Выбор шпинделя

Под шпинделем понимается двигатель, на который надет патрон (цанга) для удержания и вращения рабочего иструмента (фрезы, сверла, ножа, гравера). Шпиндели условно можно разбить на две группы — промышленные и любительские. Промышленный шпиндель - специально разработанное устройство, обычно рассчитанное на высокую боковою нагрузку, имеющее сложную систему охлаждения (воздушную или водяную) и смазку. Любительскими можно называть любую дрель или бытовой фрезер. Обращаем внимание, что обычная бытовая дрель рассчитана на продольную нагрузку, т. е. на сверление отверстий и потому имеет очень посредственные подшипники удержания вала. При работе на станке нагрузки преимущественно перпендикулярны оси шпинделя. Поэтому, качественный шпиндель имеет очень хорошие подшипники, рассчитанные на такие нагрузки. Промышленный шпиндель, как правило, не требует смазки и чистки на протяжении всего срока эксплуатации. Кроме того, специализированный шпиндель имеет так называемый цанговый зажим, хорошо отбалансированный, который позволяет зажимать инструмент со стандартным хвостовиком. Обычно в станках используется цанга ЕР11 или ЕР13, которая позволяет зажимать инструмент с рабочим хвостовиком 2,5 — 3,0 - 3.2мм. Вряд ли Вам потребуется промышленная цанга ЕР-25, она позволяет зажимать инструмент с хвостовиком 6мм. Это инструмент для снятия больших слоев металла. Предположим, что выбранные Вами направляющие просто не позволят работать с такой нагрузкой, т. е. конечно имеется фреза с рабочим диаметром 2мм при хвостовике 6 мм, и она будет так же эффективна как фреза с хвостовиком 3.2мм, но при использовании фрезы на 10мм при хвостовике 6мм у Вас деформируются направляющие, и результатом будет лишь поврежденный станок. Так что, не гонитесь за максимальным диаметром рабочего инструмента. Как я уже говорил, станок должен быть сбалансирован. Поэтому, остановитесь на цанге ЕР-13 — этого Вам будет достаточно на многие годы.

Что будет, если обычную дрель поставить на станок? Работать конечно будет, но по мере выработки подшипников, будет увеличиваться биение патрона и, соответственно, точность позиционирования инструмента будет уменьшаться. Кроме того, станок, обычно, при тонких работах, делает множество мелкошаговых проходов и шпиндель работает не один час. Дрель может перегреться и сгореть, или в ней сработает тепловая защита и она остановится. Так как управляющее ПО не имеет представления о состоянии дрели, то будет продолжать движение инструмента даже после остановки вращения. Это неминуемо приведет к поломке рабочего инструмента. Мощность шпинделя. Здесь правило — чем больше, тем лучше. Для мелких сверлильно-гравировальных работ достаточно 400-600 ватт. Для фрезеровки металлов и толстых слоев древесины достаточно 1000-1400 ватт. Как универсальный шпиндель, способный выжать из Вашей фрезы и системы подачи максимум — шпиндель на мощность выше 2000 ватт (2кВт).

Однако, здесь нужно оговориться. Фрезерование бывает двух типов — силовое и скоростное. Это будет рассмотрено отдельно, но пока достаточно понимать, что мы можем либо быстро крутить фрезу и медленно ее подавать, либо медленно крутить фрезу, но быстро ее подавать. Профессиональные станки используют силовое фрезерование — как самый быстрый способ выборки заготовки. Для этого в станок вводятся режимы резания, в которых указывается для конкретной фрезы максимальная скорость подачи, скорость заглубления, скорость вращения. Это позволяет выжать из инструмента максимум производительности, не перегревая и не повреждая его. Если Ваш станок не в состооянии развить необходимое усилие подачи (это важнейший параметр станка), то единственный вариант, который Вам остается — раскрутить шпиндель до максимальных оборотов и потихоньку передвигать по заготовке. Это и будет скоростное фрезерование. Возвращаясь к выбору шпинделя, исходя из вышеизложенного, нужно выбрать — или быстрый шпиндель или мощный, т. е. способный развить на инструменте максимальный крутящий момент. Дорогие специализированные шпиндели не требуют компромисса и могут развивать скорость выше 20 тысяч оборотов и при этом передавать на фрезу усилие более 2000 ватт. Практически, Вы будете фрезеровать на скорости вращения 8-15 тысяч оборотов. Но очень быстрое вращение не всегда хорошо. Например, дерево, если его выбирать очень маленькими кусочками, образует мелкую пыль, которая затирается между заготовкой и фрезой и начинает подгорать. Это приводит к перегреву фрезы и заготовки. Для этого нужен преобразователь частоты.

Отдельно отметим трехфазные шпиндели. Они имеют три провода питания, одну нейтраль и один провод заземления. Их нельзя напрямую подключить к бытовой (однофазной) сети. Для их подключения необходимо из одной фазы сделать три. Делается это с помощью преобразователя частоты. Устройство выпрямляет переменный ток и генерирует из него переменный ток другой частоты и фазности. Здесь необходимо отметить, что преобразователь частоты представляет множество сервисных функций. В частности, если входное напряжение всегда 50 Гц (в России) и поменять это Вы не можете, то на выходе устройство развивает частоту от 1 до 400 Гц в зависимости от уставки. Применительно к нашим задачам, это означает возможность установки частоты вращения шпинделя. Кроме того, преобразователь частоты может управляться от ПО станка, и программа автоматически установит необходимые обороты шпинделя в соответствии с таблицей скоростей для заданного материала. Более того, дорогие преобразователи частоты имеют в своем арсенале так называемое векторное управление двигателем. Это позволяет развивать больший момент на инструменте посредством косвенного (по фазовому сдвигу тока) определения фактической скорости шпинделя и своевременного изменения эпюры формируемых преобразователем частоты импульсов. Кроме того, частотный преобразователь позволяет установить скорость разгона и замедления оборотов шпинделя, что так же положительно сказывается на его ресурсе (хотя в некоторых источниках это опровергается). Так же, из сервисных функций частотного преобразователя можно отметить защиту от превышения тока потребления шпинделя, которая позволяет отключить шпиндель при выходе нагрузки за установленный порог вследствии, например, ошибки в выборе скорости подачи. И еще один важный момент — преобразователь частоты может выдавать сигнал готовности шпинделя, т. е. сигнализировать ПО, что шпиндель вышел на заданные обороты или отклонился от них. Это позволяет останавливать выполнение программы и сберечь инструмент при неожиданном отключении шпинделя. Таким образом, наличие преобразователя частоты сильно улучшает надежность и удобство использования шпинделя.

Система охлаждения шпинделя бывает воздушная или водяная. Воздушная — как у обычной дрели, где на валу шпинделя расположен вентилятор. Минус этой системы в том, что она, во-первых, работает как пылесос, всасывая в шпиндель все то, что вырезано из заготовки, а, во-вторых, эффективность работы вентилятора зависит от скорости вращения вала, что на низких скоростях вращения может привести к перегреву шпинделя и выходу его из строя. Водяная система лишена всех недостатков воздушной и очень эффективна. Но требует доработки гидравлики.