Подбор шпинделя для фрезерного станка с ЧПУ

Для осуществления такой важной операции обработки материалов, как фрезерование, необходимо обеспечить вращательное движение режущего инструмента с нужной скоростью, для чего и используется шпиндель. В станках с ЧПУ к этому важнейшему элементу конструкции предъявляются повышенные требования. С учетом этого шпиндель для фрезерного станка с ЧПУ требует особого внимания при выборе оборудования.

• Шпиндель для станка с ЧПУ
• Классификация двигателей для ЧПУ станка
  • Классификация по типу привода
• Особенности конструкции шпинделя для станка с ЧПУ в зависимости от вида
• Какими качествами должен обладать хороший шпиндельный узел фрезерного станка с ЧПУ?
  • Мощность шпинделя – как выбрать для фрезерного станка?
  • Способы охлаждения

Шпиндель для станка с ЧПУ

Когда рассматривается фрезерный станок (ФС) с ЧПУ, под шпинделем обычно подразумевается электродвигатель с валом, на котором установлено зажимное устройство для режущего инструмента (фрезы). В качестве зажимного устройства чаще всего используется самозажимной патрон цангового типа. В универсальных ФС возможна установка, помимо фрез, сверла, точильного камня и иного инструмента.

Шпиндель предназначен для придания режущему инструменту вращения с заданной скоростью. Для этого должна быть обеспечена передача крутящего момента от электродвигателя на рабочий вал с наименьшими потерями, с возможностью изменения направления вращения. Вторая важная задача – надежное крепление инструмента на валу. Дополнительно шпиндель обеспечивает защиту двигателя от перегрузок при тяжелых условиях обработки.

Классификация двигателей для ЧПУ станка

В зависимости от назначения ФС, двигатели для них можно разделить на 2 группы:

1. Для бытовых станков, в т. ч. изготовленных своими руками. В шпинделях устанавливаются электродвигатели небольшой мощности. Широко используются электродрели, бытовые фрезеры, бормашины, двигатели стиральных машин и т. п. В таких конструкциях подшипники не рассчитаны на значительные боковые нагрузки.
2. Для производственных целей. Применяются небольшие асинхронные двигатели повышенной мощности. Повышенные требования предъявляются к подшипникам, в частности часто используются керамические подшипники. Мощность поддерживается наличием системы охлаждения и подачи смазки в рабочую зону.

Другое важное разделение проводится по направлению оси вращения – вертикальное, горизонтальное, универсальное. В зависимости от расположения вала изменяется боковая нагрузка. Наименьшая нагрузка характерна для вертикального использования, но при этом повышается вибрация. При горизонтальном варианте увеличивается нагрузка на вал в вертикальном направлении, но вибрация гасится. Универсальные конструкции предусматривают возможность использования шпинделя в обоих направлениях. Для разных исполнений выбирается своя система передачи и применяются специальные вспомогательные приспособления.

Подразделяются двигатели и по скорости вращения:

1. Низкоскоростные с максимальной частотой вращения 2400 об/мин. Вращение, как правило, передается через редуктор (коробку скоростей).
2. Среднескоростные со скоростью вращения 2500–11900 об/мин. Вращение обычно передается с помощью ременной передачи и редуктора 1:1. Ось двигателя смещена относительно оси шпинделя.
3. Высокоскоростные со скоростью в диапазоне 12000–17900 об/мин. Вал двигателя соосен валу шпинделя (прямая передача вращения). При таких скоростях повышаются требования к патрону и инструменту.
4. Сверхскоростные (ультраскоростные). Они могут развивать скорость до 70000 об/мин. Обычно вал двигателя является валом шпинделя (мотошпиндели со встроенными обмотками).

Наконец, шпиндели классифицируются по способу смены инструмента: механизированные и ручные. В первом случае используются специальные штревели (например, типа ВТ или СК) и механизированные устройства зажима-разжима (например, пневматические тиски). В ручном варианте устанавливаются стандартные штревели, болты и цанга.

Классификация по типу привода

В ФЗ шпиндели подразделяются по типу привода следующим образом:

1. Ременная передача. Основные плюсы: повышенная скорость, простота монтажа, малая вибрация. Минусы: ограничения крутящего момента в зависимости от наличия места для двигателя, повышенная стоимость системы управления.
2. Зубчатая передача. Она обеспечивается коробкой скоростей через систему валов и шестерен. Плюсы: возможность автоматического регулирования скорости, компактность. Минус – относительно низкая скорость вращения. Чаще всего используется в ФС универсального типа.
3. С ZF-редуктором. Может обеспечивать передачу с моментом до 400 Нм и переключение скоростей 1:1 и 1:4.
4. Прямая передача. Она используется в высокоскоростных шпинделях. Скорость вращения инструмента ограничивается только скоростью вращения двигателя. Валы шпинделя и двигателя расположены по одной оси и соединяются муфтой.

