Шпиндели для фрезерного станка ЧПУ с водяным и воздушным охлаждением

Что такое шпиндель для станка ЧПУ

Шпиндель фрезерного станка с ЧПУ это электродвигатель, на валу которого стоит цанговый патрон с фрезой. От шпинделя зависит, фрезы какого диаметра можно поставить, какую нагрузку выдержит инструмент и насколько тихо и долго станок будет работать. Шпиндели для ЧПУ асинхронные и бесколлекторные, в отличие от коллекторных фрезерных моторов в них нет щёток, которые стираются и искрят. Поэтому они надёжнее, тише и рассчитаны на долгую работу.

Асинхронный шпиндель не включают в розетку напрямую. Ему нужен частотный преобразователь, который выдаёт три фазы нужной частоты и задаёт обороты, и система охлаждения. Ниже разобраны устройство шпинделя, связь мощности, момента и оборотов, выбор охлаждения, цанги и подшипников, а также запуск и уход.

Как устроен электрошпиндель

Внутри корпуса стоит статор с трёхфазной обмоткой, а на валу ротор. Частотный преобразователь подаёт на обмотку три фазы, и вращающееся магнитное поле тянет за собой ротор. Вал вращается в радиально-упорных подшипниках, которые держат и радиальную силу резания, и осевую силу, когда фреза врезается в материал. Например, в шпинделе ATO 2.2 кВт стоят два подшипника 7005C и один 7002C класса точности P4 на смазке, рассчитанной на высокие обороты.

На переднем конце вала нарезан конус и резьба под цанговую гайку ER. Цанга входит в конус, гайка сжимает её, и цанга зажимает хвостовик фрезы. Сзади корпуса стоит разъём питания. У распространённых шпинделей GDZ это авиационный разъём GX16 с четырьмя контактами: 1, 2 и 3 подключают к выходам U, V и W частотника, 4 к заземлению.

Корпус охлаждается либо крыльчаткой на валу, либо водой, которая идёт по рубашке вокруг статора. У шпинделя с водяным охлаждением на корпусе два штуцера под трубки.

Мощность, момент и обороты

Мощность в паспорте шпинделя указана для номинальных оборотов, у двухполюсного шпинделя на 400 Гц это 24000 об/мин. Момент на валу считают по формуле M = 9550 x P / n, где P мощность в кВт, n обороты в об/мин. Для шпинделя 2.2 кВт на 24000 об/мин это 0.88 Н·м, производитель ATO для своего шпинделя 2.2 кВт указывает 0.85 Н·м.

Частотник в режиме V/f держит магнитный поток постоянным, поэтому ниже номинальных оборотов шпиндель развивает тот же момент, а мощность падает пропорционально оборотам. Шпиндель 2.2 кВт на 12000 об/мин отдаёт 1.1 кВт, на 6000 об/мин 0.55 кВт:

Отсюда практический вывод: если фреза большого диаметра требует низких оборотов, шпиндель берут мощнее, чем кажется по паспортной цифре. Маломощные шпиндели на 800 Вт используют в основном для гравировки и резки фрезами диаметром до 4 мм. Для сверления и особенно фрезерования нужен шпиндель от 1.5 кВт, и стоит учитывать, что на вал при фрезеровании действует значительная радиальная нагрузка.

Водяное или воздушное охлаждение

Шпиндель греется от потерь в обмотке и подшипниках, и это тепло нужно отводить. Водяная система эффективнее, особенно на малых оборотах, но требует дополнительного оборудования: помпы, бака и трубок. Воздушная проще, она встроена в сам шпиндель.

Шпиндель с водяным охлаждением нельзя запускать без протока: производители прямо запрещают работу без охлаждения. Перед включением проверяют, что вода идёт по обратной трубке, а для контроля ставят датчик протока. В неотапливаемой мастерской воду заменяют незамерзающей жидкостью или сливают из системы на время простоя.

Цанга, диаметр корпуса и крепление

Цанга ER определяет наибольший диаметр хвостовика: по стандарту DIN 6499 цанга ER11 зажимает хвостовик до 7 мм, ER16 до 10 мм, ER20 до 13 мм, ER25 до 16 мм. Каждая цанга рассчитана на свой диаметр и зажимает хвостовик в пределах 1 мм ниже номинала, поэтому под каждую фрезу нужна цанга своего размера. С ростом мощности растут диаметр корпуса и цанга, по шпинделям в этом разделе:

Крепление шпинделя подбирают по диаметру корпуса: 65, 80, 100 или 125 мм. Кронштейн должен плотно охватывать корпус и стоять на жёсткой каретке оси Z, иначе вылет шпинделя и податливость крепления дадут вибрацию на фрезе. Чем меньше вылет фрезы из цанги, тем меньше её прогиб: хвостовик вставляют в цангу не меньше чем на две трети её длины.

Подшипники и биение

Шпиндели выпускают с двумя, тремя или четырьмя подшипниками. Передние подшипники, ближние к фрезе, воспринимают основную силу резания, поэтому именно от них зависят жёсткость шпинделя и биение фрезы. Подшипники радиально-упорные, класса точности P4, у шпинделя ATO 2.2 кВт с керамическими шариками.

Биение на фрезе складывается из биения вала, конуса, цанги и гайки. Цанга и гайка изнашиваются и считаются расходными: если после чистки биение осталось, сначала меняют цангу, затем гайку. Стружка в конусе или на цанге даёт биение сама по себе, поэтому конус, цангу и гайку чистят при каждой смене инструмента. Подшипники шпинделя меняют, когда появились посторонний шум, нагрев или вибрация: изношенный подшипник дальше только греется сильнее и увеличивает биение.

Как выбрать шпиндель для станка

• Определите самые крупные фрезы и обороты, на которых они работают, и по таблице момента проверьте мощность на этих оборотах.
• По хвостовикам фрез выберите цангу: ER11 до 7 мм, ER16 до 10 мм, ER20 до 13 мм, ER25 до 16 мм.
• Выберите напряжение: шпиндель на 220 В подключают через частотник с однофазным входом 220 В, шпиндель на 380 В от частотника с трёхфазным входом.
• Проверьте, выдержит ли каретка оси Z массу шпинделя, например шпиндель ATO 2.2 кВт весит 5 кг, и подберите крепление по диаметру корпуса.
• Охлаждение выбирают по мастерской: водяное тише и лучше держит долгую работу и низкие обороты, воздушное проще и не боится мороза.

Первый запуск, прогрев и уход

• Перед первым запуском введите в частотник паспортные данные шпинделя: номинальные напряжение, ток, частоту и обороты. Неверные настройки могут сжечь шпиндель.
• У водяного шпинделя сначала включите помпу и убедитесь, что вода идёт через корпус.
• После хранения смазка в подшипниках густеет, поэтому шпиндель обкатывают ступенями. ATO рекомендует 30 минут на самых низких оборотах и затем по 20 минут на каждые следующие 3000 об/мин. PwnCNC для шпинделя после недели простоя или в холодной мастерской даёт 10 минут на 6000 об/мин, 7 минут на 12000 и 3 минуты на 18000.
• Не стучите по гайке, цанге и торцу вала, при снятии фрезы гайку откручивают ключами, а не молотком.
• Следите за шумом и нагревом: громкий звук или вибрация говорят об износе подшипников.