Шпіндель 0,8, 1,5 або 2,2 кВт для ЧПУ: який обрати під матеріал і чим його живити

Шпіндель на 0,8, 1,5 або 2,2 кВт обирають не за паспортною потужністю, а за тим, скільки матеріалу верстат має знімати за секунду і на яких обертах. У категорії шпінделі для фрезерного верстата ЧПУ розібрано формулу моменту, падіння потужності на малих обертах, цанги й підшипники. Тут та частина, якої там немає: як потужність пов’язана з матеріалом, що показує розрахунок для алюмінію, чого не можна сказати про дерево й пластик без вимірювань і який частотник із каталогу підходить до кожного шпінделя за потужністю й струмом.

Коротко: завдання, потужність і шпіндель із каталогу

У таблиці формулювання з карток шпінделів. Для сталі жоден із них не рекомендований: високі оберти й невеликий момент не підходять для її різання. Поєднання конкретного шпінделя з конкретним верстатом, тобто діаметр хомута, масу на осі Z і вільну висоту, підтверджує менеджер.

Від чого залежить потрібна потужність

Потужність, яку шпіндель витрачає на різання, дорівнює питомій енергії матеріалу, помноженій на об’єм, що знімається за секунду: P = u x (ap x ae x F / 60). Тут ap глибина проходу в мм, ae ширина різання в мм, F подача в мм/хв, а u питома енергія різання у Вт·с/мм³. Для паза фрезою діаметром 6 мм ae дорівнює 6 мм, для бічного проходу це припуск, що знімається по ширині.

Друга умова: потужність у паспорті вказано на 24000 об/хв, а на менших обертах шпіндель віддає пропорційно менше. На 18000 об/хв він віддає 75% паспортної потужності: 600 Вт у шпінделя на 0,8 кВт, 1125 Вт у шпінделя на 1,5 кВт, 1650 Вт у шпінделя на 2,2 кВт. Таблиця для 6000, 12000 і 18000 об/хв є в категорії, тому потужність завжди перевіряють на тих обертах, на яких працює обрана фреза. Картки водяних шпінделів GDZ на 0,8 кВт і 1,5 кВт ER16 називають мінімальними рекомендованими обертами 6000 об/хв. Момент на валу рахують за формулою M = 9550 x P / n: для 2,2 кВт на 24000 об/хв це 0,88 Н·м, для 0,8 і 1,5 кВт 0,32 і 0,60 Н·м.

Алюміній: розрахунок за питомою енергією

Для алюмінієвих сплавів у довідковій таблиці Калпакджяна і Шмида питому енергію різання вказано від 0,4 до 1,1 Вт·с/мм³. Значення наведено на приводі, з урахуванням ККД 80%, а для затупленого інструмента його множать на 1,25. Візьмемо паз завширшки 6 мм і завглибшки 3 мм, дворізцеву фрезу, 18000 об/хв і навантаження 0,1 мм на зуб, тобто подачу 18000 x 2 x 0,1 = 3600 мм/хв. Знімання дорівнює 3 x 6 x 3600 / 60 = 1080 мм³/с. Це умови прикладу, а не рекомендація: подачу й глибину для своєї фрези беруть із таблиць виробника фрези.

Для подачі 3600 мм/хв розрахунок дає від 432 до 1188 Вт для нової фрези та від 540 до 1485 Вт для затупленої. Контрольний розрахунок за формулою Mitsubishi Materials P = ap x ae x vf x Kc / (60 000 000 x η) для сплаву Al-Si за Kc 700 МПа на 0,1 мм на зуб і η 0,8: 3 x 6 x 3600 x 700 / (60 000 000 x 0,8) = 0,945 кВт, це всередині діапазону. З подачею вдвічі нижчою, 1800 мм/хв, знімання 540 мм³/с, і розрахунок дає від 216 до 594 Вт для нової фрези та від 270 до 743 Вт для затупленої.

Висновок за розрахунком: для алюмінію допустимий шпіндель від 1,5 до 3 кВт. Шпіндель 1,5 кВт тягне алюміній за помірного знімання, як і написано в його картці. Шпіндель 2,2 кВт беруть за більшого знімання, наприклад за вдвічі більшої подачі з прикладу вище, і лише на жорсткому верстаті. Шпінделі на 3 кВт у розрахунок не входять: у статті порівнюються 0,8, 1,5 і 2,2 кВт. Потужність при цьому не єдине обмеження. У розборі частих запитань магазин називає для кольорових металів на верстаті по дереву шпіндель від 2,2 кВт за жорсткої зварної станини й рейкових направляючих, причому на малих подачах. Шпіндель на 0,8 кВт для алюмінію лишається шпінделем для невеликих фрез і малих подач.

Дерево, МДФ і фанера

Для дерева довідкової таблиці питомої енергії, якій можна довіряти для фрез верстата ЧПУ, ми не знайшли, тому цифр потужності за породами тут немає. Є вимірювання для плитних матеріалів: болгарські дослідники Атанасов і Ковачев вимірювали потужність різання на фрезерному верстаті з нижнім розташуванням шпінделя, двигуном 3 кВт і фрезою діаметром 140 мм. За подачі 10 м/хв і перерізу різання 144 мм² потужність різання МДФ досягла 0,8 кВт, а фанери з букового шпону перевищила 2 кВт. За оцінкою авторів, за кожного перерізу фанера потребує втричі більше потужності, ніж МДФ.

Абсолютні цифри дослідження на верстат із фрезою 6 мм переносити не можна: фреза, оберти й подача інші. Переноситься висновок. Фанера навантажує шпіндель помітно сильніше за МДФ за того самого перерізу, тому для неї беруть шпіндель із запасом, а товстий лист ріжуть за кілька проходів або на меншій подачі, як радять автори для двигуна 3 кВт. За картками шпіндель 0,8 кВт підходить для фанери й МДФ невеликої товщини, 1,5 кВт для більшості робіт по дереву, 2,2 кВт для розкрою листів і масиву з великим зніманням.

