Miten valitsen karakartion?

Karakartion valinta on keskeinen päätös, joka usein asettaa rajat koneistuksen tehokkuudelle. Parhaan kiinnityksen valinta ei aina ole helppoa – se riippuu paljolti koneistettavista kappaleista ja käytettävistä menetelmistä. Ei pidä olettaa, että tarjottu vakiokara on välttämättä paras ratkaisu.

Karavaatimukset

Muista kuin itse koneistukseen liittyvistä vaatimuksista nopeat työkalunvaihdot ovat kärjessä. Koneistuksen aikana puolestaan on tärkeintä, että karan ja työkalun kiinnitys pitää vaikka lastuamisvoimat olisivat kuinka rajut. Hyvällä karakartiolla on sekä suuri taivutusjäykkyys että hyvä vääntömomentin kestokyky.

• Taivutusjäykkyys: Koneistuksen tukevuuden edellytys, kun työkalun vapaapituus on suuri tai koneistus on erityisen kuormittavaa.
• Vääntömomentin välityskyky: Tämä on sitä tärkeämpää, mitä suurempia työkalut ovat halkaisijaltaan. Työkaluun keskiön ulkopuolelle kohdistuva kuorma (vääntömomentti = voima × säde) on kompensoitava käyttävän elimen riittävän suurella tukipinnalla
• Tarkka työkalun keskitys: Toistotarkkuuden ja varmatoimisuuden takaamiseksi

Isoja taivutusvoimia tai radiaalisia lastuamisvoimia kestävän kiinnityksen piirteitä:

• Laipan tukipinnan halkaisija: Karan otsapintaan nojaava laippa antaa lisää tukevuutta ja vähentää lastuamisvoimien vipuvaikutusta.
• Kiinnitysvoima: Mitä isommalla voimalla pidin on kiinni, sitä isompi voima myös tarvitaan kiinnityksen irti vääntämiseen.
• Poikkipinta-ala: Mitä pienempi työkalun halkaisija on suhteessa laipan tukipinnan halkaisijaan, sitä vähäisempi on työkalun jäykkyys.
• Vääntömomentin välityskyky: Huonosti vääntömomenttia kestävä kiinnitys näkyy välittömästi keskiön korkeuden heittona ja yleensä epätarkkuutena, selvimmin isoilla työkalun halkaisijoilla ja sorvauksessa.

Karakartioiden kehitys

Karakartiot ovat kehittyneet koneiden myötä. Tärkeimpiä merkkipaaluja ovat:

• NC-ohjauksen käyttöönotto. Tämä mahdollisti automaattisen työkalunvaihdon ja -varastoinnin, ja jyrkkään kartioon tuli vetopultit ja tarttujaurat
• Suuret karanopeudet
• Monitoimikoneistus – sorvaus, jyrsintä ja poraus samalla kiinnityksellä

Ensimmäinen yleisesti tunnettu kartio oli Morse-kartio, joka kehitettiin poraukseen jo vuonna 1868. Seuraavaksi tuli jyrkkä kartio 7/24 (ISO-kartio) vuonna 1927. Automaattisen työkaluvaihdon mahdollistavat tarttujaurat ja vetopultit tulivat kuvaan 1960-luvulla, mutta kolmena eri versiona: MAS-BT (Aasia), ISO/DIN (Eurooppa) ja CAT-V (Amerikka).

Jyrkän kartion heikkouksia ovat heikosta kiinnitysvoimasta johtuva huono taivutusjäykkyys ja alhainen kierroskapasiteetti sekä laippakosketuksen puute. Tästä johtuen 1990-luvulla kehitettiin BIG-PLUS® (kehittäjänä japanilainen BIG Daishowa), HSK (Saksan DIN-komitea) ja Coromant Capto® (lanseerattiin 1990, ainoa järjestelmä, joka kehitettiin alusta alkaen kaikkiin menetelmiin: sorvaus, jyrsintä ja poraus).

Karakartiomallit

Alla olevassa taulukossa esitellään neljässä keskeisimmässä kiinnitysvaihtoehdossa tapahtuneet kehitysaskeleet perinteisestä jyrkästä kartiosta Coromant Capto® -kiinnitykseen. Kaikille kartioille BIG-PLUS®:aa lukuun ottamatta on nykyisin DIN-, ISO- tai ANSI-standardi.

Jyrkkä kartio

BIG-PLUS®

HSK-A

Coromant Capto®

Jyrkkä kartio 7/24

Kartiokulma on aina sama. Tarttujaura ja vetopultin kierre voivat vaihdella. Saatavissa CAT-, ISO-, DIN- ja MAS BT -versiona.

