Какой шпиндель выбрать для станка чпу по дереву

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 19.09.2024

Шпиндель - один из самых важных ключевых частей фрезерного станка, от которого зависят такие факторы, как: используемый вид фрез, совместимый с данным оборудованием, способ крепления инструмента и его прямое назначение. Привод данного элемента ЧПУ, как правило, имеет встроенную конструкцию и представляет собой своеобразный высокопроизводительный электродвигатель с цанговым зажимом.

При этом качество играет здесь не последнюю роль – добротный шпиндель при правильной эксплуатации будет работать без сбоев и заминок, обрабатывая материал с должным качеством; нарушение требований инструкции может повредить как само оборудование, так и причинить тяжелые травмы рабочим.

Высокоскоростной шпиндель должен обеспечивать ряд технических требований, к которым, в первую очередь, относится:

Высокая пиковая мощность и мощность постоянного действия.
Максимальная скорость вращения.
Соответствующая требованиям высокоскоростной обработки система крепления инструмента.
Правильный выбор системы охлаждения: воздух или жидкость.
Правильный выбор подшипников и способа их смазки.

0.8 кВт - с цангой ER-11

Неглубокие граверные работы по латуни, обработка пластика до 5 мм, немногослойной фанеры, фрезерование печатных плат и др.

1.2 кВт - с цангой ER-11

Работы с твёрдой древесиной, не превышающей значение 6 мм, и стали до 1.5 мм.

1.5 кВт - с цангой ER-11

Стандартные и мелкие граверные работы, поверхностное фрезерование по алюминию и латуни и др.

1.5 кВт - с цангой ER-16

Работы с твёрдой древесиной, сталью и акрилом до 15 мм.

2.2 кВт - с цангой ER-20

Работы с твёрдой древесиной, акрилом до 30 мм, гравировка и фрезеровка на мягких металлах, организация 3D рельефов на дереве и пластиках.

2.2 кВт - с цангой ER-16

Работы с металлами и твёрдой древесиной, гравировка и фрезеровка 3D рельефов на сталях, дереве и пластиках.

3 кВт - с цангой ER-20

Для 3D работ с твёрдой древесиной, акрилами, металлами и легкого фрезерования камня.

Работы с твёрдой древесиной и сталью. Используется при резке на большой глубине, когда мощности 3 кВт недостаточно.

4.5 кВт и более с цангами ER-25, ER-32

Работы по камню, мрамору и глубокой фрезеровки металлов и твердого дерева.

Тип шпинделя: с ременной передачей или со встроенным мотором.

В первом случае требуемая скорость вращения не превышает 12 000 – 15 000 об/мин. В то время как встроенный мотор гарантирует высокие скорости вращения без ограничений.

Крепление осуществляется с помощью цангового патрона. Разновидности: самозажимные, гидравлические, ручные, пневматические.

На оси шпинделя патрон может крепиться следующим образом:

тип 1 – через промежуточный фланец;
тип 2 – на фланцевые концы под поворотную шайбу по ГОСТ 12593 (конус);
тип 3 – на фланцевые концы шпинделей по ГОСТ 12595 (конус, сквозное крепление).

В стандартных станках применяются цанги ЕР11, ЕР16 и ЕР20, позволяющие зажимать инструмент с хвостовиком до 3,2 мм. Промышленные цанги ЕР25 и ЕР32 используют в случае размера хвостовика до 6 мм. Такой инструмент предназначен для фрезерования толстых слоев металла.

Воздушная – это своеобразный вентилятор на рабочем валу шпинделя. Минус системы – это забивание шпинделя продуктами фрезерования и возможный перегрев и выход из строя при низких скоростях вращения. Водяная система очень эффективна, но может привести к коррозии внутри охлаждающей рубашки.

Без качественного подшипника невозможно обеспечить высокие скорости вращения, необходимый вращающий момент и мощность к инструменту, хорошую нагрузочную способность и длительный срок службы шпинделя.

Типы подшипников – роликовые, роликовые конические, шариковые подшипники с угловым контактом. Критерии выбора подшипников зависят от спецификации шпинделя, как это показано в таблице.

