Под фразой «шпиндель для фрезерного станка с ЧПУ» обычно принято подразумевать двигатель, с установленным на него цанговым самозажимным патроном (как на ручной фрезерной машинке), который служит для фиксации режущего инструмента, такого как фреза, точильный камень, сверло и т.д, и передачи ему вращательного движения с большой скоростью.
Классификация
Их можно разбить на 2 небольших группы – это домашние и промышленные:
- К домашним относятся различные бормашины, маленькие бытовые фрезеры или дрели.
- К промышленным же относят двигателя, рассчитанные выдерживать высокие нагрузки в процессе работы, имеющие керамические подшипники и, зачастую оснащенные сложной системой жидкостного или воздушного охлаждения и системой подачи смазки непосредственно на участки с большим уровнем трения и нагрева.
При использовании в домашнем станке ЧПУ дрели в роли шпинделя, необходимо понимать, что ее подшипники не рассчитаны на высокую боковую нагрузку и очень быстро начнут «выть», что может привести к высокому нагреву обмоток, уменьшению мощности на валу, и в последствии такой шпиндель просто сгорит.
В данном случае охлаждение не поможет, и необходимо дорабатывать саму дрель, а именно: заменить шариковый подшипник вала на роликовый (желательно с керамическими роликами), жестко зафиксировать его в корпусе и позаботится о постоянном наличии смазки в нем.
Особенности шпинделя зависимо от вида
В основном, во время работы фрезерных станков, все нагрузки перпендикулярны оси шпинделя, а параллельные нагрузки появляются только в момент врезки в тело заготовки. Именно поэтому, необходимо выбирать двигатель, который сможет выдерживать такие нагрузки на протяжении большого периода времени, поскольку работа фрезерных станков может быть непрерывной в течении суток и даже более.
Шпиндели, предназначенные для промышленных целей, не нуждаются в постоянной чистке и смазке подшипников на всем сроке эксплуатации, но, если вы начинаете замечать посторонние звуки в его работе на холостом ходу, лучше все же разобрать корпус двигателя, выдуть изнутри сжатым воздухом все загрязнения (если таковые присутствуют) и хорошо смазать подшипник специальной смазкой, не теряющей своих свойств при высоких температурах.
Помимо всего, промышленный шпиндель оснащен качественным цанговым патроном, имеющим минимальное биение при работе, обеспечивая необходимую точность обработки, минимальную разницу между фактическим и реальным размером фрезы и позволяющий зажимать фрезы с обычным цилиндрическим хвостовиком.
Цанговые зажимы
В основном, самыми распространенными являются цанги типа ER11 и ER16, в которую становится сверло или фреза с диаметром хвостовой части от 2.5 до 3.2 мм, даже если она сделана конусом. Также существуют и патроны, рассчитанные под больший диаметр инструмента, но они используются при грубой обработке металла или фрезеровке по стали и имеют отверстие под зажим инструмента 6 и более миллиметров.
Почему нельзя установить ее на мой домашний станок с ЧПУ, спросите вы?
Если зажать фрезу диаметром 2 мм с диаметром хвостовика 3.2 мм в цанговый патрон, то при обработке вы практически не заметите разницы, но, если установить на любительский станок фрезу, диаметром 10 мм и хвостовиком 3.2 мм, то легко можно деформировать направляющие, поскольку нагрузка на них в таком случае возрастает в разы. В станке все детали должны идеально сочетаться друг с другом, в противном случае с ним будет больше проблем, чем качественной работы. Поэтому рекомендуем вам остановить свой выбор на цанге EP-13, ее вполне хватает для небольших объемов работ и к ней подходит практически любой рабочий инструмент, применяющийся в обработке различных материалов.
Мощность шпинделя
При выборе мощности шпинделя необходимо руководствоваться золотым правилом – чем больше, тем лучше. Основные правила при выборе мощности:
- Если планируется использование фрезерных станков только для сверловки или гравировки небольших деталей, то будет вполне достаточно шпинделя, мощностью до 600 ватт.
- Для фрезеровки твердых пород древесины и металла нужно рассматривать уже двигателя мощностью от 600 до 1400 ватт.
