Выбор шпинделя станка с чпу. Выбор шпинделя станка с чпу Общие сведения о шпинделях

Под фразой «шпиндель для фрезерного станка с ЧПУ» обычно принято подразумевать двигатель, с установленным на него цанговым самозажимным патроном (как на ручной фрезерной машинке), который служит для фиксации режущего инструмента, такого как фреза, точильный камень, сверло и т.д, и передачи ему вращательного движения с большой скоростью.

Классификация

Их можно разбить на 2 небольших группы – это домашние и промышленные:

1. К домашним относятся различные бормашины, маленькие бытовые фрезеры или дрели.
2. К промышленным же относят двигателя, рассчитанные выдерживать высокие нагрузки в процессе работы, имеющие керамические подшипники и, зачастую оснащенные сложной системой жидкостного или воздушного охлаждения и системой подачи смазки непосредственно на участки с большим уровнем трения и нагрева.

При использовании в домашнем станке ЧПУ дрели в роли шпинделя, необходимо понимать, что ее подшипники не рассчитаны на высокую боковую нагрузку и очень быстро начнут «выть», что может привести к высокому нагреву обмоток, уменьшению мощности на валу, и в последствии такой шпиндель просто сгорит.

В данном случае охлаждение не поможет, и необходимо дорабатывать саму дрель, а именно: заменить шариковый подшипник вала на роликовый (желательно с керамическими роликами), жестко зафиксировать его в корпусе и позаботится о постоянном наличии смазки в нем.

Особенности шпинделя зависимо от вида

В основном, во время работы фрезерных станков, все нагрузки перпендикулярны оси шпинделя, а параллельные нагрузки появляются только в момент врезки в тело заготовки. Именно поэтому, необходимо выбирать двигатель, который сможет выдерживать такие нагрузки на протяжении большого периода времени, поскольку работа фрезерных станков может быть непрерывной в течении суток и даже более.

Шпиндели, предназначенные для промышленных целей, не нуждаются в постоянной чистке и смазке подшипников на всем сроке эксплуатации, но, если вы начинаете замечать посторонние звуки в его работе на холостом ходу, лучше все же разобрать корпус двигателя, выдуть изнутри сжатым воздухом все загрязнения (если таковые присутствуют) и хорошо смазать подшипник специальной смазкой, не теряющей своих свойств при высоких температурах.

Помимо всего, промышленный шпиндель оснащен качественным цанговым патроном, имеющим минимальное биение при работе, обеспечивая необходимую точность обработки, минимальную разницу между фактическим и реальным размером фрезы и позволяющий зажимать фрезы с обычным цилиндрическим хвостовиком.

Цанговые зажимы

В основном, самыми распространенными являются цанги типа ER11 и ER16, в которую становится сверло или фреза с диаметром хвостовой части от 2.5 до 3.2 мм, даже если она сделана конусом. Также существуют и патроны, рассчитанные под больший диаметр инструмента, но они используются при грубой обработке металла или фрезеровке по стали и имеют отверстие под зажим инструмента 6 и более миллиметров.

Почему нельзя установить ее на мой домашний станок с ЧПУ, спросите вы?

Если зажать фрезу диаметром 2 мм с диаметром хвостовика 3.2 мм в цанговый патрон, то при обработке вы практически не заметите разницы, но, если установить на любительский станок фрезу, диаметром 10 мм и хвостовиком 3.2 мм, то легко можно деформировать направляющие, поскольку нагрузка на них в таком случае возрастает в разы. В станке все детали должны идеально сочетаться друг с другом, в противном случае с ним будет больше проблем, чем качественной работы. Поэтому рекомендуем вам остановить свой выбор на цанге EP-13, ее вполне хватает для небольших объемов работ и к ней подходит практически любой рабочий инструмент, применяющийся в обработке различных материалов.

