Шпиндель станка с ЧПУ можно назвать главным приводом станка. Шпиндели используются в разных сферах промышленности ,таких как деревообработка, металлообработка. На всех токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных и многих других станках используют шпиндели разной конструкции.
Содержание
- Шпиндели. Что это такое? Сферы применения.
- По каким признакам отличаются шпиндели?
- Чем управляется Шпиндель? Частотные преобразователи.
- Виды охлаждения шпинделей: воздушное и жидкостное. Плюсы и минусы.
- Подшипники шпинделя.
- Способы крепления шпинделя.
Шпиндели. Что это такое? Сферы применения.
Шпиндель
станка ЧПУ – это электродвигатель, имеющий в конструкции вала зажимное устройство для режущего инструмента либо детали.
Так выглядит один из распространенных типов шпинделя:
Так же Шпинделем может называться
вал с зажимным устройством
для детали либо режущего инструмента, вращающийся ,но крутящий момент ему передается от стороннего электродвигателя:
Пример такого шпинделя на фото ниже: вал находится в корпусе,но не имеет в своей конструкции двигателя.
По каким признакам отличаются шпиндели?
Так как шпиндели используются в обработке разных материалов, сильно отличаться по множеству признаков: мощность, количество оборотов, типы зажимного устройства ,и другие. Сейчас я постараюсь максимально подробно классифицировать самые распространенные варианты.
Мощность
Один из самых важных критериев шпинделя это мощность. Мощность шпинделя часто может прямо влиять на скорость, качество и производительность. Для подбора шпинделя по мощности нужно определить, какие материалы будут обрабатываться. Приведу пример: для гравировки печатных плат достаточно шпинделя около
100W
мощности.
Нагрузки на режущий инструмент минимальные. Для производительной обработки древесины, пластиков, различных композитов, цветных металлов (в не промышленных объемах) так же ДСП, МДФ и прочего, очень распространены шпиндели мощностью 2.2кВт. Это необходимо, так как нагрузки, по сравнению с мелкой гравировкой уже довольно большие. При фрезеровке рельефов или раскрое материала, шпиндель маленькой мощности будет не эффективен.
И, наконец, мощность шпинделя для полноценной обработки стали, чугуна, титана, высокопроизводительной обработке цветных металлов, камня, и других твердых материалов, обычно в разы больше. Шпиндели для стали могут иметь мощность от 3 до 12кВт и больше.
Количество оборотов в минуту.
Помимо мощности шпинделя, один из важнейших параметров это минимальное и максимальное количество оборотов, поддерживаемых Шпинделем. Этот параметр очень важен, так как при обработке разных материалов нужно чтобы сохранялась определенная
скорость резания
.
- Скорость резания - отношение перемещения режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности к времени обработки.
Простыми словами, это скорость, с которой кромка режущего инструмента передвигается по детали. Возьму в пример те же примеры, которые использовал для сравнения мощности Шпинделя.
Например, при гравировке печатной платы используется фреза диаметром 0.2 мм. Для достижения условной скорости резания 15 метров в минуту нужны обороты порядка 24000 об/минуту. Можно сделать вывод, что при использовании инструмента с очень маленьким диаметром, а это ювелирная, часовая, и многие другие сферы, нужен высокооборотистый шпиндель. По этой причине шпиндели для обработки, например, восковых моделей ювелирных изделий могут иметь и 50 тыс об/мин. Так как фрезы там используют с очень маленьким рабочим диаметром.
В деревообработке диаметр инструментов больше, однако дерево позволяет работать на больших скоростях резания, соответственно и оборотах. Для обработки дерева, пластиков, композитов чаще используют шпиндели с диапазоном оборотов 6-24тыс об/мин. Изменение количества оборотов необходимо, так как используются фрезы от гравировальных до обдирочных диаметром 25 мм и больше.
Пример работы с инструментом маленького диаметра
И пример фрезы большого диаметра:
При обработке стали скорости резания ниже, а диаметр инструмента зачастую довольно большой. В связи с этим шпиндели станков, предназначенных для промышленной обработки черных и цветных металлов соответствующим инструментом, должны иметь низкооборотистые шпиндели, часто до 6000 оборотов в минуту.
Из приведенных выше примеров можно понять, почему шпиндели для мелких точных работ, шпиндели для работ с деревом и пластиком и Шпиндели для работ со с черными и цветными металлами должны иметь разную скорость вращения.