- В случае, если планируется дальнейшая модернизация станка (бывают станки с двумя шпинделями и более) или нужен большой запас по мощности, необходимо смотреть в сторону шпинделей, имеющих мощность свыше 1.6 кВт, они позволят производить обработку практически любых материалов, а качество работы будет зависеть только от надежности механической части станков с ЧПУ.
Способы фрезеровки
Уточним некоторые тонкости. Фрезеровать можно двумя способами, либо с быстрой подачей и медленным вращением фрезы, либо с медленной подачей, но с высокой скоростью вращения фрезы. Первый способ называется скоростным, а второй – силовым.
В промышленности обычно используется силовое фрезерование для того, чтобы максимально быстро выбрать лишний материал из заготовки. Перед этим необходимо изучить описание и паспортные данные определенной фрезы и внести в станок нужные режимы резания конкретно для нее, а именно: скорость вращения, заглубления и подачи. Таким образом, можно использовать фрезу, получая от нее максимальную производительность, не перегружая ее.
Если механическая часть вашего станка не позволяет получить хорошее усилие и начинает деформироваться, то лучше не экспериментировать, а использовать второй способ фрезерования – скоростной, развив максимальную скорость вращения фрезы и установив минимальную скорость подачи.
Критерии выбора шпинделей
Проанализировав вышесказанное, необходимо определиться что нам важнее, скорость шпинделя или его мощность. Покупая качественный и дорогой шпиндель, можно не задаваться таким вопросом, ведь большинство из них имеют достаточно высокую мощность и высокую скорость вращения одновременно.
По максимуму такие шпиндели практически не используют, а нагружают их на 60-80% всей мощности и используют до 90% от максимальной скорости, что несомненно является большим преимуществом, так как в таких условиях шпиндель для фрезерного ЧПУ станка не перегреется и не будет работать на износ. Высокая скорость вращения (18000-20000 об/мин) практически не используется по той причине, что при обработке на таких скоростях инструмент и заготовка начинает греться и подгорать, испортив всю работу.
Отдельно стоит рассмотреть шпиндели, питаемые от трехфазной сети. Они подключаются пятью проводами, три из которых – линейные, один нулевой и один для заземления. К бытовой сети их не получится подключить без доработок.
Раньше для таких целей использовали пусковые конденсаторы, которые, по законам электротехники, изменяли угол фазы и искусственно создавали 3 фазы из одной. Но фрезерный станок с ЧПУ для такого способа вряд ли будет актуален, поскольку в таком случае теряется возможность регулирования скорости вращения шпинделей. Поэтому в наше время используются электронные преобразователи частоты (ПЧ), принцип работы которых построен на выпрямлении бытового напряжения и генерации из него 3-фазного с возможностью плавной регулировки частоты.
Преобразователь частоты или частотник, как его называют в народе, имеет множество полезных функций, среди которых можно выделить: контроль температуры шпинделей, плавная регулировка скорости их вращения, и самой полезной функцией является то, что он может быть подключен к блоку управления фрезерных станков и программное обеспечение будет автоматически устанавливать необходимую скорость вращения инструмента. Помимо этого, частотник дает возможность плавного запуска и торможения шпинделей, что значительно увеличивает срок их работы.
Охлаждение
Как уже было сказано выше, шпиндели могут быть оборудованы как воздушным, так и жидкостным охлаждением. Воздушное представляет собой обычную крыльчатку, закрепленную на валу двигателя и обдувающую его обмотки.
Большим недостатком такого типа охлаждения является тот факт, что крыльчатка не только нагнетает воздух на горячий мотор, но еще и засасывает в его корпус стружку, пыль и все то, что вырезает фреза из заготовки. Также при обработке на низких скоростях воздушное охлаждение малоэффективно, поскольку напрямую зависит от скорости вращения вала шпинделя.
Система водяного охлаждения не имеет такого недостатка, но при ее использовании необходимо отдельное место для резервуара с охлаждающей жидкостью и правильная фиксация трубок с ней на корпусе фрезерных станков, что сильно усложняет конструкцию, если это фрезерный двухшпиндельный станок.