BIG-PLUS®

BIG-PLUS® on kehitetty koneistuskeskuksiin. Kartio ja tarttujaura ovat samat kuin perinteisessä jyrkässä kartiossa, mutta laippakosketus antaa paremman taivutusjäykkyyden. Tavanomainen jyrkkäkartioinen pidin sopii myös BIG PLUS® -karaan, mutta yhdistelmä ei ole suositeltava. Saatavissa CAT-, ISO-, DIN- ja MAS BT -versiona.

HSK

HSK (DIN 69893) on kehitetty koneistuskeskuksiin. HSK:ssa laippa on kosketuksessa karaan ja onton kartion segmenttikiinnitys poistaa vetopultin tarpeen. Vetokiiloissa on vaihtelua versiosta riippuen, ja joissakin suurnopeusversioissa vetokiiloja ei ole lainkaan.

• Malli A: Yleiskoneistus, isot taivutuskuormat ja kohtalaiset vääntömomentit, automaattinen työkalunvaihto
• Malli B: Ei-pyörivät työkalut, kohtalaiset taivutuskuormat ja isot vääntömomentit, erikoissovellukset, automaattinen työkalunvaihto
• Malli C: Yleiskoneistus, isot taivutuskuormat ja kohtalaiset vääntömomentit, manuaalinen työkalunvaihto (ks. malli A)
• Malli D: Ei-pyörivät työkalut, kohtalaiset taivutuskuormat, isot vääntömomentit, erikoissovellukset, manuaalinen työkalunvaihto (ks. malli B)
• Malli E: Suuret nopeudet, kevyet ja nopeat karat, pienet taivutus- ja vääntömomentit, automaattinen työkalunvaihto, helppo tasapainottaa
• Malli F: Kohtalaiset nopeudet, pehmeiden materiaalien koneistus, keskisuuret taivutus- ja vääntömomentit, automaattinen työkalunvaihto, helppo tasapainottaa
• Malli T: Tarkasti toleroidut, paikoitusuralliset pyörivät ja ei-pyörivät työkalut. Kaulaa ei tarvita, joten taivutusmomentti voi olla suurempi.

Huom! Useimmissa koneissa, joiden karakartioksi on ilmoitettu HSK-T, automaattinen työkalunvaihto ja makasiinit vaativat siitä huolimatta kaulallisia työkaluja – eli käytännössä HSK A/C/T -malleja

A

B

C

D

E

F

T

A/C/T

Coromant Capto®

Coromant Capto® -kiinnityksessä (ISO 26623) yhdistyvät sekä HSK- että BIG PLUS® -kiinnityksen edut, ja samalla se poisti vetokiilojen tarpeen, koska veto välittyy kartiomaisen laippatuetun polygonimuodon kautta. Kiinnityksen vahva poikkileikkaus jättää tilaa segmenttikiinnitykselle, jonka erittäin suuri kiinnitysvoima antaa lyömättömän taivutusjäykkyyden, momentinvälityskyvyn ja keskitystarkkuuden.

Parempi radiaalinen tarkkuus ja momentinvälityskyky olivat tarpeen, sillä kiinnitys kehitettiin kolmea käyttötarkoitusta varten:

• Karakartiot – koneistuskeskukset, pystysorvit
• Modulaariset kiinnitykset – koneistuskeskukset
• Manuaaliset pikavaihtojärjestelmät – sorvit

Coromant Capto® on monitoimikoneiden yleisin karakartio, sillä se sopii erinomaisesti sekä staattisille (sorvaus) että pyöriville (jyrsintä/poraus) työkaluille.

Karakartiosuositukset eri konemalleihin

Koneistuskeskukset (vain pyörivät työkalut)

Suosittelemme karakartiota, jossa on laippakosketus. BIG PLUS® ja HSK-A tarjoavat riittävän tukevuuden useimpiin koneistuskeskuksella suoritettavista töistä. Raskaaseen koneistukseen suosittelemme ensisijaisesti Coromant Capto® C10 -kiinnitystä, toissijaisesti muita isoja kiinnityksiä, esim. HSK-A 125 tai SK60. Isoille karanopeuksille hyviä vaihtoehtoja ovat HSK-E tai HSK-F.

Monitoimikoneet (sorvaustyökalut ja pyörivät työkalut)

Coromant Capto® on ainoa kiinnitys, jolla on sekä sorvaustyökaluille että pyöriville työkaluille vaadittava vääntö- ja taivutusjäykkyys.

Työstökoneisiin on tarjolla useita erilaisia karakartioita. Sandvik Coromant tekee aktiivisesti yhteistyötä konevalmistajien kanssa edistääkseen Coromant Capto® -kiinnityksen integrointia työstökoneisiin. Keskitymme lähinnä seuraaviin konetyyppeihin ja liitoskokoihin, joissa Coromant Capto® -kiinnityksen edut ovat vahvimmillaan.

