Охлаждение шпинделя. Конструктивные схемы водяной системы охлаждения шпинделя

Ребят, мы построили систему охлаждения для своего ЧПУ и делимся с вами всей документацией на случай, если вы захотите такую же.

Настал тот день, когда появилась возможность привести в порядок охлаждение шпинделя: вышел из строя китайский насос. И мы подумали, что пора перестать прятать канистру с тосолом и насосом под станком и сделать что-то, что было бы не стыдно поставить на видное место. Мы же бюро промышленного дизайна, в конце концов!

Вот так выглядело хозяйство сразу после поломки:

Такая канистра прогревалась до 60С, если станок работал 5-6 часов зимой, и до 70С летом. При этом температура корпуса шпинделя по показаниям инфракрасного термометра имела температуру в сопоставимом диапазоне: от 60 до 75С. Этого хватало впритык, но в ближайшие пару недель виднелся довольно большой заказ на обработку и мы приняли решение сделать охлаждение с запасом.

У нас в закромах оставалась кое-какая водопроводная мелочь и пара красивых биметаллических термометров от одного из прошлых проектов, которые хотелось уже куда-то приобщить. Также у нас довольно дорогая электроэнергия и совсем дешевая холодная вода, поэтому водопроводную мелочь мы решили пустить на организацию второго контура, который бы остужал тосол.

Справа от станка у нас висит щит с электрикой: частотный преобразователь, блоки питания, дампер и прочее. Все смонтировано на листе оргстекла, вырезанного лазером, и мы не стали отходить от заданной стилистики.

После пары часов моделинга получилась вот такая схема:

На левой стенке располагаются две «американки» на 1/2" для подключения проточной воды. К ним присоединены переходники с цангой на силиконовую трубку 10мм, которая спиралью продевается в отверстия кассеты (та, что с ручкой).
По силиконовой трубке будет течь проточная холодная вода и через стенку трубки остужать тосол. Не супер эффективно, но в нашем случае вполне достаточно.
Вся конструкция подвешивается к стене, поэтому в дно бака вмонтирован кран на 1/2" для слива на случай, если потребуется все снять для обслуживания или просто перевесить.
Биметаллические термометры справа тоже имеют резьбу 1/2" и закреплены контр-гайкой через силиконовую прокладку. На гильзу верхнего термометра будет литься теплый хладагент, и термометр будет показывать его температуру на входе. Гильза нижнего термометра расположена рядом с входным отверстием погружного насоса и показывает температуру выходящего потока.

Суммарно получилось 12 деталей различной толщины: боковые детали и дно решено было сделать из листа толщиной 10мм чтобы было удобнее сверлиться и нарезать резьбу, а заднюю стенку и лицевую панель - 6мм. Мы подготовили контуры для раскройки в DXF, составили спецификацию и отправили нашим друзьям на лазерную резку. На следующий день получили детали и примерно половину дня потратили на сверление граней, нарезание резьбы и снятие фасок.

Затем провели пробную сборку:

Все отлично собралось, и на следующий день мы поехали забирать погружной насос из пункта выдачи интернет-заказов. Выбран был насос для фонтанов ЗУБР ЗНФЧ-20-1.6. Довольно компактный и с характеристиками как раз под нашу задачу.

Пришло время финальной сборки. Все стыки проклеили, винты затянули и оставили сушиться. Видео сборки можно посмотреть вот здесь:

Все просушилось, и мы успешно установили агрегат. Теперь это выглядит вот так:

Итого, потребовалось:

12 деталей из оргстекла
2 фитинга «американка» на 1/2"
2 биметаллических термометра
1 кран на 1/2"
5 силиконовых прокладок на 1/2"
россыпь крепежа М4х0,5
тюбик силиконового герметика
4 метра силиконовой трубки 10мм
погружной насос ЗУБР ЗНФЧ-20-1.6

Общая стоимость: около 6 тыс.руб.

Всю документацию, включая модель и развертки в DXF для лазерной резки мы собрали в архив и разместили вот здесь.