Она гораздо эффективнее системы воздушного охлаждения, поскольку скорость тока жидкости через шпиндель все время одинакова благодаря использованию специальной помпы. Основным условием, которое необходимо соблюдать, имея шпиндель с водяным охлаждением – это то, что нельзя включать двигатель, не включив помпу, поскольку в таком случае он вовсе не будет охлаждаться, очень быстро перегреется и, как следствие, сгорит.
Быстрообзор очередного оборудования для ЧПУ фрезера или опять из серии «смотрите, что я купил»
Оборудование крайне специфическое и узкоспециальное.
Двигатель-шпиндель с патроном ER11 для ЧПУ фрезера, причем с жидкостным охлаждением.
Несколько фотографий и дополнительная информация под катом
Приветствую всех!
Постараюсь кратко рассказать про достаточно мощный и при этом весьма бюджетный шпиндель для ЧПУ, с жидкостным охлаждением, который подойдет для ЧПУ деревообрабатывающего станка-фрезера.
Собственно говоря, побудило написать обзор два фактора.
Во-первых, это совсем недавний обзор от ув. Jager
и обсуждение в этом обзоре.
А во-вторых, фактически продается за полцены ($99.99), при нормальной стоимости подобных товаров около $200
Собственно говоря, шпиндель был приобретен по аналогичной предыдущей распродаже в июне, пока лежит, так как для использования предполагает наличие специального частотного преобразователя (VFD - variable-frequency drive) и насоса для охлаждающей жидкости. И если подключить шпиндель при наличии проточной водопроводной воды - можно, то питаться от сети 220В/50Гц он не сможет. Нужны будут 3 фазы с частотой до 400Гц.
Характеристики:
Мощность: 1,5кВт
Напряжение питания: 220VAC
Частота питания: 0-400 Гц
Скорость вращения: 0-24000 об/мин
Максимальное биение: 0.01 мм
Размер двигателя: 80 мм x 188 мм.
Цанговый патрон: типа ER11, для 6 мм
Тип гайки: ER11-A
Тип управления: изменение частоты и величины питающего напряжения
Тип охлаждения: Жидкостное
Тип электрического разъема: GX16
Смазка: Высокотемпературная смазка
Масса шпинделя: 3 кг
Масса упаковки: 4 кг
Возможная область применения: деревообработка, мебельное производство, художественная резьба по дереву или народные промыслы, металлообработка, изготовление пресс форм, изготовление ювелирных изделий, производство мастер моделей, раскрой ДСП и резка листовых материалов, моделирование и резка заготовок для масштабных моделей, изготовление радиоуправляемых моделей, производство сувенирной и рекламной продукции, производство наружной рекламы.
Несколько слов про VFD
Частотный асинхронный преобразователь частоты служит для преобразования сетевого трёхфазного или однофазного переменного тока частотой 50 (60) Гц в трёхфазный или однофазный ток, частотой от 1 Гц до 800 Гц.(Цитата )
Фактически установкой через дисплей или шину данных можно управлять направлением вращения, стартом-остановкой, частотой (и мощностью, то есть напряжением) на двигателе. Плюс, в зависимости от модели частотного преобразователя, присутствуют в большом количестве различные настройки (ограничивающие и т.п.)
Фактически, нам нужен самый дешевый частотный преобразователь на 1,5кВт, желательно однофазный (преобразователь сам делает на выходе три фазы), который проще использовать в «бытовых» условиях.
Теперь про насос. Я купил самый простой насос для ЧПУ техники. Он погружного типа, на 75Вт и около 3 кубов в час. Подходит для шпинделей на 1,5кВт, 2,2кВт, а также для охлаждения лазерных СО2 труб.
Теперь про посылку. Получил курьерской службой, я думаю это лучший вариант, так как Почта России размотала бы такую тяжелую коробку (ну или было бы сильно дороже).
Собственно говоря, масса почти 4 кг
Упаковано в плотную пенопластовую коробку, замотано скотчем.
Внутри - шпиндель с цанговым патроном ER11, и разъем для подключения (кабельная часть). 
Для электрического подключения используется разъем типа GX16 (4 контакта), так называемые «авиационные» разъемы, которые обеспечивают защиты от пыли и влаги. На самом деле обычный промышленный разъем.
