Шпиндель мотора с редуктором (2 видео)

Статья посвящена общему представлению о шпиндель-моторах, особенностях конструкции, а также их применения в промышленности.

В традиционном понимании шпиндель — это вал, который оснащен зажимным устройство для инструмента или заготовки, на который посредство ременной передачи передается крутящий момент от отдельного привода.

Мотор-шпиндель или иначе называемый электрошпиндель — это шпиндель, обладающей совмещённой конструкцией вала и двигателя. Совмещённый с валом электродвигатель исторически впервые появился на внутришлифовальных и сверлильных станках, где нужны большие обороты при малых диаметрах инструмента.

Шпиндель-мотор представляет собой корпус со статором, внутрь которого помещён вал с пакетом ротора. На передней и задней части вала устанавливаются высокоскоростные радиально-упорный подшипники, для обеспечения жесткости и точности, а также для восприятия осевых нагрузок.

В электрошпинделях создают преднатяг подшипников для увеличения жесткости. Чаще передние подшипники представляют собой дуплексные пары, иногда триплексы, в зависимости от параметров мотора и области его применения, что влияет на величину и разнообразность нагрузок, а так как большую часть напряжения воспринимает именно передний подшипниковый узел, его и усиливаю.

Сзади, чаще с завода стоят одиночные шарико-радиальные подшипники под преднатягом пружин, посредством чего такой подшипник работает, как радиально-упорный и способен к восприятия части несильных осевых нагрузок.

Вообще мотор шпиндели конструктивно похожи и как правило состоят из двух опор и самого электродвигателя (ротор и статор) Однако существует масса вариаций конструкции подшипниковых узлов, все это зависит от назначения шпинделя.

Например скоростные гравировальные и внутришлифовальные имеют по одной опоре спереди и сзади и преднатягом, заданным с помощью пружин, а чисто фрезерные моторы, как правило, имеют мощную переднюю опору по схеме DB, воспринимающую все нагрузки, и более мелкий подшипник сзади, поддерживающий вал и воспринимающий часть радиальной нагрузки через рычаг образованый инструментом, опорой и валом.

Мотор-шпиндель подключается к частотному преобразователю, посредством которого асинхронный двигатель раскручивает до необходимой частоты и, соответственно, нужных оборотов вала.

Широкое распространение мотор-шпниделей связано именно с развитием и удешевлением полупроводниковой преобразовательной техники, до этого момента преобразователи могли занимать целый шкаф и иметь вес десятки килограмм.

Шпиндель-моторы бывают двух видов: с автоматической и ручной сменой инструмента. Отличия у этих двух видом электрошпинделей выражаются в особенностях их конструкции.

Шпиндель-моторы с автоматической сменой инструмента конструктивно представляют собой корпус асинхронного электродвигателя с валом и пакетом ротора, а также внутри самого вала располагается механизм захвата инструментальной оправки.

В качестве зажимного элемента могут выступать металлические шарики или же металлические лепестки (под оправки стандарта HSK), для примера ниже показано фото механизма с металлическими шариками в качестве элемента зажима, сделанное во время ремонта шпиндель-мотора HSD ES919A:

Шпиндель-моторы с ручной сменой инструмента конструктивно проще, чем с автосменой. Для шпинделей с ручной сменой существует целый ряд стандартов присоединения инструмента.

Например, на фрезерных очень популярен внутренний конус 8 градусов стандарта ER, есть и другие варианты внутреннего конуса. на шлифовальниках распространено простое цилиндрическое крепление с резьбовым хвостовиком, на шлифовальных моторах с инструментами большого диаметра (диски) распространен внешний конус 1:5 или 1:10 так как в подобных электрошпинделях нет пружины, а вместо самого захватного элемента выступает резьба на валу, на которую накручивается инструментальная гайка с цангой соответствующего размера.

Читайте также: Какое масло нужно лить в редуктор скутера

Мотор-шпиндели имеют 2 типа охлаждения: жидкостное (при жидкостном охлаждении охлаждающая жидкость циркулирует под давлением внутри корпуса по специально отведенным каналам); воздушное (может быть реализовано с помощью охлаждающего вентилятора на задней части шпинделя или же посредством воздушного потока от пневматической системы). Жидкостная нужна для эффективного отвода тепла из небольшого и высоконагруженного двигателя и там, где очень много агрессивной пыли и брызги жидкости.

Воздушное охлаждение используется там, где среда не такая агрессивная, например, деревообработка, к тому же это проще конструктивно и дешевле.

Подобные мотор-шпинделя применяются при обработке различных типов материала, начиная от деревообработки и цветных мягких сплавов и до обработки чёрных металлов.

Высокоскоростные электрошпиндели имеют достаточно высокую популярность в области деревообработки. С автоматической сменой чаще всего устанавливаются на деревообрабатывающих центрах, с ручной сменой на станках, где обработка ведётся, большую часть, одним инструментов и не требует быстрой, постоянной смены.

Для примера представлены шпиндель-мотор с автоматической и ручной сменой инструмента.

