В станках с ЧПУ зажим оправки с инструментом или заготовки выполняется автоматически. Оправка 2 с инструментом (рис. 1) затягивается в коническое гнездо шпинделя 3 шомполом 6 под действием осевой силы, создаваемой предварительно сжатым пакетом тарельчатых пружин 7. Эта сила регулируется гайками 10.
Захват штифта 4, ввинченного в оправку, производится рычагами 5, которые поворачиваются при перемещении вправо шомпола 6 под действием пружин. Для направления шомпола служат втулки 8, 9 и 18. Вращающий момент от шпинделя передается оправке торцовыми шпонками 1.
Для освобождения оправки тарельчатые пружины сжимаются силой, развиваемой гидроцилиндром 15. При поступлении масла в бесштоковую полость поршень перемещает шомпол 6 влево. В выточке втулки 19 рычаги разводятся центробежными силами и не препятствуют выталкиванию оправки из гнезда шпинделя. Гайка 17 служит упором для пакета тарельчатых пружин при отсутствии в шпинделе инструментальной оправки. Сигналы о зажиме и освобождении оправки выдаются в систему управления станка бесконтактными конечными переключателями 16 при перемещении вдоль них упора 14, закрепленного на шомполе 6.
Скорость и угловое положение шпинделя контролируются датчиком, состоящим из вращающейся шкалы 13 и считывающей головки 12, расположенной на корпусе 11 шпиндельной бабки.
Рис. 1. Устройство для зажима оправки с конусностью 7:24
Кроме приведенного выше применяется шариковое захватное устройство (рис. 2, а). Инструментальная оправка 1 затягивается в гнездо шпинделя 2 шомполом 4 при действии на него силы, создаваемой пакетом тарельчатых пружин 6. Шарики 3 прижимаются к штифту, ввинченному в оправку. Она освобождается, когда шомпол перемещается гидроцилиндром влево и шарики оказываются в выточке втулки 5.
Из-за малого диаметра штифта шариков в захвате недостаточно для получения большой силы затягивания. Между торцом затянутой оправки с конусностью 7:24 и торцом шпинделя имеется зазор Δ, что является особенностью данного соединения. При высоких частотах вращения от действия центробежных сил изменяются диаметры посадочных поверхностей, и оправка затягивается в шпиндель дополнительно. Поэтому сила, необходимая для извлечения оправки из гнезда, значительно возрастает, а контактирующие конические поверхности оправки и гнезда для нее изнашиваются быстрее. Этим вызвано применение при высоких частотах вращения конического соединения оправки и шпинделя типа НSК.
Зажим и освобождение оправок с коротким конусом типа НSК
Особенностями соединения НSК являются базирование оправки (рис. 2, б) по короткому конусу (конусность 1:10) и торцу, зажим оправки изнутри, увеличение силы зажима с повышением частоты вращения из-за действия центробежных сил. Соединение отличается высокой жесткостью и применяется в основном в высокоскоростных станках. В связи с базированием по конусу 7 и торцу 2 требуется повышенная точность изготовления деталей соединения. Шпоночные пазы 9 на торце хвостовика служат для восприятия крутящего момента, передаваемого на хвостовик шпонками, находящимися на торце шпинделя.
Рис. 2. Примеры конструкций захватных устройств
Коническая поверхность обеспечивает базирование хвостовика в коническом гнезде шпинделя. Внутрь хвостовика вводятся элементы, взаимодействующие с упором 8 и обеспечивающие зажим хвостовика в шпинделе в результате деформации в радиальных направлениях. На хвостовике имеется трапециевидная канавка 3 и ориентирующие канавки 4 под захват манипулятора, а также индексирующая канавка 6, используемая при ориентации и автоматической смене инструмента. Для кодирования инструмента в углубление 5 вставляется микросхема (чип). Сквозное поперечное отверстие 1 необходимо при использовании ручных зажимных устройств, используемых при сборке инструментальных модулей. Размеры конических полых хвостовиков регламентированы.
Механизм зажима оправки с инструментом (рис. 2, в) работает автоматически. Оправка 1 вставляется в шпиндель 2. Когда шомпол 4 с навинченной на него втулкой 6 смещен влево, между торцами оправки и шпинделя имеется зазор Δ (изображение этого положения находится выше оси оправки). Затем шомпол смещается вправо пакетом тарельчатых пружин (на рис. 2, в не показаны) и втулка 6 поворачивает рычаги 5. В результате их взаимодействия с коническими поверхностями Г оправки и В шпинделя оправка затягивается в шпиндель с устранением зазора Δ (это положение показано ниже оси оправки). Таким образом возникло геометрическое замыкание усилия зажима на шпиндель (между торцом оправки и поверхностью В шпинделя), что повышает надежность соединения. Благодаря коническим поверхностям Б и В контактирующих элементов пружины 3 повышают силу зажима. Через отверстие А в шомполе в зону резания вводится смазочно-охлаждающая технологическая среда.
Гидроцилиндры в системе зажима и освобождения инструментальных оправок
Гидроцилиндр (пневмоцилиндр), предназначенный для освобождения оправки с инструментом, может быть двухсторонним (масло поступает то в одну его полость, то в другую) или односторонним (масло для разжима оправки подается только в одну полость цилиндра, а отвод штока цилиндра от шомпола производится пружиной). Если цилиндр закреплен жестко на корпусе шпиндельной бабки, то осевые силы, возникающие в устройстве зажима и освобождения инструментальных оправок, действуют на радиально-упорные подшипники опор шпинделя, снижая их долговечность. Эти нагрузки на подшипники можно значительно снизить, если гидроцилиндр закреплен на шпинделе или соединяется с ним в моменты подачи в него масла.
Рис. 3. Гидроцилиндр шпинделя
Схема двухстороннего цилиндра, периодически соединяемого со шпинделем, представлена на рис. 3. Корпус 5 гидроцилиндра может перемещаться во фланце, закрепленном винтами на корпусе шпиндельной бабки. Когда для освобождения инструментальной оправки масло под давлением подается в полость гидроцилиндра, находящуюся выше поршня со штоком 1, он перемещается вниз. В это же время давлением масла корпус 5 перемещается вверх на расстояние а = 0,15 мм и прихват 3, поворачиваясь относительно оси 4, сцепляется с гайкой 2 и, следовательно, со шпинделем. (Это состояние устройства разжима оправки на рис. 3 показано слева от оси цилиндра). При этом на радиально-упорные подшипники опор шпинделя действует сила меньшая силы разжима оправки.
