Конус инструментальный

Ко́нус инструмента́льный — конический хвостовик инструмента (сверло, зенкер, фреза, развёртка, зажимной патрон, электрод контактной сварки) и коническое отверстие соответствующего размера (гнездо) в шпинделе или задней бабке, например, токарного станка. Предназначен для быстрой смены инструмента с высокой точностью центрирования и надёжностью крепления. Существует много стандартов на различные конусы, различающиеся по конусности и исполнению.

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 счёт 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 выбрана конусность ровно 1:20 (угол конуса 2°51’51", уклон конуса 1°25’56") и названа метрический конус (англ. Metric Taper). Типоразмер метрических конусов указывается по наибольшему диаметру конуса в миллиметрах. ГОСТ 25557-2016 также определяет уменьшенные метрические конусы № 4 и № 6 (англ. ME4, ME6) и большие метрические конусы № 80, 100, 120, 160, 200 (англ. ME80 — ME200).

Конструктивных различий между конусом Морзе и метрическим нет.

Размеры наружного и внутреннего конуса (по ГОСТ 25557-2006), мм

Таблица 1

	Обозначение конуса	Конусность	D	D1	d	d1	d2	d3 max	d4 max	d5	l1 max	l2 max	l3 max	l4 max	l5 min	l6
Метрический	№ 4	1:20	4	4,1	2,9	-	-	-	2,5	3	23	25	-	-	25	21
	№ 6	1:20	6	6,2	4,4	-	-	-	4	4,6	32	35	-	-	34	29
Морзе	КМ 0	1:19,212	9,045	9,2	6,4	-	6,1	6	6	6,7	50	53	56,3	59,5	52	49
	КМ 1	1:20,047	12,065	12,2	9,4	M6	9	8,7	9	9,7	53,5	57	62	65,5	56	52
	КМ 2	1:20,020	17,780	18	14,6	M10	14	13,5	14	14,9	64	69	75	80	67	62
	КМ 3	1:19,922	23,825	24,1	19,8	M12	19,1	18,5	19	20,2	80,1	86	94	99	84	78
	КМ 4	1:19,254	31,267	31,6	25,9	M16	25,2	25,2	24	26,5	102,5	109	117,5	124	107	98
	КМ 5	1:19,002	44,399	44,7	37,6	M20	36,5	35,7	35,7	38,2	129,5	136	149,5	156	135	125
	КМ 6	1:19,180	63,348	63,8	53,9	M24	52,4	51	51	54,6	182	190	210	218	188	177
	КМ 7	1:19,231	83,058					-					285.75	294.1
Метрический	№ 80	1:20	80	80,4	70,2	M30	69	67	67	71,5	196	204	220	228	202	186
	№ 100	1:20	100	100,5	88,4	M36	87	85	85	90	232	242	260	270	240	220
	№ 120	1:20	120	120,6	106,6	M36	105	102	102	108,5	268	280	300	312	276	254
	№ 160	1:20	160	160,8	143	M48	141	138	138	145,5	340	356	380	396	350	321
	№ 200	1:20	200	201	179,4	M48	177	174	174	182,5	412	432	460	480	424	388

Укороченные конусы 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 конусы 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.

Конус 7:24

Широко распространённый инструментальный конус, в основном, для станков с ЧПУ с автоматической сменой инструмента. Цель разработки — устранение недостатков конуса Морзе (самозаклинивание конуса в шпинделе, малая площадь осевого упора, большая длина, сложность автоматической фиксации конуса в шпинделе, отсутствие зацепов для автоматической смены инструмента).

Существует ряд национальных и международных стандартов на этот конус, отличающихся базовой размерностью (дюймовая или метрическая), вспомогательными элементами (фланцы, штревели, каналы подачи СОЖ) и обозначениями. Конусы, изготовленные по разным стандартам, не всегда взаимозаменяемы.