* Sorvauskeskusten pitkät sorvauspuomit

Kiinnitysvoiman vertailu

Onttojen kartioiden (HSK ja Coromant Capto®) sisäpuolisella segmenttikiinnityksellä voidaan saada isompi kiinnitysvoima kuin jyrkän kartion vetopultilla. Oheisessa taulukossa vertaillaan näiden kiinnitysten voimia. Coromant Capto® -kiinnityksen isompi poikkipinta-ala ja kiinnityksen pituus sallivat huomattavasti isommat kiinnitysvoimat kuin HSK-A.

Lähteet: HSK Handbook, copyright 1999.
Big Daishowa (Big plus spindle system.)

Coromant Capto®

HSK-A

Jyrkkä kartio (SK)

Vääntömomentin välityskyvyn ja taivutusjäykkyyden vertailu

Jyrkkä kartio – isolle säteelle sijoitetut vetokiilat antavat hyvän vääntökyvyn pyöriville työkaluille

HSK-A – pieni kosketusala, koska urat kartiossa eivätkä laipan ulkohalkaisijalla (pieni säde), joten ei suositella isoa vääntömomenttia vaativiin töihin.

Coromant Capto® – sorvaukseen vaadittava keskitystarkkuus saadaan parhaiten polygonimallisella kiinnityksellä.

Taivutusjäykkyys ja maksimikierrosluku riippuvat kiinnityskoosta. Iso kiinnityshalkaisija tarjoaa paremman jäykkyyden kierrosluvun kustannuksella, kun taas pieni kiinnitys mahdollistaa suuremman kierrosluvun, mutta taivutusjäykkyys jää heikommaksi.

Oheisessa kaaviossa esitetään eri kiinnitysvaihtoehtojen laskelmiin (FEA) perustuvat rajat, joissa laippakosketus irtoaa (taivutusjäykkyys) ja väsymislujuuden raja saavutetaan (maks. vääntövoima).

Sininen: Maks. taivutusmomentti (Nm)

Punainen: Maks. vääntövoima (Nm) väsymislujuuden rajoissa

BIG-PLUS® ja HSK ovat yleensä riittävän tukevia pyörivillä työkaluilla koneistettaessa, mutta vain Coromant Capto® kestää monitoimikoneiden vääntö- ja taivutusvoimat.

Taivutusjäykkyyden ja vääntömomentin kestokyvyn testi

Tunnetun saksalaisen teknillisen yliopiston RWTH Aachenin konepajalaboratorio (WZL) vertaili eri kiinnitysten taivutusjäykkyyksiä ja vääntömomentin kestokykyä.

Coromant Capto® mitattiin kahdella eri kiinnitysvoimalla: samalla kuin HSK-A (C6: 22 kN ja C10: 50 kN) ja isommalla vakiokiinnitysvoimalla (C6: 45 kN ja C10: 80 kN).

Taivutusominaisuudet

Taipuma [mm/m]

Taivutusmomentti [Nm]

C6: 45 kN
C6: 22 kN
HSK-A 63: 22 kN
7/24-kartio, koko 40: 15 kN

Taivutusominaisuudet

Taipuma [mm/m]

Taivutusmomentti [Nm]

C10: 80 kN
C10: 50 kN
HSK-A 100: 50 kN
7/24-kartio, koko 50: 25kN

Tuloksista näkyy vahvemman kiinnityksen parempi taivutusjäykkyys myös kiinnitysvoiman ollessa sama kuin HSK-A:ssa. Isommalla kiinnitysvoimalla C6:n auki vääntäminen vaatii 2,88 kertaa HSK-A 63:a isomman voiman ja C10:n auki vääntö 2,15 kertaa HSK-A 100:aa isomman voiman.

Vääntöominaisuudet

Taipuma [mm/m]

Vääntömomentti [Nm]

C6: 46 kN
HSK-A 63: 22 kN
7/24-kartio, koko 40: 15 kN

Vääntöominaisuudet

Taipuma [mm/m]

Vääntömomentti [Nm]

C10: 50 kN
HSK-A 100: 50 kN
7/24-kartio, koko 50: 25 kN

Kuvaajasta näkyy, että Coromant Capto® C6 -kiinnitys kestää 2.29 kertaa suurempaa vääntömomenttia kuin HSK-A 63. Vääntökulma oli 7,1 kertaa suurempi. Vastaavat suhdeluvut C10:n hyväksi verrattuna HSK-A 100:aan olivat 1.85 (momentinkesto) ja 4.0 (vääntökulma).