Каждый специалист знает, насколько важны основные характеристики шпинделя при покупке обрабатывающего центра с ЧПУ: максимальная скорость вращения шпинделя, пиковая мощность мотора шпинделя, максимальный крутящий момент шпинделя.
Необходимая мощность зависит от материала который планируется обрабатывать. Крутящий момент, скорость и мощность очень важны при подготовке спецификации, когда вы готовитесь к покупке вертикального обрабатывающего центр, но есть и несколько других моментов, которые будут иметь решающее значение для общей производительности шпинделя и вашей удовлетворенности во вложениях, которые Вы сделаете при покупке вертикального обрабатывающего центра с ЧПУ.
Что внутри и почему это важно
Поскольку шпиндель состоит из множества встроенных элементов и систем, выяснить то, что вам нужно знать, потребует хорошей подготовки, научных исследований и задавания правильных вопросов. Что внутри и почему это важно? На первый взгляд, может показаться, что фактически шпиндель не делает многого на станке с ЧПУ — инструмент режет металл, стол перемещается, система управления движением контролирует точность перемещений, а программа сделает все остальное. Шпиндель не более, чем двигатель, который позволяет инструменту быть присоединенным к нему и принимает команды от сервопривода. Описанное выше может быть правдой — шпиндель не является слишком сложным, умным или красивым, но он действительно работает и переживает часто неправильное обращение. Величина нагрузок и износ, которые должен выдерживать шпиндель, означают, что дизайн шпинделя и качество деталей в шпинделе очень важны для его производительности и срока службы. Шпиндель действительно является сердцем обрабатывающего центра.
Качественные компоненты не только определяют долговечность шпинделя, они определяют, какие у шпинделя будут скорость, крутящий момент и вибрации. Когда вы начинаете изучать шпиндель, в центре обсуждения вы часто будете находить подшипники и подшипниковые узлы. Информация по ним просто поражает сокращениями и формулировками, ориентированием и схемами; O или DB монтажные версии против DF или X конфигураций; стандарты ABEC, и так далее. Исследование несущей системы шпинделя и обрабатывающего центра, охватывает основные моменты — материал, тип, расположение и смазку.
Подшипниковые системы шпинделя
В подшипниковых узлах шарики перемещаются между внутренней и внешней дорожкой качения (обоймой) из стали. Материал, используемый для шарикоподшипников, влияет на температуру, вибрацию и продолжительность жизни шпинделя. Гибридные керамические подшипники обеспечивают явные преимущества по сравнению с обычными шарикоподшипниками из стали.
Преимущества гибридных керамических подшипников:
Меньшая масса
Керамические шарикоподшипники имеют массу на 60 процентов меньше, чем масса стальных шариков. Это важно, поскольку в работе шарикового подшипника, особенно на высоких скоростях вращения, центробежные силы выталкивают шарики на наружное кольцо и даже начинают деформировать форму шарика. Когда подшипник начинает деформироваться, он начинает изнашиваться быстрее и ухудшается. Керамические шарики с меньшей массой, не будут изнашиваться с той же скоростью. Использование керамических шариков позволяет увеличить скорость вращения до 30 процентов при заданном размере шарикоподшипника, без ущерба для срока службы.
Исключение холодной сварки
Керамические шарики не вступают в реакцию с дорожками качения стали, что исключает состояние, которое называется холодной сваркой — одной из основных причин отказа подшипника. Холодная сварка происходит при проходе шариков по материалу дорожки качения и вызывает износ поверхности. Холодная сварка надкалывает материал, когда подшипники вращаются и создает шероховатость поверхности качения, что приводит к выделению тепла и выводит подшипники из строя.
Работают при более низких температурах
В связи с почти идеальной круглостью керамических шариков, гибридные керамические подшипники работают при значительно более низких температурах, чем стальные шарикоподшипники, в результате чего увеличивается срок службы подшипника.
Уровень вибрации ниже
Испытания показали, что шпиндели использующие гибридные керамические подшипники проявляют более высокую жесткость и имеют более высокие собственные частоты, что делает их менее чувствительными к вибрации, в результате чего увеличивается срок службы подшипников.
Типы подшипников
Существуют различные типы подшипников. Радиально-упорные подшипники наиболее часто используются в высокоскоростных шпинделях. Эти подшипники обеспечивают точность, устойчивость к нагрузкам и скорость необходимую для резки металла. Точность шариков установленных в стальных обоймах подшипников обеспечивает точность работы, осевую и радиальную устойчивость к нагрузкам подшипников. Другой тип подшипников который иногда используются в шпинделях — конические роликовые подшипники с цилиндрическими роликами. Роликовые подшипники обеспечивают более высокую устойчивость к нагрузкам и большую жесткость, чем шарикоподшипники, и используются в шпинделях с конкретными требованиями к частоте вращения и нагрузками. Часто производители шпинделей используют оба типа подшипников в различных частях шпинделя, в зависимости от типа нагрузок, которым подшипники должны противодействовать.
Смазка
Правильная смазка подшипников имеет очень важное значение. Есть несколько систем, которые производители станков используют, чтобы поддерживать подшипники смазанными, это: масляный туман, воздушно-масляная смазка, смазка маслом и смазка импульсной воздушно-масляной струей. Такие системы иногда необходимы для скорости шпинделя свыше 18 000, но они добавляют расходы на техническое обслуживание и повышают стоимость замены шпинделя. Кроме того, эти системы смазки необходимо контролировать, чтобы убедиться в правильном соотношении количества масла и воздуха и / или тумана.