• ISO-конусы. Международные стандарты ISO 297:1988 (конструктивная разновидность для ручной смены инструмента), ISO 7388 (конструктивные разновидности для автоматизированной смены инструмента).
• Новые российские стандарты: ГОСТ 25827-2014 — конструкции конусов, фланцев и резьб хвостовиков. Парный к нему ГОСТ ИСО 7388-3-2014 — конструкции штревелей. Практически дубликат ISO 297 и ISO 7388.
• Всё еще могут быть актуальны советские и старые российские стандарты:
  • ГОСТ 15945-82 — основные размеры конусов и парный к нему ГОСТ 19860-93 — допуски.
  • ГОСТ 25827-93 — конструкции конусов, фланцев и хвостовиков.
• DV, SK (от нем. Steilkegel). Немецкий вариант конуса. Стандарты DIN 2080, DIN 69871 (переименован в DIN ISO 7388-1).
• NMTB (от англ. National Machine Tool Builders Association), NST, NT. Американский вариант конуса. Стандарт ANSI B5.18. Дюймовая размерность, конструктивно аналог ISO 297.
• CAT, CV (от англ. Caterpillar V-Flange). Американский вариант конуса. Стандарт ANSI B5.50. Дюймовая размерность, конструктивно аналог ISO 7388 вариант A.
• BT — японская разновидность конуса согласно стандарту JIS B6339 (JMTBA MAS-403 «BT»). Дюймовая размерность, конструктивно аналог ISO 7388 вариант J.
• NFE 62540 — французский стандарт.
• IS 2340, IS 11173 — индийские стандарты. Первый аналог ISO 297, второй ISO 7388.

Типоразмер конуса обозначается цифрой, существуют размеры от 10-го до 80-го с шагом 5. Например, ISO10, NMTB40, BT50. Для всех стандартов размер конусной части одного типоразмера одинаков. Угол конуса 16°35’40". В таблице размеров конусов D обозначает базовый размер — наибольший диаметр конусного отверстия (гнезда), L обозначает глубину конусного отверстия. Эти значения также примерно соответствуют наибольшему диаметру конуса и его длине. Диаметр фланца DF примерно одинаков у всех конструктивных разновидностей одного типоразмера.

Конус с фланцем для автоматической смены инструмента

Типоразмер	D	L	Резьба штревеля	DF
10	15,87	21,8
15	19,05	26,9
25	25,40	39,8
30	31,75	49,2	M12	50
35	38,10	57,2
40	44,45	65,6	M16	63
45	57,15	84,8	M20	80
50	69,85	103,7	M24	97
55	88,90	132,0	M24	130
60	107,95	163,7	M30	156
65	133,35	200,0	M36	195
70	165,10	247,5	M36	230
75	203,20	305,8	M40	280
80	254,00	390,8	M40	350

Стандарты ISO и новый российский ГОСТ определяют несколько конструктивных разновидностей: одну для ручной смены инструмента и три разновидности для автоматической смены инструмента, обозначаемые буквами A, U, J. Каждой конструктивной разновидности соответствует свой фланец и штревель. Помимо того, стандарты регламентируют два метода подвода охлаждающей жидкости к инструменту: центральный через штревель (обозначается буквой D) или боковой через фланец (буквой F).

Старый ГОСТ 25827-93 определял три исполнения конусов. Исполнение 1 было аналогично ISO 297. Исполнение 2 было аналогично ISO 7388 вариант A. Исполнение 3 аналогов не имело. Стандарт не определял конструкций штревелей, только фланцев и резьб хвостовиков.

В настоящее время конусы обычно изготавливают со сменными штревелями, что улучшает совместимость оборудования разных стандартов.

HSK, КМ

HSK-конус (от нем. Hohlschaftkegel или англ. Hollow Shaft Taper, полый конус) используется во фрезерных обрабатывающих центрах и особенно в токарно-фрезерных центрах. Стандарты на эти конусы ISO 12164, DIN 69893, ГОСТ Р ИСО 12164. Конусность 1:10.

Имеет несколько конструктивных разновидностей фланцев, обозначаемых буквами A, B, C, D, E, F, T. Размер конуса обозначается цифрой наибольшего диаметра фланца в мм (от 25 до 160). Например, HSK-A63. Следует учесть, что диаметр фланца и размер конуса могут не совпадать у разных конструктивов, например, HSK-A50 и HSK-В63 имеют одинаковый конус, а HSK-A63 и HSK-В63 — разный. HSK-T используется на токарно-фрезерных станках для возможности установки резцов в шпиндель при токарной обработке. У HSK-T шпонка выполняется точнее, чем у других конусов, для точной установки вершины резца. HSK-A и HSK-T взаимозаменяемы.

Главные достоинства HSK-соединения: автоматическая быстрая смена инструмента (что очень важно в обрабатывающих центрах с ЧПУ), небольшой вес, возможность устанавливать в шпиндель токарные резцы, хорошая повторяемость, жесткость. Как правило, стандартные резцы квадратного сечения устанавливаются в специальную промежуточную оправку, которая, в свою очередь, имеет конус HSK. Но иногда также используются резцы, имеющие хвостовик HSK.

KM — конус, разработанный компанией Kennametal. По сути сходен с HSK, но не получил массового распространения. Конструкция КМ не запатентована.

