Введение

Патрон, используемый для удержания объекта с радиальной симметрией, особенно цилиндра. Патрон – это специализированный тип зажима, используемый для удержания объекта с радиальной симметрией, особенно цилиндра. В дрели, фрезерном станке и трансмиссии патрон удерживает вращающийся инструмент; в токарном станке – вращающуюся заготовку. Патроны обычно используют кулачки для удержания инструмента или заготовки. Кулачки (иногда называемые упорами) обычно расположены в радиально симметричном порядке, как лучи звезды. Для затяжки или ослабления кулачковых патронов может потребоваться специальный ключ, но некоторые кулачковые патроны можно затягивать или ослаблять только вручную, что обеспечивает удобство за счет силы захвата. На некоторых токарных станках кулачки двигаются независимо друг от друга, что позволяет удерживать объекты неправильной формы. Более сложные конструкции могут включать кулачки специальной формы, большее количество кулачков или механизмы быстрого зажима. Вместо кулачков в патроне могут использоваться магнитные, вакуумные зажимы или цанги – гибкие втулки или гильзы, плотно облегающие инструмент или заготовку и сжимающие его при зажатии.

Самоцентризм

Самоцентрирующийся патрон, также известный как кулачковый патрон, использует кулачки (обычно называемые губками), соединенные между собой через винтовую передачу (кулачковую пластину), для удержания инструмента или заготовки. Поскольку они чаще всего имеют три губки, термин "трехкулачковый патрон" без дополнительных уточнений понимается токарями как самоцентрирующийся трехкулачковый патрон. Термин "универсальный патрон" также относится к этому типу. Эти патроны лучше всего подходят для захвата круглых или шестигранных сечений, когда требуется очень быстрая и достаточно точная (±0,005 дюйма [0,125 мм] TIR) центровка. Иногда у этого типа патронов вместо трех губок бывает четыре или шесть. Четырехкулачковые патроны в основном полезны для захвата квадратного или восьмиугольного материала, а шестикулачковые патроны удерживают тонкостенные трубы и пластиковые материалы с минимальной деформацией. Существуют также независимые (не самоцентрирующиеся) трехкулачковые патроны, но они имеют мало преимуществ и встречаются редко. Существуют гибридные самоцентрирующиеся патроны с регулировочными винтами, которые можно использовать для дальнейшего улучшения концентричности после захвата заготовки кулачками. Эта функция предназначена для сочетания скорости и простоты самоцентрирования кулачковой пластины с возможностью устранения биения, присущей независимому патрону. Наиболее распространенным названием для этого типа является торговая марка Set Tru. Чтобы избежать необоснованного распространения этого торгового названия, в качестве обобщенных названий предлагалось "точная настройка". Трехкулачковые патроны часто используются на токарных станках и делительных головках.

Сверловая шайба

Патрон сверлильный – это специализированный самоцентрирующийся трёхкулачковый патрон, обычно с диаметром захвата до 13 мм и редко больше 16 мм, используемый для удержания сверл или других вращающихся инструментов. Этот тип патронов применяется в инструментах, от профессионального оборудования до недорогих ручных и электрических дрелей для бытового использования. Некоторые высокоточные патроны используют шариковые упорные подшипники для снижения трения в механизме зажима и максимизации крутящего момента при сверлении. Одним из торговых наименований этого типа патронов, которое часто используется как общеупотребительное в разговорной речи, хотя и не в каталогах, является Super Chuck. Пиновый патрон – это специализированный патрон, предназначенный для удержания маленьких сверл (диаметром менее 6 мм), которые невозможно надёжно закрепить в обычном сверлильном патроне. Сверло вставляется в пиновый патрон и затягивается; пиновый патрон имеет стержень, который затем вставляется в более крупный сверлильный патрон для надёжной фиксации сверла. Пиновые патроны также используются с высокоскоростными вращающимися инструментами, отличными от дрелей, такими как бормашины и шаблонорезчики.

