Как выбрать шпиндель?

При разработке эффективных процессов обработки металлов выбор правильного шпинделя играет важную роль. На первый взгляд может показаться, что инструменты являются ключевым фактором во времени, скорости и подаче, однако, шпиндель также может оказывать значительное влияние на эффективность. Шпиндель состоит из двигателя, конуса для удержания инструментов и вала, который объединяет все компоненты. Касательно электрических шпинделей, они вращаются вокруг оси, получая данные от контроллера ЧПУ станка.

Почему правильный выбор шпинделя настолько важен?

При обработке деталей успешное выполнение производственного цикла напрямую зависит от выбора правильного шпинделя. С увеличением разнообразия инструментов на рынке, важно знать, какой тип инструмента может быть использован с вашим шпинделем. Для инструментов большого диаметра, таких как большие концевые фрезы или торцевые фрезы, обычно требуются низкие скорости вращения шпинделя и глубокие пропилы для удаления больших объемов материала. Эти операции требуют высокой жесткости станка и шпинделя с высоким крутящим моментом. С другой стороны, для инструментов меньшего диаметра требуется более высокоскоростной шпиндель. Более высокие  скорость и подача обеспечивают лучшее качество поверхности и находят применение во многих областях. Хорошее практическое правило заключается в том, что концевая фреза диаметром 10 мм или меньше будет хорошо работать со шпинделем, обладающим низким крутящим моментом.

Типы шпинделей CAT, BT, ISO

Существуют различные типы шпинделей, используемых в системах ЧПУ. Они различаются по типу, стилю конуса или размеру. Конус является конической частью держателя инструмента, которая входит в шпиндель. Приведу несколько примеров таких шпинделей:

Шпиндели с держателями CAT, BT, ISO: это наиболее распространенные типы шпинделей, которые используются во многих станках с ЧПУ. Они имеют конический конец, позволяющий легко удерживать инструменты.

Максимальную частоту вращения шпинделя (об/мин) следует выбирать в зависимости от размера детали и материала, из которого она изготовлена. Современный режущий инструмент позволяет обрабатывать детали на высоких скоростях резания: чтобы их достичь, необходим станок с соответствующим шпинделем.

Шпиндели HSK (Hohl Schaft Konus): Этот тип шпинделей широко используется в высокоскоростных системах обработки. HSK шпиндели обеспечивают более высокую точность и жесткость, чем шпиндели CAT и BT. Формула для расчета мощности (P) шпинделя может быть представлена следующим образом:

P = (T * n) / K

где Р - потребляемая мощность, Т - крутящий момент, n - скорость вращения шпинделя.

Шпиндели с воздушным охлаждением

Эти шпиндели используют сжатый воздух для охлаждения. Они позволяют поддерживать стабильную температуру внутри шпинделя, что особенно важно при высоких скоростях вращения.

Шпиндель с функцией воздушного охлаждения представляет собой продолговатую прямоугольную конструкцию, состоящую из сплава легких металлов. Само основание вкупе с встроенными каналами для циркуляции воздуха и является той самой охлаждающей системой. Чтобы запускать процесс вентиляции, на верхнем цилиндре шпинделя находится крыльчатка, втягивающая воздушные потоки через каналы. Вал снизу имеет цанговый держатель для фиксации инструмента.

Подобные модели нередко встречаются на предприятиях по обработке дерева, на что есть логические объяснения. Для этого необходимо рассмотреть все достоинства и недостатки шпинделей с воздушным охлаждением.

Преимущества воздушной системы:

• Прочный корпус. Имея схожие со шпинделем на базе водяного охлаждения характеристики производительности, шпиндель с воздушной системой имеет более массивное и устойчивое строение корпуса, что позволяет ему выдерживать большие производственные нагрузки. Наиболее востребовано это качество на деревообрабатывающем оборудовании, поскольку фрезы для него зачастую плохо сбалансированы и имеют крупные размеры.
• Минимализм и автономия. Упрощенная система охлаждения по сравнению с водяным аналогом добавляет воздушному шпинделю больше автономности. Так как в этом случае достаточно лишь провести шнур питания к электросети. В то время как шпиндель на водной основе требует прокладки трубок с охлаждающей жидкостью вдоль всех каналов. Это качество особенно важно при установке шпинделя на крупногабаритные станки – от 3 метров и более.
• Низкая стоимость. Из-за более простой конструкции, отсутствия дополнительных установок для охлаждения делают этот тип шпинделей более дешевым по сравнению со шпинделями с жидкостным охлаждением.

