Анализ цанги расточного инструмента: ключ к повышению точности обработки внутренних отверстий

Малые резцедержатели с вставками сменного типа применяются уже много лет. В современных производственных условиях такие резцедержатели занимают прочное место в составе токарных, фрезерных, сверлильных и других инструментов. Причин, по которым малые резцедержатели пользуются широкой популярностью на производстве, немало:

• Когда требуется более точное позиционирование инструмента, державка ножа обеспечивает его регулируемость. Будучи самостоятельным компонентом, державка ножа может независимо и с высокой точностью перемещаться относительно других режущих элементов инструмента, что позволяет компенсировать недостатки производственного процесса.
• Картридж обеспечивает защиту дорогостоящего корпуса инструмента. Столкновения являются одним из наиболее распространённых видов отказов в процессе резания. Даже в условиях усовершенствованной проверки, осуществляемой современными системами CAD/CAM, а также при использовании систем мониторинга инструмента вероятность столкновения режущей части инструмента с заготовкой остаётся весьма высокой. Правильное позиционирование картриджа позволяет исключить любое «неправильное использование» и предотвратить серьёзные повреждения корпуса инструмента.
• Ножницы-зажимы изготавливаются с использованием стандартных компонентов, производимых несколькими поставщиками на открытом рынке, что позволяет снизить затраты на изготовление пресс-форм.
• Зажим для ножа изготавливается из высококачественной легированной стали, прошедшей соответствующую термическую обработку, что делает материал корпуса ножа более мягким и лёгким, тем самым повышая качество инструмента.
• Зажим для малых резцов позволяет пользователю создавать несколько станций на одном инструменте, что обеспечивает комбинирование множества различных операций в рамках единого технологического маршрута. Эта возможность играет важную роль в повышении скорости удаления материала, особенно при массовом производстве.

Рис. 1: Типичная конструкция зажима для ножа, отображаемая в соответствии со стандартом ISO 5611.

Типичная конструкция кассеты ISO 5611 (см. рис. 1) включает:

1. Цельный корпус, изготовленный из легированной стали после термической обработки; 2. Режущий вставной элемент, выполненный из твёрдого сплава, керамики или сверхтвердых режущих материалов, таких как ПКД или КНБ; 3. Винт для фиксации вставного элемента; 4. Винт без шляпки; 5. Винт для осевой регулировки; 6. Зажимной винт кассеты; 7. Шайба; 8. Дополнительный элемент для удержания резьбы или винтовая пружина.

Сам по себе стандарт не регламентирует конструкцию магазина — он устанавливает лишь основные размеры. Однако со временем различные производители объединились и разработали единый базовый дизайн, именно поэтому сегодня все магазины выглядят одинаково.

За последние тридцать лет производители существенно улучшили конструкцию и эксплуатационные характеристики станков. Шпиндели стали быстрее и жёстче, точность возросла, а системы связи и сбора данных повысили эффективность и производительность оборудования. Было также достигнуто множество аналогичных прорывов в разработке новых твёрдых сплавов и сверхтвердых режущих материалов. Однако проектирование режущих инструментов — особенно инструментов, использующих малые державки по ISO — отстаёт от этих достижений в других областях отрасли.

Основной стандарт на типы и размеры резцовых державок ISO 5611 (резцовые державки типа A с индексируемыми вставками — размеры) был существенно обновлён в 2015 году и теперь состоит из 12 подстандартов — от ISO 5611-1:2015 до ISO 5611-12:2015. Он разработан на основе немецкого стандарта DIN 4985.

Рис. 2: Стандартный малый ножевой зажим, устанавливаемый в соответствии со стандартом ISO 5611.

