ДЕРЖАТЕЛЬ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ ПОСРЕДСТВОМ ПОСАДКИ С НАТЯГОМ
TOOL HOLDER TO ALLOW TOOL INTERFERENCE FIT

Настоящее изобретение относится к держателю инструмента для закрепления инструментов посредством посадки с натягом, предпочтительно содержащих цилиндрические валы согласно с вводной частью пункта 1 формулы патента.
Подобные держатели инструмента известны с недавних пор. Они используются для закрепления токарных, сверлильных, калибровочных, шлифовальных и фрезерных инструментов, и содержат зажимной патрон, содержащий зажимную часть с осевой внутренней проточкой, в которую посредством посадки с натягом может быть установлен вал инструмента.
Во время посадки с натягом зажимная часть, внутренняя проточка которой имеет немного меньший внутренний диаметр, чем внешний диаметр вала инструмента, расширяется посредством нагрева, предпочтительно при помощи катушки индуктивности, и вновь охлаждается после установки вала инструмента, при этом между валом инструмента и зажимным патроном устанавливается соединение, не допускающее вращения.
Известные варианты воплощения таких держателей инструмента, такие как описанные в DE 19944440 С2 и DE 10114149 C2, уже обладают очень хорошими показателями демпфирования колебаний и сопротивления скручиванию. Однако все же существует опасность того, что они становятся восприимчивы к вибрациям, в частности, когда они используются со слишком быстро вращающимися инструментами, посредством чего инструмент может выполнять более или менее прецессионное движение вокруг продольной оси держателя инструмента в ходе его вращения, что может ухудшить точность и воспроизводимость изделий, изготавливаемых при помощи него. Для обеспечения высокой точности и воспроизводимости, несмотря на это, такие инструменты не должны использоваться с чрезвычайно быстрым вращением, а также глубина подачи и резания не должны быть слишком большими. Таким образом, производительность снятия материала является недостаточной; это означает, что время обработки для изготовления одного изделия субоптимально.
Такие держатели инструментов, однако, имеют недостатки не только при использовании с быстро вращающимися инструментами. Также с невращающимися инструментами отклонения инструмента от оси держателя инструмента и вибрации могут быть вызваны ударом по обрабатываемому изделию, что также ухудшает точность обработки.
Другие держатели инструментов с зажимным патроном описаны в DE 20200298 U1 и DE 102004019869 A1 в виде выдвижного держателя инструмента или в виде дополнительно зажатого держателя инструмента. Несмотря на то что инструменты могут удерживаться выдвижным держателем инструмента, с одной стороны далеко от самого соединения, и с другой стороны через глубокие и узкие отверстия, обширная компенсация вибраций может быть обеспечена при помощи дополнительно зажатого держателя инструмента. Первый держатель инструмента не обеспечивает какого-либо специального демпфирования вибраций, и демпфирование вибраций второго держателя инструмента довольно затруднительно и технически сложно.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание держателя инструмента для закрепления инструмента посредством посадки с натягом, обладающего низкой склонностью к вибрациям и, таким образом, обеспечивающего лучшее качество резания.
Данная задача выполняется при помощи держателя инструмента по п.1, предпочтительные варианты осуществления которого являются объектами зависимых пунктов.
Держатель инструмента в соответствии с настоящим изобретением отличается контуром зажимного патрона, при этом диаметр зажимного патрона неравномерно увеличивается между первым передним диаметром на головке зажимного патрона, и вторым задним диаметром в основании зажимного патрона, так что, по меньшей мере, образуются две части профиля зажимного патрона. Переход между первой и второй частями, на котором диаметр неравномерно возрастает, также образует переход между головкой зажимного патрона и основанием.
Несмотря на эту определенную форму, головка зажимного патрона не только более узкая, чем основание, но также имеет намного меньшую массу, которая может, например, вызвать и усилить вибрации, когда держатель инструмента вращается очень быстро. Такой держатель инструмента может, таким образом, работать на гораздо больших скоростях, чем обычные держатели инструментов, при этом благодаря уменьшенной склонности к вибрациям изделия обладают очень хорошей точностью и воспроизводимостью. Путем обеспечения основания зажимного патрона более толстыми стенками, чем головки, удовлетворяются не только стандартные требования, касающиеся конфигурации держателя инструмента, что является результатом геометрической конфигурации интерфейса между механическим станком и держателем инструмента, но также одновременно обеспечивает достаточную жесткость зажимного патрона.