С автоматической сменой инструмента HSD ES929 5.5 kW:

Содержание

Подбор шпинделя для фрезерного станка с ЧПУ
Шпиндель для станка с ЧПУ
Классификация двигателей для ЧПУ станка
Классификация по типу привода
Особенности конструкции шпинделя для станка с ЧПУ в зависимости от вида
Какими качествами должен обладать хороший шпиндельный узел фрезерного станка с ЧПУ?
Мощность шпинделя – как выбрать для фрезерного станка?
Способы охлаждения
🎬 Видео

Видео:#2. CNC 1419 - Обзор шпинделя 500W.Скачать

Подбор шпинделя для фрезерного станка с ЧПУ

Для осуществления такой важной операции обработки материалов, как фрезерование, необходимо обеспечить вращательное движение режущего инструмента с нужной скоростью, для чего и используется шпиндель. В станках с ЧПУ к этому важнейшему элементу конструкции предъявляются повышенные требования. С учетом этого шпиндель для фрезерного станка с ЧПУ требует особого внимания при выборе оборудования.

Видео:Видео-обзор "Как выбрать мотор редуктор"Скачать

Шпиндель для станка с ЧПУ

Когда рассматривается фрезерный станок (ФС) с ЧПУ, под шпинделем обычно подразумевается электродвигатель с валом, на котором установлено зажимное устройство для режущего инструмента (фрезы). В качестве зажимного устройства чаще всего используется самозажимной патрон цангового типа. В универсальных ФС возможна установка, помимо фрез, сверла, точильного камня и иного инструмента.

Шпиндель предназначен для придания режущему инструменту вращения с заданной скоростью. Для этого должна быть обеспечена передача крутящего момента от электродвигателя на рабочий вал с наименьшими потерями, с возможностью изменения направления вращения. Вторая важная задача – надежное крепление инструмента на валу. Дополнительно шпиндель обеспечивает защиту двигателя от перегрузок при тяжелых условиях обработки.

Видео:Червячные редукторы. Применения червячных редукторов и как правильно их подобратьСкачать

Классификация двигателей для ЧПУ станка

В зависимости от назначения ФС, двигатели для них можно разделить на 2 группы:

Для бытовых станков, в т. ч. изготовленных своими руками. В шпинделях устанавливаются электродвигатели небольшой мощности. Широко используются электродрели, бытовые фрезеры, бормашины, двигатели стиральных машин и т. п. В таких конструкциях подшипники не рассчитаны на значительные боковые нагрузки.
Для производственных целей. Применяются небольшие асинхронные двигатели повышенной мощности. Повышенные требования предъявляются к подшипникам, в частности часто используются керамические подшипники. Мощность поддерживается наличием системы охлаждения и подачи смазки в рабочую зону.

Другое важное разделение проводится по направлению оси вращения – вертикальное, горизонтальное, универсальное. В зависимости от расположения вала изменяется боковая нагрузка. Наименьшая нагрузка характерна для вертикального использования, но при этом повышается вибрация. При горизонтальном варианте увеличивается нагрузка на вал в вертикальном направлении, но вибрация гасится. Универсальные конструкции предусматривают возможность использования шпинделя в обоих направлениях. Для разных исполнений выбирается своя система передачи и применяются специальные вспомогательные приспособления.

Читайте также: Редуктор форд транзит 1992

Подразделяются двигатели и по скорости вращения:

Низкоскоростные с максимальной частотой вращения 2400 об/мин. Вращение, как правило, передается через редуктор (коробку скоростей).
Среднескоростные со скоростью вращения 2500–11900 об/мин. Вращение обычно передается с помощью ременной передачи и редуктора 1:1. Ось двигателя смещена относительно оси шпинделя.
Высокоскоростные со скоростью в диапазоне 12000–17900 об/мин. Вал двигателя соосен валу шпинделя (прямая передача вращения). При таких скоростях повышаются требования к патрону и инструменту.
Сверхскоростные (ультраскоростные). Они могут развивать скорость до 70000 об/мин. Обычно вал двигателя является валом шпинделя (мотошпиндели со встроенными обмотками).

Наконец, шпиндели классифицируются по способу смены инструмента: механизированные и ручные. В первом случае используются специальные штревели (например, типа ВТ или СК) и механизированные устройства зажима-разжима (например, пневматические тиски). В ручном варианте устанавливаются стандартные штревели, болты и цанга.

Классификация по типу привода

В ФЗ шпиндели подразделяются по типу привода следующим образом:

Ременная передача. Основные плюсы: повышенная скорость, простота монтажа, малая вибрация. Минусы: ограничения крутящего момента в зависимости от наличия места для двигателя, повышенная стоимость системы управления.
Зубчатая передача. Она обеспечивается коробкой скоростей через систему валов и шестерен. Плюсы: возможность автоматического регулирования скорости, компактность. Минус – относительно низкая скорость вращения. Чаще всего используется в ФС универсального типа.
С ZF-редуктором. Может обеспечивать передачу с моментом до 400 Нм и переключение скоростей 1:1 и 1:4.
Прямая передача. Она используется в высокоскоростных шпинделях. Скорость вращения инструмента ограничивается только скоростью вращения двигателя. Валы шпинделя и двигателя расположены по одной оси и соединяются муфтой.