Требования

Тип подшипников

Влияние на параметры

шпинделя

Малый угловой контакт

Малый вал, низкая мощность

Низкая скорость, большой вал

Аксиальная нагр. способность

Большой угол контакта

Малый угол контакта

ABEC 9, высокий преднатяг

Дорого, низкая скорость

Таким образом, шпиндель, актуальный для фрезерования с максимально высокой скоростью вращения, не может обеспечить высокой жёсткости; или наоборот, шпиндель с предельной жёсткостью не может создавать высокие обороты без значительного уменьшения срока эксплуатации подшипников.

Также решающую роль играет смазка подшипников. В зависимости от требований к шпинделю может быть перманентной или воздушно-масляной. Должным образом организованное техническое обслуживание продлит срок службы подшипников и шпинделя в целом.

Следовательно, конструкционные особенности шпинделя, в зависимости от поставленной задачи, должны обеспечивать следующие условия для обеспечения высокопроизводительной работы: необходимую мощность, скорость, вращающий момент, тип системы зажима инструмента, предельную точность и долговечность. В зависимости от этого подбираются необходимые подшипники, конструкция вала, двигатель, системы смазки и охлаждения. Особая роль уделяется подшипникам, так как часто шпиндели работают на максимально возможных скоростях и тем самым разрушают даже самые качественные подшипники для увеличения производительности. Также для исправной работы данного элемента ЧПУ необходимо точно подобрать тип цанг. Таким образом, при выборе шпинделя необходимо учитывать целый ряд компромиссов: от выбора пиковой мощности до подбора подшипников и типа системы охлаждения.

Шпиндель — важнейший элемент станка с ЧПУ. Он совмещает в себе мотор, который передает вращательное движение на фрезу или другой обрабатывающий инструмент, и удерживающую этот инструмент цангу. В нашей новой статье мы рассматриваем разные типы шпинделей для станков с ЧПУ.

Читайте материал, и определите, какой тип шпинделя подходит для решения ваших задач.

Содержание

Что такое шпиндель станка с ЧПУ

Шпиндель для фрезерного станка с ЧПУ — это компактный двигатель, совмещенный с цанговым самозажимным патроном. Шпиндель используется для фиксации режущего инструмента и придания ему вращательного движения. Чаще всего таким инструментом является фреза, но для некоторых задач используют точильный камень или сверло.

Шпиндели различают по основным техническим параметрам: режиму эксплуатации, типу совместимых материалов, мощности. Особенность шпинделя фрезерного станка с ЧПУ — исключительно высокая устойчивость к осевым и радиальным нагрузкам. Устройство обладает высоким запасом прочности.

От надежности механизма и мощности двигателя шпинделя зависит производительность фрезерного станка, максимальные габариты обрабатываемой детали, а также материалы, которые подходят для обработки. Подробнее о материалах мы поговорим ниже, но вкратце можно отметить, что маломощные устройства подходят только для работы по дереву и некоторым полимерам, например акрилу, а высокомощные позволяют обрабатывать мягкие металлы: алюминий, медь.

Классификация шпинделей для станка с ЧПУ

Существует ряд параметров, по которым различают шпиндели для станков с ЧПУ.

По направлению оси вращения

Вертикальный;
Горизонтальный;
Универсальный.

По максимальной скорости вращения

Низкоскоростные — до 2500 об/мин;
Среднескоростные — до 12 000 об/мин. Шпиндель получает вращение от электродвигателя, причем мотор работает через редуктор и смещен относительно оси шпинделя;
Высокоскоростные — до 18 000 об/мин, что требует повышенных требований к исполнению оборудования. В таких устройствах мотор зафиксирован на оси шпинделя;
Ультравысокоскоростные — до 70 000 об/мин.

По способу смены инструмента

Механизированные — состоят из штревеля и устройства зажима-разжима;

Ручные — состоят из штревеля, болта и цанги.

