Надежное базирование инструмента в шпинделе фрезерного обрабатывающего центра гарантирует стабильность высокоскоростного резания и расчетную шероховатость детали. В европейском машиностроении конус SK40 по стандарту DIN 69871 остается базовым типом интерфейса для фрезерных станков с ЧПУ. Оснастка этого формата обеспечивает передачу крутящего момента до 600 Н·м. Она сохраняет жесткость при интенсивном съеме металла. И мы на производстве ежедневно применяем оправки SK40 при обработке конструкционных сталей и алюминиевых сплавов.

Геометрия и размеры оправки SK40 DIN 69871

Конструкция хвостовика SK40 базируется на крутом конусе с нормативным соотношением конусности 7:24 по международному стандарту ISO 7388-1. Угол конуса составляет 8 градусов 17 минут 50 секунд на каждую сторону. При этом базовый посадочный диаметр в калибровочной плоскости равен ровно 44.45 миллиметра. Размеры оправки SK40 DIN 69871 регламентируют диаметр упорного фланца 63.55 миллиметра и толщину буртика 15.9 миллиметра.

Фланец инструментального конуса оснащен кольцевой V-образной канавкой с углом скоса 60 градусов под двухзахватную руку автоматического сменщика инструмента (ATC). Расстояние от калибровочной плоскости торца шпинделя до оси симметрии захватной канавки составляет 3.2 миллиметра. Допуск не превышает ±0.1 миллиметра. Для жесткой передачи крутящего момента на фланце профрезерованы два приводных паза шириной 16.1 миллиметра под приводные сухари шпинделя. А в хвостовой части нарезана внутренняя метрическая резьба M16 с шагом 2.0 миллиметра для монтажа тягового штревельного болта.

В промышленной номенклатуре выделяют три конструктивных исполнения инструментальных хвостовиков SK40 по каналу подачи СОЖ. Исполнение Form A выпускается без подачи охлаждающей жидкости через фланец. Исполнение Form AD предусматривает осевую подачу эмульсии под высоким давлением через центральный канал штревеля. Исполнение Form AD/B оснащено комбинированной схемой каналов. Но подача СОЖ в нем осуществляется либо через штревель, либо через два боковых радиальных отверстия во фланце.

Интерфейс и стандартБазовый диаметр D1, ммКонусностьДиаметр фланца D2, ммТолщина фланца b, ммСмещение канавки ATC a, ммРезьба штревеля
SK40 (DIN 69871 / ISO 7388-1)44.457:24 (8°17'50'')63.5515.903.20 ± 0.10M16
BT40 (MAS 403 / JIS B 6339)44.457:24 (8°17'50'')63.0016.604.00 ± 0.10M16
CAT40 (ANSI / ASME B5.50)44.457:24 (8°17'50'')63.5515.903.20 ± 0.105/8"-11 UNC
ISO 40 (DIN 2080 / ГОСТ 25827-93 исп. 1)44.457:24 (8°17'50'')63.0010.00Нет канавки ATCM16
SK50 (DIN 69871 / ISO 7388-1)69.857:24 (8°17'50'')97.5015.903.20 ± 0.10M24

Штревельный болт SK40: угол 15, 45 и 90 градусов

Штревель представляет собой прецизионный резьбовой палец, который передает осевое тяговое усилие от пружинного блока шпинделя на конус оправки. В нашей практике надежность фиксации инструмента напрямую зависит от геометрии захватной головки болта. Штревельный болт SK40 угол 15 45 90 градусов подбирается строго под конструкцию цангового или шарикового захвата конкретного шпинделя. И неправильный выбор угла приводит к разрушению лепестков захвата.

Штревельные болты с углом захватной фаски 15 градусов типичны для европейских обрабатывающих центров DMG MORI, Deckel Maho и Mikron. Они стандартизированы по DIN 69872. Угол 45 градусов характерен для американских стандартов ANSI/CAT и азиатских станков. Прямой буртик с углом 90 градусов применяется в высоконагруженных шпинделях станков Hermle и Chiron. Такая форма полностью исключает расклинивающее радиальное давление на зажимные кулачки.

Механизм зажима шпинделя с конусом SK40 развивает нормативное осевое усилие затяжки в диапазоне от 10 до 15 кН. При установке штревеля мы на производстве контролируем момент затяжки динамометрическим ключом в пределах 80–90 Н·м. Слабая затяжка вызывает самоотвинчивание болта в магазине инструментов. Но перетяжка приводит к усталостному обрыву резьбы M16 при циклических нагрузках.

