Общие сведения о шпинделях по металлу для фрезерного станка с чпу. Выбор шпинделя для хобби Обзор и сравнение шпинделей с охлаждением

В переводе с немецкого шпиндель означает «веретено». Без него не сможет работать большинство видов станков, в том числе и фрезерных. Потому что через шпиндель движение подается от двигателя на фрезу.

Особенности конструкции и технические характеристики

Это один из основных узлов фрезерного станка с ЧПУ, который представляет собой полый металлический вал. К нему крепится держатель для фрезы: оправка, цанга или «натяг». Чтобы оправка надевалась плотно, конец шпинделя выполнен в форме конуса.

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

Любой фрезерный станок по металлу и дереву с ЧПУ оборудован шпинделем (в переводе с немецкого слова «Spindel», то есть «веретено»), специальным устройством, представляющим собой вращающий вал, который передает вращательное движение фрезе, главному рабочему механизму станка.

Именно за счет шпинделя приводится в работу вся система станка с ЧПУ по металлу и дереву, и именно поэтому знать особенности данного устройства, а также правила его эксплуатации и как проводить его ремонт своими руками, предельно важно и попросту необходимо.

1 Общие сведения о шпинделях

Шпиндель, по сути, это обыкновенный вращающийся вал, который прикреплен к элементу фрезерного станка по металлу и дереву с ЧПУ. Этот механизм для фрезерного станка является двигателем передачи так называемого вращательного движения от прибора скоростей на станочную фрезу, являющуюся главным режущим инструментом.

В свою очередь прибор скоростей является механизмом передачи количества оборотов на вал фрезерного станка.

Именно от точности вращения вала, а также от виброустойчивости его бесколлекторного двигателя, зависит то, насколько точной и аккуратной будет происходить обработка деталей и запчастей станком с ЧПУ по металлу и дереву.

На самодельный или заводской фрезерный станок по металлу и дереву с системой ЧПУ шпиндель устанавливают на специальном подвижном портале, который в процессе работы перемещает шпиндель вместе с закрепленной в нем по трем осям: в плоскости станочного стола и по оси «Z» (то есть, в глубину).

Проще говоря, движение передает станочной фрезе через узел, без возможных дополнительных искажений от передаточных станочных механизмов.

1.1 Технические параметры

Шпинделя различаются как по техническим параметрам, так и по предназначению, существует:

• двухшпиндельный фрезерный станок с ЧПУ (для фрезерного станка с ЧПУ по дереву и металлу);
• с вертикально-поворотным действием (для произведения сложных работ своими руками по дереву и металлу на фрезерных установках с системой ЧПУ);
• электрошпиндель (в том числе и самодельный, изготовленный своими руками);
• самодельный, сделанный своими руками электрошпиндель или шпиндель с вертикально-поворотным механизмом работы. Как правило, данные детали, сделанные своими руками, имеют достаточно малый эксплуатационный срок и им нужен постоянный ремонт;
• шпиндель для обработки торца. В такой модели головка шпинделя соединена двумя твердосплавными кассетами, а также головка оснащена двумя кассетами для обработки фаски с заданным углом.

Кроме того, валы для фрезерного станка различаются еще по затрачиваемой мощности и предельно возможному количеству совершаемых оборотов.

Предельно возможное количество совершаемых оборотов определяется имеющимся де-факто режимом эксплуатации и работы станка и его сферы применения:

• гравирование;
• раскрой;
• фрезеровка.

Более того, имеются дополнительные режимы, где попросту неизбежно привлечение дополнительного инструментария. В целом же, для гравировальных работ чаще всего пользуются вертикально-поворотным шпинделем.

Для скоростной фрезеровки вертикально, наиболее предпочтителен электрошпиндель (в том числе самодельный электрошпиндель, произведенный своими руками).

Для работы со специфическими материалами каждый из возможных перечисленных режимов определяет необходимые требования, и именно поэтому станочные шпинделя следует приобретать с хорошим запасом вращающей скорости (наиболее предпочтителен в таком случае двухшпиндельный вариант, который можно изготовить своими руками).