Мощность шпинделя

При выборе мощности шпинделя необходимо руководствоваться золотым правилом – чем больше, тем лучше. Основные правила при выборе мощности:

1. Если планируется использование фрезерных станков только для сверловки или гравировки небольших деталей, то будет вполне достаточно шпинделя, мощностью до 600 ватт.
2. Для фрезеровки твердых пород древесины и металла нужно рассматривать уже двигателя мощностью от 600 до 1400 ватт.
3. В случае, если планируется дальнейшая модернизация станка (бывают станки с двумя шпинделями и более) или нужен большой запас по мощности, необходимо смотреть в сторону шпинделей, имеющих мощность свыше 1.6 кВт, они позволят производить обработку практически любых материалов, а качество работы будет зависеть только от надежности механической части станков с ЧПУ.

Способы фрезеровки

Уточним некоторые тонкости. Фрезеровать можно двумя способами, либо с быстрой подачей и медленным вращением фрезы, либо с медленной подачей, но с высокой скоростью вращения фрезы. Первый способ называется скоростным, а второй – силовым.

В промышленности обычно используется силовое фрезерование для того, чтобы максимально быстро выбрать лишний материал из заготовки. Перед этим необходимо изучить описание и паспортные данные определенной фрезы и внести в станок нужные режимы резания конкретно для нее, а именно: скорость вращения, заглубления и подачи. Таким образом, можно использовать фрезу, получая от нее максимальную производительность, не перегружая ее.

Если механическая часть вашего станка не позволяет получить хорошее усилие и начинает деформироваться, то лучше не экспериментировать, а использовать второй способ фрезерования – скоростной, развив максимальную скорость вращения фрезы и установив минимальную скорость подачи.

Критерии выбора шпинделей

Проанализировав вышесказанное, необходимо определиться что нам важнее, скорость шпинделя или его мощность. Покупая качественный и дорогой шпиндель, можно не задаваться таким вопросом, ведь большинство из них имеют достаточно высокую мощность и высокую скорость вращения одновременно.

По максимуму такие шпиндели практически не используют, а нагружают их на 60-80% всей мощности и используют до 90% от максимальной скорости, что несомненно является большим преимуществом, так как в таких условиях шпиндель для фрезерного ЧПУ станка не перегреется и не будет работать на износ. Высокая скорость вращения (18000-20000 об/мин) практически не используется по той причине, что при обработке на таких скоростях инструмент и заготовка начинает греться и подгорать, испортив всю работу.

Отдельно стоит рассмотреть шпиндели, питаемые от трехфазной сети. Они подключаются пятью проводами, три из которых – линейные, один нулевой и один для заземления. К бытовой сети их не получится подключить без доработок.

Раньше для таких целей использовали пусковые конденсаторы, которые, по законам электротехники, изменяли угол фазы и искусственно создавали 3 фазы из одной. Но фрезерный станок с ЧПУ для такого способа вряд ли будет актуален, поскольку в таком случае теряется возможность регулирования скорости вращения шпинделей. Поэтому в наше время используются электронные преобразователи частоты (ПЧ), принцип работы которых построен на выпрямлении бытового напряжения и генерации из него 3-фазного с возможностью плавной регулировки частоты.

Преобразователь частоты или частотник, как его называют в народе, имеет множество полезных функций, среди которых можно выделить: контроль температуры шпинделей, плавная регулировка скорости их вращения, и самой полезной функцией является то, что он может быть подключен к блоку управления фрезерных станков и программное обеспечение будет автоматически устанавливать необходимую скорость вращения инструмента. Помимо этого, частотник дает возможность плавного запуска и торможения шпинделей, что значительно увеличивает срок их работы.

Охлаждение

Как уже было сказано выше, шпиндели могут быть оборудованы как воздушным, так и жидкостным охлаждением. Воздушное представляет собой обычную крыльчатку, закрепленную на валу двигателя и обдувающую его обмотки.

Большим недостатком такого типа охлаждения является тот факт, что крыльчатка не только нагнетает воздух на горячий мотор, но еще и засасывает в его корпус стружку, пыль и все то, что вырезает фреза из заготовки. Также при обработке на низких скоростях воздушное охлаждение малоэффективно, поскольку напрямую зависит от скорости вращения вала шпинделя.