Несколько факторов являются особенно устаревшими (см. рис. 2) и лишают станок его достижений:

• Использование стандартных крепёжных винтов с большим шагом резьбы приводит к снижению разрешающей способности регулировки по сравнению с современными требованиями. Например, для кассеты 10CA (где 10 — расстояние от режущей кромки, выражаемое в миллиметрах; C — обозначение кассеты; A — тип А) диаметр резьбы составляет M4, а шаг равен 0,7 мм. Это означает, что при одном полном обороте винта кассета перемещается радиально на 0,7 мм.
• Соотношение L/l>>1 ещё больше снижает коэффициент сходимости корректировки.
• Ввиду жёсткости цилиндрического корпуса регулировка осуществляется только путём натяжения зажимного винта 6 (см. рис. 1). В практической эксплуатации меньший винт 4 работает в паре с большим винтом 6 (см. рис. 2).
• Из-за наличия зазора между корпусом гильзы и дном гильзы корпус гильзы не обладает жёсткой опорой под действием резательных сил.

Эти недостатки приводят к трудоёмкому процессу наладки, требующему многократного повторения. Для выполнения наладки оператор обычно снижает момент затяжки зажимного винта 6 (см. рис. 1). Затем он или она приводит в действие регулировочный винт 4 и доводит зажимной винт 6 до необходимых параметров. В ходе этого процесса корпус снаряда несколько деформируется, а целевое положение вставки смещается. С этого момента всё зависит от опыта оператора. Некоторые операторы начинают заново, ослабив зажимной винт, тогда как другие используют радиальный винт для тонкой настройки положения режущей кромки. Невозможно предсказать, насколько сильно может заклинить зажимная резьба радиального регулировочного винта. Размер шестигранной головки приводного винта или торцевого ключа весьма мал, что может оказаться недостаточным для преодоления трения.

Рис. 3: Новый концепт тонкой настройки зажима для малого резца подробно описан. (Fr — радиальная сила резания.) На рисунке изображён стрелой, пронзающей камень.

Для устранения недостатков традиционного проектирования компания «Цзяньчуаньши» разработала концепцию картриджа (см. рис. 3), в рамках которой была осуществлена новая интеграция передовых технологий из области станочного оборудования.

Как показано на рис. 3, эта новая кассета выполнена на гибкой основной платформе 1. Вставная деталь 2 фиксируется винтом 3, расположенным в передней части кассеты. Зажимной винт 6 с шайбой 7 и резьбовым стопором 8 устроен аналогично исходной конструкции. Изменение правил игры заключается в интеграции дифференциального винта 4 и толкателя 9. Резьба на дифференциальном винте выполнена с тем же шагом, но с различным шагом резьбы: например, одна резьба может иметь шаг M4 мм, а другая — M4,25 мм. Это обеспечивает шаг резьбы 0,25 мм, что значительно меньше, чем в традиционной конструкции (0,7 мм).

Кроме того, радиальный регулировочный винт 4 установлен под углом а = 60°, что обеспечивает ещё более высокую разрешающую способность при тонкой настройке. Фактическое разрешение регулировки магазина 10CA составляет 0,019 мм (0,0007 дюйма) на каждый поворот регулировочного винта на 90°. В реальных условиях эксплуатации оператор может надёжно корректировать положение режущей кромки с точностью до 0,001 мм (0,00004 дюйма).

Ещё одним преимуществом упорной подкладки является то, что она обеспечивает мощную опору в зоне наибольшего воздействия радиального вектора силы резания (Fr) и одновременно уменьшает соотношение L/l (см. рис. 4).

Рис. 4: Правильная установка усовершенствованного зажима для ножа.

Характерной особенностью данной конструкции является гибкость корпуса магазина, которая обеспечивается пазами 10 (см. рис. 3). Это требует и позволяет поддерживать постоянное предварительное натяжение между корпусом магазина и режущим инструментом основного станка. Положительным результатом такого решения является дифференциальная муфта с нулевым отскоком, что обеспечивает плавное регулирование в двух направлениях — вверх и вниз. При выполнении регулировки нет необходимости ослаблять винт крепления магазина. Это значительно сокращает время обслуживания и делает работу с инструментом более удобной для оператора.

Рис. 5: Напряжение по критерию фон Мизеса отображается в зоне выемки при максимальной деформации.

При расчёте номинальной предварительной нагрузки корпуса магазина «Стрела-Камень» учитывались следующие факторы:

• Дополнительная максимальная деформация составляет 0,2 мм (0,008 дюйма) для компенсации износа режущей кромки.
• Влияние центробежной силы на высокоскоростные операции — например, обработку алюминия с использованием PCD-инструментов.
• Максимальное напряжение на критическом поперечном сечении тела (см. рис. 5).

