Выбираем шпиндель для фрезерного станка с ЧПУ

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.

Выбор шпинделя: скорость вращения

Выбор шпинделя по характеристикам мощности двигателя следует также делать, исходя из типа материала, который планируется обрабатывать. Каждый производитель публикует диапазон скоростей, в которых фрезерный станок может использоваться для резьбы металла или дерева. Усредненными значениями, обычно, считаются следующие:

Для неглубокой гравировки по дереву рекомендуются маломощные шпиндели способные совершать до 25 — 35 000 оборотов в минуту. Выбирая шпиндель, рекомендуется брать модель, которая демонстрирует максимум в заданном диапазоне. То есть, если вам понадобится только 24-30 тысяч оборотов, но есть возможность взять на 35, лучше сделать выбор в пользу последнего варианта.
Для мягких металлических сплавов (алюминий) понадобится 13 — 8 000 оборотов в минуту.

Почему для дерева требуется больше оборотов, чем для металла? Ответ, на самом деле, очевиден. Для каждого типа материала используются фрезы разного типоразмера. Для металла, например, используются цельные пластины из твердых сплавов диаметром не больше 16 мм. Второй аспект заключается в типе фрезеровки. Для обработки дерева применяется скоростная фрезеровка. Она подразумевает большой крутящий момент, но небольшую подачу. Для металла используется силовая фрезеровка, которая требует меньше оборотов, но при более интенсивной подаче.

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.

Что представляет собой шпиндель для станка ЧПУ и его основные параметры

Любой шпиндель представляет собой двигатель с установленным на него цанговым самозажимным патроном. Он необходим для надежной фиксации режущего инструмента, в качестве которого выступает точильный камень, фреза или сверло, а также передачи ему вращательного движения. Чтобы правильно выбрать шпиндель ЧПУ следует учитывать тип станка, его мощность, скорость вращения и прочие характеристики, отраженные в эксплуатационном паспорте.

Нужно понимать, что правильный выбор шпинделя имеет важное значение для качественной и безопасной обработки любой детали, а значит и для успешного производственного цикла. Для инструментов с большим диаметром (торцевые фрезы, концевые фрезы) выбирают шпиндели с низкой скоростью вращения, что позволяет выполнять более глубокие пропилы и эффективно удалять стружку.

Необходимо понимать, что неправильный выбор шпинделя может повлечь за собой быстрый износ и поломку оборудования. В таком случае потребуется ремонт шпинделя, включающий замену дефектных и изношенных деталей, восстановление геометрии вала, перемотку статора и балансировку ротора и шпинделя в сборе.

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.

Обзор шпинделей для фрезеров с ЧПУ (CNC)

Просмотров статьи: 1050

Существует множество разновидностей двигателей, которые можно применять в качестве шпинделей для станков по фрезеровке дерева и металла. Многие из них достаточно специфические и изготовляются конкретно под модели станков.

Обзор рассчитан на начинающих самодельщиков, чтобы дать общее понимание наиболее часто используемым шпинделям.

Но если говорить про малогабаритные фрезерные станках с ЧПУ, то в них используется в основном два вида двигателей, асинхронные (частотно-модулируемые) и коллекторные. Каждый вид шпинделя имеет свои преимущества и недостатки, давайте разберём на готовых примерах.

Основные виды шпинделей

Основные виды шпинделей для малых фрезерных станков ЧПУ подразделяются на:

Коллекторные, с воздушным охлаждением — скорость на валу от 0 до 35.000 об\мин.
Асинхронные с воздушным охлаждением (с управлением от частотно-модулируемого блока питания) — скорость на валу от 0 до 24.000 об\мин.
Асинхронные с водяным охлаждением (с управлением от частотно-модулируемого блока питания) — скорость на валу от 0 до 24.000 об\мин.