Контакты «1 »,«2 »,«3» подключаются к частотному преобразователю (U, V, W), контакт «4» - к заземлению (общий провод, GND)
Внешний вид разъема GX16
Для подключения водопровода есть два фитинга, вход и выход. Для удобства можно купить силиконовый шланг, как вариант - армированный силиконовый шланг.
Механически шпиндель устанавливается на специальных захват-кронштейн (clamp) для 65мм 80мм. По маркировке размер 80 мм на 188мм.
Размер шпинделя: 20 см по высоте, плюс высота патрона и разъемов-фитингов. Диаметр 80мм.
Диаметр 80мм.
Для установки фрез используется цанговый патрон типа ER11 (chuck)
Вот фото со снятой гайкой ER11A
Гайка отдельно. В комплекте только одна цанга. Остальные можно докупить (Er11 spring collet)
Ну и фото маркировки на двигателе. Присутствует метка направления вращения и напоминание о режиме питания двигателя (400Гц)
Сам двигатель очень увесистый, видны следы обильной смазки. При вращении практически нет посторонних звуков - двигатели с жидкостным охлаждением одни из самых тихих.
Собственно говоря, я сейчас нахожусь на стадии выбора частотного преобразователя для шпинделя.
Приведу несколько примеров работы с аналогичным двигателем.
Во-первых, неплохой способ проверки двигателя дома. Подключаем проточную воду к шлангам, подачу к шпинделю. Обратку - в раковину. Плюс однофазный частотный преобразователь (инвертер VFD). Выставляем на нем минимальное вращение, подаем команду на запуск.
И пример фрезеровки на ЧПУ
Обработка алюминия
Дополнительная информация по работе шпинделя и VFD
Собственно говоря, у меня все.
P.s. По частотным преобразователям много информации, но правда и настроек много. Достаточно изучить основные, необходимые для запуска.
UPDATE: Внимание, в лоте неправильно указан диаметр! не 65мм, а 80мм!
Да и длина тоже, не 195мм, а 188мм (маркировка на корпусе верная, описание - не верное)
Китайские шпиндели жидкостного охлаждения предполагают пропускание жидкого теплоносителя с целью охлаждения подшипников и обмоток. Внешне такие шпиндели отличаются наличием штуцеров для подключения шлангов. Шланги должны соединять шпиндель с помпой и теплообменником.
В интернете можно найти описание самых разных систем охлаждения шпиделя. В самой простой из них в качестве теплообменника применен трубчатый радиатор от старого холодильника (такие радиаторы монтируются на тыльную сторону холодильников). Есть варианты, когда теплоноситель-вода просто подается в пластиковую емкость с открытым верхом (проще говоря таз). Открытый верх необходим для лучшей теплоотдачи т.к. пластик несколько ухудшает теплообмен воды с окружающим воздухом.
В этой статье будут предложены более серьезные варианты систем охлаждения. Изложение разбито на следующие темы:
- Вода,тосол или антифриз - что применить?
Применение готовой жидкостной системы для охлаждения процессоров ПК
Самым простым решением для шпинделей мощностью до 1 кВт может быть применение готовой системы для охлаждения процессоров ПК. Следует иметь ввиду, что такая система недешевая, стоит порядка $200. Но при этом в комплекте у вас уже будут смонтированные помпа с расширительным бачком и радиатор с охлаждающим вентилятором.
А вот имеющегося в комплекте теплоносителя на основе этиленгликоля (практически антифриз) скорее всего не хватит, т.к. у системы охлаждения шпинделя объем больше. Значит антифриз придется докупить. И остается только добавить блок питания постоянного тока на 12 вольт (можно нестабилизированный). Можно использовать старый компьютерный или любой трансформаторный с подходящей мощностью.
Теперь нужно смонтировать все модули в подходящем корпусе (или самодельном, фанерном), объединить систему шлангами, заполнить ее антифризом и выгнать из нее воздух.
Обязательно надо помнить, что такая система снабжена небольшим радиатором и слабой помпой. Их мощности может не хватить для охлаждения шпинделя. При этом имеет значение степень нагрузки на шпиндель. Т.е., если шпиндель постоянно работает с большими фрезами, на больших оборотах, со съемом большого количества материала за один проход, да еще если материал заготовки - это металл, да еще и сталь. В таких случаях лучше предусмотреть систему охлаждения шпинделя помощнее (см. ниже).