Независимый челюстник

На независимой патронной вилке каждая губка может перемещаться независимо. Поскольку они чаще всего имеют четыре губки, термин "четырехкулачковый патрон" без дополнительных уточнений понимается токарями как патрон с четырьмя независимыми губками. Независимость губок делает эти патроны идеальными для (а) захвата деталей с некруглой формой поперечного сечения и (б) захвата деталей с круглой формой поперечного сечения с высокой точностью (когда последние несколько сотых миллиметра [или тысячных дюйма] биения необходимо устранить вручную). Отсутствие самоцентрирования у независимых губок делает центровку высококонтролируемой (для опытного пользователя), но за счет скорости и простоты. Четырехкулачковые патроны почти никогда не используются для крепления инструмента. Четырехкулачковые патроны можно найти на токарных станках и делительных головках. Также доступны самоцентрирующиеся патроны с четырьмя губками. Хотя часто утверждается, что они имеют два недостатка: невозможность зажимать шестигранный прокат и слабое захватывание овального проката, верно только последнее. Даже с трехкулачковыми самоцентрирующимися патронами не следует зажимать детали, которые не имеют равномерного сечения по всей длине (и не имеют спирали или "конуса"), так как это может привести к перенапряжению губок и необратимой потере точности. Четырехкулачковые патроны позволяют легко зажимать заготовку эксцентрично, если необходимо обработать эксцентрические элементы.

Специальные виды с челюстями (двух, шести, восьми челюстей; другие)

Для специальных целей доступны патроны с шестью или восемью кулачками. Обычно они имеют самоцентрирующееся исполнение и могут изготавливаться с очень высокими стандартами точности. Однако заблуждение считать, что такие патроны обязательно обеспечивают большую точность при удержании цельных заготовок, чем обычные трехкулачковые самоцентрирующиеся патроны. Действительно, горячекатаные или другие заготовки неидеальной круглой формы могут неустойчиво "качаться" между противоположными кулачками патронов с четным числом кулачков, подобно тому, как четырехногий стул шатается на неровном полу, а трехногий – нет. Основное назначение шести- и восьмикулачковых патронов – удержание тонкостенных труб с минимальной деформацией. Благодаря удвоенному количеству точек зажима, шестикулачковый патрон вызывает менее чем вдвое меньшую деформацию зажима в тонкостенной заготовке по сравнению с трехкулачковым. Доступны двухкулачковые патроны, которые можно использовать с мягкими кулачками (обычно из алюминиевого сплава), которые можно обработать для соответствия конкретной заготовке. Отсюда недалеко до лицевых плит, удерживающих специальные приспособления, в которых деталь фиксируется упорами и удерживается там прижимными или упорными зажимами.

Конструкция челюстей

Многие патроны имеют съемные кулачки (часто съемной является верхняя часть, оставляющая основание или "ведущий кулачок", собранный со скруткой), что позволяет пользователю заменять их новыми кулачками, специализированными кулачками или мягкими кулачками. Мягкие кулачки изготавливаются из мягких материалов, таких как мягкий (незакаленный) металл, пластик или дерево. Их можно обрабатывать при необходимости для конкретных задач. Типичный интерфейс между ведущим кулачком и съемным кулачком представляет собой пару соответствующих зубчатых поверхностей, которые, после затяжки крепежных винтов, исключают какое-либо относительное скольжение между этими частями.