Шпиндель с водяным охлаждением

При схожих характеристиках мощности водяные шпиндели обладают следующими преимуществами:

• Компактными габаритами.
• Отсутствие шума в процессе работы в сравнении с воздушными системами охлаждения. При условии, что фреза работает тихо. Эта характеристика позволяет использовать машину даже в не предназначенных для этого помещениях.
• Легкая отстройка высоты. Благодаря цилиндрическому строению шпинделя, регулировка по высоте осуществляется легко, что добавляет функциональных возможностей станку при работе с вытянутыми заготовками.

Подшипники шпинделя

Подшипники шпинделя испытывают большие нагрузки, так как в токарном станке вращаются и заготовка, и зажимной патрон, которые в сумме обладают значительной массой. По этой причине для шпинделей токарных станков чаще всего применяют роликовые подшипники.

Исключения составляют токарные автоматы для обработки прутка, где частота вращения может достигать 12 000 об/мин. Как правило, такие станки рассчитаны на обработку маленьких деталей, которые изготавливаются из прутка. При выборе подобного станка важно обратить внимание на материал сепаратора подшипника, который может быть изготовлен из металла или из полимера.

Сепараторы из металла в свою очередь бывают штампованные или механически обработанные. Штампованные сепараторы изготавливаются из листового железа — по сравнению с механически обработанными они имеют меньший объем и массу. Также штампованные сепараторы обеспечивают лучшую смазку обойм и тел качения подшипника.

Механически обработанные сепараторы применяются на более скоростных подшипниках, так как этот тип сепаратора более массивный и жесткий. Главным минусом этого типа сепараторов является неустойчивость к ударным нагрузкам — при резком изменении частоты вращения он может повредить тела качения.

Полимерные сепараторы более устойчивы к переменным и ударным нагрузкам, они также являются самыми тихими из всех. Главный их недостаток — невозможность работы при высоких температурах.

Так же стоит упомянуть об использовании керамических подшипниках, обеспечивающие невероятно высокую скорость 24 000 оборотов/мин, такие подшипники используются в станках для деревообработки.

Тип привода шпинделя

По типу привода токарные шпиндели делятся на три основных типа.

Первый тип: ремённый

Наиболее распространённый тип привода, обладает высокими скоростными характеристиками и бесступенчатой регулировкой оборотов. Одним из главных его преимуществ является многообразие характеристик шпинделя, так как двигатель и шпиндель установлены отдельно друг от друга, что позволяет использовать двигатели с разными характеристиками.

Является наиболее бюджетным из всех типов.

Также в силу своей конструкции ремённый привод позволяет избежать повреждений самого электродвигателя в случае аварии.

Из минусов стоит отметить наименьшую нагрузочную способность шпинделя, так как натяжение ремня создаёт постоянную радиальную нагрузку на его задние подшипники. С увеличением мощности и скорости шпинделя требуемое натяжение и, соответственно, радиальная нагрузка на подшипники также возрастают и тем самым исчерпывают радиальную нагрузочную способность подшипников.

Следует также отметить, что шпиндели с ремённым приводом имеют невысокую точность позиционирования оси С при выполнении фрезерования.

Второй тип: с коробкой скоростей / редуктором

В приводах этого типа для передачи крутящего момента используется зубчатая передача. На современных станках часто устанавливается многоступенчатый редуктор, который позволяет регулировать соотношение момента, мощности и частоты вращения. Такой тип привода рекомендуется для тяжелой обработки габаритных деталей, так как частота вращения у таких шпинделей, как правило, невелика.

К плюсам этого типа передачи следует отнести способность передать большой крутящий момент. За счет отдельной установки двигателя и шпинделя он, так же, как и в случае с ременной передачей, обладает многообразием характеристик.

Недостатком таких шпинделей является низкая частота вращения, которая сильно снижает область их применения, а также отсутствие плавности хода и повышенный шум.

Третий тип: мотор-шпиндель

Это наиболее универсальный вариант привода, обеспечивающий хороший баланс мощности, крутящего момента и оборотов. Особенность этого шпинделя заключается в том, что наружная обойма шпинделя является статором электродвигателя, а вал шпинделя — ротором. Этот тип привода является самым дорогим, так как технически сложнее других в изготовлении.