Конус Морзе

История создания

Появления такой конструкции, а так же происхождение самого названия до сих пор покрыто множеством тайн. Достоверно известно, что в 1863 году американский инженер Стивен Морзе зарегистрировал патент на изобретение спирального сверла, такого, которое известно нам и по сей день. До этого для изготовления сверла, скручивали заостренный плоский профиль.

В описании, запатентованного Стивеном Морзе спирально м сверле, нет никаких упоминаний об особой форме хвостовика, но по какой-то причине Бюро стандартов США внесло коническую форму в национальные стандарты. Считается, что изобретатель, запатентовав новую конструкцию сверла, направил опытные образцы в Бюро патентов, где была замечена и по достоинству оценена эта особенность.

Впоследствии была создана компания по производству, получившая его имя и занимавшаяся изготовлением инструмента для машиностроения. К концу 19 века компания серьезно расширилась и стала одним из ведущих производителей инструмента того времени. Произведенный ей продукт поставлялся во многие страны мира, в том числе и в Россию. За время ее существования было запатентовано еще несколько изобретений, но, ни одно из них не было связано с коническим исполнением хвостовиков инструмента. Так же есть сведения, что через какое-то время после основания сам изобретатель по неизвестным причинам покинул компанию, при этом его имя в названии сохранилось.

Так же известно еще несколько изобретателей с фамилией Морзе, живших в США в то время. И, возможно, автором этого изобретения является кто-то из них, но никакой информации, подтверждающей эту версию, нет. Поэтому официальным изобретателем конической формы хвостовика инструмента считается именно Стивен Эмброуз Морзе.

Поворот верхних салазок суппорта

Провести процесс точения конуса можно, воспользовавшись следующей рекомендацией:

1. Берем заготовку и закрепляем ее в шпинделе, а также задней бабкой. Учитывая то, что изготовление конуса проводится с высокой точностью, диаметральный размер и угол могут иметь незначительно отклонение. Если заготовка изготовлена из твердого материала, следует подбирать твердосплавные резцы.
2. Обработка может проводиться только при соблюдении техники безопасности путем использования средств индивидуальной защиты.
3. Выбираем скорость резания на токарном станке. Обработка конических поверхностей может проводиться со скоростью, которая выбирается в зависимости от стойкости режущей кромки и твердости материала. Если точных данных, которые позволяют рассчитать скорость резания нет, следует идти испытательным путем – от меньших значений к большим.
4. Установленной заготовке нужно придать цилиндрическую форму. Для этого используется проходной резец, сначала ведется черновая обработка для снятия большого количества ненужного металла. Обработка возле кулачков проводится отогнутым резцом.
5. Изготовление точных деталей происходит в два прохода: черновая и чистовая обработка. На токарном станке чистовое точение проводится специальным режущим инструментом при определенной скорости и подачи.
6. Для создания небольших конических поверхностей верхняя часть суппорта поворачивается на определенный угол, который должен быть равен половине угла конуса у вершины.

Подобным образом можно провести создание конических поверхностей без использования специального приспособления.

Разновидности конусов

Морзе может изготовляться по разным технологиям, поэтому не всегда один инструмент можно без проблем заменить на другой.

Прежде чем подбирать подходящий обтекатель, нужно определиться, какие у конуса Морзе размеры, соответствующие ГОСТу.

Инструменты зачастую отличаются друг от друга длиной, диаметром, величиной угла.

При выборе обтекателя нужно обращать внимание на буквенные обозначения и на цифры:

• число напротив буквы «Д» означает базовый размер конусного гнезда;
• числовой показатель возле «Л» — это глубина проникновения.

Размеры эти общие для всех стран, где активно применяется метрическая система счисления. Создаваемые сегодня обтекатели Морзе, как правило, имеют переходники, которые можно менять. Это упрощает работу, так как оборудование может быть совмещено с разными стандартами.

Заглавные буквы латинского алфавита обозначают особенности фланцевого сечения. Сам пролювий может иметь длину от 2,5 см до 16 см.

Сегодня наиболее качественными обтекателями для сверлильных станков можно считать инструменты, которые выпускаются под брендами «Кеннаметал» и «Капто».