Коллекторные шпиндели с воздушным охлаждением

Коллекторные шпиндели (по факту это Фрезеры, но используются во фрезировальных станках ЧПУ) применяются в самодельных и промышленных станках (но по большей части в самодельных и малогабаритных), когда главная задача – сделать станок как можно проще и дешевле. Масса недостатков коллекторных двигателей покрывается его простотой установки и невысокой ценой (хотя не все модели подходят под параметр низкой цены). Главный недостаток выделить трудно, потому что все они очень неприятны. Коллекторные шпиндели, из-за наличия щёток очень громко шумят при работе, частота вращения вала может меняться, что часто зависит от нагрузки (а так же от входного сетевого напряжения). Это мешает точно задать нужные режимы фрезеровки, в итоге всегда оставляют запас в меньшую сторону (то есть в угоду запаса на непостоянную скорость, идёт увеличенное время обработки изделия).

«Коллекторники» требую регулярного ухода, длительная работа шпинделя требует частой замены щёток. Если в дрели вы меняете щётки раз в 2-3 года, при умеренном использовании, то в станке придётся это делать раз в 2-3 месяца, если не чаще. Щётки коллектора, излучают сильные электромагнитные помехи, а стёртые щётки могут сильно искрить, что может стать источником случайного воспламенения (как минимум, коллекторные двигатели нельзя надолго оставлять без присмотра). Коллекторные шпиндели ставят из-за их низкой стоимости, и простоте подключения. Помимо стирания щёток, так же стирается и сам коллекторный фал с контактными пластинами. При значительном износе коллектор приходиться либо менять, либо ставить другой шпиндель (фрезер).

Ниже наиболее распространённые коллекторные модели фрезеров (под шпиндели) от 50 Вт до 800 Вт:

Фрезер (бормашинка, или гравёр так же часто используют в малогабаритных фрезерных станках).

Фрезерная машинка Proxxon от 50 до 120 Вт (зависит от модели), при 5000-20000 об/мин.
Цены от 1000 до 2500 рублей (модели представлены просто для обзора).

Другие фрезерные машинки (дремель, бормашинки, гравёры, все так или иначе «Жужжат»).

Асинхронные шпиндели с воздушным охлаждением (коллекторные и бесколлекторные)

В станках с ЧПУ такие шпиндели применяются в комплекте с инвертором – устройством, преобразующим 1 фазу 220 вольт в 3 фазы по 200 вольт, а частоту сети 50 герц преобразует в более высокую, которую на выходе регулирует инвертор. Как правило, диапазон регулировок составляет от 0 (первый порог частоты может быть 100 Гр) до 400 герц, и это позволяет управлять оборотами шпинделя при помощи частоты в пределах от 0 (3.000) до 24.000 оборотов в минуту. Инвертор позволяет добиться стабильной частоты вращения независимо от нагрузки на фрезу, и почти неизменной мощности на валу независимо от частоты вращения. Эти шпиндели не имеют изнашиваемых щёток, что позволяет использовать их годами без техобслуживания. К недостаткам следует отнести зависимость температуры шпинделя от температуры окружающего воздуха, значительный нагрев корпуса шпинделя, и «жужжание» крыльчатки воздушного охлаждения, которая на высоких оборотах может стать причиной свиста. Кроме того, при использовании такого шпинделя с выключенной системой аспирации (стружкоотсос) поток с охлаждающего вентилятора шпинделя, может сильно раздувать стружку по помещению. Но, из-за отсутствия необходимости в подаче и циркуляции охлаждающей жидкости (как это сделано на шпинделях с водяным охлаждением) часто становиться причиной выбора именно такой конструкции.

К недостаткам бесколлекторных асинхронных шпинделей, как с воздушным, так и с водяным охлаждением, относится их высокая цена, плюс, стоит учесть дополнительный инвертор с блоком питания). Но всё же положительных характеристик больше:

Низкий уровень шума.
Низкий уровень вибрации.
Длительная бесперебойная работа.
Высокий крутящийся момент на валу.
Поддержание постоянных оборотов при разной нагрузке.

