Как выбрать шпиндель


Профессиональные советы, которые помогут вам определиться какой шпиндель выбрать для станка с ЧПУ.

Шпиндель — основной рабочий агрегат фрезерного станка с ЧПУ.

Подбирается в зависимости от обрабатываемых материалов и режимов обработки.

Первое, с чем надо определиться, будет ли шпиндель со встроенным электродвигателем, или будет приводиться в движение через ременную или зубчатую передачу.
Как выбрать шпиндель

Выбор типа шпинделя


Шпиндели со встроенным электромотором (электрошпиндели)
  • развивают высокие скорости вращения (обычно 18-24 000 об/мин, некоторые модели до 120 000 об/мин)
  • хорошо режут обычно на высокой скорости, теряя момент с оборотами
  • используют относительно небольшие скоростные шарикоподшипники, из-за чего ограничены по нагрузкам
  • не имеют обратной связи по положению и скорости, из-за чего невозможно выполнять некоторые операции, например, качественно и производительно нарезать резьбу.
  • используют обычно цанговые зажимы типа ER или небольшие инструментальные конусы, часто типа ISO или BT
Механические шпиндели с внешним приводом
  • работают на существенно меньших оборотах, обычно 300-8000 об/мин, некоторые модели до 12000 об/мин. Большие скорости невозможны из-за величины подшипников и сложности балансирования приводных шкивов и шестерней на валу.
  • могут использовать любые подшипники, в т. ч. роликовые, в результате обладают большой жесткостью и нагрузочной способностью, и в зависимости от модели могут применяться в т.ч. для силового фрезерования черных металлов и титана.
  • если привод организовать от мотора с энкодером, то наличие обратной связи позволит нарезать резьбу
  • шпиндель использует инструментальные конусы, т. к. цанговые зажимы не обеспечивают нужную повторяемость и жесткость.

Выбор вида охлаждения электрошпинделя


Электрошпиндели по типу охлаждения бывают 2 видов — жидкостного и воздушного. Шпиндели водяного охлаждения отличаются следующим:
  • Звук. Они существенно тише воздушных. Это преимущество нивелируется звуком от фрезы, который намного громче работающей крыльчатки
  • Контур охлаждения. Это означает подключение помпы, трубки охлаждения, емкость с тосолом, и т. п. В идеале также контролировать силу потока и его температуру.
  • Возможность работы на низких оборотах. Воздухоохлаждаемые же шпиндели быстро начинают перегреваться — поскольку крыльчатка устанавливается на вал шпинделя, с падением оборотов растет ток и одновременно падает воздушный поток.
Отличительные особенности шпинделей воздушного охлаждения:
  • Звук. Крыльчатка воздушников весьма сильно воет
  • Разлет стружки. Крыльчатка дует практически прямо в зону реза, что вызывает разлет стружки повсюду.
  • Прочистка рубашки. Рубашка охлаждения может забиваться продуктами резания. Периодически её необходимо прочищать.
  • Чувствительность к перегреву. Воздушное охлаждение менее эффективно, чем жидкостное, в связи с чем надо тщательно следить за температурой шпинделя. Обычно на них есть простой термодатчик (термопара), который можно завести в ЧПУ контроллер.
  • Обороты ограничены снизу. На воздушниках нельзя работать на скоростях ниже определенного предела. Если в случае с жидкостными максимум что произойдет — момент упадет до минимума, фрезу заклинит и она сломается, то воздушник из-за перегрева может просто сгореть.
При прочих равных воздушные шпиндели хорошо себя показывают при обработке мягких материалов, там, где обработка идет на больших скоростях — МДФ, массива, пластиков и т.п.

Водяные шпиндели с равным успехом показывают себя при обработке как дерева/пластиков, так и мягких металлов (алюминий, медь и их сплавы).

Если вы определились какой шпиндель выбрать, и это воздушное охлаждение, далее вам надо определиться с брендом, после чего уже не будет большой проблемы выбрать конкретную модель.

Со шпинделями водяного охлаждения немного сложнее, т.к. разброс в их типах, сериях и т.п. достаточно велик. Обычно если в описании написано «для деревообработки и рекламных работ» - это означает, что шпиндель спроектирован исходя из минимальных требований, минимум подшипников, минимум защит, минимум точности при изготовлении. Дешево и сердито, по сути - расходный материал, ремонтопригодность близка к нулю, т.к. стоимость ремонта сопоставима с ценой нового шпинделя. Таковы серии популярных китайских шпинделей GDZ и TDK, в противоположность сериям GDK, в которых в переднем и заднем узле стоят полноценные дуплексы, с тщательным выполнением натяга, передний подшипниковый узел защищен от пыли накладкой и т.п.