В предпочтительном варианте осуществления приемник вала инструмента содержит осевой упор, который используется для ограничения осевого положения вала инструмента внутри приемника; это означает, что он ограничивает глубину проникновения вала инструмента в зажимной патрон. Относительно перехода осевой упор расположен так, что вал инструмента полностью помещается в головку зажимного патрона и частично не простирается в основание зажимного патрона. Другими словами, осевой упор должен быть расположен на подъеме перехода или между вышеуказанным подъемом и нижним концом зажимного патрона, и не на участке между переходом и нижним концом зажимного патрона. При помощи такого осевого расположения осевого упора относительно перехода, с одной стороны, достигается особо предпочтительное соотношение между головкой зажимного патрона, имеющей уменьшенную массу, и основанием зажимного патрона, жесткость которого увеличена. С другой стороны, зажимной патрон может, например, быть нагрет при помощи катушки индуктивности без проблем, при этом катушка индуктивности не должна иметь сложной геометрической формы. Более того, таким образом такой нагрев, как можно более равномерный, способствует расширению головки зажимного патрона, поскольку на всех участках зажимного отделения толщина стенок одинаковая, что позволяет избежать неравномерного нагрева или расширения зажимной части.
Первая часть предпочтительно имеет конический контур, проходящий непрерывно между передним концом головки зажимного патрона и переходом, и диаметр которого увеличивается по направлению к переходу под углом в пределах от 1° до 20°, в частности 4,5°, относительно продольной оси держателя инструмента. При помощи такой геометрической формы головки зажимного патрона держатель инструмента сопоставим со всеми известными в настоящее время зажимными устройствами.
Расширение диаметра контура зажимного патрона на участке перехода может изменяться резко от 0° относительно продольной оси держателя инструмента до 50°. Предпочтительным является диапазон от 10° до 40°, при этом переход предпочтительно расширяется под углом 30°.
Предпочтительно, третья часть следует после второй части по направлению к нижнему концу основания зажимного патрона, которое опирается на центральную часть держателя инструмента, при этом вышеуказанная третья часть имеет, по существу, цилиндрический контур, при этом вышеуказанная вторая часть имеет по существу конический контур, расширяющийся к третьей части под углом относительно продольной оси в пределах от 1° до 20°, более подробно 6°, в держателе инструмента с полым соединительным валом, и 8° в держателе инструмента с соединительным валом малой конусности. Таким образом, переход контура между второй и третьей частями проходит, по существу, равномерно, при этом, однако, возможны и прерывистые переходы. Таким образом, основание, опирающееся на центральный участок держателя инструмента, содержит контур, определенный стандартом, в то время как участок между третьей частью и переходом имеет дополнительно уменьшенную толщину стенки благодаря коническому контуру, посредством чего масса зажимного патрона дополнительно снижается. Таким образом, дополнительно снижается склонность к вибрациям держателя инструмента.
В частности, в держателях инструмента, содержащих длинные зажимные патроны, предпочтительно, чтобы участок зажимного патрона имел контур, разделенный на четыре части, т.е. первая часть, вторая часть, которая является, по существу, цилиндрической и расположена рядом с переходом, и после этого конически расширяющаяся третья часть, и, в свою очередь, затем, четвертая, по существу, цилиндрическая часть, соединенная с центральной частью и удовлетворяющая стандартным требованиям. Таким образом, конический контур третьей части должен расширяться под углом относительно продольной оси держателя инструмента в пределах от 1° до 20°, в частности 6° для держателя инструмента с полым соединительным валом, и 8° в держателе инструмента с соединительным валом малой конусности, при этом переходы контура между второй и третьей, и четвертой частями, по существу, проходят равномерно, при этом, однако, возможны и прерывистые переходы. При помощи четырехступенчатого контура масса основания зажимного патрона дополнительно снижается относительно трехкомпонентного контура.
В предпочтительном варианте осуществления вторая часть содержит проточки, в которые могут быть помещены балансировочные элементы, в частности балансировочные болты, используемые для осуществления плавного хода путем предотвращения неуравновешенности держателя инструмента.
Для охлаждения инструмента, во время обработки изделия, внутри держателя инструмента предусмотрена осевая внутренняя проточка, по которой охлаждающая жидкость подается к инструменту или к месту, в котором инструмент взаимодействует с изделием. Предпочтительно, этот подающий канал имеет относительно малый диаметр по сравнению с внешним диаметром зажимного патрона, в частности, в пределах от 3 мм до 6 мм. При помощи такого относительно небольшого диаметра, проточка также способствует улучшению стойкости к вибрациям и стабильности держателя инструмента, посредством чего сохраняется достаточная жесткость держателя инструмента.