Система водяного охлаждения не имеет такого недостатка, но при ее использовании необходимо отдельное место для резервуара с охлаждающей жидкостью и правильная фиксация трубок с ней на корпусе фрезерных станков, что сильно усложняет конструкцию, если это фрезерный двухшпиндельный станок.

Она гораздо эффективнее системы воздушного охлаждения, поскольку скорость тока жидкости через шпиндель все время одинакова благодаря использованию специальной помпы. Основным условием, которое необходимо соблюдать, имея шпиндель с водяным охлаждением – это то, что нельзя включать двигатель, не включив помпу, поскольку в таком случае он вовсе не будет охлаждаться, очень быстро перегреется и, как следствие, сгорит.

В переводе с немецкого шпиндель означает «веретено». Без него не сможет работать большинство видов станков, в том числе и фрезерных. Потому что через шпиндель движение подается от двигателя на фрезу.

Особенности конструкции и технические характеристики

Это один из основных узлов фрезерного станка с ЧПУ, который представляет собой полый металлический вал. К нему крепится держатель для фрезы: оправка, цанга или «натяг». Чтобы оправка надевалась плотно, конец шпинделя выполнен в форме конуса.

Шпиндель фрезерного станка размещается на каретке, переносящей его, оправку и исполнительный орган в трех плоскостях: по осям X, Y, Z.

Вращательное движение посылается непосредственно фрезе, не подвергаясь искажениям от промежуточных механизмов. Важнейшие технические характеристики шпинделей это мощность и частота вращения вала (количество оборотов).

В зависимости от мощности потребления определяются материалы, поддающиеся обработке данным оборудованием:

• фанера, ДСП, МДФ, полимеры — 800 Вт;
• дерево, текстолит, мягкие металлические сплавы (медь, бронза, алюминий) — 1500 Вт;
• натуральный камень, стали — 3000 Вт и более.

Количество оборотов определяет режим работы инструмента. Наиболее распространенные функции:

• гравировка;
• раскрой;
• фрезеровка.

К дополнительным режимам относят обработку специальными граверами, например, V-образными. Например, раскрой деталей из дерева выполняется двухзаходным резаком на 6 миллиметров при частоте не менее 20000 оборотов. Целесообразно приобретать шпиндель с запасом скорости вращения.

Важные свойства

• Достаточно высокая эффективность работы: КПД может достигать 95%;
• высокая надежность и прочность: качественно изготовленный узел очень прочен. Выточенная из бронзы головка практически не ломается;
• конструкция обеспечивает длительную эксплуатацию без ремонтов и поломок.

Охлаждение

Во избежание перегрева и ухудшения прочности металла деталь необходимо охлаждать. Разработано два механизма охлаждения: с помощью воздуха или воды.

При водяном охлаждении через специально предусмотренные выемки в корпусе детали пропускается вода. Ей передается тепло от металла, далее она перетекает в специальную емкость. Не всегда удобно возле станка с ЧПУ держать бачок с водой, поэтому более популярны устройства с водяным охлаждением.

Воздушное охлаждение заключается в прогоне воздушного потока через выемки. Для этого на корпусе детали предусмотрены воздухозаборники. Единственный недостаток этого метода охлаждения — скопление грязи на фильтрах при работе с обильно пылящими материалами. Воздушным охлаждением оборудуется большинство современных моделей фрезерных устройств.

Так как шпиндель функционирует совместно с частотным преобразователем (инвертором), мощности их должны совпадать. В противном случае один из механизмов сломается. Устанавливая более мощную модель шпинделя, следует подобрать подходящий инвертор.

Самые подходящие шпиндели для настольного ЧПУ станка

В качестве шпинделя для маленького станка с ЧПУ можно подобрать одно из следующих устройств:

Ручной гравер. Недостаток гравера это небольшая мощность и низкая скорость вращения. Поэтому работать фрезерный аппарат с ЧПУ сможет только по мягким материалам и с небольшими фрезами.

