Шпиндели для фрезерных станков по металлу

Обзор шпинделей для фрезеров с ЧПУ (CNC)

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»).

Основное правило — это простота подключение, встроенная регулировка оборотов и та самая частота оборотов от 500 до 30.000 об/мин.

Цена таких малюток от 900 до 3000 рублей (рассматриваем китайские модели).

Основной недостаток всех коллекторных фрезеров — это большой шум издаваемый при работе. Из плюсов можно отметить небольшой вес (хотя для шпинделей под станок это особо не влияет).

  • Фрезер Kress 800 FME, 800 Вт, 10 000-29 000 об/мин.
  • Цена около 11.000-12.000 рублей.
  • Китайские аналоги будут стоять дешевле раза в 2.

Возьмём ещё для примера более «массивные» модели, которые имеют практически те же характеристики, что и перечисленные выше.

Читайте также:  Чем отличается металл от лома

Фрезер GKF 600 Вт 33000 об/мин, хотя эту модельку не назовёшь дешёвой, так как его цена около 13.000 рублей.

Стоит конечно учитывать — что чем меньше мощность фрезера, тем меньше производительности он будет иметь.

И естественно если рассматривать китайские аналоги некоторых моделей, то вполне приемлемая цена будет упираться в 3-4.000 рублей за 600-800 Вт.

  • Вот этот китайский малыш обойдётся всего за 3500 рублей, при 800 Вт и 30.000 об/мин.

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.

    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.

    Источник

    Шпиндели электрические

    Электрические шпиндели для станков с программным управлением

    Шпиндель – главный рабочий орган фрезерного станка с ЧПУ (непосредственно на предприятиях иногда используется название «главный привод»). Отличается от серийных электродвигателей бытового и промышленного применения характеристиками и конструкционными особенностями исполнения:

    • максимальное количество оборотов у шпинделя для фрезерного станка с ЧПУ выше;
    • на эти двигатели устанавливаются системы принудительного охлаждения;
    • поскольку ось шпинделя сильнее нагружается в радиальном направлении, в нем используются усиленные радиальные подшипники.

    Как подобрать шпиндель под конкретные задачи

    Основные критерии выбора при проведении модернизации станка – требования к мощности шпинделя и диапазону скоростей вращения. Причем рассматривать эти требования нужно в комплексе. Численные характеристики первого показателя определяются обрабатываемыми на станке материалами и развиваемым им усилием резания.

    Для фрезерования металла фрезами диаметром свыше 4 мм нужен шпиндель мощностью выше 2 кВт. Но есть один нюанс. Если обеспечиваемый приводами момент и прочность рамы станка и портала не дают применять силовое фрезерование (большая глубина резания, средние обороты, малые подачи), то используется скоростное фрезерование (ускоренные проходы с малым заглублением инструмента в материал), в этом случае мощность не так важна.

    Выбор скорости вращения шпинделя зависит от материала, который обрабатывается на станке, и типа используемого инструмента. При работе по металлу твердосплавная фреза диаметром 4 мм отработает на 10000 оборотов в минуту, но быстрорежущая таких режимов не выдержит даже при фрезеровании с малой глубиной резания и сгорит.

    Точка зрения «для обработки дерева нужны высокие обороты» не всегда оправдана – при малых подачах нарушается нормальное стружкообразование и образуется мелкодисперсная пыль, попадание которой между материалом и фрезой приводит к повышению температуры в зоне резания.

    В среднем для фрезерования хватает 8000-12000 оборотов в минуту, для гравировки – минимум 20000.

    Водяное охлаждение или воздушное

    Тип охлаждения шпинделя определяется спецификой решаемых на станке задач. Воздушное охлаждение отличается повышенным уровнем шума и резким падением эффективности при переходе на низкие обороты из-за замедления вращения крыльчатки, прогоняющей воздух через рубашку шпинделя. Особенно это критично при работе по металлу, поскольку потребляемая мощность возрастает и двигатель нагревается еще сильнее. Водяное дороже, но эффективнее, поскольку температура носителя не зависит от частоты вращения ротора.

    При замене шпинделя на сходный по характеристикам аналог потребуется перенастройка частотного преобразователя, а если подбирается шпиндель большей или меньшей мощности – его замена.

    Источник

    Поделиться с друзьями
    Металл
    Adblock
    detector