- У многих людей возникнет вопрос: «Почему нельзя сделать универсальный Шпиндель с регулировкой оборотов?».
Есть несколько причин. Первая – это отсутствие большого крутящего момента на низких оборотах у высокооборотистых шпинделей. Соответственно если попытаться включить шпиндель для дерева и пластиков на 1000 оборотах в минуту, он в лучшем случае остановится. В худшем же можно испортить его. Второе - это толщина вала: у шпинделя для деревообработки будет меньше жёсткости чем у шпинделя, подходящего для фрезеровки метала. И последняя - это способ крепления инструмента. Как раз об этом сейчас и поговорим.
Зажимные устройства
Ещё одним немаловажным критерием при выборе и эксплуатации шпинделя является патрон и способ его крепления.
1:
Шпиндель с интегрированным цанговым патроном
– шпиндель, у которого на валу сразу имеется посадка под цанги и гайку ,иными словами
цанговый патрон
. Чаще всего патрон и цанги стандарта ER.
Так выглядит цанговый патрон стандарта ER.
На фото снизу видны цанги. Цанга это конусная разрезная втулка. В отверстие в ней вставляется инструмент. Когда цанга помещается в вал шпинделя, в ответный корпус, при затягивании цанги она обжимается, тем самым уменьшается и диаметр отверстия в цанге, зажимая инструмент. По такому принципу работают многие цанговые патроны.
2: Шпиндели с инструментальными конусами для различных оправок. Шпиндели с автосменой инструмента.
Чаще на шпинделях станков, где нужна смена инструмента, разного по диаметру и виду крепления, используют шпиндели с инструментальным конусом. Например, Шпиндели стандарта BT, BBT, ISO, DV, SK. Основные отличия в размере конуса, прилегающих поверхностях и способе удерживания оправки в шпинделе.
Сама оправка для подобного шпинделя выглядит так:
Такие шпиндели в основном используются на станках с автосменой инструмента, так как закреплённый в оправках инструмент меняется за считанные секунды в автоматическом режиме. Так же и возможности подобных оправок по сравнению с обычным цанговым патроном намного больше. Оправки с инструментальным конусом могут быть с разными видам патронов: цанговым, цанговым усиленным, компенсационным патроном, термопатроном, и прочими. Всё это создаёт дополнительные возможности при фрезеровке.
Чем управляется Шпиндель? Частотные преобразователи.
Большая часть шпинделей на станках с ЧПУ имеют в основе асинхронный электродвигатель. Так как скорость вращения таких электродвигателей напрямую зависит от частоты тока, чаще всего их подключают к
Частотным преобразователям
.
Частотный преобразователь
- это электронное или электромеханическое устройство, преобразующее переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты.
При выборе частотного преобразователя, первым делом нужно обратить внимание на следующие параметры:
- Минимальная и максимальная выходная частоты. От них зависит диапазон min-max оборотов шпинделя.
- Поддержка векторного режима. Векторный режим у частотного преобразователя позволяет поддерживать нужный крутящий момент на валу электродвигателя на большом диапазоне оборотов.
- Напряжение питания и выходное напряжение. Количество фаз на входе, выходная мощность. Тут все просто, частотный преобразователь выбирается по характеристикам под конкретный шпиндель.
- Так же частотные преобразователи бывают разной степени защиты от внешних воздействий – от обычных до пылевлагозащищенных.
Правильно подобранный, настроенный и установленный частотный преобразователь будет долго и стабильно работать.
Виды охлаждения шпинделей : воздушное и жидкостное. Плюсы и минусы.
При работе любого шпинделя выделяется достаточно большое количество тепла. Соответственно, это тепло нужно куда то отводить. Для этого у шпинделей есть системы охлаждения. Две наиболее распространенных системы это воздушное и жидкостное охлаждение.
Шпиндели с воздушным охлаждением имеют в корпусе вентиляционные каналы. В задней части шпинделя находится крыльчатка, которая создаёт воздушный поток, приходящий через каналы в корпусе и охлаждающие Шпиндель.
На фото ниже с торца корпуса видны воздушные каналы
Плюсы воздушного охлаждения шпинделя заключаются в компактности: не требуется ёмкость с жидкостью, насосы, шланги идущие к шпинделю. Нет затрат на охлаждающую жидкость и поддержание системы в рабочем состоянии.