Те, кто работает на станке, прекрасно знают, что они обладают хорошей устойчивостью к резким и значительным изменениям температуры. Конусы этих марок достаточно прочны и удобны в использовании. Они отвечают всем необходимым требованиям. Морзе, которые имеют маркировку «Капто», выпускаются на свет и распространяются по всему миру фирмой «Сандвик Коромант».

Сегодня такие инструменты продвигаются как аналоги HSK высшего класса. Сам обтекатель при проекции на плоскость будет иметь форму треугольника. На его круглых краях есть углубления. Но следует заметить, что такой инструмент имеет довольно высокую цену, так как процесс его изготовления весьма сложный. В свою очередь, Капто подразделяются на несколько типов, наиболее популярными среди которых являются те, что обозначены как «С3» и «С10».

Первоначально такой инструмент создавался для того, чтобы его можно было использовать при зажиме цанговым методом.

Существует разделение на 8 размеров: самый маленький из них обозначается как «КМ0», а самый большой — как «КМ7». Все остальные типы конусов также обозначаются буквами «К», «М» и цифрой от 1 до 6. Впрочем, российский стандарт не рекомендует применять обтекатель Морзе КМ7, вместо него используется метрический конус № 80.

Обтекатели, которые созданы по дюймовым и метрическим стандартам, могут заменять друг друга. Они похожи во всем и различаются только резьбой хвостовика.

Конус Морзе и метрический конус

Конус Морзе № 2 (MT2).

Схема инструментального конуса (наружные конусы с лапкой, наружные конусы без лапки, внутренние конусы (гнёзда)).

Конус Морзе — одно из самых широко применяемых креплений инструмента. Был предложен Стивеном А. Морзе приблизительно в 1864 году.

Конус Морзе подразделяется на восемь размеров, от КМ0 до КМ7 (англ. Morse taper, MT0-MT7, нем. Morsekegel, MK0-MK7). Конусность от 1:19,002 до 1:20,047 (угол конуса от 2°51’26″ до 3°00’52″, уклон конуса от 1°25’43″ до 1°30’26″) в зависимости от типоразмера.

Стандарты на конус Морзе: ISO 296, DIN 228, ГОСТ 25557-2016 «Конусы инструментальные. Основные размеры.». В российском стандарте конус КМ7 отсутствует, вместо него применяется несовместимый метрический конус № 80. Конусы, изготовленные по дюймовым и метрическим стандартам, взаимозаменяемы во всём, кроме резьбы хвостовика.

Существует несколько исполнений хвостовика конуса: с лапкой, с резьбой и без них. Инструмент с лапкой крепится в шпинделе заклиниванием этой лапки, для чего в рукаве некоторых шпинделей есть соответствующий паз. Лапка предназначена для облегчения выбивания конуса из шпинделя и предотвращения проворачивания. Инструмент с внутренней резьбой фиксируется в шпинделях штоком (штревелем), вворачивающимся в торец конуса. Конусы с резьбой гарантируют невыпадение инструмента и облегчают извлечение заклинившего конуса из шпинделя. Шпиндель обычно делается под один из вариантов фиксации — с лапкой, со штревелем или с фиксацией трением. Поскольку угол конуса меньше чем угол трения, фиксация хвостовика в гнезде может также происходить только за счет сил трения, без использования штревелей и лапок.

Некоторые конусы снабжаются системой отверстий и канавок для подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).

Метрический конус

По мере развития станкостроения понадобилось расширить диапазон размеров конусов Морзе как в большую, так и в меньшую стороны. При этом, для новых типоразмеров конуса, выбрали конусность ровно 1:20 (угол конуса 2°51’51″, уклон конуса 1°25’56″) и назвали их метрическими конусами (англ. Metric Taper). Типоразмер метрических конусов указывается по наибольшему диаметру конуса в миллиметрах. ГОСТ 25557-2016 также определяет уменьшенные метрические конуса № 4 и № 6 (англ. ME4, ME6) и большие метрические конуса № 80, 100, 120, 160, 200 (англ. ME80 — ME200).

Конструктивных различий между конусом Морзе и метрическим нет.