Бормашина. Отличается тихой работой, плотным зажимом патрона. На малых оборотах двигателя практически не снижается крутящий момент, что является серьезным преимуществом по сравнению с гравером.

Шпиндели из моторов DC. Обладают неплохой мощностью — 0,4 кВт при скорости вращения 12000 оборотов в минуту.

• слабое биение, позволяющее делать даже печатные платы;
• тихая работа;
• цанга удобного стандарта.

• невысокая мощность;
• необходим отдельный источник питания;
• во время работы сильно греется, поэтому необходимо продумать охлаждение.

Видеоролик о том, как настроить шпиндель станка с ЧПУ китайского производства в МАСН и как настроить инвертор для управления шпинделем:

Обзор и сравнение шпинделей с охлаждением

Шпиндель для ЧПУ - это самая ответственная деталь и нагруженный узел. Для правильного выбора всегда учитывают, что мощность мотора и механическая прочность кинематики должна превышать в 2 раза расчетные значения. Это требуется для сохранности дорогостоящих деталей при подклинивании.

Основная информация

Программы для станков с ЧПУ пишут согласно жесткости конструкции и максимальных оборотов шпинделя. При фрезерной обработке должна учитываться вероятность поломки вращающегося инструмента от нагрева или усталости металла. Поэтому часто ставятся предохранительные муфты, рассчитанные под конкретные размеры вала мотора и диаметр патрона.

Все программы для станков с ЧПУ прежде отрабатываются пошагово без движения осей. Когда пользователь будет уверен на 100 %, что не будут задеты кулачки шпинделя, тогда приступают к работе с перемещениями в шаговом режиме или одиночными циклами. Когда закончится проверка без заготовки, приступают к непосредственному нарезанию детали.

Шпиндель для ЧПУ - дорогостоящий узел и самый мощный, тем не менее его можно легко вывести из строя при неосторожном обращении с техникой. Некоторые системы имеют сложные расчёты корректоров, неправильное определение которых оборачивается длительными ремонтами. Для работы на каждом новом станке требуется предварительное переобучение оператора, даже если он уже имеет опыт на аналогичной стойке.

Параметры

Шпиндель для ЧПУ следует выбирать по следующим критериям:

• Тип охлаждения узла: воздушное, жидкостное.
• Мощность шпиндельного мотора и передаточное число редуктора.
• Тип двигателя.
• Вид подшипников и способ их смазки.
• Режимы работы, тип системы торможения.
• Точность позиционирования и вид датчика слежения.
• Крепление шпинделя

Кроме перечисленных параметров важна и сама конструкция мотора: количество обмоток, вид ротора, способ снятия и подачи нагрузки на обмотки. Учитывают крутящий момент и возможность регулировок для центров узла относительно осей подачи. Также должны меняться патроны: самозажимные, гидравлические, ручные, пневматические.

Шпиндель для ЧПУ выбирают с учетом возможностей смены расходных запчастей. Следует посмотреть варианты доступных подшипников, которые имеются в наличии на складах, узнать о сроках поставки. Может так оказаться, что из-за маленького расходника встанет производство на длительный период, или потребуется оплатить десятикратную цену за изготовление детали. Небольшой шпиндель для с ЧПУ должен иметь облегченную конструкцию и малые габариты.

Из чего можно сделать узел самостоятельно?

Шпиндель для фрезерного по дереву, пластику и другим мягким материалам может представлять собой обычную электрическую дрель. Важно выставить её по уровню и замерить биения фрезы. Это дешёвый вариант, позволяющий усовершенствовать уже имеющуюся конструкцию.

В качестве вращающейся оси подойдёт любой двигатель с точно выставленным инструментом. Подбирается надежное и жесткое крепление шпинделя. Люфт осевой не должен быть более 0,01 мкм для большинства отверстий. Подходит бормашина, оборотистая дрель, можно приспособить даже двигатель от стиральной машинки или швейной. Какой шпиндель подойдёт в конкретном случае, зависит от поставленной цели. Учитывается тип материала, требуемая точность размеров детали, загруженность в автоматическом цикле. Можно и заказать уже готовые решения в интернет-магазине.