Затрачиваемая мощность шпинделя полностью зависит от типа расходного материала. Например, мощности в 800 Вт будет более чем достаточно для точной и скоростной обработки картона и фанеры, тогда как шпиндель имеющий мощность в 1,5 кВт (двухшпиндельный вариант) идеально подойдет для фрезерной обработки пластика, древесины и различных тонких металлов.

Модель с мощностью 3-4 кВт и вертикально-поворотным механизмом работы будет наиболее предпочтительна для скоростной и точной обработки каменных элементов.

Узел частотного преобразователя станка (инвертор) без вала работать не может, и именно поэтому, дабы не допустить перебоев и различных поломок, требующих затем дорогостоящий и долгий ремонт, мощности двух этих механизмов всегда должны быть абсолютно идентичными.

Важно понимать, что в случае необходимости замены шпинделя (например, если производится ремонт) с небольшими рабочими оборотами на куда более мощный, обязательно следует убедиться в том, что был заменен и узел частотного преобразователя (инвертор).

1.2 Преимущества применения

Основные и наиболее значимые преимущества шпинделей следующие:

• предельно высокий коэффициент полезного действия (так называемый КПД), который достигает отметки в 80-95%;
• прочные элементы конструкции. Шпиндель весьма износоустойчив и прочен. Головка шпинделей новейших моделей и их внешняя оболочка сделана из бронзы и ей редко нужен ремонт;
• высокий эксплуатационный срок работы механических элементов шпинделя (головка, механизм крепежа и так далее), не требующих частый ремонт.

И все это благодаря тому, что как обычные шпиндели, так и шпиндели вертикально с двумя головками не имеют трущихся или же истирающихся элементов и у них почти полностью отсутствует эффект размагничивания магнитных элементов (головка, ротор и так далее).

2 Устройство и охлаждение

Ротор-магнит, который, как правило, изготавливается из редкоземельных прочных металлов, совершает вращательные движения внутри станочного статора имеющего обмотки.

Для бесперебойного и стабильного выполнения работы шпиндель фрезера оснащен трехфазными двигателями и специальным частотным преобразователем, который передает трехфазный сигнал на обмотку статора.

В процессе работы станочный шпиндель постоянно нуждается в хорошем охлаждении (что особенно применимо к вертикально-поворотным моделям), которое можно обеспечить лишь двумя известными способами: с помощью использования воды и с помощью использования воздуха.

Схема водной системы охлаждения представляет собой замкнутый контур, по которому циркулирует вода и попадает в специально предназначенные для охладительной системы полости шпинделя.

И хотя такая схема работы охладительной системы не всегда работает идеально (что особенно часто бывает на вертикально-поворотных моделях), но, как правило, такое охлаждение обычно справляется со своей обязанностью.

Схема же воздушной системы охлаждения несколько более сложная. Здесь прогон воздуха осуществляется через предназначенные для охлаждения так называемые «воздухозаборники» и специальные полости вала.

И, несмотря на то, что данный способ более предпочтителен и чаще всего используется для охлаждения валов, он имеет существенный минус.

Дело в том, что постепенно система воздушного охлаждения засоряется и требуется ее ремонт (особенно фильтры бесколлекторного двигателя и головка шпинделя). И случается это, как правило, чаще всего с пыльными материалами вроде древесины и на вертикально-поворотных видах шпинделей.

Поэтому, хотя и данный метод весьма эффективен, требуется постоянный ремонт и чистка, как фильтров воздушной системы охлаждения, так и ремонт всей конструкции в целом.

2.1 Полезная информация о фрезерных шпинделях (видео)

Шпиндель , является важнейшим конструктивным элементом такого оборудования. В этой детали закрепляется режущий инструмент, и именно она передает ему вращение.