Система охлаждения на основе аквариумной помпы и радиатора отопителя автомобиля ВАЗ-2106
Следующий вариант системы охлаждения требует меньших капиталовложений, но больших времезатрат на монтаж.
В качестве радиатора применен радиатор отопителя автомобиля ВАЗ-2106 (см. фото ниже). Его можно приобрести практически в любом автомагазине. К радиатору следует купить вентилятор подходящего размера на 220 вольт. Стоимость радиатора и вентилятора ориентировочно составит около $40 (~1200 руб.).
В качестве помпы подойдет аквариумная помпа. Такие можно приобрести в зоомагазинах. На фото ниже представлены два варианта помп. Стоимость помпы может составить $50-$100 (до 3000 руб).
На фото видно, что напряжение питания помпы 220 вольт. Поэтому следует соблюдать осторожность при монтаже, чтобы обеспечить безопасность и самого монтажа, и дальнейшей эксплуатации системы охлаждения.
Когда все основные компоненты приобретены, можно приступать к их установке в единый корпус. Корпус можно изготовить из фанеры (см. фото ниже) или приобрести подходящий готовый.
В данном решении радиатор крепится с помощью кусков оцинкованного профиля для монтажа гипсокартона. Ширина профиля как раз подходит под толщину радиатора. Помпа погружена в расширительную емкость.
Очень желательно, чтобы система охлаждения была герметичной, чтобы исключить возможность испарения антифриза. Причина этого - вредность этиленгиколя, на основе которого изготавливается антифриз.
Для решения этой проблемы проще всего поместить помпу в емкость с широким горлышком и герметично закрываемой крышкой, а радиатор с венлилятором вынести в отдельный корпус (см. фото ниже).
Может оказаться так, что штатные штуцеры шпинделя не подходят для имеющегося шланга. В этом случае вполне реально изготовить свои штуцеры нужного размера аналогично фото ниже. Хомуты крепления шлангов условно не показаны, но они необходимы для их надежной фиксации.
Резюме
Такая система охлаждения обкатана в реальных условиях в паре с шпинделем ЕТ80-2,2кВт от компанииЕТ. Режимы обработки при этом достаточно жесткие: максимальный диаметр фрез - 6 мм, обрабатываемый материал - высокопрочные алюминиевые сплавы, обороты - вплоть до максимальных (24000 об/мин). Максимальная температура никогда не достигала 50°С. После выполнения управляющей программы в течение 10-20 часов рукой можно ощутить тепло в зоне нижних подшипников. При этом вокруг станка температура стабилизирована около 20°С.
Вода, тосол или антифриз?
В качестве теплоносителя в системе охлаждения шпинделя дешевле всего применить воду. Это должна быть дистиллированная вода, чтобы исключить выпадение осадков в каналах системы. При этом надо иметь ввиду, что спустя некоторое время в воде развиваются микроорганизмы и на стенках системы охлаждения появляется слизь, а вода начинает вонять. Понятно, что такая слизь появляется и внутри шпинделя, из-за чего ухудшается теплоотвод. Применение бактерицидных добавок требует проверки: не появится ли от них на стенках шпинделя осадок или ржавчина. Кроме того, применение воды само по себе может вызвать коррозию внутри шпинделя.
В связи со сказанным более разумным может стать применение тосола. Это не так дорого, как применение антифриза, но и имеет свои особенности. Дело в том, что некачественный тосол оставляет белые высолы на трубопроводах, что также ухудшает теплоотвод и проходимость каналов.
Почти идеальным для системы охлаждения шпинделя является применение антифриза. В этом случае есть только два недостатка: дороговизна и вредность этиленгликоля, на основе которого делается антифриз.
Впрочем дороговизна антифриза весьма условна, т.к. антифриз приобретается один раз на весь период эксплуатации, ведь он не изнашивается.
А применение герметичной системы охлаждения обеспечивает отсутствие испарения антифриза в воздух и эти решается вопрос его вредности.