Двигатели на заказ

Используется для повышения точности выпускаемых деталей и сокращения временных затрат на производство. Для единичной продукции стоимость техники превышает сумму вложенных средств на её выпуск. Дешевле будет заказать деталь в любой компании, занимающейся металлообработкой.

Для самодельного шпинделя заказывают готовые моторы. Популярны двигатели постоянного тока, синхронные и асинхронные. Обороты на 12 тысяч для таких моторов - не предел. Дополнительно может использоваться коробка передач с ручным или автоматическим приводом. Для мощных шпиндельных двигателей требуется устойчивое питание. В этом их недостаток. Но если поставить простейший привод и мотор с обратной связью, то на таком станке уже можно обрабатывать более сложные изделия. В ЧПУ вводится дополнительная ось, которая может удерживать не только фрезу, но и цилиндрические детали.

Чем лучше двигатели на заказ?

У заводских моторов уже проведена балансировка вала и подобраны подшипники с минимальным биением. Остается только поставить готовый двигатель на стандартное крепление и выставить соосность по индикаторной стойке. Точность фрезерования требуется в производстве печатных плат, деталей кинематики.

Синхронные двигатели хорошо себя показали при изготовлении ювелирных деталей методом гравировки. У постоянных моторов низкий уровень шума во время работы, что может быть полезным для руководителей, старающихся улучшить свое производство. Однако у них есть свойство греться во время работы на больших оборотах. Поэтому потребуется подводить отдельно и охлаждение, хотя бы воздушное.

Выбор профессионалов

Более дорогостоящие двигатели для шпинделей обязательно комплектуют жидкостным охлаждением. У них более высокая точность позиционирования, достаточно мощный крутящий момент, а надежность выше указанной в несколько раз. Обычно они установлены на 3-4 подшипника, а не на 2, как классические моторы. За счет этого достигается минимальное биение инструмента или детали в патроне.

Фрезерный шпиндель - главный узел конструкции станка с ЧПУ, в форме полого металлического вала с цангой, зажимом для . Для плотного крепления цанги конец шпинделя выполнен в виде конуса. Вал расположен на каретке, двигающейся в трех плоскостях. Вращательное движение поступает, непосредственно, на фрезу, минуя промежуточные механизмы.

Конструкция и технические особенности

Главные компоненты технической характеристики:

• мощность;
• частота вращения вала;

Данные о мощности установки позволяют определить материал пригодный для работы.

• фанеры, дерево-стружечной плиты, МДФ, пластмасс достаточно мощности в 800 Вт;
• дерева, текстолита, мягких сплавов - 1,5 тыс. Вт;
• камня, стали - 3 тыс.Вт.

Знание частоты оборотов позволяет установить рабочий режим станка с учетом особенностей материала.

Отличительные качества

Отличительные черты шпинделя для станка с программным управлением - КПД, достигающий 95% и прочность конструкции, обеспечивающая полноценное функционирование механизма

Способы охлаждения

При работе на фрезерном станке, закрепленная деталь перегревается и может разрушиться. Для снижения температуры, возникающей при обработке изделия фрезой, применяют такие способы охлаждения:

• воздушный;
• смазочно-эмульсионный.

Метод воздушного охлаждения, часто применяется на современных станках с ЧПУ. Сущность способа заключается в направлении воздуха через сопла, на поверхность детали снабженной воздухозаборниками. Недостаток - засорение фильтров, при обработке материалов, дающих обильную пыль.

Также широко распространено охлаждение деталей при помощи смазочно-эмульсионных жидкостей, положительно влияющих на процесс резки металла:

• В месте контакта фрезы с деталью происходит образование защитной, смазочной пленки, уменьшающей трение и выделение тепла.
• Избыток тепла отводится от обрабатываемой заготовки.
• Приостанавливается образование нароста на режущей кромке фрезы, что улучшает отвод стружки.

Кроме того, эмульсионные смазки защищают готовые изделия от коррозии.