1. В ГОСТ 25557 аббревиатура КМ отсутствует, типоразмер обозначен только цифрой
2. Отсутствует в ГОСТ 25557

Укороченные конуса Морзе

Для многих применений длина конуса Морзе оказалась избыточной. Поэтому были придуманы девять типоразмеров укороченных конусов Морзе, полученных «удалением» примерно половины исходных конусов. Цифра в обозначении укороченного конуса — округлённый диаметр новой толстой части конуса в мм. Российский стандарт на укороченные конуса ГОСТ 9953-82 «Конусы инструментов укороченные. Основные размеры.». В скобках приведены обозначения по старому ГОСТ 9953-67 (с буквой a конуса, у которых осталась более тонкая часть, а с буквой b — более толстая).

• B7 (0a) — укороченный до 14 мм КМ0.
• B10 (1a), B12 (1b) — укороченный до 18 и 22 мм соответственно КМ1.
• B16 (2a), B18 (2b) — укороченный до 24 и 32 мм соответственно КМ2.
• B22 (3a), B24 (3b) — укороченный до 45 и 55 мм соответственно КМ3.
• B32 (4b) — укороченный до 57 мм КМ4.
• B45 (5b) — укороченный до 71 мм КМ5.

Общие требования

Основными эксплуатационными условиями, определяющими эффективное использование сверлильных патронов в соответствующем оборудовании, являются:

1. Жёсткость крепления, которая не должна зависеть от числа оборотов, развиваемых шпинделем.
2. Отсутствие радиального биения сверла в пределах допустимых подач и твёрдости обрабатываемого материала.
3. Удобство установки в шпиндель станка.
4. Наличие дополнительных функциональных возможностей (например, подачи смазочно-охлаждающей жидкости к зоне сверления).

Жёсткость крепления всегда соотносится с материалом сверла и его свободной длиной. Например, для твердосплавных свёрл, устойчивость которых от продольного изгиба крайне мала, сверлильный патрон должен обеспечивать возможность своего самоцентрирования. Вторая задача жёсткости – обеспечить максимально возможные нагрузки на инструмент без риска его поломки.

Опасность радиального биения особо возрастает, если сверлению подвергают твёрдые и пористые материалы. В этих случаях сверло также теряет свою продольную устойчивость, и может вызвать неисправимый брак при сверлении.

В условиях частых переналадок универсального металлорежущего оборудования (к которому относится и любой сверлильный станок) сокращение подготовительно-заключительного времени – важный источник снижения трудоёмкости операции. При сверлении труднообрабатываемых материалов, а также при значительной глубине получаемого отверстия процесс часто приходится прерывать из-за необходимости охлаждения сверла. С этой целью конструкции современных сверлильных патронов предусматривают подачу смазочно-охлаждающих технологических сред (СОЖ) непосредственно во время проведения операции.

При производстве крепёжных узлов используются только определённые марки сталей. Чаще используется сталь 40Х по ГОСТ 4543-91, хотя в ряде зарубежных конструкций применяются и нержавеющие стали. Детали, предназначенные для непосредственного зажима сверла в патроне, изготавливаются из среднеуглеродистых сталей с термообработкой «улучшение», или из цементированных сталей. Поверхность сверлильных патронов отечественного производства, с целью повышения антикоррозионных характеристик, подвергают воронению.

Далее рассматриваются конструкции патронов, получивших наибольшее распространение.

Особенности конструкции и основные типы конусов Морзе

Есть версия, что коническая конструкция появилась в результате постепенной эволюции токарного, фрезерного и сверлильного инструмента в результате изучения влияния износа инструмента на его характеристики и качество выпускаемых деталей. Было замечено, что в процессе работы инструмент с цилиндрическим хвостовиком изнашивался и начинал проворачиваться в кулачках, возникали биения и отклонения инструмента.

В процессе развития технологий машиностроения появился так называемый метрический конус, который отличается от своих предшественников постоянной конусностью и угловыми размерами. Его конусность составляет 1:20, уклон – 1°51’56”, а угол – 1°51’51”, тогда как до этого конусность была переменной и варьировалась от 1:19,002 до 1:20,047.

Согласно классификации, принятой в ГОСТах СССР конусы Морзе принято разделять на малые, большие и общего применения.

Исходя из особенностей конструкции, на сегодняшний день различают три типа конусов Морзе:

1. Гладкий;
2. С резьбой;
3. С лапкой.