• 
• 
• 

Capto

Конус Capto, разработанный компанией Sandvik Coromant, сегодня продвигается как аналог HSK премиум-класса. С 2008 года посадка Capto вошла в международный стандарт ISO 26623.

В сечении он представляет собой треугольник со скругленными краями и выгнутыми (есть вогнутые и выпуклые) сторонами. Угол поверхности посадки взят аналогично конусу Морзе. Такая форма не позволяет конусу провернуться в гнезде, обеспечивает необходимое самозаклинивание и повторяемость при разборке-сборке по всем осям. Понятно, что с одной стороны базирование на треугольник более предпочтительно ввиду гораздо большей жесткости передачи. Однако технология изготовления такого конуса несколько сложнее и следовательно дороже для конечного потребителя. При всей своей премиумной цене логически обоснованным является применение Capto для черновой, получерновой обработки.

Главное преимущество посадки Capto по отношению к другим посадкам — жёсткость соединения. Некоторые производители станков, проверив на практике возможности интерфейса Capto, стали интегрировать его в базовый шпиндель станка (WFL, Mazak). В зависимости от размера соединения Capto обозначаются C3...C10. Существуют следующие типоразмеры интерфейса (указан диаметр фланца):

• С3 — 32мм
• С4 — 40мм
• С5 — 50мм
• С6 — 63мм
• С8 — 80мм
• С10 — 100мм

При всей своей привлекательности этот конус не отвечает требованию концентрации износа. (То есть при превышении нагрузки на шпиндель — сгорит шпиндель, но Capto не провернется)

Brown & Sharpe, Jacobs, Jarno

По внешнему виду и сферам применения похожи на конусы Морзе. Спецификации конусов являются внутрифирменными, национальных или международных стандартов на них нет. Получили распространение, в основном, на территории США.

R8

Цанга R8

Внутрифирменный конус, изначально создавался специально для цанговых зажимов. Впоследствии конструктив стал использоваться как инструментальный конус. Разработан компанией Bridgeport Machines для своего оборудования, получил некоторое распространение, в том числе, в виде клонов этого оборудования. Существует один типоразмер этого конуса.

Переходные оправки и втулки

Переходные втулки конусов Морзе.

Для уменьшения номенклатуры инструмента выпускаются разнообразные переходники из одних конусов в другие. Переходник типа наружный конус — внутренний конус именуют переходной втулкой. Переходник типа наружный конус — наружный конус именуют переходной оправкой. Например, оправка с конуса 7:24 на укороченный конус Морзе обозначается ISO30-B16.

Другие конусы, применяемые в машиностроении

Конус 1:50

Конусность 1:50 имеют установочные штифты, применяемые при необходимости дополнительного скрепления двух деталей, зафиксированных резьбовым соединением, чтобы они не могли перемещаться одна относительно другой. Установочные штифты вставляются в отверстия, просверленные и конически развёрнутые одновременно в обеих деталях, после их сборки. Конусность 1:50 соответствует углу уклона 0°34'.

Конус 1:30

Конусы насадных развёрток, зенкеров и оправки для них. Конусность 1:30 соответствует углу уклона 0°55'.

Конус 1:20

Конусы шпинделей крупных токарных и расточных станков и хвостовиков инструментальных оправок. ГОСТ 25557-2016

Конус 1:16

Резьба обсадных труб 6 5/8", бурильных и насосно-компрессорных труб, резьба трубная коническая общего назначения.

Конус 1:10

Концы валов электрических и других машин и соответствующие им муфты. ГОСТ 12081-72.

Центры упорные и конусы инструментов для тяжелых станков. ГОСТ 7343—72.

Отверстия под заклёпки в котельных листах, мостовых и корабельных конструкциях (т. н. котельный конус).

Конус 1:7

Пробковые краны, центры упорные для тяжёлых станков, конусы инструментов (ГОСТ 7343—72).

Конус 1:5

Концы шлифовальных шпинделей с наружным базирующим конусом ГОСТ 2323

Конус 1:4

Фланцевые концы шпинделей токарных, револьверных и других станков, резьба замков в нефтепромышленности.

Конус 1:1,866

Центры станков, центровые отверстия, потайные и полупотайные головки заклёпок диаметром 16—25 мм, потайные головки винтов диаметром 22—24 мм.

Конус 1:0,866

Зажимные цанги.

Конус 1:0,652

Потайные головки болтов, потайные и полупотайные головки заклёпок диаметром 10—13 мм.

Конус 7:24

Отверстия под оправки в столах зубодолбёжных станков.