Колет

Коллет, один из видов патрона, представляет собой гильзу с (обычно) цилиндрической внутренней поверхностью и конической внешней поверхностью. Коллет можно сжать на соответствующую конусность таким образом, чтобы его внутренняя поверхность сжималась до немного меньшего диаметра, зажимая инструмент или заготовку, которую необходимо надежно удерживать. Чаще всего это достигается с помощью пружинного коллета, изготовленного из пружинной стали, с одним или несколькими прорезями вдоль его длины, чтобы позволить ему расширяться и сжиматься. Альтернативная конструкция коллета – это конструкция, в которой несколько конических стальных блоков (по сути, конических калибровочных блоков) удерживаются в круговом положении (как лучи звезды или губки кулачкового патрона) гибким связующим средством (обычно синтетической или натуральной резины). Jacobs Rubber Flex – это название, которое большинство токарей узнают для этого типа системы коллетного патрона. Независимо от конструкции коллета, принцип работы одинаков: сжимать коллет радиально против инструмента или заготовки, которую необходимо удержать, что приводит к высокому статическому трению. При правильных условиях он обеспечивает надежную фиксацию. Почти все коллетные патроны достигают радиального сжатия путем перемещения одной или нескольких пар конических поверхностей (внутренней и внешней) по оси, что обеспечивает радиальное сжатие с высокой концентричностью. В зависимости от конструкции коллета, он может быть либо втянут (через резьбовую часть на задней стороне коллета), либо вставлен (через резьбовую крышку со вторым конусом) в соответствующее коническое гнездо для обеспечения зажима. Когда коллет вставляется в коническое гнездо, он сжимается, захватывая содержимое внутреннего цилиндра. (Однако осевое перемещение конусов не является обязательным; раздельная втулка, сжимаемая радиально линейной силой – например, винтом, соленоидом, пружинным зажимом, пневматическим или гидравлическим цилиндром – достигает того же принципа без конусов; но концентричность может быть обеспечена только в той мере, в которой диаметры втулки идеально подходят для удерживаемого объекта. Поэтому это распространено только в инструментальных цехах, например, при создании и настройке инструментального оборудования для станков.) Одним из следствий конического действия является то, что коллеты могут слегка втягивать заготовку по оси при закрытии. Коллетные патроны, не предусматривающие предотвращения этого втягивания, часто называют патронами с втягиванием, в отличие от систем, которые обходят это движение, обычно толкая коническое зажимное кольцо к коллету, а не втягивая коллет в кольцо. Такие патроны без втягивания часто называют "с фиксированной длиной" или "без втягивания". Втягивание не всегда является проблемой, но его избежание может быть полезным при некоторых операциях, когда его не учитывание может привести к неточности общей длины детали, длины плеч и т.д. Коллеты чаще всего встречаются на фрезерных станках, токарных станках, деревообрабатывающих маршрутизаторах, прецизионных шлифовальных станках и некоторых ручных электроинструментах, таких как борштанги и ротационные инструменты. Существует множество различных систем, распространенными примерами являются системы ER, 5C и R8. Коллеты также можно приобрести для установки в конические гнезда Морзе или Брауна и Шарпа. Как правило, коллеты обеспечивают более высокую точность и аккуратность, чем самоцентрирующиеся патроны, и требуют меньше времени на настройку, чем патроны с независимыми губками. Недостатком является то, что большинство коллетов могут удерживать только заготовки одного размера. Исключением является коллет ER, который обычно имеет рабочий диапазон 1 мм (около 0,04 дюйма). Коллеты обычно изготавливаются для удержания цилиндрических заготовок, но также доступны для удержания квадратных, шестигранных или восьмигранных заготовок. Хотя большинство коллетов закалены, существуют "аварийные" коллеты, которые пользователь может обработать до специальных размеров или форм. Эти коллеты могут быть изготовлены из стали, латуни или нейлона. Доступны ступенчатые коллеты, которые можно обрабатывать для удержания коротких заготовок, которые больше, чем вместимость обычных коллетов.

Специальная система прямого доступа (SDS)

Разработанная компанией Bosch в 1975 году для ударных дрелей, система SDS использует хвостовик SDS (SDS Shank) – цилиндрический хвостовик с углублениями для фиксации в патроне. Инструмент вставляется в патрон и фиксируется до момента разблокировки. Вращательное усилие передается через клинья, входящие в два или три открытых паза. Бур может свободно перемещаться на небольшое расстояние, а ударный механизм перемещает бур вверх и вниз внутри патрона. Два пружинных шарика входят в закрытые пазы, обеспечивая подвижность при удержании бура. Существует четыре стандартных размера с разными диаметрами хвостовика:

SDS Quick A – хвостовик диаметром 6 мм с двумя открытыми пазами, взаимодействующими с приводными клиньями, и двумя закрытыми пазами, удерживаемыми фиксирующими шариками. Это самый новый размер, представленный в 2011 году для серии Bosch Uneo, предназначен для буров по бетону диаметром до 10 мм.