Выпадение инструмента из шпинделя предотвращается самой конической формой хвостовика и отверстия в шпинделе или оправке. Дополнительно крепление хвостовика с лапкой в шпинделе происходит за счет вхождения лапки в специальный паз, резьбового – за счет резьбы в торце хвостовика.

Так же изготавливают инструмент с дополнительными пазами и отверстиями для подведения СОЖ. Это наиболее актуально для современных станков с ЧПУ.

Трёхкулачковый сверлильный патрон

Различают двух- и трёхкулачковые патроны. В двухкулачковом патроне зажим инструмента выполняет тангенциально-расположенная пара кулачков, имеющая возможность перемещаться во внутренних пазах корпуса. Резьбовым ключом можно перемещать размещённый внутри патрона винт, который и выполняет смыкание и размыкание кулачковых зажимов. При простоте конструкции, возможности фиксации свёрл с большим диаметром, а также высокой стойкости плоских клинообразных кулачков, проходящих упрочняющую термообработку, такие патроны не обеспечивают хорошего осевого центрирования, поэтому на практике применяются реже, чем трёхкулачковые.

Три кулачка размещаются в корпусе под углом, исключающим самоторможение элементов. При вращении ключа, который вставляется в соответствующее отверстие на корпусе, обойма и гайка начинают перемещаться. В результате кулачки отводятся, причём одновременно в радиальном и осевом направлениях. По оси патрона образуется пространство, где помещается хвостовик инструмента. При упоре хвостовика в подпятник ключ проворачивают в противоположном направлении, и сводят кулачки до плотного контакта с конической частью хвостовика. Одновременно производится и осевая ориентация инструмента относительно шпинделя.

Ввиду простоты конструкции и способа регулировки инструмента трёхкулачковые патроны находят преимущественное применение в небольших мастерских, а также в бытовых сверлильных станках. Недостаток трёхкулачковых патронов – заметный износ кулачков, особенно, если их термообработка выполнена на недостаточную твёрдость.

Кроме описанных конструкций используются и другие разновидности патронов. Например, с целью установки свёрл сравнительно небольшого диаметра используют цанговые патроны. В них фиксация производится при помощи прижима разрезной втулки, где находится сверло, накидной гайкой. Она перемещается по резьбе, которая имеется на корпусе такого патрона, и надёжно прижимает втулку к бурту цилиндрической части корпуса. Цанговые патроны, в отличие от кулачковых, разбираются значительно легче, что облегчает процесс их очистки и ремонта.

Для прецизионных и высокоскоростных сверлильных станков наиболее эффективны патроны, имеющие полый хвостовик. Верхняя часть такого хвостовика снабжена резьбой, а в нижней части предусмотрено отверстие, куда под давлением до 50 атмосфер подаётся СОЖ. Сверлильные патроны серии НЕХА позволяют подавать СОЖ через радиально или коаксиально расположенные отверстия в корпусе. Особенность применения такой оснастки – необходимость в её динамической балансировке, при которой учитываются как крутящие моменты от привода сверлильного станка, так и давление, создаваемое потоком СОЖ.

Что такое уклон? Как определить уклон? Как построить уклон? Обозначение уклона на чертежах по ГОСТ.

Уклон. Уклон это отклонение прямой линии от вертикального или горизонтального положения. Определение уклона. Уклон определяется как отношение противолежащего катета угла прямоугольного треугольника к прилежащему катету, то есть он выражается тангенсом угла а. Уклон можно посчитать по формуле i=AC/AB=tga.

Построение уклона. На примере (рисунок ) наглядно продемонстрировано построение уклона. Для построения уклона 1:1, например, нужно на сторонах прямого угла отложить произвольные, но равные отрезки. Такой уклон, будет соответствовать углу в 45 градусов. Для того чтобы построить уклон 1:2, нужно по горизонтали отложить отрезок равный по значению двум отрезкам отложенным по вертикали. Как видно из чертежа, уклон есть отношение катета противолежащего к катету прилежащему, т. е. он выражается тангенсом угла а.

Обозначение уклона на чертежах. Обозначение уклонов на чертеже выполняется в соответствии с ГОСТ 2.307—68. На чертеже указывают величину уклона с помощью линии-выноски. На полке линии-выноски наносят знак и величину уклона. Знак уклона должен соответствовать уклону определяемой линии, то есть одна из прямых знака уклона должна быть горизонтальна, а другая должна быть наклонена в ту же сторону, что и определяемая линия уклона. Угол уклона линии знака примерно 30°.