Шпиндель с воздушным охлаждением

Выбор и классификация шпинделей

Шпиндели для фрезерных станков с ЧПУ подразделяют:

• На бытовые - дрели, фрезеры;
• Профессиональные, с надежными подшипниками, системой охлаждения и смазки;

Цанговые патроны

Шпиндели для промышленности оборудуют цанговыми держателями, с минимальной амплитудой биения, что позволяет добиваться высокой точности при обработке деталей.

Особенности эксплуатации

Шпиндели для станков с ЧПУ, использующиеся в производстве, не нуждаются в диагностике, регулярной чистке, и смазке подшипников. Контролируя функционирование механизма, обращайте внимание на необычные звуки, появляющиеся на холостом ходу.

При возникновении нехарактерного звучания рекомендуется:

• разобрать корпус;
• продуть сжатым воздухом скопившуюся грязь.

После чего, нанести на подшипник термостойкую смазку.

Мощность агрегата

Производительность механизма, связанного с вращательным движением, сообщаемым двигателем валу, зависит от мощности агрегата. Данная характеристика указывает на возможности обработки материала, при которых маломощное приспособление не справится с поставленной задачей, а чрезмерно мощное приведет к порче детали, и к избыточным расходам электроэнергии. Поэтому, при определении мощности, следует ориентироваться на характер запланированных работ.

• для сверления или гравировки достаточно мощности в 600 Вт;
• для твердой древесины и металлы до 1,4 тыс. Вт.

При планируемом апгрейде станка, с последующим увеличением мощности, рекомендуется обратить внимание на конструкции от 1,6 тыс. Вт, позволяющие обрабатывать материал любой твердости.

Шпиндели для настольных фрезерных станков

Шпиндель для фрезерования - главный узел конструкции станка с ЧПУ, позволяющий закреплять режущий инструмент и передавать ему вращательное движение.

• Оборудуя бытовой станок с ЧПУ, часто, в роли шпинделя, используют обычный гравер. Мощность типичного изделия - 125 Вт. Недостатки гравера - слабое вращательное движение, не позволяющее обрабатывать твердые материалы.
• Альтернативный вариант - бормашина. В отличие от гравера, бормашина работает тише, а по мощности и вращательному движению не уступает граверу в силе и скорости. Кроме того, бормашина оборудована сильным зажимом.
• Для установки шпинделя на бытовом станке с ЧПУ, используют шлифовальные машины и фрезеры. Эксплуатация подобной конструкции позволит обрабатывать изделия из дерева, фанеры, мягких металлов. Обычно, в комплекте к изделию прилагается цанговый зажим (6 мм), для которого выпускают стандартные 6 мм. переходники, позволяющие фиксировать фрезы диаметром 0,1–6 мм. Недостатки механизма - сильный шум при работе и отсутствие регулятора оборотов, что создает проблемы при обработке полимеров, где требуются меньшие обороты.
• Для работы с пластмассами подходит шпиндель от фрезера Sparky. Мощность фрезера колеблется в диапазоне 500–1050 Вт. Отдельные модели бренда оборудованы регулятором количества оборотов, и пригодны для обработки пластмасс. Работа с пластиком требует малых оборотов, при достаточной мощности, что позволяет избегать нагрева и плавления материала, без потери производительности.

При выборе приспособления, по схеме цена–качество, приемлемое решение вопроса - фрезер Kress, шпиндель которого с успехом используют для фрезерных бытовых станков с ЧПУ. Изделия данного бренда оборудованы минимизирующей биение системой, и предназначены для продолжительной эксплуатации.

Подходя основательно к оснащению фрезерного станка можно оборудовать агрегат профессиональным шпинделем с системой смазочно-эмульсионного охлаждения. Помимо этого, конструкция оснащена: четырьмя подшипниками, позволяющими повысить точность обработки деталей, и прочными щетками, предназначенными для длительной эксплуатации. Недостаток профессиональных шпинделей - высокая цена, компенсирующаяся надежностью и производительностью изделий.

Видео: Фрезерный шпиндель