SDS-Plus

Стержень диаметром 10 мм с двумя открытыми пазами, взаимодействующими с приводными клиньями, и двумя закрытыми пазами, удерживаемыми фиксирующими шариками. Это наиболее распространенный размер, предназначенный для отбойных молотков весом до 4 кг. Клинья захватывают площадь и стержень вставляется в патрон на 40 мм. SDS top A – стержень диаметром 14 мм, аналогичный SDS plus, предназначенный для отбойных молотков весом от 2 до 5 кг. Площадь захвата увеличена до и стержень вставляется на 70 мм. Этот размер оставался нераспространенным и был снят с производства в 2009 году. SDS max – стержень диаметром 18 мм с тремя открытыми пазами и фиксирующими сегментами вместо шариков. Он предназначен для отбойных молотков весом более 5 кг. Клинья захватывают площадь и стержень вставляется на 90 мм. Многие дрели SDS имеют настройку "отключение вращения", позволяющую использовать дрель для долбления. Название SDS происходит от немецкого Steck Dreh Sitz (съемный сверлильный патрон). В немецкоязычных странах также использовалась аббревиатура Spannen durch System (система зажима), хотя Bosch сейчас использует Special Direct System на международном уровне.

Сверхмоторные двигатели

В коммерческом производстве все шире используются все более продвинутые патроны, обладающие не только индексируемым позиционированием, но и индексируемым креплением. Обе функции обычно управляются гидравлически. Крепление часто осуществляется каждой парой губок, состоящей из одной неподвижной и одной подвижной губки (с гидравлическим приводом), что концептуально схоже с продвинутыми фрезерными тисками. Этот метод крепления обеспечивает высокую точность и повторяемость, характерные для таких тисков, при использовании в патронном зажиме. Такие патроны сочетают в себе центрирующую точность традиционных независимых патронов с быстротой и простотой центрирования традиционных трехкулачковых самоцентрирующихся патронов. Они имеют высокую первоначальную стоимость (по сравнению с традиционными патронами), но эта стоимость быстро окупается и впоследствии снижает текущие переменные затраты в условиях серийного производства. Сегодня также возможно создание патронов с ЧПУ, в которых положение и усилие зажима каждой губки могут быть точно контролированы посредством ЧПУ, с использованием позиционирования по замкнутому контуру и контроля нагрузки. По сути, каждая губка представляет собой независимую ось ЧПУ – станину с ходовым винтом, и все четыре или шесть губок могут работать согласованно. Несмотря на концептуальную интересность этой идеи, более простые системы патронов, упомянутые в предыдущем абзаце, скорее всего, будут более востребованы на рынке для большинства применений, поскольку они обеспечивают те же возможности более простым и экономичным способом.

Магнитные

Магнитный стол, используемый для удержания ферромагнитных заготовок, состоит из точно центрированной поверхности постоянного магнита. Электромагниты или постоянные магниты приходят в контакт с неподвижными стальными пластинами или полюсными наконечниками, расположенными внутри корпуса. Эти полюсные наконечники обычно находятся в одной плоскости с поверхностью корпуса. Заготовка, которую необходимо удерживать, замыкает магнитную цепь на эти неподвижные пластины, обеспечивая надежное крепление.

Электростатические

Электростатический захват обычно используется для удержания кремниевых пластин во время литографических процессов. Он состоит из металлической базовой пластины и тонкого диэлектрического слоя. Металлическая базовая пластина поддерживается под высоким напряжением относительно пластины, благодаря чему электростатическая сила прижимает пластину к ней. Электростатические захваты могут иметь штифты или возвышения (мезы), высота которых учитывается в заявленной толщине диэлектрика; конструкция, разработанная в Sandia National Laboratory, использует структурированный диэлектрик из диоксида кремния для формирования штифтов.