По типу привода

Чем выше скорость вращения шпинделя и чем мощнее мотор, тем сложнее и надежнее должно быть устройство, передающее вращающий момент на обрабатывающий инструмент. Распространенные типы привода в шпинделе:

Ременной — электродвигатель через ремень передает момент на расположенный рядом с ним вал. Преимуществом такой конструкции являются высокая скорость вращения, простота устройства, низкая вибрация. Однако у ременной передачи есть и недостатки — ограничение вращающего момента местом под установку двигателя, цена двигателя.
Зубчатый — для передачи крутящего момента используется коробка скоростей, которая установлена внутри шпиндельной бабки. Такие механизмы позволяют увеличивать крутящий момент от электродвигателя, но к недостаткам конструкции относится сравнительно низкая скорость вращения, обусловленная ограничениями кинематики (валов и шестерен). Чаще всего зубчатая передача встречается на станках с вращающим моментом на шпинделе больше 200 Нм;
С редуктором — такая конструкция позволяет увеличить крутящий момент с максимального значения на моторе в 400 Нм;
Прямой — в таком механизме электродвигатель находится над устройством для фиксации фрезы. Допускает вращение шпинделя с высокой скоростью, что удобно при чистовой обработке поверхностей;
Электрошпиндели — в одном корпусе совмещены и шпиндель и двигатель, что позволяет легко менять скорость вращения в широком диапазоне значений.

Особенности конструкции шпинделя для станка с ЧПУ

Конструкция шпинделя разработана с учетом высоких нагрузок в вертикальном и горизонтальном направлении. Для обеспечения высокой надежности шпиндели собирают в термоконстантных помещениях.

Чтобы устройство обеспечивало исключительную точность вращения, применяются специальные высокоскоростные подшипники. Торцы шпинделя расточены и отшлифованы под конус (ISO, BT, SK, HSK, Морзе и т.д.). Такое решение обеспечивает плотную посадку фрезерной оправки и точную установку фрезы. Для фиксация оправки с режущим инструментом необходимо внешнее усилие, которое обеспечивают набором тарельчатых пружин.

Основные элементы шпинделя — это неподвижный корпус, ротатор, набор подшипников, система полива СОЖ, а также шкивы, балансировочные кольца и другие вспомогательные детали.

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

Качество шпинделей для станков с ЧПУ принято описывать по таким параметрам:

Точность вращения — для определения параметра введены нормы ГОСТ 9726-89 п. 3.4.12, 3.4.15;
Статическая жесткость — значение, которое можно установить под воздействием сил, возникающих при обработке;
Износостойкость — параметр, который зависит от использованных при изготовлении материалов;
Виброустойчивость — находится в прямой зависимости от максимальной скорости вращения шпинделя.

Мощность шпинделя: как выбрать шпиндель для фрезерного станка?

Существует прямая закономерность — чем выше мощность шпинделя, тем выше производительность фрезерного станка с ЧПУ. Соответственно, на мощных модификациях допускается обработка металлических заготовок и деревянных плит большой толщины.

Типология шпинделей, в зависимости от мощности, выглядит следующим образом:

До 600 Вт — для сверловки или гравировки небольших деталей;
До 1400 Вт — для обработки твердых пород древесины и мягкого металла;
Свыше 1400 Вт — для сложных интенсивных работ по различным материалам.

Способы охлаждения

В зависимости от мощности и скорости вращения шпинделей, они могут дополнительно оснащаться системами охлаждения. Наиболее распространенные технологии:

без охлаждения — такая конструкция используется только на моторах со скоростью вращения меньше 4 000 об/мин;
Жидкостное охлаждение — примитивная система с циркулирующей жидкостью, через рубашку шпинделя, с накопителем около станка, в роли накопителя используется любая емкость, защищенная от попадания пыли и стружки;
Масляное охлаждение — масло охлаждается в холодильной установке, после чего прокачивается через рубашку шпинделя, что и обеспечивает теплоотвод.

Выводы

Как видно из нашей статьи, выбор шпинделей с определенными характеристиками зависит от условий эксплуатации. В одних случаях важнейшим параметром является высокий крутящий момент, в других — низкий уровень шума при работе аппарата. Определив для себя приоритеты в работе фрезерного станка, вы сможете быстро определить оптимальный тип шпинделя.