Фрезерные станки осуществляют контактную механическую обработку резанием. Под действием сил резания острый клин инструмента (фрезы) отделяет частицы материала с образованием новой — обработанной — поверхности заготовки. Для преодоления межмолекулярного притяжения и отделения частиц материала необходимо приложить достаточно высокую энергию. Её генерирует шпиндель — главный силовой элемент фрезерного станка. Он предназначен для крепления режущего инструмента, передаче ему крутящего момента, а также перемещения над заготовкой в соответствии с программой обработки (маршрутом движения фрезы).

Конструктивно, шпиндель фрезерного станка представляет собой мощный асинхронный электродвигатель переменного тока. Вал электродвигателя установлен в радиально-упорных подшипниках — для компенсации воздействия осевых нагрузок при вертикальном движении фрезы, а также компенсации нагрузок в горизонтальной плоскости при движении инструмента вдоль маршрута обработки. Торец вала шпинделя имеет конус Морзе для установки цангового патрона. Последний служит для закрепления фрезы, предварительно установленной в цангу соответствующего диаметра.

Все узлы шпинделя объединены в едином неразборном корпусе со встроенной системой охлаждения. Для агрегатов небольшой мощности (до 500 Вт) в основном применятся система воздушного охлаждения. Более мощные шпинделя (от 1 кВт и выше) оснащены системой водяного охлаждения.

Жидкостная система охлаждения шпинделя

Любая жидкость (особенно вода) обладает гораздо большей теплоёмкостью, чем воздух. Поэтому для мощных шпинделей, нуждающихся в интенсивном теплоотводе, применяется жидкостная система охлаждения. Её конструкция представляет собой специальную «рубашку» (полости внутри корпуса шпинделя для прохождения жидкости), куда под давлением подаётся теплоноситель. Базовой охлаждающей жидкостью является вода, однако для предотвращения коррозии может использоваться тосол или иные смеси (см. ниже).

Наибольший нагрев при работе шпинделя испытывает обмотка асинхронного электродвигателя и подшипники вала. Именно их «обнимает» рубашка охлаждения — избытки тепла поглощаются циркулирующей жидкостью. Для подвода/отвода жидкости корпус шпинделя оснащён специальными штуцерами (по этому признаку легко отличить шпиндели с водяным охлаждением от «воздушных»). Штуцеры соединяется гибкими шлангами с жидкостным насосом и теплообменником. Ещё одним компонентом системы является ёмкость для хранения запаса жидкости. В некоторых системах охлаждения ёмкость также может играть роль теплообменника.

Конструктивные схемы теплообменников

Нормальным температурным режимом работы фрезерного станка с ЧПУ является нагрев шпинделя не выше 50 °С (на ощупь шпиндель должен быть горячим, но не обжигающим). В случае чрезмерного нагрева шпинделя (особенно при продолжительном фрезеровании на форсированных режимах), интенсивность теплообмена системы охлаждения приходится увеличивать.

Как отмечалось выше, простейшим теплообменником может являться ёмкость для хранения жидкости. Металлические стенки ёмкости достаточно хорошо рассеивают тепло нагретой воды. А в случае необходимости, эффективность такого пассивного радиатора можно повысить, обеспечив надёжный контакт металлической ёмкости с металлической же рамой фрезерного станка. Массивная рама обеспечит отличное рассеивание тепла нагретой жидкости, сливающейся из шпинделя в ёмкость.

Другой вариант теплообменника — трубчатый змеевик-радиатор от бытового холодильника. Для интенсификации теплоотвода змеевик также можно закрепить на металлической раме станка. Хорошим примером эффективной системы является конструкция, где в качестве теплообменника используется радиатор отопителя от автомобиля ВАЗ-2106. К нему следует приобрести электровентилятор подходящего диаметра (рассчитанный на питание от сети переменного тока, напряжением 220 В). Жидкостным насосом в такой системе будет являться аквариумная «помпа» (также рассчитанная на 220 В). Все компоненты системы охлаждения собираются в едином корпусе, обеспечивающем надёжное крепление агрегатов. Важным требованием к системе является её герметичность, поэтому монтаж компонентов и всех соединений нужно проводить очень тщательно.