Охлаждающая жидкость, подаваемая через осевой подающий канал, может, с одной стороны, подаваться непосредственно через осевую внутреннюю проточку в инструменте к месту, в котором инструмент взаимодействует с изделием, и может, таким образом, охлаждать инструмент внутри в то же время, и/или одна или несколько проточек предусмотрены в стенке зажимного патрона, которые принимают охлаждающую жидкость из подающего канала и передают ее далее к валу инструмента в стенке держателя инструмента, так что охлаждающая жидкость выходит из головки зажимного патрона вдоль инструмента. С другой стороны, охлаждающие каналы могут быть не предусмотрены для увеличения жесткости.
Дополнительные особенности, признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны со ссылкой на описание предпочтительного варианта осуществления совместно с чертежами, на которых:
Фиг.1 представляет собой продольный разрез держателя инструмента согласно предпочтительному варианту осуществления;
Фиг.2 представляет собой держатель инструмента с Фиг.1 и его размеры;
Фиг.3 представляет собой внутреннее устройство приемника в предпочтительном варианте осуществления с Фиг.1; и
Фиг.4 представляет собой фрагмент Фиг.3.
На Фиг.1 показан держатель 1 инструмента в продольном разрезе, при этом вышеуказанный держатель инструмента выполнен как одно целое и содержит полый соединительный вал 2, центральную часть 3, и зажимной патрон 4. Зажимной патрон 4 содержит основание 5 зажимного патрона, примыкающее к центральной части 3 его нижней части, и головку 6 зажимного патрона. Легко увидеть четырехступенчатый контур зажимного патрона 4, содержащий первую коническую часть 7, вторую цилиндрическую часть 8, третью коническую часть 9 и четвертую цилиндрическую часть 10. Эти части 7, 8, 9, 10 объединены в симметричный относительно вращения контур зажимного патрона 4, начиная от переднего диаметра D1 головки 6 зажимного патрона до заднего диаметра D4 основания 5 зажимного патрона.
Контур диаметра держателя инструмента простирается, по существу, плавно в отдельных частях 7, 8, 9, 10 и равномерно между ними, при этом диаметр зажимного патрона 4 постоянно расширяется, начиная от переднего диаметра D1 к заднему диаметру D4, и остается, по существу, постоянным лишь в первой и четвертой частях 8, 10. Между первой и второй частями 7, 8 диаметр участка перехода 11 возрастает неравномерно, то есть диаметр контура неравномерный на переходе от первой части 7 ко второй части 8.
Благодаря переходу 11 основание 5 зажимного патрона имеет намного большую толщину стенки, чем головка 6 зажимного патрона, посредством чего головка 6 зажимного патрона не только кажется тоньше, но также обладает меньшей массой по сравнению с головкой 6 зажимного патрона с равномерным контуром, начиная от основания 5 зажимного патрона.
При помощи вышеуказанных мер склонность к вибрации держателя 1 инструмента существенно снижается, поскольку меньшая масса расположена вдали от точки крепления держателя 1 инструмента в станке, а большая масса расположена близко к этой точке крепления. В то же время держатель инструмента, показанный на Фиг.1, обладает достаточной устойчивостью и соответствует, в частности, стандартным требованиям, которые определяют, например, максимальный диаметр четвертой части 10.
Головка 6 зажимного патрона содержит зажимную часть на своем переднем конце, при этом указанная зажимная часть отличается осевой внутренней проточкой 12 для размещения вала инструмента. Глубина осевого проникновения вала инструмента во внутреннюю осевую проточку 12 ограничивается осевым упором 13, имеющим форму радиального сужения внутренней проточки 12. При помощи осевого упора 13 вал инструмента расположен лишь в головке 6 зажимного патрона, а не в основании 7 зажимного патрона в зажатом состоянии, посредством чего процесс посадки с натягом существенно упрощается и ускоряется.
После осевого упора 13 расположен подающий канал 14, который также выполнен в виде внутренней осевой проточки и по которому охлаждающая жидкость подается к валу инструмента, расположенному с натягом в приемнике 12. Подающий канал 14, таким образом, имеет довольно маленький диаметр по сравнению с внешним диаметром зажимного патрона 4, в пределах от 3 мм до 6 мм. Эта относительно небольшая проточка также придает предпочтительные антивибрационные свойства и высокую устойчивость держателю инструмента.