В ходе всего процесса эксплуатации, чтобы компенсировать износ размеров режущей кромки, необходимо максимально увеличить деформацию передней части сменного патрона. Цель конструкции — удерживать сменный патрон в линейной области деформации, предотвращая усталостное разрушение. После индексации изношенного сменного патрона и его корректировки до номинальных размеров напряжения автоматически снижаются до номинальных значений.

При высокоскоростной обработке передняя часть цилиндрического корпуса подвергается воздействию центробежной силы в соответствии с уравнением (1):

Fc = 0,01097 m r nrpm2 (1) 2465

Где?

m=масса (кг)

r=радиус центральной массы (в метрах)

nrpm=количество оборотов в минуту

Типичный расточной инструмент для обработки нескольких поверхностей показан на рис. 6: передняя вставка выполняет черновую обработку, тогда как другие вставки завершают чистовую обработку и снятие фасок.

Рис. 6: один Обычная многопозиционная расточная станок с всесторонней системой внутреннего охлаждения и блоком тонкой настройки.

Скорость вращения nrpm выражается как степень числа 2, что подчёркивает важность учёта влияния центробежной силы на номинальное предварительное натяжение магазина. С одной стороны, центробежная сила уменьшает это натяжение, пытаясь «приподнять» переднюю часть магазина над держателем; с другой — её увеличение повышает напряжённость в критических участках. Например, если данное устройство вращается со скоростью nrpm = 8, а зажим для ножа — со скоростью 000 об/мин, то при нулевой скорости вращения масса передней части составляет m = 0,0199 кг, и соответствующая центробежная сила достигнет 489 Н (110 фунтов).

На основе глубокого инженерного анализа компания «Jianchuan Shishi» разработала геометрические ограничения для нового мини-зажима резца, при этом обеспечив полное соответствие требованиям стандарта ISO 5611. Новая конструкция полностью взаимозаменяема с оригинальной и уже доказала свою эффективность в реальных условиях эксплуатации.

Анализ применения компании «Стрела, пронзающая камень» показывает, что в мини-зажиме типа 10 CA с длиной L = 50 мм, высотой F = 14 мм и расстоянием до режущей кромки H = 10 мм можно выполнить 75% операций чистовой обработки. Кроме того, компания выделила три основных универсальных типа мини-зажимов, которые удовлетворяют требованиям большинства применений. Дополнительно доступны и другие типы и размеры мини-зажимов по стандарту ISO 5611.

Компания Arrow Through Stone рекомендует по возможности использовать распорные втулки, подвергнутые термической обработке до твёрдости 60 HRC. Это позволяет значительно увеличить срок службы инструмента, предотвращая любую пластическую деформацию в зоне контакта между дном лунки и выталкивающим блоком 9. (См. рис. 3.)

Ещё одним преимуществом распорных вставок является возможность их шлифования по толщине, что позволяет адаптировать кассету к различным диаметрам растачиваемых отверстий, а также использовать для корпуса приспособления более лёгкие и мягкие материалы, такие как алюминий, магний и углеродное волокно. В процессе резания распорные вставки поглощают высокое давление и обеспечивают защиту режущего инструмента. Для свободного прохождения охлаждающей жидкости в распорной вставке предусмотрена демпфирующая зона.

Основные преимущества нового патентованного конструктивного решения для тонкой регулировки державки резца можно резюмировать следующим образом: державка резца соответствует требованиям стандарта ISO 5611 и обеспечивает высокое разрешение регулировки — 0,001 мм; в системе регулировки отсутствует эффект обратного удара; во время регулировки не требуется снимать державку резца с шпинделя; диапазон регулировки в 0,2 мм достаточен для компенсации износа режущей кромки; опорная державка резца, расположенная под режущей кромкой, обладает высокой стабильностью.

Такой новый дизайн выводит продукцию на уровень современных станков; использование новых мини-цангу при текущих операциях позволяет более чем вдвое увеличить срок службы инструмента и существенно улучшить пользовательский опыт конечных пользователей.