Приобретайте фрезерные станки с ЧПУ в Top 3D Shop — оригинальное оборудование с официальной гарантией, отзывчивая техподдержка и лучший возможный сервис к вашим услугам.

Особенности конструкции и технические характеристики

Шпиндель фрезерного станка размещается на каретке, переносящей его, оправку и исполнительный орган в трех плоскостях: по осям X, Y, Z.

Вращательное движение посылается непосредственно фрезе, не подвергаясь искажениям от промежуточных механизмов. Важнейшие технические характеристики шпинделей это мощность и частота вращения вала (количество оборотов).

В зависимости от мощности потребления определяются материалы, поддающиеся обработке данным оборудованием:

фанера, ДСП, МДФ, полимеры — 800 Вт;
дерево, текстолит, мягкие металлические сплавы (медь, бронза, алюминий) — 1500 Вт;
натуральный камень, стали — 3000 Вт и более.

Количество оборотов определяет режим работы инструмента. Наиболее распространенные функции:

гравировка;
раскрой;
фрезеровка.

К дополнительным режимам относят обработку специальными граверами, например, V-образными. Например, раскрой деталей из дерева выполняется двухзаходным резаком на 6 миллиметров при частоте не менее 20000 оборотов. Целесообразно приобретать шпиндель с запасом скорости вращения.

Важные свойства

Достаточно высокая эффективность работы: КПД может достигать 95%;
высокая надежность и прочность: качественно изготовленный узел очень прочен. Выточенная из бронзы головка практически не ломается;
конструкция обеспечивает длительную эксплуатацию без ремонтов и поломок.

Охлаждение

Во избежание перегрева и ухудшения прочности металла деталь необходимо охлаждать. Разработано два механизма охлаждения: с помощью воздуха или воды.

При водяном охлаждении через специально предусмотренные выемки в корпусе детали пропускается вода. Ей передается тепло от металла, далее она перетекает в специальную емкость. Не всегда удобно возле станка с ЧПУ держать бачок с водой, поэтому более популярны устройства с водяным охлаждением.

Воздушное охлаждение заключается в прогоне воздушного потока через выемки. Для этого на корпусе детали предусмотрены воздухозаборники. Единственный недостаток этого метода охлаждения — скопление грязи на фильтрах при работе с обильно пылящими материалами. Воздушным охлаждением оборудуется большинство современных моделей фрезерных устройств.

Так как шпиндель функционирует совместно с частотным преобразователем (инвертором), мощности их должны совпадать. В противном случае один из механизмов сломается. Устанавливая более мощную модель шпинделя, следует подобрать подходящий инвертор.

Самые подходящие шпиндели для настольного ЧПУ станка

В качестве шпинделя для маленького станка с ЧПУ можно подобрать одно из следующих устройств:

Ручной гравер. Недостаток гравера это небольшая мощность и низкая скорость вращения. Поэтому работать фрезерный аппарат с ЧПУ сможет только по мягким материалам и с небольшими фрезами.

Бормашина. Отличается тихой работой, плотным зажимом патрона. На малых оборотах двигателя практически не снижается крутящий момент, что является серьезным преимуществом по сравнению с гравером.

Шпиндели из моторов DC. Обладают неплохой мощностью — 0,4 кВт при скорости вращения 12000 оборотов в минуту.

слабое биение, позволяющее делать даже печатные платы;
тихая работа;
цанга удобного стандарта.

невысокая мощность;
необходим отдельный источник питания;
во время работы сильно греется, поэтому необходимо продумать охлаждение.

Видеоролик о том, как настроить шпиндель станка с ЧПУ китайского производства в МАСН и как настроить инвертор для управления шпинделем:

Обзор и сравнение шпинделей с охлаждением

Модель	ET65-0.8	ET100-3-220	ЕТ125-5.5	ET150-11
Напряжение, В	220	220	380	380
Максимальный ток, А	4	12	11	22
Мощность, кВт	0,8	3	5,5	11
Момент, Нм	0,32	1,27	2,2	8,75
Число полюсов	2	2	2	4
Внешний диаметр, мм	65,8	100	125	150
Цанговый зажим	ER11	ER20	ER25	ER40
Вес, кг	3	9	27	46
Цена, руб	25765	60712	128049	292705

ET65-0.8 ET100-3-220 ЕТ125-5.5 ET150-11
ET65-0.8 ET100-3-220 ЕТ125-5.5 ET150-11

Шпиндель является основным рабочим узлом электроинструмента и фрезерного оборудования. От его конструкции и мощности зависит, производительность работы, и какие операции он сможет выполнять.

