Държачи за инструменти

Държачът за инструменти е основната връзка между обработващия център и режещия инструмент. Той се закрепва на шпиндела на металообработващата машина и на свой ред в него се закрепва режещ инструмент, например свредло или фреза, чрез затягане в стеблото му.

Държачите използват различни механизми за затягане на инструментите, включително комплекти от винтове, патронници, хидравлични стеги и набиване. Коничността на отвора за закрепване на държача за инструменти съответства на коничността на съответния шпиндел.

Дорниците на инструментите най-често са конични, включително и дорниците тип CAT и BT. Друг широко използван в техническата практика тип дорник, HSK, не е заострен, а вместо това включва различни фланци за сигурно фиксиране на държача на инструмента на място.

Шпиндели и държачи за високоскоростни инструменти
За да се справят с ефектите на центробежните сили при високи скорости на обработка, производителите на металообработващи машини и на инструментална екипировка са разработили редица различни варианти за шпиндели. Широко използвани в практиката са например шпинделите за закрепване на държачи с дорници с конус тип 7/24.

Тези приспособления са известни като CAT или BT държачи за инструменти и варират в различни размери (обикновено 30 са най-малките, а 60 – най-големите). Тъй като при машинните шпиндели максималната скорост става все по-голяма, възниква необходимост да се развие конструкцията на държачите на инструменти и техните стебла. Вследствие на това са създадени инструменти с двойни контактни повърхности.

Това позволява държачът на инструмента да разчита на закрепване освен по конична повърхност и по допълнителния лицев контакт към шпиндела на машината. Идеята, стояща зад въвеждането на контакта по лицевата повърхност, е да се позволят по-добри статична якост, конусен контакт и контрол на размера “Z” при по-високи обороти. Приспособленията с лицев контакт включват държачи с двойни контактни повърхности, типове HSK, KM, NC5 и 7/24.

Сред най-разпространените шпиндели, предлагани за съвременните обработващи центри, са стръмно заострените шпиндели тип 7/24 (по стандартите BT, CAT или ISO). Колкото по-голямо е числото зад CAT и BT, толкова по-голям е държачът. С други думи, BT30 е малък, лек държач, а CAT60 е голям и тежък държач.

Ако в шпиндела на обработващия център са вложени стандартни самозаклинващи приспособления BT и CAT, то се появява празно пространство между челото на шпиндела и фланеца на инструмента. В Съединените щати повечето обработващи центрове използват CAT версията на тези 7/24 заострени шпиндели. В Япония и Европа повечето обработващи центри използват версията BT на заострените шпиндели 7/24.

Функции на държачите при обработка с машини с ЦПУ
Доброто разбиране на работата с инструменти, предназначени за машини с ЦПУ, може значително да подобри производителността и ефективността на обработката, същевременно намалявайки разходите.

Повечето центри с ЦПУ за обработка на дърво, пластмаси и композитни материали днес са снабдени със стръмен конус за закрепване по ISO/SK/BT стандарт, а често и инструментални държачи тип HSK. Стандартните държачи HSK имат много високи нива на точност, с допустимо отклонение от 0,003 мм. За предпочитане е държач на инструмент, който се доставя с лагерувана цангова гайка със сачмен лагер, а не обикновена статична гайка.

Сачменият лагер разединява вътрешния пръстен от резбованата самозатягаща част на гайката, така че кръгообразното движение на гайката напълно се превръща в сила на затягане без загуба от триене.

Предимствата са: по-голяма сила на затягане, по-малко износване и държачът на инструменти може да се използва както за движение по посока на часовниковата стрелка, така и обратно. Най-често срещаните версии на държачи за инструменти, използвани за обработка на дърво, пластмаси и композитни материали, са патронници тип ER32, ER40 или RDO 35 (SYOZ 25).

Специални държачи за инструменти
Докато стандартните челюсти на патронниците са отлични опции за затягане в повечето случаи, то съществуват опции като термосвиваеми и хидравлични държачи за инструменти, предназначени за по-специализирани приложения. Термосвиваемите държачи са полезни при операции с висока скорост на обработка и не използват система за закрепване с патронник, тъй като стеблото на инструмента е монтирано директно в термосвиваемата цанга.

В нея може да се закрепва само един (размер) инструмент и обикновено се изисква допълнителна (а понякога и значителна) инвестиция за загряване, за да се монтира и демонтира инструментът към патронника. Термосвиваемите държачи са чудесен избор за инструментите с карбидни вложки, например, когато инструментът и патронникът се сглобяват при производителя и няма да се налага да бъдат изваждани за обслужване.