Как выбрать скорость и мощность шпинделя


Скорость вращения шпинделя определяется видами фрез и обрабатываемыми материалами. Обычно последовательность такая — исходя из изделий определяется диапазон моделей фрез, исходя из него по каталогам производителей определяется диапазон скоростей резания, а по ним соот-но диапазон скоростей вращения шпинделя.

Пример 1

Вы планируете работать по дереву, вырезая рельефы с большим количеством мелких деталей.

В этом случае вы много будете работать с мелкими фрезами и граверами, для чего требуется шпиндель с большими оборотами — 24000 об/мин(а лучше больше, например 36000), и станок с высокой скоростью подачи (5000 мм/мин). А также будут использоваться фасонные и пазовые фрезы большого диаметра, что накладывает ограничения на минимальную мощность шпинделя — она должна быть достаточно большой, чтобы фреза не вязла в материале, в зависимости от диаметра фрез и режима работы — от 2.2 до 7 кВт.

Пример 2

Планируется станок для обработки алюминиевых сплавов небольшими цельными твердосплавными фрезами.

Исходя из чертежа изделий, максимальный диаметр фрезы, который потребуется — 16 мм, минимальный — 0.2 мм, основная работа будет вестись фрезами диаметром 6-10 мм. Согласно каталогам производителя фрез ZCC-CT, рекомендуемая скорость вращения фрез диаметром 6 мм — 13000 об/мин с подачей 1250 мм/мин, 10 мм — 8000 об/мин с подачей 1600 мм/мин,откуда следует задача подобрать шпиндель, оптимально работающий на скорости 10-12 тыс. об/мин, но при этом имеющий запас как по увеличению скорости, так и по уменьшению. Ременноприводные шпиндели не разгоняются выше 8 тыс. оборотов, поэтому работа мелкими фрезами будет происходить очень медленно, а обычные водоохлаждаемые электрошпиндели в целом хотя могут работать в таком режиме, но могут возникнуть проблемы с работой большими фрезами на низких оборотах, поэтому наиболее подходящим вариантов видятся электрошпиндели с 2 парами полюсов — у них базовая частота вращения ниже вдвое (до 12 000 об/мин обычно), но за счет этого момент вращения увеличен пропорционально — на 8000 об/мин они выдадут момент в несколько раз больший, чем водник с одной парой полюсов, а кроме того, ничто не запрещает настроить частотник на превышение базовой частоты, что(с падением момента, конечно) позволит фрезеровать мелкими фрезами с частотой выше базовой.

Пример 3

Планируется станок для обработки небольших алюминиевых и стальных деталей, с небольшим съемом и заглублением.

Данная задача несколько противоречива, сталь настолько по режимам обработки отличается от алюминия, что для них по-хорошему нужны 2 разных станка. Если такое невозможно, то надо определиться, либо мы хорошо обрабатываем алюминий и кое-как сталь, либо хорошо обрабатываем сталь и медленно алюминий. В случае второго варианта мы для начала сразу отказываемся от скоростных электрошпинделей — в них стоят слишком слабые подшипники, они рассчитаны на большую скорость и маленькие усилия, тогда как при обработке стали все наоборот и подшипники просто долго не проживут. Во вторую очередь — шпиндель по стали требуется весьма крупный, по той же причине (размер подшипников), и конусов типа BT30/ISO30 очевидным образом будет недостаточно. Ну и далее определяется, какого размера будут фрезы и скорость вращения. Для фрезы диаметром 6 мм требуется 7000 об/мин при подаче 675 мм/мин, для фрез 20 мм — 2000 об/мин, таким образом нам подойдет шпиндель с конусом BT40 и скоростью вращения до 8000 об/мин. Если работа будет в основном мелкими фрезами, то задача несколько усложняется - использовать шпиндели с механическим приводом также возможно, но подачи станут совсем низкими.
Также, скорее всего вам потребуется шпиндель с отверстием для подачи СОЖ в конус — инструмент склонен очень сильно греться при работе со сталью, просто полива может не хватать и многие виды работ потребуют подачи СОЖ сквозь фрезы и сверла.

После определения основных моментов, можно попробовать дополнительно сузить выбор.


лого darxton