Вакуум

Вакуумный прижимной патрон используется преимущественно для обработки неферрозных материалов, таких как медь, бронза, алюминий, титан, пластик и камень. В вакуумном прижимном патроне воздух откачивается из полости за заготовкой, а атмосферное давление обеспечивает силу удержания. Вакуум создает давление удержания на уровне моря, которое уменьшается на больших высотах, где атмосферное давление ниже. Уменьшение силы удержания составляет примерно 0,5 psi на каждые 1000 футов подъема над уровнем моря.

Методы монтажа

Соединение патронов со шпинделями или столами станков или электроинструментов осуществлялось различными способами на протяжении многих лет.

Монтаж крупных челюстных отводов

Задняя пластина с резьбой может быть привинчена к резьбовому шпиндельному патрону (для токарной обработки) или к адаптерной пластине с тем же патроном, предназначенной для установки на стол фрезерных или шлифовальных станков. Этот тип крепления – "резьбовой шпиндельный патрон" – был типичным методом с XIX века до 1930-х годов. Он прост и удобен, но точность центровки недостаточно высока для надежной высокоскоростной и высокоточной обработки (достичь высокой точности возможно, но время и квалификация, необходимые для настройки, делают его неоптимальным выбором, учитывая наличие более совершенных решений, таких как шпиндельные патроны с кулачковым зажимом, описанные ниже). Резьбовые шпиндельные патроны по-прежнему устанавливаются на новые станки, но только на станки начального уровня (любительские, для минимально необходимых ремонтных работ и т.д.). Высокопроизводительное производство (где высокие первоначальные затраты приводят к минимальной себестоимости единицы продукции при среднем и высоком объеме выпуска высокоточных деталей) отказалось от этого типа крепления. Концепция точной подгонки (Set Tru) – один из способов достижения высокой центровки на резьбовых шпиндельных патронах с относительной легкостью. Распространенным решением на небольших токарных станках является широкий фланцевый конец шпинделя с концентрическим приподнятым кольцевым упором, соответствующим углублению в патроне или его задней пластине. Упор обычно неглубокий и имеет параллельные стенки, обеспечивая плотную посадку в соответствующее углубление патрона. Патрон фиксируется болтами через сквозные отверстия, не влияющие на центровку, которая полностью обеспечивается упором. Эта конструкция обеспечивает отличную повторяемость, но медленна в производственных условиях. Задняя пластина с внутренней (саморазблокирующейся) конусностью может быть установлена на соответствующую наружную конусность конического шпиндельного патрона (для токарной обработки) или на адаптерную пластину с тем же патроном, предназначенную для установки на стол. Эта система повышает повторяемость центровки крепления до очень малого общего индикаторного биения (TIR). Подтипы: Патрон может быть зафиксирован на конусности с помощью резьбового стопорного кольца (большой тонкий гайки), обычно затягиваемого гаечным ключом с булавкой или крюком. Наибольшая популярность этого типа шпиндельного патрона пришлась на 1940-е и 1950-е годы. Патрон может быть зафиксирован на конусности с помощью кулачковых зажимов, которые надежно фиксируются в защемленном положении. Стандартные конструкции шпиндельных патронов обеспечивают широкую взаимозаменяемость. Эта система шпиндельного патрона с кулачковым зажимом заменила более ранние системы на большинстве станков в 1960-х годах.