К недостаткам коллекторных асинхронных шпинделей можно выделить несколько моментов:

Изнашиваемость щёток (300-500 часов работы).
Изнашиваемость коллекторных медных пластин (~1000 часов).
*Время износа указано на основании примеров, хотя всё зависит от производителя, и может отличаться в 1,5-2 раза.

Асинхронные шпиндели с воздушным охлаждением производятся по сути именно для фрезерных станков, то есть в других областях их не используют.

Основная масса производиться в Китае, на Aliexpress можно найти сотни продавцов, но моделей всего около пару десятков.

Воздушные шпиндели производятся в основном до 800 Вт, хотя есть модели и 1,5 кВт, хотя их используют реже (может сильно греться, плюс высокая скорость оборотов вентилятора охлаждения будет создавать неприятны шум при оборотах выше 12.000).

Хотя конструкционно они проще выполнены и просты в эксплуатации, поэтому с воздушным охлаждением в продаже так же есть модели 800 Вт и 1,5 кВт.

В основном можно отметить четыре модели шпинделей на 200, 300, 400 и 500 Вт, которые имеют одинаковые характеристики по размерам, разница только по длине.

200 Вт 3000-12000 об/мин, крутящий момент 230 Нм/м.
Цена на Aliexpress от 1200 до 1600 рублей.
Модели малой мощности так же есть бесколлекторные и коллекторные.
*Без учёта крепления и блока питания!

500 Вт 0-12000 об/мин, крутящий момент 500 Нм/м.
Цена на Aliexpress от 1800 до 2500 рублей.
Есть коллекторные, есть бесколлекторные.
*Без учёта крепления и блока питания!

Все шпиндели этой категории имеют одинаковый диаметр — стандартные 52 мм, это упрощает их использование во фрезеровальных малогабаритных станках по дереву и металлу. И отличаются только по длине.

Шпиндели оснащаются цанговым зажимом ER11 или ER16, так же может использоваться и стандартный зажимной патрон от дрели. Малогабаритные модели идут в основном с цангой ER11.

Модель съёмника для цанг можно посмотреть тут.

Практически все шпиндели из этой линейки имеют толщину 52 мм, так что их установка входит в определённый шаблон.

Так как для увеличения мощности шпинделя бесконечно длину увеличивать не получиться, воздушные асинхронные шпиндели на 800 Вт и выше имеют другой диаметр.

Модели от 800 Вт и выше имеют диаметр от 62 мм и выше.

Как отличить коллекторный шпиндель от бесколлекторного

(Описание и заголовок добавлены в статью 10.08.2021 г.)

Так как большинство продавцов на Алиэкспрессе НЕ указывают в параметрах коллекторных шпинделей, что он коллекторный (да уж, так и есть) — неосведомлённый покупатель поймёт это только после того, как шпиндель начнёт работать с перебоями…

(Основано на собственном опыте).

Итак, всё достаточно просто.:

Коллекторные шпиндели имеют Один блок питания и выпускаются в основном до 800 Вт (хотя это не показатель). Но в основном большинство недорогих моделей 200-400 Ватт идёт с коллекторным (щёточным) исполнением.

Бесколлекторные шпиндели имеют Инвертор и Блок питания (хотя есть модели с цельным блоком, включающим инвертор и блок питания в одной коробке).

Примеры в картинках:

Коллекторные (щёточные) с простым блоком питания, с параметрами 48 Вольт и частотой тока 400 Гц:

Ниже Безколлекторные шпиндели.

*Инвертор в данной конструкции служит основным условием работы. В отличии от коллекторных-щёточных двигателей, здесь сам коллектор (ротор) состоит из маховика с магнитами, а на статоре расположены обмотки. Благодаря работе инвертора создаётся сдвиг электромагнитного поля в катушках. магниты ротора как бы затягиваются постоянно смещающимся электромагнитным полем, таким образом создавая вращение. (Это простое объяснение для общего понимания…).