Варианты шпинделей для фрезерного станка

Если вас интересует самый недорогой шпиндель для вашего самодельного , то для этого можно использовать серийный гравер. Мощность такого устройства составляет 125 Вт, а цена начинается от 500 рублей. Однако такой шпиндель имеет ряд существенных недостатков. На малых оборотах он выдает слабый крутящий момент, что не позволяет использовать его для обработки заготовок из металла. В связи с этим применять такой шпиндель можно только для гравировки и для обработки заготовок из мягких пород дерева фрезами небольшого диаметра.

Бормашинка

Второй вариант шпинделя для с ЧПУ, сделанного своими руками, – это бормашина, стоимость которой начинается от 2000 руб. По сравнению с гравером, такое устройство работает существенно тише, совсем незначительно теряет крутящий момент на небольших оборотах, отличается качественным патронным зажимом.

Шпиндель станка для фрезерования можно изготовить своими руками, используя DC-моторы, работающие от напряжения 12–48 В. Мощность таких моторов, способных развивать в минуту 12 000 оборотов, составляет 400 Вт. Такой шпиндельный двигатель отличается следующими преимуществами: отсутствием сильного биения и сильного шума при работе, использованием стандартной цанги ER11A.

Если дооснастить такой шпиндель несложным электронным устройством, то при помощи ЧПУ можно управлять числом его оборотов. Есть у такого шпинделя и недостатки, к которым следует отнести необходимость в дополнительном источнике питания, невысокую мощность, значительный нагрев при работе, что вызывает необходимость его охлаждения. Из-за невысокой мощности с таким шпинделем пригоден для обработки только мягких материалов.

Шпиндель самодельного фрезерного станка с ЧПУ из DC-мотора

В качестве шпинделя для самодельных станков с ЧПУ можно также использовать прямошлифовальные машины и фрезеры. Если вы возьмете в качестве шпинделя фрезер модели Энкор ФМЭ-850 Вт, то у вас в распоряжении окажется станок, на котором можно обрабатывать не только деревянные заготовки, но и изделия из фанеры и цветных металлов. Что удобно, в комплекте с таким фрезером идет цанга на 6 мм, для которой есть стандартные переходники 3 в 6 мм. Используя этот переходник, в такой шпиндель можно устанавливать фрезы с диаметрами 0,1–6 мм.

Не все модели фрезеров имеют в своем комплекте такую цангу, что не позволяет применять их для оснащения с ЧПУ. Есть у фрезера Энкор ФМЭ-850 Вт и недостатки, к которым относятся высокая шумность при работе и отсутствие в конструкции электронного устройства, отвечающего за изменение количества оборотов, что не позволяет использовать его для обработки полимерных материалов (для этого необходимы небольшие обороты фрезера).

Если на фрезерном станке с ЧПУ, который вы сделали своими руками, необходимо обрабатывать полимерные материалы, то в качестве шпинделя для него лучше использовать фрезеры торговой марки Sparky. Мощность таких фрезеров может варьироваться в пределах 500–1050 Вт. В конструкции моделей, мощность которых начинается с 750 Вт, предусмотрено электронное устройство, отвечающее за изменение количества оборотов, поэтому их можно использовать для обработки полимерных материалов (акрил, ПВХ, двухсторонний пластик, модельный пластик и др.). Для обработки таких материалов фрезер должен иметь возможность вращаться с небольшим количеством оборотов, не теряя при этом своей мощности. Это предотвращает нагрев в зоне обработки и плавление пластика, а высокая мощность обеспечивает достаточную производительность процесса фрезерования.

Оптимальными по соотношению «цена – качество» являются фрезеры торговой марки Kress, которые также можно использовать в качестве шпинделей для станков, оснащенных системой ЧПУ. Большим преимуществом таких фрезеров является то, что в их конструкции предусмотрена система, которая нормирует биение.