Тип штревеля и стандартУгол захвата, градДиаметр головки d1, ммДиаметр шейки d2, ммОсевой канал СОЖМомент затяжки, Н·мТиповые станки ЧПУ
DIN 69872 Form A15°19.0014.00Есть (Ø 7.0 мм)85 ± 5DMG MORI, Deckel Maho, Spinner
DIN 69872 Form B15°19.0014.00Нет (глухой)85 ± 5Станки без подачи СОЖ через шпиндель
ISO 7388-2 Form A (JD-40)45°18.9012.95Есть (Ø 7.5 мм)80 ± 5Mazak, Doosan, Hyundai WIA
ISO 7388-2 Form B (JB-40)90°18.9012.95Есть (Ø 7.5 мм)80 ± 5Hermle, Chiron, Stama, Mikron
Ott-Grob (спецзажим)Прямой с кольцом25.0017.00Есть (Ø 6.0 мм)90 ± 5Высокоскоростные мотор-шпиндели

Подобрать оборудование под вашу задачу

Отличия конусов SK40 DIN 69871 и BT40 MAS 403

Хотя инструментальные интерфейсы SK40 и BT40 имеют идентичную конусность 7:24 и посадочный диаметр 44.45 миллиметра, они не взаимозаменяемы в автоматическом цикле смены. Ключевые различия кроются в геометрии фланца и расположении канавки манипулятора ATC. Отличия SK40 DIN 69871 от BT40 MAS 403 исключают совместное использование оправок в одном магазине станков с двухзахватной рукой смены. И попытка принудительной смены разрушает захваты манипулятора.

У конуса BT40 расстояние от калибровочной плоскости до оси канавки составляет 4.0 миллиметра при толщине фланца 16.6 миллиметра. У европейского конуса SK40 это расстояние равно 3.2 миллиметра при толщине фланца 15.9 миллиметра. Разница очевидна. Приводные пазы у BT40 выполнены строго симметричными. А у конуса SK40 один паз глубже другого для обеспечения однозначной угловой ориентации инструмента в шпинделе.

Пренебрежение контролем пятна контакта конуса 7:24 приводит к фреттинг-коррозии и микровыкрашиванию сопрягаемых поверхностей.В нашей практике радиальный зазор всего в 5 микрометров на базе конуса SK40 трансформируется в биение 25 микрометров на вылете фрезы 100 миллиметров.Это снижает стойкость твердосплавных кромок более чем в четыре раза.

Оправки SK40: цанговые, термопатроны и гидропластовые патроны

Эффективность резания и стойкость твердосплавных фрез определяются жесткостью инструментального патрона и величиной радиального биения режущих кромок. В промышленной металлообработке конусность 7 24 ISO 40 SK40 BT40 агрегатируется со всеми популярными зажимными механизмами. Оправка цанговая ER32 SK40 фрезерная выступает базовым решением для стандартных фрезерных и сверлильных операций. Для высокоскоростной обработки мы на производстве применяем термоусадочные и гидропластовые патроны с минимальным вылетом инструмента.

Термоусадочный патрон SK40 биение TIR которого не превышает 0.003 миллиметра, обеспечивает максимальную жесткость за счет горячей посадки с натягом. Индукционный нагрев корпуса патрона до 300–350 градусов Цельсия расширяет посадочное отверстие. После этого хвостовик фрезы плотно охватывается металлом при охлаждении. Монолитная конструкция без подвижных элементов гарантирует идеальную симметрию масс. И это дает высокую динамическую жесткость при чистовом профилировании закаленных штампов.

Гидравлические патроны используют замкнутую камеру с рабочей жидкостью, сжимающую тонкостенную мембрану вокруг хвостовика фрезы при повороте винта. Гидравлический слой эффективно демпфирует микровибрации и гасит автоколебания при обработке глубоких полостей. А для тяжелого чернового съема применяются усиленные силовые патроны с игольчатыми роликами. Они развивают крутящий момент зажима свыше 2500 Н·м.

Тип патрона SK40Биение T.I.R. на 3×D, мкмМомент удержания (Ø20 мм), Н·мМаксимальная скорость, об/минДемпфирование вибрацийРекомендуемые технологические задачи
Цанговый ER32 (DIN 6499)5 – 10150 – 18012 000 – 15 000СреднееУниверсальное фрезерование, сверление, нарезание резьбы
Термоусадочный (Shrink-Fit)≤ 3400 – 60025 000 – 30 000Низкое (высокая жесткость)Высокоскоростная 3D-обработка (ВСО), закаленные стали, штампы
Гидропластовый (Hydraulic)≤ 3300 – 45020 000 – 25 000Отличное (слой жидкости)Чистовое и получистовое фрезерование глубоких карманов, развертывание
Силовой фрезерный (Milling Chuck)5 – 81500 – 25008 000 – 10 000ХорошееТяжелое черновое фрезерование уступов и пазов концевыми фрезами
Weldon (DIN 1835-B)10 – 15Высокое (винтовой упор)8 000 – 10 000НизкоеЧерновое фрезерование и сверление фрезами с лыской