Для каждого технологического процесса подходит определенный тип шпиндельных узлов. При выборе необходимо учитывать ряд характеристик оборудования. Любители мастерить могут сделать простой шпиндель самостоятельно, в домашних условиях.

Основные разновидности и назначение

Шпиндель является главным узлом на фрезерных станках всех типов. Его параметры входят в перечень основных технических характеристик оборудования. Режущий инструмент крепится на шпинделе и через него получает вращательный момент от основного привода.

Мощность узла во многом зависит от его конструкции. Все виды шпинделей условно делят:

домашние, до 1,5 кВТ;
промышленные, от 3 кВт.

Деление условное. На мощном оборудовании можно мастерить в гараже мебель и делать запчасти. На крупном предприятии массово делают гравировку, используя настольные станки.

Гравер

Шпиндель предназначен для выполнения гравировальных работ на станках с ЧПУ и других операций с малой глубиной обработки. Шпиндельный вал получает обороты непосредственно от двигателя. Скорость и мощность находятся в прямой зависимости. Крепление инструмента цанговое.

Гравером выполняют фрезерные работы:

обработка плат;
гравировка по металлу, стеклу и камню;
выполнение пропилов, пазов и других элементов глубиной до 1,5 мм на мелких деталях.

Граверы используют на фрезерных станках с ЧПУ для создания надписей, рисунков, других изображений по трафарету и программе. Производство деталей единичное и серийное.

Бормашинка

Отличается от гравера большой мощностью и патронным зажимом, устанавливаемым в конус шпинделя. Мощность узла стабильная, не зависит от оборотов.

Шпиндель типа бормашина устанавливается на оборудование для проведения работ:

глубокая гравировка;
создание 3D изображений;
изготовление объемных деталей из дерева и сплавов цветных металлов;
раскрой листов МДФ, ДСП, фанеры, пластика.

Шпиндель и ведущий вал стоят в одной оси, и соединены муфтой. Число оборотов регулируется на электродвигателе.

DC-мотор

В одном корпусе находятся электродвигатель и шпиндельный вал, соединенные жестко. Применяются на станках с ЧПУ для обработки металлов и мягких материалов. Скорость вращения до 12000 об/мин, мощность 400 Вт. Крепление инструмента цанговое.

отсутствие биения;
высокая точность;
низкий уровень шума.

Шпиндель конструкции DC-мотор устанавливают на фрезерные станки с револьверной головкой и коротким циклом операций. Регулировка оборотов инструмента производится через изменение режимов работы электромотора.

При большой скорости обработки, DC—мотор не относится к высокопроизводительному оборудованию. Время его работы несколько минут. Он быстро перегревается и требует остановки.

Прямошлифовальная машина

Вращательный момент с электродвигателя на шпиндель передается через редуктор. Мощность и частота вращения не регулируются. К прямошлифовальным машинкам имеется большой набор инструмента, которым выполняют:

зачистку наружных и внутренних поверхностей;
удаление заусенцев;
обработку углов и торцов;
фрезеровку по плоскости;
вырезку пазов.

При установке дисковой пилы, производится порезка и раскрой листовых заготовок из пластика, дерева, цветных металлов.

Профессиональный

Профессиональный узел предназначен для длительной работы с большими нагрузками. Он отличается от маломощных моделей:

имеет водяное охлаждение;
шпиндельный вал закреплен в шарикоподшипниках;
вращение передается через многоступенчатую коробку скоростей;
работает тихо.

Достоинство узла заключается в отсутствии в нем щеток. Они быстро изнашиваются, искрят и способствуют нагреву шпинделя.

Профессиональные шпиндели работают от трехфазного тока. Для установки их на домашнем оборудовании, требуется частотный преобразователь.

