 − ролик; 10 − поддержка;

11 − скалка; 12 − корпус поддержки