Шпиндель фрезерного станка: устройство, конус, чертеж

Как подобрать шпиндель для станка ЧПУ

Фрезерный шпиндель – это главный элемент любого станка ЧПУ. Его основная задача – быстро и качественно выполнять обработку заготовок. При этом он должен обладать способностью выполнять широкий спектр операций обработки, бесперебойно выполнять свои функции на протяжении всего срока службы.

При выборе станка ЧПУ для изготовления фасадов МДФ в первую очередь важно определиться с мощностью электродвигателя фрезерного шпинделя. Для обработки МДФ или дерева подойдут и малосильные двигатели мощностью до 2 кВт

Однако при этом время процесса фрезерования будет пропорционально мощности фрезерного шпинделя станка ЧПУ. Целесообразность использования подобных станков ЧПУ в промышленном масштабе под большим вопросом.

Чтобы за один проход раскроить панель МДФ, или выполнить профильную фрезеровку фасада потребуется силовой агрегат мощностью около 5 кВт. Чтобы использовать автоматическую смену инструмента, расширить диапазон применяемого инструмента, иметь возможность подключать дополнительные агрегаты – потребуется шпиндель мощностью 10 кВт и более.

Скорость вращения шпинделя при работе станка ЧПУ с фрезеровальным и гравировальным инструментом для обработки древесных материалов варьируется от 12 до 24 тыс. оборотов в минуту. Если же планируется использование дополнительных агрегатов, то электродвигатель шпинделя должен выдерживать нагрузку и работать без потери мощности на скоростях 3-8 тыс. оборотов в минуту.

При подборе фрезерного шпинделя станка ЧПУ нельзя забывать о таких параметрах как надежность и долговечность. Некоторые операции станка ЧПУ могут выполняться по несколько часов, и если в середине процесса потребуется заменить щетки коллекторного двигателя фрезерного шпинделя, можно не только упустить драгоценное время, но и потерять фрезу, испортить заготовку.

Современные фрезерные шпиндели для станков ЧПУ с асинхронным двигателем на керамических подшипниках (в том числе их китайские аналоги), с воздушным или водяным охлаждением, обладают запасом надежности и неприхотливостью в обслуживании весь срок эксплуатации. К тому же, набор дополнительных опций поможет обезопасить оборудование от перегрева, внезапных перегрузок, скачков напряжения в сети.

Классификация

При разнообразии фрезерных станков и шпинделей к ним проще их классифицировать по техническим характеристикам:

Фрезерный шпиндель поворотного типа. Часто изготавливается самостоятельно.
Вертикально-поворотные механизмы.
Оборудование с двумя шпинделями.
Механизмы, применяемые при работе с торцевыми частями.
Вертикально-поворотные конструкции для ручной обработки.

Если говорить о применении шпинделей в домашних условиях, можно выделить граверы. Их часто устанавливают на самодельных фрезеровочных станках. Однако, эти машинки имеют серьёзный недостаток. Из-за слабого крутящего момента, металл обрабатывается с большим трудом. Чаще всего таким оборудованием обрабатывают древесину или пластик.

Бормашинка

Часто эти приспособления сравниваются с граверами. Главное отличие — сохранение крутящего момента независимо от изменения оборотов. Также бормашинки комплектуются патронным зажимом и работают они тише, чем граверы.

Dc мотор

Специальный механизм, который комплектуется ЧПУ. Работает тихо и не создаёт вибраций. Благодаря наличию ЧПУ, появляется возможность изменять мощность при работе. Ключевой недостаток dc мотора — это плохая система охлаждения, и как следствие быстрый перегрев при работе с твёрдыми материалами. Чтобы не повредить металлические заготовки и не вывести двигатель из строя, требуется дополнительное охлаждение.

DC мотор

Прямошлифовальная машина

Часто это оборудование используют в качестве фрезеровочного шпинделя. С его помощью можно обрабатывать как дерево, так и металл. В комплекте отсутствует устройство для регулировки мощности, что снижает функционал прямошлифовальной машины. Также при работе с металлом она издаёт громкие звуки.

Фрезер sparky

Используется в качестве поворотного фрезерного шпинделя. Достоинствами этого оборудования является большая мощность, высокая производительность и возможность регулировать обороты. Также на фрезерах Sparky хорошее охлаждение, которое не позволяет обрабатываемым материалам перегреваться. Используются для работы с деревом и металлом.

Фрезер kress

Отличное соотношение цена/качество. Могут комплектоваться системами ЧПУ. Высокая производительность, возможность регулировать обороты. Возможно работать с различными материалами.