Охлаждающая жидкость может подаваться к головке инструмента и к изделию либо через канал для охлаждающей жидкости, проходящий по оси внутри инструмента, и/или через проточки (не показано), которые могут быть выполнены в головке зажимного патрона, подающие охлаждающую жидкость из подающего канала 14 внутри стенки головки 6 зажимного патрона через вал инструмента к переднему концу головки 6 зажимного патрона. Это может быть осуществлено, например, при помощи двух проточек, расположенных зеркально относительно продольной оси держателя 1 инструмента, которые простираются в первой части 7 за валом инструмента в стенке.
На Фиг.2 держатель 1 инструмента с Фиг.1 показан также в продольном сечении, при этом, однако, его определенные размеры указаны более точно. В следующих таблицах приведены примерные значения для конкретных размеров. Все эти значения даны в мм или в ° для размеров α, β и γ и перечислены в зависимости от типа соединения 2 для вала держателя инструмента и в зависимости от длины L4 зажимного патрона.
Все размеры для нижнего диаметра D4 основания 5 зажимного патрона составляют от 50 мм до 53 мм, что задано стандартом путем выбора интерфейса механического станка. Таким образом, таблицы 1, 2, 3 и 4 приведены лишь для вала держателя диаметром D1 до 16 мм, поскольку при больших диаметрах D1 вала инструмента, такой неравномерный переход 11, по существу, не может быть выполнен из стандартных материалов. Для обеспечения устойчивых относительно вращения держателей инструмента также для больших диаметров D1 вала инструмента в соответствии с настоящим изобретением, например при описанном контуре, используемом в диапазоне высоких скоростей, необходимо использовать большие интерфейсы, допускающие большие диаметры D4 для четвертой части 10.
Угловые значения для размеров α, β и γ зависят от выбора общей длины L4 зажимного патрона, и от диаметра D4 основания 5 зажимного патрона. Следовательно, они являются постоянными, соответственно, в таблицах 1, 2, 3 и 4.
<b>Таблица 1</b>
<b>D1</b>
<b>D2</b>
<b>D3</b>
<b>D4</b>
<b>L1</b>
<b>L2</b>
<b>L3</b>
<b>L4</b>
<b>L5</b>
<b>L6</b>
<b>L7</b>
<b>α</b>
<b>β</b>
<b>γ</b>
6
21
40
53
48,5
60,5
84
104
130
38
162
30
4,5
6
8
21
40
53
48,5
60,5
84
104
130
38
162
30
4,5
6
10
24
40
53
55
65,5
84
104
130
43
162
30
4,5
6
12
24
40
53
55
65,5
84
104
130
48
162
30
4,5
6
14
27
42
53
60,5
70,5
84
104
130
48
162
30
4,5
6
16
27
42
53
60,5
70,5
84
104
130
51
162
30
4,5
6
В таблице 1 перечислены значения размеров для держателя 1 инструмента с полым соединением 2 для вала для первой длины L4 зажимного патрона.
<b>Таблица 2</b>
<b>D1</b>
<b>D2</b>
<b>D3</b>
<b>D4</b>
<b>L1</b>
<b>L2</b>
<b>L3</b>
<b>L4</b>
<b>L5</b>
<b>L6</b>
<b>L7</b>
<b>α</b>
<b>β</b>
<b>γ</b>
6
21
40
53
48,5
60,5
114
134
160
38
192
30
4,5
6
8
21
40
53
48,5
60,5
114
134
160
38
192
30
4,5
6
10
24
40
53
55
65,5
114
134
160
43
192
30
4,5
6
12
24
40
53
55
65,5
114
134
160
48
192
30
4,5
6
14
27
42
53
60,5
70,5
114
134
160
48
192
30
4,5
6
16
27
42
53
60,5
70,5
114
134
160
51
192
30
4,5
6
В таблице 2 перечислены значения размеров для держателя 1 инструмента с полым соединением 2 для вала для второй длины L4 зажимного патрона.