Но есть и свои недостатки. Например, шпиндели для дерева и пластиков с воздушным охлаждением при долгой работе на слишком низких оборотах могут перегреваться. Так же, если нет хорошей аспирационной системы, то может создавать проблемы то, что шпиндель поднимает в воздух пыль из за проходящего через него воздуха.
Жидкостная система охлаждения работает похожим образом, только в каналах внутри шпинделя проходит не воздух, а охлаждающая жидкость . Жидкость прокачивается в замкнутой системе. Из ёмкости, через шпиндель и опять попадает в ёмкость. В некоторых случаях в системе есть радиатор для увеличения эффективности.
Пример шпинделя с водяным охлаждением: в задней части видно 2 выходящие трубки для ввода и вывода охлаждающей жидкости.
Жидкостная система шпинделей не допускает перегрева шпинделя на всем диапазоне оборотов, так как интенсивность охлаждения не зависит от вращения шпинделя. Так же Шпиндель с жидкостной системой охлаждения не будет поднимать в воздух стружку и пыль (если речь о деревообработке). И одним из приятных бонусов будет меньший шум от включенного шпинделя.
Минус такой системы что она в любом случае занимает больше места и имеет большие габариты. В ряде случаев это очень критично.
Однозначно сказать что лучше – невозможно. Выбор зависит от того, куда именно будет ставиться шпиндель и в каких условиях работать, с какой интенсивностью.
Подшипники шпинделя.
Вал шпинделя всегда вращается в подшипниках
Есть много видов подшипников : подшипники качения, подшипники скольжения в виде бронзовых втулок, гидростатические подшипники, и прочие. Ниже я не буду описывать каждый из них, так как по большей части в современных шпинделях чпу используют шариковые либо роликовые подшипники качения. Рассмотрим плюсы и минусы разных типов таких подшипников.
Часто при выборе шпинделя оказывается, что в продаже есть абсолютно одинаковые шпиндели с единственным отличием в виде разных подшипников: керамические и стальные.
- Плюсы керамических подшипников в том, что у керамики намного большая твердость чем у стали, лучше качество поверхностей шариков и колец подшипника. Все это обеспечивает большую точность и износостойкость относительно стальных подшипников.
Однако при выходе из стоя таких подшипников, либо плановой замене, найти в продаже такие подшипники будет сложнее. Стоимость из тоже скорее всего будет выше. Так же вероятно, что керамические подшипники более чувствительны к таким ситуациям, когда на вал шпинделя оказывается чрезмерно большое усилие. Например при поломке фрезы.
- Стальные подшипники практически всегда есть в продаже, есть возможность выбрать производителя и класс точности. Цена на них будет меньше.
Кроме материала, из которого изготовлен подшипник, они так же бывают шариковыми и роликовыми.
Роликовые конические подшипники имеют большую жесткость относительно шариковых, но на шпинделях небольшой мощности и с небольшим диаметром вала, соответственно небольшими нагрузками, используют шариковые радиально упорные подшипники. Роликовые же подшипники чаще встречаются на более мощных шпинделях предназначенных для обработки металлов.
В любом случае, в шпинделях станков с ЧПУ всегда установлены подшипники, соответствующие нагрузкам и оборотам. Достаточно эксплуатировать шпиндель по назначению, и проблем с подшипниками (не считая нормального износа со временем, либо аварийных ситуаций) быть не должно.
Способы крепления шпинделя.
Есть несколько основных способов крепления шпинделя на станке.
- Первый из них это цилиндрическое исполнение шпинделя, а зажим осуществляется специальным креплением (иногда называют хомутом ). Этот способ очень удобен для универсальных станков тем, что позволяет менять вылет шпинделя из крепления и соответственно увеличивает возможности станка.
- Второй, тоже довольно распространенный вариант, это шпиндель, имеющий у корпуса «уши» крепления с отверстиями, через которые он прикручивается на станок. Такой вариант довольно шпинделя позволяет избежать лишних соединений ,но переставление Шпинделя по высоте не представляется возможным. Его часто используют на шпинделях с воздушным охлаждением.
- И последний вариант из тех, о которых тут будет написано, это Шпиндель с фланцевым креплением. Как понятно из предыдущего предложения, такие Шпиндели имеют фланец с отверстиями и крепятся за него.