Балансировка оправок SK40 G2.5 и регламент обслуживания

При вращении шпинделя с частотой свыше 10 000 оборотов в минуту центробежные силы от неуравновешенной массы вызывают вибрацию и ускоренный износ подшипников. Балансировка оправок SK40 G2 5 20000 оборотов в минуту по стандарту ISO 1940-1 является обязательным условием для чистового высокоскоростного фрезерования. Мы на производстве калибруем каждую оправку в сборе с фрезой и штревелем на динамическом балансировочном станке. Качественная балансировка продлевает ресурс шпинделя в 2.5 раза.

Расчет предельного допустимого дисбаланса инструментальной сборки выполняется по формуле стандарта ISO 1940-1:

Расчетное соотношение связывает класс точности G, общую массу сборки m и частоту вращения шпинделя n: \( U_{per} = 1000 \cdot \frac{G \cdot m}{\omega} = 9549 \cdot \frac{G \cdot m}{n} \). Здесь параметр \( U_{per} \) выражает допустимый остаточный дисбаланс в грамм-миллиметрах (г·мм), величина \( G \) задает класс точности балансировки (2.5 мм/с для G2.5), переменная \( m \) обозначает общую массу оправки со штревелем и фрезой в килограммах, а частота \( n \) соответствует рабочей скорости шпинделя в оборотах в минуту.

Возникающая центробежная сила определяется по уравнению динамики: \( F_c = m \cdot e_{per} \cdot \omega^2 = U_{per} \cdot \omega^2 \cdot 10^{-6} \). И даже малый эксцентриситет на высоких оборотах генерирует ощутимую переменную нагрузку на опоры шпинделя.

Рассмотрим практический пример расчета допустимого дисбаланса для сборки оправки SK40 с монолитной твердосплавной фрезой диаметром 16 миллиметров при обработке сплава Д16Т. Масса всей инструментальной сборки составляет \( m = 1.45 \) кг. Рабочая частота вращения шпинделя обрабатывающего центра равна \( n = 18000 \) об/мин. Нормативный класс балансировки по стандарту ГОСТ ИСО 1940-1 равен G2.5.

  1. Вычисляем угловую скорость вращения шпинделя: \( \omega = \frac{2 \cdot \pi \cdot 18000}{60} = 1884.96 \text{ рад/с} \).
  2. Рассчитываем предельно допустимый удельный эксцентриситет масс: \( e_{per} = \frac{G}{\omega} = \frac{2.5 \cdot 10^{-3}}{1884.96} = 1.326 \cdot 10^{-6} \text{ м} = 1.33 \text{ мкм} \).
  3. Определяем предельный остаточный дисбаланс для всей инструментальной сборки: \( U_{per} = e_{per} \cdot m \cdot 1000 = 1.326 \text{ мкм} \cdot 1.45 \text{ кг} = 1.92 \text{ г}\cdot\text{мм} \).
  4. Оцениваем центробежную силу при соблюдении нормы балансировки: \( F_c = 1.92 \cdot 10^{-6} \cdot (1884.96)^2 = 6.82 \text{ Н} \). Но при дисбалансе 10 г·мм эта сила возрастает до 35.5 Н, создавая волну вибрации на стенках детали и приводя к поломке фрезы.

Для сохранения точности базирования конуса SK40 и предотвращения биения инструмента мы на производстве соблюдаем строгий регламент периодического обслуживания:

  • Тщательная очистка посадочного конуса оправки и внутреннего конуса шпинделя специализированными безворсовыми салфетками с обезжиривающим составом перед каждой установкой в инструментальный магазин.
  • Еженедельный контроль пятна контакта конических поверхностей по контрольной калибр-втулке на краску с обеспечением площади прилегания не менее 80–85%.
  • Ежемесячная инструментальная проверка усилия затяжки пружинного механизма шомпола шпинделя мобильным динамометрическим тестером (норма для конуса SK40 составляет от 10.5 до 12.5 кН).
  • Контроль радиального биения T.I.R. на контрольной оправке на вылете 3×D с предельным допуском до 3 мкм для термопатронов и до 8 мкм для цанговых патронов ER32.
  • Плановая замена штревельных болтов через каждые 1500–2000 часов машинной работы под нагрузкой для исключения усталостного разрушения резьбовой шейки M16.