Профессиональный шпиндель

При желании можно оснастить свой самодельный фрезерный станок с ЧПУ профессиональным шпинделем, в конструкции которого предусмотрена система жидкостного охлаждения. Кроме эффективной системы охлаждения, в конструкции такого шпинделя есть 3–4 подшипника, что значительно повышает его надежность и точность обработки (здесь стоит заметить, что в шпинделях обычного бытового оборудования установлено только 2 подшипника). К достоинствам таких устройств следует отнести отсутствие в их конструкции быстроизнашиваемых щеток и низкий уровень шума при работе. Самым большим недостатком таких шпинделей является то, что их стоимость начинается от 7000 рублей. Кроме того, дополнительно придется потратиться на приобретение частотного преобразователя для системы охлаждения, который стоит порядка 6000 рублей.

Шпиндель для станка с ЧПУ своими руками

Чаще всего для станков с ЧПУ, которые сделаны своими руками, используют устройство для резки металла «Дремель» или китайские аналоги подобного оборудования, которые без проблем можно приобрести в любом городе РФ.

Между тем применять такие устройства в качестве шпинделя фрезерного станка не совсем правильно, так как они очень быстро приходят в негодность. Все дело в том, что в их конструкции предусмотрен только один упорный подшипник, что не дает им возможности длительное время воспринимать боковые нагрузки, характерные для фрезерной обработки.

Практически любая технологическая операция по фрезерованию древесины и металла выполняется с боковыми нагрузками на режущий инструмент и, соответственно, на конструкцию шпинделя.

Очень часто для самодельных фрезерных станков приобретают шпиндели, в которых установлены коллекторные двигатели. Такие устройства стоят недорого и хорошо работают на высоких оборотах, а на низких значительно теряют свою мощность. Этих проблем можно избежать, если установить на свой станок шпиндель с бесколлекторным двигателем.

В качестве готовой основы можно использовать недорогой фрезерный станок с ЧПУ, а для изготовления для него шпинделя своими руками вам понадобятся следующие комплектующие:

• электродвигатель бесколлекторного типа (NTM серии 50-50 580 KV/2000 Вт);
• удлиненный вал;
• контроллер для бесколлекторного двигателя;
• сервотестер.

Сервотестер, который необходим для регулировки скорости вращения шпинделя, можно приобрести самый недорогой. Важно только обращать внимание на удобство крепления такого устройства к самому фрезерному станку с ЧПУ.

Удлиненный вал такого двигателя позволяет закреплять фрезу непосредственно на нем при помощи цангового зажима. Для этого на вал двигателя посредством держателей устанавливаются два подшипника, два встроенных подшипника качения имеет также и сам двигатель. Собранная таким образом конструкция отлично противостоит боковым нагрузкам, возникающим при фрезеровании на станке не только металла, но и заготовок из мягкой древесины.

1 Самый бюджетный шпинделя для самодельного ЧПУ станка - гравер , рисунок 1, цена от 500р. Мощность 125Вт. Из минусов этого выбора - слабый крутящий момент на малых оборотах и в следствии этого подходит только для выполнения гравировки и для работ по мягким породам дерева маленькими диаметрами фрез.

Рисунок 1

2 Второй вариант шпинделя для самодельного настольного фрезерно-гравировального станка - бормашинка Proxxon , рисунок 2, цена от 2000р. По сравнению с недорогими граверами, можно отметить следующие плюсы: работает значительно тише, качественны патронный зажим, не так сильно теряет крутящий момент на низких оборотах.

Рисунок 2

3 Третий вариант для недорогого настольного ЧПУ это шпиндели из DC-моторов на 12...48В , рисунок 3. Мощность до 400Вт. Обороты до 12 000.Требуется отдельный источник питания шпинделя станка. К достоинствам данного шпинделя можно отнести: 1)достаточно низкое биение, что делает его хорошим выбором в качестве шпинделя для проводников при изготовлении печатных плат или при изготовлении моделей из 2) низкий уровень шума, 3) стандартная цанга ER11A. К недостаткам: 1) требуется дополнительный источник питания, 2) сравнительно маленькая мощность ограничивает возможности применения фрезами до 4мм, подходит только для фрезеровки по мягким материалам, 3) достаточно сильный перегрев в работе, что требует хорошего охлаждения, обдува, вентилируемого помещения.