Подшипники с постоянной смазкой являются лучшим вариантом для минимизации расходов по обслуживанию и замене. С подшипниками с постоянной смазкой, вам не придется возиться со смазкой — она внедряется во время сборки шпинделя. Подшипники могут быть заправлены консистентной смазкой (постоянной смазкой) поставщиком.
Типы шпинделей
Шпиндельная технология предлагает различные способы для привода шпинделя: ремни, шестеренчатые привода, встроенным мотором и моторшпиндели. При выборе шпинделя с ременным приводом, убедитесь, что ремень прост в обслуживании и легко доступен, чтобы минимизировать затраты на обслуживание. Кроме того, тип ремня будет влиять на уровень шума машины. Ремень с профилем «елочкой» — тише, чем другие конструкции ремней, так как он рассеивает захваченный воздух, чтобы уменьшить шум. Шпиндели с шестеренчатым приводом добавят цену к стоимости станка, они могут быть шумными и требуют большего ухода, чем их конкуренты с ременным приводом. Но был момент, когда с зубчатой передачей шпинделя были предпочтительнее, чем с ременным приводом шпинделя, но достижения в области материалов и дизайна ремней доказали, что это гораздо более дешевая альтернатива в обслуживании станка. Встроенный шпиндель (иногда называемый шпинделем с прямым приводом) соединен непосредственно с двигателем. Встроенные шпиндели обеспечивают отличное качество поверхности, гладкую и более тихую работу. Другой тип шпинделей – моторшпиндели, с двигателем встроенным в шпиндель. Эти шпиндели обычно используются, когда необходима более высокая скорость вращения (свыше 16000 об/мин). Эти шпиндели являются более дорогостоящими по сравнению с ременными шпинделями. Независимо от типа шпинделя, двигатели, которые вращают шпиндель, не представляются чем-то особенным. Моторшпиндели, имеющие двигатели с двумя наборами обмоток, называются двойными шпинделями. Они обеспечивают более высокое режущее усилие и снятие материала. Однофазные электродвигатели используются там, где не требуется высокий крутящий момент и высокие скорости.
Враги шпинделя
Двумя главными врагами шпинделя являются: (1) Тепло -и (2) загрязнения (а именно, стружка и протекание охлаждающей жидкости в подшипниковые узлы). Исторически сложилось, что наиболее распространенной причиной отказа шпинделей был выход подшипника из строя в связи с попаданием в него загрязнений от охлаждающей жидкости, конденсации, загрязнения или повреждения от стружки. В большинстве случаев загрязнители попадают в шпиндель по причинам некачественных уплотнений. Для предотвращения попадания загрязнителей внутрь шпинделя производители конструируют системы продувки шпинделя воздухом (запирающий воздух) с лабиринтовыми уплотнениями с положительным давлением воздуха. Двойная система продувки воздухом, система с двумя контурами (как правило, верхним и нижним) является одним из конструктивных решений, чтобы удерживать загрязнители снаружи шпинделя.
Температура является другим фактором, который приводит к проблемам шпинделя. Так как тепло заставляет сталь расширяться, производители стараются принимать меры для защиты шпинделя от заклинивания. Теплообменники или чиллеры (наиболее распространены) используются, чтобы держать шпинделя прохладном состоянии и регулировать рост температуры узлов шпинделя. Система охлаждения шпинделя увеличивает срок жизни шпинделя и снижает риск заклинивания, особенно при запуске длинных циклов обработки или высоких рабочих режимов. Выбор чиллера зависит от станка. Для высокоскоростных обрабатывающих центров внедряются системы тепловой стабилизации. Эта система использует термостат с масляным охладителем для автоматического охлаждения шпинделя по мере необходимости.
Другим фактором, влияющим на шпиндель является качество используемого инструмента. Использование несбалансированного инструмента, изношенного инструмента может повлиять на долговечность ваших шпинделей.
Оснащение системой охлаждения инструмента
Как и на шпиндель, температура может оказывать негативное влияние на инструмент и оснастку. Во избежание этого, шпиндель оснащается гибкие соплами, либо кольцом с каналами для подачи охлаждающей инструмент жидкости (СОЖ). Сопла могут быть как регулируемыми, так и нет. Очевидно, что большое количество сопел имеющих возможность регулировать направление потока охлаждающей жидкости, является преимуществом, т.к. помогает охватить широкий диапазон длин инструмента без частых перенастроек. Система подачи охлаждающей жидкости через шпиндель (CTS), как правило, рекомендуется при обработке при 12000 оборотах в минуту и более. CTS также рекомендуется при низких оборотах для определенных приложений и рабочих циклов.
Стоимость замены
Так же, как и шины на автомобиль, вам, возможно, потребуется заменить шпиндель на обрабатывающем центре. В вашем рвении принять решения о покупке нового обрабатывающего центра, убедитесь, что вы смотрите вперед, в день, когда ваш шпиндель необходимо будет заменить. Вы должны знать, сколько это будет стоить, наличие вашего типа шпинделя у поставщиков и сложность его замены.
Резюме
Шпиндель является рабочей лошадкой вашего станка. Убедитесь, что производитель вашего обрабатывающего центра проработал конструкцию шпинделя серьезно и вложил средства в качество компонентов, которые помогут продлить срок эксплуатации шпинделя вашего станка.