Профессиональный шпиндель

Это механизм, который был разработан специально для фрезерных станков. На нём устанавливается водное охлаждение, что позволяет работать длительное время без риска испортить заготовку. Характерные особенности этого оборудования — высокая точность и надёжность. Тихий при эксплуатации. Главный недостаток — высокая стоимость.

Разновидности шпинделей по типу использования

Шпиндели делятся в зависимости от предусмотренной мощности.

Маломощные шпиндели — работают в диапазонах 800-1000 Вт. Такие устройства подходят для работы с тонкой фанерой, стружечным композитными материалами и любым другим нетвердым древесным массивом.

Средняя мощность — шпинделей классифицируется диапазонами от 1500/2200 Вт и выше. Имея в распоряжении такой шпиндель, станок с ЧПУ может обрабатывать более твердую древесину.

Высокая мощность — шпинделя классифицируется диапазонами от 3500-6500 Вт и выше. Такие шпиндели могут обрабатывать твердые породы древесины и мягкие металлы, типо алюминия.

Шпиндели по металлу — у них отдельно вынесен шпиндель двигателя из-за чего у них более мощный крутящий момент на ту же мощность шпинделя. Втаком случае можность шпинделя будет зависеть также от желаемой скорости обработки металла и жесткости металла.

Важно отметить, что производитель шпинделя, вне зависимости от заявочной мощности, может давать рекомендации по типу использования. Некоторые шпиндели рекомендуются для раскроя и гравировки, а другие могут выполнять все типы работ, в том числе и фрезерную резку

Также, шпиндели делятся на две группы по мощности — от скорости вращения и от крутящего момента.

Тоесть шпиндель мощьностью 1,5кВт может быть разный по крутящему моменту или по скорости вращения. ДЛя твердых матерриалов важен больше крутящий помент, для мягких больше важна скорость вращения фрезы.

Конструктивное исполнение задвижки

Рассмотрим конструкцию задвижки, выбрав для примера клиновую, укомплектованную выдвижным шпинделем.

Рис. 1 Составные части

Основа изделия – корпус с отдельной крышкой. В собранном виде формируется замкнутая внутренняя полость, через которую движется рабочая среда. Здесь расположен затвор (клиновый).

Корпус может подсоединяться к участку трубопровода двумя имеющимися концами, которые могут предусматривать присоединение с использованием муфт, фланцев или сварки.

Во внутренней полости корпуса задвижки установлена пара сёдел. К ним прижимаются при закрытии поверхности затвора.

Для изменения положения затвора используется шпиндель в комплекте с гайкой. Данная винтовая пара позволяет перемещать затвор.

Клин, устанавливаемый в задвижке, имеет различное конструктивное исполнение:

жёсткий;
двухдисковый;
упругий.

( 2 оценки, среднее 4 из 5 )

Выбор типа шпинделя

Теперь представим конкретные разновидности, отметим их достоинства и характерные черты. Их следует учитывать при подборе детали.

Со встроенным электромотором (электрошпиндели)

Они:

Способствуют развитию очень высоких скоростей. При стандартных 18 000 – 24 000 оборотов в минуту, некоторые модели могут поддерживать и рабочие 120 тысяч об/мин.
Очень хорошо режут на больших скоростных режимах.
Имеют ограничения в нагрузках – оно продиктовано использованием небольших шариковых подшипников.
Не приспособлены для обратного хода. Отсутствие такой функции сильно затрудняет создание некоторых элементов, например, нарезку резьбы.
В качестве фиксаторов наиболее часто применяются конусы или цанговые зажимы.

Механические с внешним приводом

Они:

Имеют дело с намного меньшими скоростями. Стандартном можно считать от 300 до 8 000 оборотов в минуту. Это обусловлено тем, что довольно трудно привести в движение все подшипники, шестерни и прочие передающие движение элементы
Жесткость и нагрузочная способность больше. Почему? потому что можно использовать не только шарикоподшипники, но и более устойчивые – роликовые. Так что такое оборудование может быть использовано даже для силовой фрезеровки титана или других прочных металлов.
Есть обратная связь – при условии установки мотора с энкодером.
Применяются инструментальные конусы вместо цанг – последние не отвечают требованиям по жесткости фиксации.

Классификация

Разделить фрезерный шпиндель можно по техническим характеристикам и способу использованию.

Деление в зависимости от мощности:

Станки для работы с фанерой — 800 Вт. На маломощном оборудовании обрабатывается фанера, ДВП, ДСП, МДФ.
Оптимальная мощность для фрезерного станка по дереву с ЧПУ — 1500 Вт. С такой мощностью обрабатывают мягкие сплавы металлов, текстолит.
Оборудование мощностью от 3000 Вт. Подходит для стали, натурального камня.