<b>Таблица 3</b>
<b>D1</b>
<b>D2</b>
<b>D3</b>
<b>D4</b>
<b>L1</b>
<b>L2</b>
<b>L3</b>
<b>L4</b>
<b>L5</b>
<b>L6</b>
<b>L7</b>
<b>α</b>
<b>β</b>
<b>γ</b>
6
21
40
50
48,5
60,5
91
110,9
130
38
198,4
30
4,5
8
8
21
40
50
48,5
60,5
91
110,9
130
38
198,4
30
4,5
8
10
24
40
50
55
65,5
91
110,9
130
43
198,4
30
4,5
8
12
24
40
50
55
65,5
91
110,9
130
48
198,4
30
4,5
8
14
27
42
50
60,5
70,5
91
110,9
130
48
198,4
30
4,5
8
16
27
42
50
60,5
70,5
91
110,9
130
51
198,4
30
4,5
8
В таблице 3 перечислены значения размеров для держателя 1 инструмента с соединительным валом малой конусности (не показан) для первой длины L4 зажимного патрона, при этом форма держателя 1 инструмента с соединительным валом малой конусности отличается от формы держателя 1 инструмента с полым соединительным валом 2 лишь на участке соединительного вала и на участке центральной части.
<b>Таблица 4</b>
<b>D1</b>
<b>D2</b>
<b>D3</b>
<b>D4</b>
<b>L1</b>
<b>L2</b>
<b>L3</b>
<b>L4</b>
<b>L5</b>
<b>L6</b>
<b>L7</b>
<b>α</b>
<b>β</b>
<b>γ</b>
6
21
40
50
48,5
60,5
121
140,9
160
38
228,4
30
4,5
8
8
21
40
50
48,5
60,5
121
140,9
160
38
228,4
30
4,5
8
10
24
40
50
55
65,5
121
140,9
160
43
228,4
30
4,5
8
12
24
40
50
55
65,5
121
140,9
160
48
228,4
30
4,5
8
14
27
42
50
60,5
70,5
121
140,9
160
48
228,4
30
4,5
8
16
27
42
50
60,5
70,5
121
140,9
160
51
228,4
30
4,5
8
В таблице 4 указаны значения размеров для держателя 1 инструмента с соединительным валом малой конусности (не показан) для второй длины L4 зажимного патрона.
В соответствии с Фиг.3 и с подробной иллюстрацией на Фиг.4 канавка 15 может быть выполнена внутри приемника 12 в держателе 1 инструмента согласно изобретению, эта канавка частично расширяет внутренний диаметр приемника 12 в форме выемок. Вместо одной канавки может быть предусмотрено также несколько канавок. После посадки с натягом вала инструмента в приемник 12 приемник 12 не находится в непосредственном физическом контакте с валом инструмента на участке этих канавок, так что на этих участках формируются полости, в которые предпочтительно попадает влага, смазка и подобные вещества, прилипающие к валу инструмента, так что между приемником 12 и валом инструмента не будет формироваться каких-либо гидравлических опор, которые могли бы воспрепятствовать полной передаче крутящего момента. Вместо нескольких канавок, например, проходящих в параллельном или радиальном направлении относительно оси, предпочтительно выполняется канавка 15 спиральной формы.
Вышеуказанная канавка 15 не только простирается по всему участку приемника 12, но также оканчивается на расстоянии А впереди переднего конца сопрягающейся части, и на расстояние В впереди ее заднего конца. Таким образом, обеспечивается жесткость посадки. В противном случае охлаждающая жидкость сможет проникать через одну или несколько канавок в случае внутренней подачи охлаждающей жидкости, так что могут возникнуть потери давления.
<b>Таблица 5</b>
<b>D1</b>
<b>A</b>
<b>B</b>
<b>P</b>
<b>t</b>
<b>x</b>
<b>R</b>
6
3
2+1
7
0,04+0,05
0,6
0,8
8
3
2+1
8
0,04+0,05
0,6
0,8
10
3
2+1
8
0,04+0,05
0,6
0,8
12
3
2+1
9
0,04+0,05
0,6
0,8
14
3
2+1
9
0,04+0,05
0,6
0,8
16
3
2+1
10
0,04+0,05
0,8
1,1
В таблице 5 перечислены значения размеров для разных диаметров D1 приемника 12 для расстояний А и В канавки 15 от концов сопрягающейся части приемника 12, для шага Р витка, глубины t, ширины x и диаметра R канавки 15 в соответствии с Фиг.3 и Фиг.4.
Из вышесказанного очевидно, что держатель 1 инструмента в соответствии с настоящим изобретением намного меньше подвержен вибрациям, чем держатели инструментов предшествующего уровня техники. Это позволяет, среди прочего, увеличить скорость, так что производительность удаления материала, определяемая скоростью инструмента, может быть увеличена, и, таким образом, время на обработку, требуемое для производства одного изделия, может быть снижено. Следовательно, при помощи держателя инструмента в соответствии с настоящим изобретением можно достичь более эффективного и экономичного производства и обработки изделий.