Монтаж коллетных отводов

Для патронов с коллетными державками, установленных на задних планках, применимы все вышеперечисленные методы. Многие токарные станки, работающие с коллетными патронами, имеют специальные механизмы подтяжки коллета, при которых задняя планка отсутствует, а в конусе шпинделя предусмотрен конический конус для наружного конического конуса коллета или гильзы, удерживающей его. Полый тяговый стержень проходит через станину к задней стороне, где установлен механизм подтяжки. Последний обеспечивает легкое и быстрое открытие и закрытие коллета. Внутренний диаметр тягового стержня определяет максимальный диаметр прутка, который можно пропустить через шпиндель. Некоторые системы подтяжки коллета позволяют открывать и закрывать патрон, не останавливая вращение шпинделя. Механизм подтяжки на ручном токарном станке может быть рычажным или с маховиком. На станках с ЧПУ механизм подтяжки приводится в действие (электрически, гидравлически или пневматически) и может управляться различными способами: педалью, которую оператор нажимает при необходимости; командой в программе (для открытия и закрытия по управляющей программе); или кнопкой на панели управления.

История

Первоначальные способы закрепки деталей на токарных станках включали в себя установку между центрами и временные крепления к шпинделю головки станка. Шиповые центры, которые до сих пор используются на токарных станках по дереву, представляют собой древний метод. В прошлые века к временным способам крепления относились все, начиная от фиксации штифтами с обжимкой или клином; прибивание гвоздями; обвязывание кожаными или волокнистыми шнурами; прижим (также с использованием штифтов/клиньев/обжимки) или другие подобные методы. Фейсплаты, вероятно, существовали уже со времен средневековых часовщиков. Инструмент, аналогичный современным патронам, вероятно, развился из работы с фейсплатами, поскольку рабочие, использующие фейсплаты для повторяющихся операций, начали задумываться о типах зажимов или упоров для фейсплаты, которые можно было бы открывать и закрывать более удобным способом, чем полная разборка и сборка при каждой операции. Клин изначально был просто куском дерева. Однако к 1703 году он мог быть обозначен как "клинья, относящиеся к винтовому патрону". К 1807 году слово изменилось на более привычное "патрон": "На конец шпинделя навинчен универсальный патрон для удержания любых деталей". В конце 1818 или начале 1819 года Общество поощрению искусств, мануфактур и торговли наградило серебряной медалью и 10 гиней (£10.50 – 10.5 в 1819 году эквивалентны примерно <рассчитанной сумме> в последние годы) г-ну Александру Беллу за трехкулачковый токарный патрон: "Инструмент может быть привинчен к патрону токарного станка и имеет три штифта, выступающие из его плоской поверхности, образующие равносторонний треугольник, и способные перемещаться равномерно к центру или от него". Неясно, как они перемещались "равномерно" – с помощью винтового механизма или каким-либо другим способом. Позже, в 1819 году, та же организация наградила еще одной серебряной медалью г-на Т. Хэка за четырехкулачковый патрон. В Соединенных Штатах Саймон Фэрман (1792–1857) разработал узнаваемый современный патрон с винтовым приводом, используемый на токарных станках. Патент касается технических деталей сборки, он не заявляет об изобретении винтового механизма ("спиральные канавки"). Его зять Остин Ф. Кушман (1830–1914) развил эти идеи и продавал патроны через свою компанию Cushman Industries.

Джейкобс Чак

В начале XX века Артур Ирвинг Джейкобс разработал современный патрон для сверл. После того, как он ушиб костяшки пальцев о один из старых патронов с регулировкой ключом, он разработал патрон, в котором губки двигались по оси в наклонных прорезях. Его работа подробно описывает механизм. Термин "патрон для сверл" явно не был введен им, но его новый тип патрона давно вытеснил все предыдущие типы, которым не хватало углового движения губок и наружной гильзы, которые теперь встречаются на всех распространенных патронах для сверл.

Оценка результатов

Национальные и международные стандарты используются для стандартизации определений, требований и методов испытаний, применяемых при оценке характеристик патронов. Выбор стандарта для использования является соглашением между поставщиком и потребителем и оказывает определенное влияние на конструкцию патрона. В Соединенных Штатах ASME разработала стандарт B5.60 под названием «Workholding Chucks: Jaw Type Chucks» (Патроны для закрепки заготовок: кулачковые патроны), который устанавливает требования и методы для определения и испытания характеристик патронов, используемых преимущественно в токарных операциях.