Классификация

1. Быстросменный сверлильный патрон используется со сменной втулкой для свёрл с коническим хвостовиком;
2. Предохранительный патрон для нарезания резьбы в глухих и сквозных отверстиях имеет более сложное строение. Состоит он из кулачков муфты, ведомых полумуфт, основной кулачковой муфты, пружины и регулировочной гайки. Используется он как держатель для меитчиков.
3. Цанговый сверлильный патрон состоит из хвостовика, соединённого с цилиндрической частью. Между зажимом и хвостовиком внутри патрона находится разрезная втулка.
4. Двухкулачковый сверлильный патрон зажимает сверло благодаря внутренним зацепам в верхней части патрона, фиксируемым пружиной. Чем и объясняется его особенность применения для тонких свёрл и использования при небольших нагрузках на сверло.

Только сверлильные патроны с ключом, имеющие конус Морзе имеют соответствующие требования по ГОСТ 8522-79, встретив указание на гост соответствие по размеру используемых при данном размере конуса Морзе можно определить по таблице. Быстрозажимной не имеет конуса, но в отличие от своего собрата с ключом имеет внутреннюю резьбу, диапазон которой обязательно указывается в маркировке.

Трёхкулачковый

Маркировка чаще всего выглядит так (на изделиях российских производителей):

• ПСК 3-16 говорит о диапазоне диаметров сверл в мм;
• КМ В12;  В16;  В18 – что указывает на конус Морзе соединительного отверстия;
• ГОСТ 8522-79 – такое обозначение в маркировке однозначно указывает на соответствие по всем параметрам в таблице, составленной в 79 году.

Маркировка на быстрозажимной имеет только указание на размер внутренней резьбы и диапазон диаметров зажимаемых свёрл.

Трёхкулачковый патрон для сверлильного станка, с фиксацией сверла ключом, соответствует не только ГОСТ 8522-79, но его конус Морзе отвечает стандартам СЭВ 148-75. Что делает сверлильные патроны, выпущенные в России в соответствии с ГОСТ 8522-79, пригодными для сверлильного станка зарубежных производителей, работающих по международным стандартам.

Размеры по ГОСТ 8522-79 – это строгое указание по соответствию типоразмера по диапазону зажима и допустимому радиальному биению. В то же время соответствие основным параметрам не является указанием на определённую конструкцию. Выглядеть сверлильные патроны могут по-разному:

• по форме и длине рабочей части;
• наличию или отсутствию пластикового, предохраняющего корпуса;
• методу крепления основных частей патрона между собой,
• цвету сплава.

Конус Морзе изменяется в большую сторону с возрастанием номера типоразмера. Вместе с размером изменяются допуски радиального биения.

Например, конус Морзе  В16 имеют сверлильные патроны 10 и 13 типоразмеров. Эти цифры соответствуют верхнему параметру зажима сверла, нижний устанавливается ГОСТ 8522-79. С конусом Морзе  В18 изготавливается патрон № 16 по этой же таблице. Его минимальный зажим 3 мм, максимальный – 16 мм.

Быстрозажимной патрон необходимо подбирать в соответствии с размерами крепёжного отверстия и резьбы станка. Ключевые патроны, благодаря конусу Морзе, имеют преимущество. Конусные переходники позволяют устанавливать на станок патроны с меньшим или большим конусом Морзе, расширяя возможности станка.

Наиболее выносливый быстрозажимной патрон, но он же и самый дорогой – это прецизионный быстросменный патрон. Он идеален для станка, работающего на больших оборотах. Конусные хвостовики делают прецизионный быстрозажимной патрон универсальным.

Общие требования

Основными эксплуатационными условиями, определяющими эффективное использование сверлильных патронов в соответствующем оборудовании, являются:

1. Жёсткость крепления, которая не должна зависеть от числа оборотов, развиваемых шпинделем.
2. Отсутствие радиального биения сверла в пределах допустимых подач и твёрдости обрабатываемого материала.
3. Удобство установки в шпиндель станка.
4. Наличие дополнительных функциональных возможностей (например, подачи смазочно-охлаждающей жидкости к зоне сверления).