Особо выделяется мото- или электрошпиндель. Это вариант совмещения шпинделя и двигателя в одном корпусе.

Особенности конструкции шпинделя для станка с ЧПУ в зависимости от вида

Шпиндели для ФС с ЧПУ имеют ряд особенностей:

1. Для обеспечения повышенной производительности станков используются высокоскоростные и сверхскоростные двигатели.
2. Для смены инструмента задействуется специальная программа остановки станка для смены инструмента. В промышленном оборудовании приоритет отдается механизированному способу. В программе может предусматриваться перемещение шпинделя или заготовки на удобное место для смены инструмента с последующим возвратом на место остановки процесса.
3. Ременная передача применяется в основном в ФС вертикального типа с большой скоростью обработки. При установке коробки скоростей или редуктора обеспечивается автоматическая регулировка скорости через ЧПУ, что особо важно в универсальных ФС и при работе с моментом выше 200 Нм. В бытовых и самодельных ФЗ часто применяется прямая передача от электродрели.

 Важно!  Конструкция шпинделя для ФС с ЧПУ подбирается так, чтобы обеспечивалась максимальная скорость обработки и возможность автоматизации процесса.

Какими качествами должен обладать хороший шпиндельный узел фрезерного станка с ЧПУ?

Для ФЗ с ЧПУ особо важно обеспечить следующие параметры шпиндельного узла:

1. Повышенная точность вращения инструмента. ГОСТ 9726-89 (п.п. 3.4.12, 3.4.15) устанавливает пределы допустимого биения конца вала (осевого, торцевого и радиального). Они должны строго соблюдаться. Для импортного оборудования действуют европейские стандарты.
2. Статическая и динамическая жесткость. Шпиндель не должен подвергаться деформации при действии нагрузок в процессе обработки даже очень прочных материалов.
3. Износостойкость. Детали шпинделя изготавливаются из высокопрочных металлов, стойких к истиранию. Особые требования устанавливаются для подшипников.
4. Минимальная вибрация. Станки с ЧПУ работают с большой скоростью, но вибрация должна гаситься. Наиболее сильно влияет она при чистовой обработке изделий.

Надо учитывать, что качество обработки изделий во многом зависит от перечисленных параметров шпинделя.

Мощность шпинделя – как выбрать для фрезерного станка?

Чем больше мощность станка, тем больше у него возможностей. При использовании ЧПУ крайне редко устанавливаются предельные скорости вращения (а значит, и мощность), но резерв позволяет повысить производительность при необходимости. Другое дело, что с повышением мощности станка увеличивается и его цена, а значит, надо выбирать оптимальный вариант с учетом достаточности данного критерия.

Практические нормы устанавливаются с учетом назначения ФС. Для обеспечения сверления, неглубокой обработки (например, гравировки) или фрезерования мягких материалов достаточно иметь мощность порядка 600–650 Вт. Если ФС используется для обработки твердых пород дерева и металлов, то мощность нужна в пределах 0,8–1,5 кВт в зависимости от обрабатываемого материала. При желании иметь универсальный станок для любых изделий и наличии планов по модернизации оборудования рекомендуется иметь запас по мощности, т. е. выбирать станок с мощностью более 2 кВт. Следует также учитывать, что обработка на ФС с ЧПУ, как правило, осуществляется на скоростях в пределах 8000–15000 об/мин.

Способы охлаждения

При выборе ФС необходимо обратить внимание на систему охлаждения. Возможны такие варианты:

1. Без охлаждения или с естественным воздушным охлаждением. Такой принцип вполне применим при вращении инструмента со скоростью не более 4500 об/мин. На скоростях до 6000–8000 об/мин можно работать только кратковременно, не более 20-30 минут.
2. Водяное охлаждение. Подача воды в рабочую зону обеспечит возможность обработки со скоростью до 15000–16000 об/мин. Минус такой системы – необходимость в установке достаточно большого резервуара и обеспечения отвода стока.
3. Масляное охлаждение. Оно наиболее эффективно и обеспечивает работу с любой скоростью. Охлаждающая жидкость располагается в «холодильнике шпинделя» и циркулирует по его охлаждающей рубашке.

Обеспечиваться охлаждение может путем простого полива в рабочую зону или циркуляции жидкости под давлением до 25–30 бар. Для принудительной циркуляции используется специальная помпа, включаемая одновременно с электродвигателем.

Шпиндель фрезерного станка с ЧПУ является важнейшей его деталью, от которой зависит качество обработки и возможности оборудования. К нему предъявляются высокие требования, которые необходимо учитывать при выборе модели. Следует также учитывать, что шпиндельные узлы классифицируются по нескольким категориям, которые определяют назначение станка.