Одновременно с разделением по мощности станки подразделяются по своему функционалу. Они могут использоваться для нанесения гравировки, раскроя металла и фрезеровки.

Также фрезерные шпиндели можно разделить на две группы в зависимости от использования:

Шпиндели, устанавливаемые в бормашинах, ручных фрезерных станках, дрелях.
Промышленные модели. Используются в станках, изготавливаемых для большого производства. Они способны выдерживать большие нагрузки, имеют износоустойчивые детали, керамические подшипники. Чтобы оборудование не выходило из строя из-за интенсивной работы, на него может устанавливаться дополнительно охлаждение. На поверхности с большим уровнем трения с помощью специальной автоматической системы подается смазка.

Если в качестве шпинделя используется дрель или бормашина, необходимо учитывать, что она не способна выдержать постоянные интенсивные нагрузки и подшипники начнут выть спустя короткий промежуток времени.

Станок для работы с фанерой

Классификация шпинделей для станка с ЧПУ

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

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 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.

Что представляет собой шпиндель для токарного станка

Шпиндель для токарного станка представляет собой вал с отверстием посередине. В него, в отверстие, вставляют заготовки будущих деталей. Изготавливают его из высокопрочной стали, так как на него постоянно ложится большая нагрузка. Теперь немного поподробнее.

Чертеж и конструкция устройства

То, какой конструкции будет шпиндель, зависит от большого перечня факторов. К примеру, от того, какие работы нужно будет выполнить, или от скорости, с которой будет происходить работа. Также в этот перечень можно внести виды станка, так как для разных видов нужен разный шпиндель.

Требования к шпиндельному узлу

В прошлом основным упором для данного узла были подшипники, на которых вращается шпиндель. Отклонение на них достигало около одного микрометра. Сейчас же всё поменялось: теперь требования к современным шпинделям усилились, и они изготавливаются при помощи либо магнитных, либо воздушных опор.

Это позволяет добиться намного лучших результатов, чем при использовании подшипников: теперь отклонения от нормы составляют лишь около двух десятых микрометров, что позволяет работать даже с самыми сложными деталями, не боясь выпустить брак.

Однако, две десятые микрометров не придел. При помощи маховика, который разгоняет шпиндель, можно добиться снижения погрешности до трёх сотых микрометров, что намного меньше предыдущего результата. Правда, такие работы должны выполняться после того, как маховик будет отключен. То есть, работы выполняются за счёт инерции, при помощи которой шпиндель продолжает движение.

Вот список требований, которым должны соответствовать шпиндельные узлы:

Точность. Это требование проверяется на основание того, для какого станка нужен шпиндель и применения.
Скорость обработки. Шпиндельные узлы вращаются всегда с разной скоростью (это зависит от вида). Если говорить грубо: чем быстрее — тем лучше. От скорости зависит, на каком уровне будет качество выполненной детали.
Жёсткость. Здесь всё не так, как со скоростью. То есть, чем ниже — тем лучше. Вычисляется он при помощи соотношения величины прогиба шпинделя и уровня радиального биения. Вычислив получившееся число у двух шпинделей, можно сказать: какой из них лучше.
«Время жизни». Этот показатель означает, сколько шпиндель сможет прослужить при выполнении предназначенных работ. Он зависит от того, какой подшипник используется при эксплуатации. Естественно, чем он хуже — тем быстрее сломается шпиндельный узел.
Устойчивость к вибрации. Естественно, при работе станок очень много вибрирует, что может привести к браку, если шпиндель не соответствует этому требованию. Если шпиндельный узел плохо переносит вибрацию, то уровень точности при работе будет заметно ниже.
Максимальный уровень нагревания. Это — одно из важнейших требований. При работе шпиндельный узел, из-за силы трения, сильно нагревается, а потому иногда ему нужно, так сказать, «отдохнуть» от работы. При сильном нагреве он может начать видоизменятся и поломаться, а потому нужно выбирать самый устойчивый к высокой температуре.
Максимально переносимый вес. Благодаря этому требованию можно определить — какого веса инструменты можно закреплять на шпиндельном узле. Также от этого показателя зависит размер используемого инструмента.

Учитывая все эти требования, которые предъявляют к шпинделю можно выбрать максимально хороший и подходящий для работ шпиндельный узел.

Назначение и принцип действия

Самым главным и, как следствие, основным назначением шпиндельного узла является закрепление на нём патрона, который в свою очередь предназначенных для зажима заготовки будущей детали.

Справка! Закрепление заготовки на шпинделе осуществляется благодаря специальному зажимному патрону, планшайбе или цанговому зажиму, которые крепятся на конце шпинделя.

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.