Жёсткость крепления всегда соотносится с материалом сверла и его свободной длиной. Например, для твердосплавных свёрл, устойчивость которых от продольного изгиба крайне мала, сверлильный патрон должен обеспечивать возможность своего самоцентрирования. Вторая задача жёсткости – обеспечить максимально возможные нагрузки на инструмент без риска его поломки.

Опасность радиального биения особо возрастает, если сверлению подвергают твёрдые и пористые материалы. В этих случаях сверло также теряет свою продольную устойчивость, и может вызвать неисправимый брак при сверлении.

В условиях частых переналадок универсального металлорежущего оборудования (к которому относится и любой сверлильный станок) сокращение подготовительно-заключительного времени – важный источник снижения трудоёмкости операции. При сверлении труднообрабатываемых материалов, а также при значительной глубине получаемого отверстия процесс часто приходится прерывать из-за необходимости охлаждения сверла. С этой целью конструкции современных сверлильных патронов предусматривают подачу смазочно-охлаждающих технологических сред (СОЖ) непосредственно во время проведения операции.

При производстве крепёжных узлов используются только определённые марки сталей. Чаще используется сталь 40Х по ГОСТ 4543-91, хотя в ряде зарубежных конструкций применяются и нержавеющие стали. Детали, предназначенные для непосредственного зажима сверла в патроне, изготавливаются из среднеуглеродистых сталей с термообработкой «улучшение», или из цементированных сталей. Поверхность сверлильных патронов отечественного производства, с целью повышения антикоррозионных характеристик, подвергают воронению.

Далее рассматриваются конструкции патронов, получивших наибольшее распространение.

Трёхкулачковый сверлильный патрон

Различают двух- и трёхкулачковые патроны. В двухкулачковом патроне зажим инструмента выполняет тангенциально-расположенная пара кулачков, имеющая возможность перемещаться во внутренних пазах корпуса. Резьбовым ключом можно перемещать размещённый внутри патрона винт, который и выполняет смыкание и размыкание кулачковых зажимов. При простоте конструкции, возможности фиксации свёрл с большим диаметром, а также высокой стойкости плоских клинообразных кулачков, проходящих упрочняющую термообработку, такие патроны не обеспечивают хорошего осевого центрирования, поэтому на практике применяются реже, чем трёхкулачковые.

Три кулачка размещаются в корпусе под углом, исключающим самоторможение элементов. При вращении ключа, который вставляется в соответствующее отверстие на корпусе, обойма и гайка начинают перемещаться. В результате кулачки отводятся, причём одновременно в радиальном и осевом направлениях. По оси патрона образуется пространство, где помещается хвостовик инструмента. При упоре хвостовика в подпятник ключ проворачивают в противоположном направлении, и сводят кулачки до плотного контакта с конической частью хвостовика. Одновременно производится и осевая ориентация инструмента относительно шпинделя.

Ввиду простоты конструкции и способа регулировки инструмента трёхкулачковые патроны находят преимущественное применение в небольших мастерских, а также в бытовых сверлильных станках. Недостаток трёхкулачковых патронов – заметный износ кулачков, особенно, если их термообработка выполнена на недостаточную твёрдость.

Кроме описанных конструкций используются и другие разновидности патронов. Например, с целью установки свёрл сравнительно небольшого диаметра используют цанговые патроны. В них фиксация производится при помощи прижима разрезной втулки, где находится сверло, накидной гайкой. Она перемещается по резьбе, которая имеется на корпусе такого патрона, и надёжно прижимает втулку к бурту цилиндрической части корпуса. Цанговые патроны, в отличие от кулачковых, разбираются значительно легче, что облегчает процесс их очистки и ремонта.

Для прецизионных и высокоскоростных сверлильных станков наиболее эффективны патроны, имеющие полый хвостовик. Верхняя часть такого хвостовика снабжена резьбой, а в нижней части предусмотрено отверстие, куда под давлением до 50 атмосфер подаётся СОЖ. Сверлильные патроны серии НЕХА позволяют подавать СОЖ через радиально или коаксиально расположенные отверстия в корпусе. Особенность применения такой оснастки – необходимость в её динамической балансировке, при которой учитываются как крутящие моменты от привода сверлильного станка, так и давление, создаваемое потоком СОЖ.