Критерии выбора

Выбор фрезерного станка начинается с анализа материала, с которым ему придется работать: металл или дерево. Затем анализируются технологические операции, объем работ. При выборе шпинделя, обращают внимание на его основные характеристики:

частота вращения;
мощность;
конструкция;
регулировка скорости;
способ крепления инструмента;
выполняемые работы;
тип охлаждения.

Стоит обращать внимание на ток, подключаемый к оборудованию.

Мощность

Выбор мощности шпинделя определяется твердостью обрабатываемого материала. Для дерева и плит, изготовленных с его отходов – ДСП, МДФ, достаточно мощности до 3 кВт. На оборудовании можно обрабатывать пластик, фанеру, делать гравировку.

Цветные металлы, их сплавы относительно мягкие, но имеют большой коэффициент вязкости. Чистый рез получается только при мощности до 6 кВт и частоте вращения от 18000 об/мин. Обработка стали и чугуна требует шпинделя с мощностью более 6 кВт, частотой вращения до 22000 об/мин. В зависимости от твердости и вязкости материала, режимы подбираются сочетанием скорости вращения и величиной подачи.

Способ фрезеровки

Фрезеровка производится встречным и обратным способом. Вращение инструмента направлено против движения детали или совпадает с ним.

Различают режимы обработки:

При силовом режиме обработка идет с большой подачей, на малых оборотах, за счет мощности шпинделя. Режущая кромка каждый раз захватывает толстый слой материала. Скоростной режим предполагает возможность инструмента вращаться с большой скоростью. Подача стола небольшая. Режим подходит для цветных металлов и дерева, гарантирует высокую чистоту обрабатываемой поверхности.

Охлаждение

Фрезерные шпиндели имеют 2 типа охлаждения:

Для охлаждения воздушными потоками в корпусе узла делаются специальные прорези. При вращении вала, происходит завихрение, холодный воздух втягивает снаружи. Система водяного охлаждения сложная в исполнении. Она должна быть герметична. Установленные на домашнем оборудовании шпинделя с воздушным охлаждением работают дольше.

На промышленном оборудовании за счет подшипников снижается трение и нагрев шпинделя. Достаточно воздушного потока. Коробка скоростей смазывается и охлаждается маслом. Двигатель имеет свою систему охлаждения – крыльчатку на валу.

Материал заготовки

Режимы резания и угол заточки режущей кромки подбираются под характеристики материала заготовки.

Дерево

Чистый рез получается при обработке древесины быстро вращающимся инструментом. Подача и глубина реза небольшие. Шпиндель подойдет высокооборотный, с мощностью до 1,5 кВт.

При обработке древесины в силовом режиме, на детали образуются сколы, трещины между волокнами, поверхность шероховатая.

Металл

Резка металла требует большой мощности и высокой прочности узла. Во время обработки детали, кроме вращательного момента, на шпиндель действует сопротивление. Его сила направлена перпендикулярно оси вращения.

Шпинделя по металлу имеют прочный массивный корпус, в основном чугунный. На валу установлены упорные и радиальные подшипники. Скорость вращения инструмента должна регулироваться в пределах 20–18000 об/мин.

Как изготовить своими руками?

Для изготовления шпинделя своими руками следует приготовить детали:

удлиненный вал;
подшипники;
бесколлекторный двигатель;
контролер;
шкивы;
корпус с проточенными посадочными местами.

Корпус обрабатывается изнутри, вытачиваются посадочные места под подшипники. Снаружи делается крепление для электродвигателя. Вал-шпиндель с насаженными на него подшипниками устанавливается в корпусе и крепится проходными крышками от осевого перемещения. Двигатель устанавливается снаружи. Вращение передается через контролера, для регулировки числа оборотов и ременной передачи.

Технические характеристики шпинделя определяют, что можно обрабатывать на станке и какие операции производить. При изготовлении фрезерного станка в домашних условиях, можно использовать в качестве фрезерного узла гравер, шлифовальную машинку и дрель. Более мощное оборудование под металл требует изготовления прочного шпинделя.

Читайте также: