Шпиндель: устройство, обороты и момент, четыре схемы привода и конусы инструмента

Что такое шпиндель

Шпиндель — вал, который вращается в точных подшипниках и передаёт вращение на резание. На фрезерном станке и обрабатывающем центре он крутит инструмент. На токарном станке он крутит заготовку, зажатую в патроне.

Если станина и приводы подач из уроков 4 и 5 отвечают за то, куда приходит инструмент, то шпиндель — за то, с какой силой и скоростью он режет. Слабый шпиндель не даст снять много металла, нежёсткий — оставит вибрацию на поверхности.

Из чего состоит шпиндельный узел

• Вал. Стальной, точно обработанный и отбалансированный. Внутри у фрезерного шпинделя — механизм зажима инструмента, у токарного — сквозное отверстие для прутка.
• Подшипники. В шпинделях применяют прецизионные подшипники — например, радиально-упорные шарикоподшипники, которые ставят комплектом с натягом. Каталог SKF посвящает отдельные разделы тому, как натяг, смазка и схема установки подшипников влияют на жёсткость и допустимые обороты шпинделя.
• Зажим инструмента или заготовки. Во фрезерном шпинделе тяга втягивает конус инструмента и прижимает его к посадке; при смене инструмента зажим разжимается автоматически. На токарном станке на шпиндель ставят патрон или цанговый зажим.
• Двигатель и передача. Двигатель стоит рядом и передаёт вращение ремнём, редуктором или муфтой — либо встроен в сам шпиндель.
• Охлаждение. Подшипники и двигатель выделяют тепло, а нагретый шпиндель удлиняется и уводит размер. Поэтому узел охлаждают — жидкостью или воздухом.
• Подача СОЖ через шпиндель. Охлаждающая жидкость идёт по каналу внутри вала прямо через инструмент в зону резания. Это опция, важная для глубокого сверления и вязких материалов. Например, ZF выпускает редукторы шпинделя с каналом для СОЖ под давлением.

Обороты и крутящий момент

Двигатель шпинделя ограничен по мощности. Крутящий момент — это сила, с которой шпиндель проворачивает инструмент. Мощность пропорциональна моменту, умноженному на скорость вращения:

Пример: при одной и той же мощности 10 кВт на 10 000 об/мин шпиндель даёт около 9,5 Н·м, а на 1000 об/мин — около 95 Н·м. Обороты упали в десять раз — момент вырос в десять раз.

Теперь про материалы. Алюминий режут с высокой скоростью резания: небольшие фрезы крутятся быстро, момент нужен небольшой. Подробно — в статье «Фрезерование алюминия на ЧПУ». Сталь, нержавейка и титан требуют низкой скорости резания и большой силы резания, особенно на крупных фрезах и диаметрах — то есть большого момента на низких оборотах. Об этом — статья о фрезеровании нержавеющей стали и титана. Режимы для конкретного случая можно прикинуть в калькуляторе режимов резания.

ZF в каталоге двухступенчатых редукторов для шпинделей описывает ту же задачу: станок должен давать и высокие скорости для мягких материалов, и большие силы резания для твёрдых. Поэтому у каждого шпинделя смотрят график мощности и момента по оборотам, а не только две цифры «макс. обороты» и «мощность».

Четыре схемы привода шпинделя

Двигатель шпинделя управляется сервоприводом или частотным приводом: он сам меняет скорость и направление вращения. Механическая передача между двигателем и шпинделем нужна для другого — изменить соотношение оборотов и момента или вынести двигатель в сторону. Siemens, например, выпускает двигатели главного движения в исполнениях под ремень, под муфту и под установку двухступенчатого редуктора, а для мотор-шпинделей — отдельные встраиваемые двигатели.

Ременная передача

Двигатель стоит рядом со шпинделем, вращение передают ремень и два шкива. Передаточное отношение постоянное: обороты регулирует привод двигателя, а не ремень. Плюсы — простая и недорогая конструкция, двигатель и его тепло вынесены из шпинделя, ремень смягчает толчки. Минусы — ремень растягивается и изнашивается, его натяжение проверяют и сам ремень меняют при обслуживании.

Редуктор или коробка

Между двигателем и шпинделем стоят зубчатые колёса. Двухступенчатый редуктор работает в двух режимах: на прямой передаче сохраняет высокие обороты двигателя, на пониженной — по каталогу ZF, например, в 4 раза уменьшает обороты и во столько же раз увеличивает момент. Это выбор для тяжёлого резания, крупных фрез и больших диаметров на токарных станках. Точность редуктор не повышает, а сам он — ещё один узел, который изнашивается и требует обслуживания.

Прямой привод через муфту

Двигатель стоит соосно со шпинделем и соединён с ним упругой муфтой — без ремней и шестерён. Муфта передаёт момент и прощает небольшие перекосы валов. Плюсы — меньше деталей, которые изнашиваются, ниже вибрация от передачи, быстрый разгон и торможение. Минус — момент на низких оборотах ограничен самим двигателем: понижающей передачи нет.

Мотор-шпиндель

Двигатель встроен в шпиндель: его ротор сидит прямо на валу шпинделя. Siemens описывает такой узел так: мощность передаётся на шпиндель без каких-либо механических передач, а двигатель стоит между подшипниками, поэтому узел получается жёстким. Встроенные двигатели Siemens охлаждаются водой: тепло выделяется прямо внутри шпинделя.

Мотор-шпиндель — решение для высоких оборотов и быстрых разгонов и торможений, например в высокоскоростной обработке и при нарезании резьбы метчиком, где шпиндель часто меняет направление. Чем платят: момента на низких оборотах меньше, чем у шпинделя той же мощности с понижающим редуктором, а при столкновении или износе подшипников ремонтируют или меняют весь узел вместе с двигателем. Сколько шпиндель может работать на максимальных оборотах, определяет его паспорт — обещать «без ограничений» нельзя.

Конусы инструмента

Во фрезерном шпинделе инструмент ставят не напрямую, а в оправку (её ещё называют державкой), у которой есть стандартный хвостовик — конус. Шпиндель втягивает конус и центрирует инструмент. Три распространённых варианта:

Sandvik Coromant указывает, что у конуса 7:24 нет упора по торцу, поэтому ограничены жёсткость на изгиб и допустимые обороты. HSK благодаря упору по торцу держит инструмент жёстче и подходит для высоких оборотов. Тип и размер конуса задаёт шпиндель — поменять его потом нельзя, а у клиента может быть парк оснастки под определённый конус.

Что спросить клиента

• Какие материалы и какие инструменты: мелкие фрезы по алюминию или крупные фрезы и свёрла по стали?
• Нужен ли большой момент на низких оборотах — тогда смотреть шпиндель с редуктором или с мощным двигателем.
• Какой конус уже есть в цехе и сколько оснастки под него?
• Нужна ли подача СОЖ через шпиндель — для глубоких отверстий и сложных материалов.
• Для токарного станка: какой максимальный диаметр прутка, ведь он ограничен отверстием шпинделя.

Как объяснить клиенту

• «Обороты нужны для алюминия, момент — для стали и титана. Давайте посмотрим график мощности и момента, а не только максимальные обороты».
• «Редуктор даёт силу на низких оборотах, мотор-шпиндель — скорость. Универсального шпинделя под всё не бывает».
• «Мотор-шпиндель быстрый и жёсткий, но при ударе ремонтируется весь узел. Это стоит учесть, если в цехе работают начинающие операторы».
• «Конус определяет оснастку. Если у вас весь парк под один конус, выгоднее брать станок под него же».