Как видно из картинок, бесколлекторные шпиндели имеют отдельно инвертор и отдельно блок питания. Бескоолекторники на 800 Вт и выше имеют частоту оборотов до 22.000 и конструкционно имеют Четыре подшипника (как минимум на это следует обращать внимание).

Стоят они на 30-40% дороже чем коллекторные модели. Цена выше отчасти из-за наличия блока инвертора ну и технологически они несколько отличаются. Допустим коллекторник на 500 Вт с блоком питания будет стоять около 6.000 рублей, такой же бесколлекторник около 8.000 рублей (цена указана за комплект с блоками питания).

Обратите внимание на исполнение при покупке, как я уже написал, продавцы часто НЕ указывают что шпиндель с щётками, то есть коллекторный. Оно и понятно, срок службы такого мотора до ремонта (как минимум замены щёток) будет от 300 до 1000 часов, то есть износ продавцу на руку, так как всегда будут новые продажи… Хотя и бесколлекторные моторы не вечные, это тоже стоит понимать.

Кстати, стоимость переферии, то есть блока питания и инвертора обходиться примерно в 40% от общей стоимости шпинделя. Поэтому, допустим набор стоит 10.000 рублей (500 Вт шпиндель с инвертором и блоком питания+ доставка) а сам шпиндель стоит всего 4500. Поэтому при выходе из строя одного из комплектующих, стоимость замены будет ниже, чем общий набор. Так же стоит понитересоваться у продавца, не положит он в комплект дополнительный двигатель отдельно, ну, как вариант. Допустим у меня станок работает 20 чаосв в сутки, 6 дней в неделю, и при выходе чегото из строя — простой обходиться дорого, и ждать комплектующих с магазина иногда накладно.

Асинхронные (бесколлекторные) шпиндели с водяным охлаждением

Асинхронные шпиндели с водяным охлаждением имеют те же данные, что и с воздушным охлаждением, но имеют и свои неоспоримые плюсы:

Отсутствие крыльчатки делает такой шпиндель практически бесшумным водяная помпа обычно работает очень тихо). Шум от такого станка обычно идет от фрезы и от шаговых двигателей.

Водяное охлаждение поддерживает низкую температуру самого двигателя, что положительно сказывается на долговременную работу встроенных подшипников.

Так же большинство шпинделей с «водянкой» имеют частоту оборотов от 0 до 22-24.000 об/мин. Что в случае с воздушным охлаждением будет создавать высокий уровень шума.

Недостатки конечно есть — это необходимость оборудования системы шлангами охлаждения, емкостью для воды и водяной помпой. Так же стоит учитывать что вода в емкости будет всё же греться и нужно проводить её периодическую замену. В системе охлаждения рекомендуется использовать не простую воду, а антифриз — что снижает образование накипи, и предотвращает появление водорослей в воде.

Асинхронный шпиндель с водяным охлаждением на 800 Вт и 0-24.000 об/мин.
Цена на Aliexpress 8.500-9.500 руб.
*Стоимость Инвертора, блока питания и помпы не учтена!

К недостаткам асинхронных шпинделей, как с воздушным, так и с водяным охлаждением, относится их высокая цена. Хотя, судя по ценам на Aliexpress, стоимость шпинделей 500-800 Вт даже ниже некоторых коллекторных дорогих аналогов.
В малогабаритных станках самодельщики часто использую борфрезы, дремели, бормашинки, и подобные им фрезеровальные инструменты, иногда закреплённые даже простыми нейлоновыми стяжками… Хотя рукодельшики те ещё маниаки

Если ЧПУ используется в высокоточных ювелирных работах, то иногда используют высокооборотистые шпиндели с частотой вала до 60.000 об/мин. Но все их можно отнести к разряду спецоборудования и обычно не используются очумелыми ручками.

А вот и пример очумелых ручек. Хотя стоит отдать должное, очевидно владельцу «очумелых ручек» всего 15-16 лет и это похвально для такой работы. Конечно точность у такого станка практически отсутствует — но для ознакомления с технологией фрезерования с помощью ЧПУ — вполне приемлемо и похвально.