Друг вариант е хидравличният патронник, който намалява условните натрупвания на грешки в размерните вериги между машината и инструмента. Хидравличните патронници са балансирани до 25 хил. об./мин и се предлагат във всички стандартни метрични размери (от 10 до 25 мм).

Безопасност на инструменталната екипировка при тежка обработка
Важността на държачите на инструменти често остава недооценена, особено когато става дума за груби и тежки машинни обработки, където точността се счита за по-малко критична. Процентът на отнемане на материал при тези типове обработки е решаващ за производителността на машинната операция.

Използвайки специални патронници с притискащи плъзгащи щифтове и спирални канали в стеблото на инструмента за закрепване на ножа/държача, може да се извърши скоростно фрезоване с максимално стружкоотделяне до 2xD (50 mm) при трудни за обработване материали.

При тежки фрезови операции, независимо дали става дума за еднопосочно (climb milling) или конвенционално фрезоване, режещият инструмент може да генерира теглителна сила върху държача на инструмента. При обикновения заклинващ държач на инструменти, който закрепва режещия инструмент само чрез сила на триене, това действие на изтегляне може и понякога преодолява способността на държача да захваща режещия инструмент. Това може да доведе до изпадане на фрезата.

Класическите държачи със заклинване, отчасти поради тяхната превъзходна концентричност и слабо износване, позволяват на машината да работи с “по-агресивни” скорости и подавания. Все пак, тъй като заклинването се основава почти изцяло на гладък отвор, тези агресивни скорости на рязане могат да станат причина за изпадане на инструмента при работа с трудни за обработка материали.

Влияние на високите скорости върху държачите за инструменти
Ролята на държачите на инструменти при високоскоростно фрезоване по принцип не се различава от ролята им, когато се фрезова конвенционално. Функцията на държачите винаги е да осигуряват взаимодействие между машинния шпиндел и режещия инструмент, така че ефективността на двата компонента да не се намалява.

С други думи, и най-добрият държач на инструменти не може да накара лош инструмент да реже добре или да накара износен шпиндел да работи като нов. Но лош държач на инструмент може да навреди на добър шпиндел и ще окаже неблагоприятно влияние върху параметрите на рязане, което в крайна сметка може да доведе и до преждевременна повреда на инструмента.

Независимо от скоростта на рязане, добрият държач на инструменти трябва да има възможност да:
• пасне точно върху шпиндела така, че централните оси на държача и шпиндела да съвпадат точно;
• да разшири съвпадението на централните оси, така че да включи функцията за закрепване на инструмента;
• да осигури възможно най-голяма устойчивост, съобразена с размера и други ограничения на дизайна.

При съвременната високоскоростна фрезова технология от ключово значение е напасването между шпиндела и държача на инструмента. Тази връзка отговаря за точността, повторяемостта, баланса и здравината/издръжливостта на системата за рязане.

Отново независимо от скоростта на шпиндела, качеството на държача за инструменти от гледна точка на фиксиране на шпиндела по концентричност е от критична важност. Тъй като скоростите на шпинделите непрекъснато нарастват, качеството на държача на инструмента оказва все по-пряко въздействие върху напасването на шпиндела и концентричността на режещия инструмент.

В резултат на това държачът за инструменти трябва да бъде правилно балансиран на балансираща машина, за да се постигнат зададените спецификации и допуски.

Избор на държачи за инструменти
Геометрията, размерът и повърхността на държачите оказват ефект върху точността на рязане, повторяемостта и живота на инструмента. Държачът е ключов компонент от системата, отговарящ за устойчивото и точно обработване на детайлите. Конусът на държача, както и отворът за инструмента или патронника, е необходимо да са с правилния размер съобразно приложението и да са концентрични. При избор на държач за инструменти е препоръчително да се вземат предвид и някои допълнителни фактори.

Макар повечето обработващи центри да са оборудвани с V-образни конични шпиндели и фланци, точността на конусите тип BT става все по-популярна при по-малките шпиндели и високоскоростни машини. Увеличаването на скоростите на рязане на днешните обработващи центри на 10, 20 и дори 30 хил. оборота в минута налага все по-добър баланс на държачите за инструменти.

Стандартните държачи за по-ниска скорост обикновено не поддържат точности, постижими при балансираните държачи. В идеалния случай комплектът на целия инструмент се балансира преди монтажа в шпиндела на машината.