Пластик і акрил: що перевірити

Цифр потужності для пластику й акрилу в перевірених джерелах немає, тому шпіндель під них за потужністю не добирають. Обмеження тут інше. LMT Onsrud пише, що пластик дуже чутливий до нагрівання, а різання на високій подачі та високих обертах створює теплу середу, і що тепло забирає стружка достатньої товщини. Якщо подача на верстаті обмежена, оберти добирають так, щоб стружка виходила потрібної товщини.

Для шпінделя це означає три перевірки: частотник дозволяє знизити оберти, на знижених обертах потужність шпінделя падає пропорційно, а повітряне охолодження на малих обертах слабшає. Якщо пластик ріжуть на малих обертах подовгу, водяне охолодження тримає температуру краще, подробиці в статті про водяне чи повітряне охолодження.

Чим живити шпіндель із каталогу

Усі шпінделі в таблиці на 220 В трифазні й працюють лише через частотний перетворювач: за картками це вхід 220 В, трифазний вихід 220 В і потужність не менша за потужність шпінделя. Пряме під’єднання до мережі виводить шпіндель із ладу. Добирають за двома числами, потужністю й струмом. Потужність частотника рекомендується брати із запасом від 20 до 50% до потужності шпінделя: частотник менше гріється й служить довше. Для шпінделя 1,5 кВт це від 1,8 до 2,25 кВт, тобто частотник на 2 кВт і більше, у каталозі це AE200H на 2,2 кВт. Варіант один до одного, шпіндель 1,5 кВт і частотник 1,5 кВт, допустимий і працює за регламентом, але рекомендацією не є. Серед частотних перетворювачів для шпінделя у каталозі Delta VFD-M на 1,5 кВт і 7 А, YINGSHIDA AE200 на 1,5 кВт і 7 А, AE200H на 2,2 кВт і 10 А та AE200 на 3 кВт і 14 А.

Для шпінделів на 1,5 кВт із водяним охолодженням рекомендується частотник на 2,2 кВт із запасом за потужністю. Частотник AE200 1,5 кВт 220 В за карткою розрахований на шпінделі до 1,5 кВт і 7 А: це варіант один до одного, він допустимий, але без запасу. Шпіндель на 1,5 кВт із водяним охолодженням і цангою ER16 це шпіндель GDZ 1,5 кВт ER16 із водяним охолодженням на 5 А, а шпіндель ZY 2,2 кВт ER16 на 10 А беруть із частотником на 3 кВт. Вхідний струм теж рахують: у Delta VFD-M на 1,5 кВт він 15,7 А за однофазної мережі, за ним обирають автомат і переріз проводу живлення.

Частотник налаштовують до під’єднання шпінделя: номінальна частота 400 Гц, оберти 24000 об/хв, напруга 220 В і струм за шильдиком. Для шпінделя на 400 Гц режим V/f, відмінності режимів розібрано в статті вектор чи скаляр на частотнику. Кабель до шпінделя беруть екранований чотирижильний, вимоги описано в статті про проводи для шпінделя.

Цанга під шпіндель

Цанга задає найбільший хвостовик фрези: ER11 до 7 мм, ER16 до 10 мм, ER20 до 13 мм. Шпінделі на 0,8 кВт ідуть з ER11, на 1,5 кВт є і ER11, і ER16, на 2,2 кВт у каталозі ER16 у ZY та ER20 у квадратного GDZ. Під кожен діаметр хвостовика потрібна своя цанга.

Часті запитання

Чи вистачить шпінделя 800 Вт?

Для гравіювання, рельєфів і тонких листів фанери, МДФ і пластику вистачить: так написано в його картці, а категорія відносить до нього фрези до 4 мм. Для алюмінію він нижче за діапазон від 1,5 до 3 кВт: за розрахунком вище він покриває лише подачу 1800 мм/хв і лише з новою фрезою (594 Вт проти 600 Вт на 18000 об/хв).

ER11 чи ER16: що обрати?

За хвостовиками фрез. ER11 тримає хвостовик до 7 мм, ER16 до 10 мм. Якщо в роботі потрібні хвостовики 8 і 10 мм, беруть шпіндель з ER16. Шпіндель на 1,5 кВт з ER16 і повітряним охолодженням споживає 8 А, це вище за межу частотників на 1,5 кВт, а з водяним охолодженням 5 А.

Чи можна різати алюміній шпінделем 1,5 кВт?

Можна за помірного знімання: так написано в картці шпінделя, і 1,5 кВт це нижня межа діапазону для алюмінію від 1,5 до 3 кВт. У прикладі вище за подачі 1800 мм/хв розрахунок дає до 743 Вт для затупленої фрези за 1125 Вт на 18000 об/хв, а за подачі 3600 мм/хв верхня межа виходить за 1125 Вт. Для більшого знімання беруть 2,2 кВт на жорсткому верстаті. Верстат має бути жорстким, подачі малими, а поєднання з верстатом підтверджує менеджер.

Який частотник потрібен для шпінделя 1,5 кВт?

Рекомендується частотник із запасом за потужністю від 20 до 50%, тобто від 1,8 до 2,25 кВт: на 2,2 кВт. Так він менше гріється й служить довше. Частотник на 1,5 кВт допустимий і працює за регламентом, але це не рекомендація. За струмом шпіндель на 5 А вкладається в будь-який частотник із каталогу, а повітряний шпіндель на 8 А потребує частотника з межею вище за 7 А: AE200H на 2,2 кВт (10 А) або AE200 на 3 кВт (14 А).