Шпинделі для фрезерного верстата ЧПУ з водяним і повітряним охолодженням

Що таке шпиндель для верстата ЧПУ

Шпиндель фрезерного верстата з ЧПУ це електродвигун, на валу якого стоїть цанговий патрон із фрезою. Від шпинделя залежить, фрези якого діаметра можна поставити, яке навантаження витримає інструмент і наскільки тихо й довго верстат працюватиме. Шпинделі для ЧПУ асинхронні й безколекторні, на відміну від колекторних фрезерних моторів у них немає щіток, які стираються й іскрять. Тому вони надійніші, тихіші й розраховані на тривалу роботу.

Асинхронний шпиндель не вмикають у розетку напряму. Йому потрібні частотний перетворювач, який видає три фази потрібної частоти й задає оберти, і система охолодження. Нижче розібрано будову шпинделя, зв’язок потужності, моменту й обертів, вибір охолодження, цанги й підшипників, а також запуск і догляд.

Як влаштований електрошпиндель

Усередині корпусу стоїть статор із трифазною обмоткою, а на валу ротор. Частотний перетворювач подає на обмотку три фази, і обертове магнітне поле тягне за собою ротор. Вал обертається в радіально-упорних підшипниках, які тримають і радіальну силу різання, і осьову силу, коли фреза врізається в матеріал. Наприклад, у шпинделі ATO 2.2 кВт стоять два підшипники 7005C і один 7002C класу точності P4 на мастилі, розрахованому на високі оберти.

На передньому кінці вала нарізано конус і різьбу під цангову гайку ER. Цанга входить у конус, гайка стискає її, і цанга затискає хвостовик фрези. Ззаду корпусу стоїть роз’єм живлення. У поширених шпинделів GDZ це авіаційний роз’єм GX16 із чотирма контактами: 1, 2 і 3 підключають до виходів U, V і W частотника, 4 до заземлення.

Корпус охолоджується або крильчаткою на валу, або водою, яка йде сорочкою навколо статора. У шпинделя з водяним охолодженням на корпусі два штуцери під трубки.

Потужність, момент і оберти

Потужність у паспорті шпинделя вказана для номінальних обертів, у двополюсного шпинделя на 400 Гц це 24000 об/хв. Момент на валу рахують за формулою M = 9550 x P / n, де P потужність у кВт, n оберти в об/хв. Для шпинделя 2.2 кВт на 24000 об/хв це 0.88 Н·м, виробник ATO для свого шпинделя 2.2 кВт вказує 0.85 Н·м.

Частотник у режимі V/f тримає магнітний потік сталим, тому нижче номінальних обертів шпиндель розвиває той самий момент, а потужність падає пропорційно обертам. Шпиндель 2.2 кВт на 12000 об/хв віддає 1.1 кВт, на 6000 об/хв 0.55 кВт:

Звідси практичний висновок: якщо фреза великого діаметра потребує низьких обертів, шпиндель беруть потужніший, ніж здається за паспортною цифрою. Маломіцні шпинделі на 800 Вт використовують переважно для гравіювання й різання фрезами діаметром до 4 мм. Для свердління й особливо фрезерування потрібен шпиндель від 1.5 кВт, і варто враховувати, що на вал під час фрезерування діє значне радіальне навантаження.

Водяне чи повітряне охолодження

Шпиндель гріється від втрат в обмотці й підшипниках, і це тепло треба відводити. Водяна система ефективніша, особливо на малих обертах, але потребує додаткового обладнання: помпи, бака й трубок. Повітряна простіша, вона вбудована в сам шпиндель.

Шпиндель із водяним охолодженням не можна запускати без протоку: виробники прямо забороняють роботу без охолодження. Перед увімкненням перевіряють, що вода йде зворотною трубкою, а для контролю ставлять датчик протоку. У неопалюваній майстерні воду замінюють незамерзаючою рідиною або зливають із системи на час простою.

Цанга, діаметр корпусу й кріплення

Цанга ER визначає найбільший діаметр хвостовика: за стандартом DIN 6499 цанга ER11 затискає хвостовик до 7 мм, ER16 до 10 мм, ER20 до 13 мм, ER25 до 16 мм. Кожна цанга розрахована на свій діаметр і затискає хвостовик у межах 1 мм нижче номіналу, тому під кожну фрезу потрібна цанга свого розміру. Зі зростанням потужності зростають діаметр корпусу й цанга, за шпинделями в цьому розділі:

Кріплення шпинделя підбирають за діаметром корпусу: 65, 80, 100 або 125 мм. Кронштейн має щільно охоплювати корпус і стояти на жорсткій каретці осі Z, інакше виліт шпинделя й податливість кріплення дадуть вібрацію на фрезі. Що менший виліт фрези з цанги, то менший її прогин: хвостовик вставляють у цангу не менше ніж на дві третини її довжини.

Підшипники й биття

Шпинделі випускають із двома, трьома або чотирма підшипниками. Передні підшипники, ближчі до фрези, сприймають основну силу різання, тому саме від них залежать жорсткість шпинделя й биття фрези. Підшипники радіально-упорні, класу точності P4, у шпинделя ATO 2.2 кВт із керамічними кульками.

Биття на фрезі складається з биття вала, конуса, цанги й гайки. Цанга й гайка зношуються й вважаються витратними: якщо після чищення биття залишилося, спочатку міняють цангу, потім гайку. Стружка в конусі або на цанзі дає биття сама собою, тому конус, цангу й гайку чистять під час кожної зміни інструмента. Підшипники шпинделя міняють, коли з’явилися сторонній шум, нагрів або вібрація: зношений підшипник далі лише гріється сильніше й збільшує биття.

Як вибрати шпиндель для верстата

• Визначте найбільші фрези й оберти, на яких вони працюють, і за таблицею моменту перевірте потужність на цих обертах.
• За хвостовиками фрез виберіть цангу: ER11 до 7 мм, ER16 до 10 мм, ER20 до 13 мм, ER25 до 16 мм.
• Виберіть напругу: шпиндель на 220 В підключають через частотник з однофазним входом 220 В, шпиндель на 380 В від частотника з трифазним входом.
• Перевірте, чи витримає каретка осі Z масу шпинделя, наприклад шпиндель ATO 2.2 кВт важить 5 кг, і підберіть кріплення за діаметром корпусу.
• Охолодження вибирають за майстернею: водяне тихіше й краще тримає тривалу роботу та низькі оберти, повітряне простіше й не боїться морозу.

Перший запуск, прогрів і догляд

• Перед першим запуском введіть у частотник паспортні дані шпинделя: номінальні напругу, струм, частоту й оберти. Неправильні налаштування можуть спалити шпиндель.
• У водяного шпинделя спочатку увімкніть помпу й переконайтеся, що вода йде через корпус.
• Після зберігання мастило в підшипниках густішає, тому шпиндель обкатують ступенями. ATO рекомендує 30 хвилин на найнижчих обертах і далі по 20 хвилин на кожні наступні 3000 об/хв. PwnCNC для шпинделя після тижня простою або в холодній майстерні дає 10 хвилин на 6000 об/хв, 7 хвилин на 12000 і 3 хвилини на 18000.
• Не стукайте по гайці, цанзі й торцю вала, під час зняття фрези гайку відкручують ключами, а не молотком.
• Стежте за шумом і нагрівом: гучний звук або вібрація свідчать про знос підшипників.