Особо выделяется мото- или электрошпиндель. Это вариант совмещения шпинделя и двигателя в одном корпусе.

Видео:видео подбор мотор- редуктораСкачать

Особенности конструкции шпинделя для станка с ЧПУ в зависимости от вида

Шпиндели для ФС с ЧПУ имеют ряд особенностей:

Для обеспечения повышенной производительности станков используются высокоскоростные и сверхскоростные двигатели.
Для смены инструмента задействуется специальная программа остановки станка для смены инструмента. В промышленном оборудовании приоритет отдается механизированному способу. В программе может предусматриваться перемещение шпинделя или заготовки на удобное место для смены инструмента с последующим возвратом на место остановки процесса.
Ременная передача применяется в основном в ФС вертикального типа с большой скоростью обработки. При установке коробки скоростей или редуктора обеспечивается автоматическая регулировка скорости через ЧПУ, что особо важно в универсальных ФС и при работе с моментом выше 200 Нм. В бытовых и самодельных ФЗ часто применяется прямая передача от электродрели.

Важно! Конструкция шпинделя для ФС с ЧПУ подбирается так, чтобы обеспечивалась максимальная скорость обработки и возможность автоматизации процесса.

Видео:Как устроена блокировка вала на шуруповерте? / Как работает блокировка шпинделя на шуруповерте?Скачать

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

Для ФЗ с ЧПУ особо важно обеспечить следующие параметры шпиндельного узла:

Повышенная точность вращения инструмента. ГОСТ 9726-89 (п.п. 3.4.12, 3.4.15) устанавливает пределы допустимого биения конца вала (осевого, торцевого и радиального). Они должны строго соблюдаться. Для импортного оборудования действуют европейские стандарты.
Статическая и динамическая жесткость. Шпиндель не должен подвергаться деформации при действии нагрузок в процессе обработки даже очень прочных материалов.
Износостойкость. Детали шпинделя изготавливаются из высокопрочных металлов, стойких к истиранию. Особые требования устанавливаются для подшипников.
Минимальная вибрация. Станки с ЧПУ работают с большой скоростью, но вибрация должна гаситься. Наиболее сильно влияет она при чистовой обработке изделий.

Читайте также: Защищает ли редуктор давления от гидроударов

Надо учитывать, что качество обработки изделий во многом зависит от перечисленных параметров шпинделя.

Мощность шпинделя – как выбрать для фрезерного станка?

Чем больше мощность станка, тем больше у него возможностей. При использовании ЧПУ крайне редко устанавливаются предельные скорости вращения (а значит, и мощность), но резерв позволяет повысить производительность при необходимости. Другое дело, что с повышением мощности станка увеличивается и его цена, а значит, надо выбирать оптимальный вариант с учетом достаточности данного критерия.

Практические нормы устанавливаются с учетом назначения ФС. Для обеспечения сверления, неглубокой обработки (например, гравировки) или фрезерования мягких материалов достаточно иметь мощность порядка 600–650 Вт. Если ФС используется для обработки твердых пород дерева и металлов, то мощность нужна в пределах 0,8–1,5 кВт в зависимости от обрабатываемого материала. При желании иметь универсальный станок для любых изделий и наличии планов по модернизации оборудования рекомендуется иметь запас по мощности, т. е. выбирать станок с мощностью более 2 кВт. Следует также учитывать, что обработка на ФС с ЧПУ, как правило, осуществляется на скоростях в пределах 8000–15000 об/мин.

Способы охлаждения

При выборе ФС необходимо обратить внимание на систему охлаждения. Возможны такие варианты:

Без охлаждения или с естественным воздушным охлаждением. Такой принцип вполне применим при вращении инструмента со скоростью не более 4500 об/мин. На скоростях до 6000–8000 об/мин можно работать только кратковременно, не более 20-30 минут.
Водяное охлаждение. Подача воды в рабочую зону обеспечит возможность обработки со скоростью до 15000–16000 об/мин. Минус такой системы – необходимость в установке достаточно большого резервуара и обеспечения отвода стока.
Масляное охлаждение. Оно наиболее эффективно и обеспечивает работу с любой скоростью. Охлаждающая жидкость располагается в «холодильнике шпинделя» и циркулирует по его охлаждающей рубашке.

Обеспечиваться охлаждение может путем простого полива в рабочую зону или циркуляции жидкости под давлением до 25–30 бар. Для принудительной циркуляции используется специальная помпа, включаемая одновременно с электродвигателем.

Шпиндель фрезерного станка с ЧПУ является важнейшей его деталью, от которой зависит качество обработки и возможности оборудования. К нему предъявляются высокие требования, которые необходимо учитывать при выборе модели. Следует также учитывать, что шпиндельные узлы классифицируются по нескольким категориям, которые определяют назначение станка.