Рисунок 3

В комплекте с электроникой возможно управление числом оборотов шпинделя рисунок 4, из программы управления станком MACH3 , для этого в контроллере управления станком предусмотрен ШИМ выход, обозначенный на корпусе как PWM.

Рисунок 4.

4 Следующий вариант шпинделя для недорогого настольного ЧПУ самостоятельной сборки это фрезеры и прямошлифовальные машины.
Фрезер Энкор ФМЭ-850Вт обладает достаточной мощностью для обработки любых материалов (дерево, фанера, цветные металлы). Очень шумный в работе. В комплекте есть цанга на 6мм, что позволяет с использованием переходника 3в6мм работать с различными диаметрами фрез от 0,1мм до 6мм. Стоит отметить что далеко не все фрезеры комплектуются цангой 6мм, например у распространенного Интерскол нет цанги 6мм, что не позволяет использовать фрезы менее 8мм и делает его малопригодным для использования на фрезерных ЧПУ станках. К недостаткам этого фрезера можно отнести отсутствие электроники поддержания стабильных оборотов, что затрудняет его использование для обработки акрила и других пластиков, обрабатываемых на низких оборотах. А также низкое качество подшипников, что ограничивает непрерывный режим работы временем 2часа. Этого времени вполне достаточно для вырезки слов из фанеры, или небольших до 10х10см резных 3Д картин и пано, 3Д изделия больших размеров потребуют существенно больше времени и потому использование этого шпинделя на 3Д изделиях большого размера приведет к повышенному износу подшипников и скорому выходу из строя.

Рисунок 5

5 Фрезеры Sparky , рисунок 6. Мощность от 500вт до 1050Вт. В моделях 750Вт и 1050Вт присутствует электроника поддержания стабильных оборотов, что позволяет использовать его для фрезеровки акрила(оргстекла), двухсторонних пластиков, ПВХ, модельного пластика и т.д. Обработка пластиков ведется на низких оборотах шпинделя, чтобы избежать плавления пластика, при этом требуется достаточная мощность чтобы обеспечить приемлимую производительность, скорость, и избежать перегрева в зоне фрезеровки и налипания пластика на фрезу. Для работ с пластиками используются однозаходные .

Рисоунок 6

6. Фрезер Kress. Наилучшее качество из сегмента недорогих коллекторных шпинделей для настольного станка изготовленного своими руками. Цена от 13т.р. Нормируется биение, что дает возможность отнести его к более высокому классу шпинделей. Высокая надежность, срок службы на станке ЧПУ станке для дома и малого бизнеса несравнимо выше всех выше перечисленных шпинделей и уступает лишь профессиональным бесколлекторным(асинхронным) шпинделям

7. Профессиональные шпиндели жидкостного охлаждения .

Достоинства: высока надежность, в конструкции таких шпинделей 3 или 4 подшипника, в то время как у бытовых коллекторных только 2, и отсутствие изнашиваемых щеток, присущих коллекторным моторам.

Точность сборки и высокое качество балансировки обеспечивают и минимальное биение на валу, которое необходимо для качественной обработки тонким и/или длинным инструментом.

Преимущество шпинделей жидкостного охлаждения над шпинделями воздушного охлаждения:

1) более тихая работа, за счет отсутствия шума создаваемого крыльчаткой принудительного обдува

2) возможность работы в некондиционируемых помещениях при повышенных температурах окружающего воздуха либо в стеснённых условиях, где нет возможности обеспечить нормальную циркуляцию воздуха.

3) возможность работы в помещениях с неочищенным воздухом в котором содержится пыль, шпиндели воздушного охлаждения при работе в запыленных помещениях могут собирать и накапливать абразивные частицы, которые приводят к повреждению механических узлов шпинделя

К недостаткам можно отнести только цену от 10000р и необходимость использования частотного преобразователя для питания(ещё 10000р) и системы охлаждения.