При избор на държачи за инструменти е препоръчително да се заложи на модели, сертифицирани за динамично балансиране в две равнини. Най-надеждните държачи са произведените основно на машини с ЦПУ, както и балансирани в специална машина за балансиране на инструменти, позволяваща прецизна корекция на дисбалансите, присъщи на всички V-фланцови инструменти.

Потребителите установяват, че балансираните държачи при всякаква скорост елиминират вибрациите, което позволява по-бързо отстраняване на материал, по-голям живот на инструмента и подобрено качество на обработваните повърхности благодарение на балансирано отделяне на стружки, както и пълноценно оползотворяване на технологията при вложките от керамични и карбидни материали чрез оптималните препоръчителни подавания и скорости.

Цангите могат да представляват значителна инвестиция. Ето защо новите държачи на инструменти е препоръчително да съответстват на диаметъра на челата на съществуващите цанги, като позволяват практично захващане на инструмента възможно най-близо до работното положение. Сред популярните решения в практиката са многофункционалните, високопрецизни цанги тип ER с широк обхват на захващане (стъпка 1 мм) и ниско общо износване.

Съхранение на държачите за инструменти
Експертите препоръчват почистване и складиране на всички неизползвани държачи за инструменти в стелажи, предназначени за разделно съхранение. Повърхностните повреди на държачите на инструментите биха оказали негативно влияние върху баланса и концентричността и в крайна сметка биха могли да допринесат за по-бързото износване на шпиндела.

Стелажите за държачи на инструменти, снабдени с колелца, позволяват безопасно и лесно транспортиране на държачите от инструменталния склад до обработващия център и позволяват създаване на необходимата организация по предназначение.

Възможност за предварителна настройка на държачите
Предварителните настройки спестяват машинно време, могат да повишат производителността на машината и да намалят брака. Допълнителните дублиращи държачи осигуряват комплект от инструменти за ротация с предварителни настройки и са достъпни за незабавна замяна, като минимизират времето за престой.

При закупуване например на обработващ център с висока себестойност на обработката на час, то допълнителните, предварително настроени държачи могат бързо да се изплатят чрез осигуряване на повече време за работа на машината и съответното увеличаване на производителността.

Обработващите центри, използвани в 24-часов режим на работа, обикновено имат капацитет на карусела за замяна на инструменти, позволяващ до четири замени на всеки инструмент.

Късата захващаща (зацепваща) повърхност на държача може да подобри здравината и да позволи увеличаване на якостта и скоростта до 20%. Такова захващане предлага най-стабилното конвенционално закрепване на въртящи се металообработващи инструменти.

При захващания за по-дълги работни цикли е препоръчителен изборът на балансирани държачи с фино обработени палци или удължения за максимално сцепление и здравина по време на работа. В противен случай могат да възникнат нежелани вибрации, водещи до дефекти в произвежданите детайли.

Материалът, който ще се обработва, определя оптималните параметри на рязане. Правилната комбинация от режещ инструмент, вложка и държач спомагат за постигане на максимална производителност на обработващата машина.

Максималният контакт между шпиндела и държача за инструменти позволява по-интензивни подавания, без да се увеличават скоростите на рязане. Доставянето на охлаждащата течност през шпиндела също може да увеличи производителността чрез по-ефективно отмиване на стружките от дупките и отворите.

Балансиране на инструментите
При скорости, достигащи 10 хил. оборота в минута, балансирането е от критично значение. Ефектът от небалансираните инструменти е очевиден и при по-ниски скорости. Дори и малките дисбаланси могат да породят центробежни сили с негативно влияние върху лагеруването на шпиндела на обработващия център. Според данни от проучвания, средният първоначален дисбаланс за повечето инструментални държачи е 250 г/мм.

При 15 000 об./мин, дисбаланс от 250 г/мм поражда непрекъсната радиална сила от 63,5 кг. Резултатът е преждевременна повреда на лагера и нужда от скъп ремонт на машината. Дисбалансът на държача води и до трептене, което намалява качеството нa финишната обработка и допуските на детайла.

Тъй като дисбаланс е възможно да се появи при всяка обработваща операция, държачът и инструментът трябва да бъдат балансирани като монтаж след всяко задание. Един от най-честите източници на дисбаланс са цангата и цанговата гайка във V-образните държачи на фланците. Просто разхлабване и затягане на гайката води до 15 пъти по-голямо от допустимото отклонение на баланса за монтаж на инструмент.

В допълнение, самият режещ инструмент може да причини дисбаланс. Режещите повърхности, дължината на стеблото и несиметричните форми на инструментите също имат ефект върху баланса, който, от своя страна, влияе върху качеството на детайла.