Готовые решения

Хорошим вариантом организации системы охлаждения является использование готовых решений из смежных областей. Например, для фрезерных станков с относительно маломощными шпинделями (до 1 кВт) может применяться система охлаждения микропроцессора ПК. Такая система уже укомплектована жидкостным насосом (помпой), бачком для охлаждающей жидкости, радиатором со встроенным вентилятором и всем соединительными шлангами.

Ещё более эффективным средством будет использование специального чиллера для систем охлаждения лазерных станков. Чиллер представляет собой единый агрегат, содержащий трубчатый радиатор, вентиляторы обдува, электронные терморегуляторы и ёмкость для жидкости. Чиллер обладает высокой производительностью и позволяет гибко регулировать температуру охлаждающей жидкости. К единственному недостатку перечисленных систем можно отнести их высокую стоимость (по сравнению с самодельными решениями).

Виды охлаждающих жидкостей

Самой простой (и в большинстве случаев рекомендуемой производителями станков) доступной и дешёвой охлаждающей жидкостью является вода. Для исключения отложения осадка внутри каналов рубашки охлаждения шпинделя следует применять дистиллированную воду. Однако следует учитывать, что со временем в воде размножаются бактерии, и в системе охлаждения образуется слизь (в том числе и внутри шпинделя). В результате значительно снижается теплоотвод. Кроме того, даже дистиллированная вода вызывает коррозию металлических элементов шпинделя.

Для одновременной борьбы с коррозией и с микроорганизмами следует в качестве охлаждающей жидкости применять тосол (водный раствор этиленгликоля). При использовании герметичной системы охлаждения, испарение жидкости практически исключено, поэтому расходы на долив/замену тосола не потребуется. В принципе, можно использовать автомобильный антифриз (то же тосол, но с пакетом специальных присадок), но фирменная смесь будет дороже простого раствора этиленгликоля (спирта) в воде. Кроме того, ряд присадок фирменного антифриза образуют белёсый налёт на трубопроводах, что также снижает теплоотвод и затрудняет циркуляцию жидкости в системе охлаждения.

Следует помнить, что этиленгликоль является сильнейшим ядом! При эксплуатации системы охлаждения, заправленной тосолом или антифризом, необходимо соблюдать крайнюю осторожность!

Правильнее этот вопрос задать так: какой вид охлаждения шпинделя больше подходит для решения задачи? Этим вопросом обычно, задаются те, кто конструирует новый станок или модифицирует существующий. В любом случае, тот факт, что существуют оба вида охлаждения означает, что каждый из них обладает своими преимуществами. Проще всего сделать правильный вывод ознакомившись со всеми достоинствами и недостатками обоих видов охлаждения.

Шпиндель с воздушным охлаждением:

Обычно имеет конструкцию вытянутой прямоугольной формы и легкого сплава. Сам корпус вместе с внутренними воздушными каналами и образует охлаждающую поверхность. Для принудительной вентиляции, на верхний вал шпинделя насажена крыльчатка, протягивающая воздух через каналы. Нижний вал оснащен цанговым зажимом для крепления инструмента.

Такие шпиндели часто можно встретить на деревообрабатывающих станках, и тому есть несколько причин. Рассмотрим подробнее все плюсы и минусы шпинделей с воздушным охлаждением.

Достоинства:

Сложившаяся конструкция таких шпинделей такова, что при одинаковой мощности в сравнении со шпинделем с водяным охлаждением, они имеет куда более массивную и мощную конструкцию, что положительно сказывается на ресурсе шпинделя и величине выдерживаемых нагрузок. Особое значение это приобретает при деревообработке, так как фрезы для таких видов работ часто не имеют хорошей балансировки, и могут иметь довольно крупные размеры.
Так же при сравнимой мощности, эти шпиндели имеют больший размер цанги, таким образом расширяются возможности по применяемому инструменту.
Огромным плюсом является большая автономность, шпинделю с воздушным охлаждением требуется подвести только питающий кабель, в отличие от шпинделя с водяным охлаждением, у него отсутствуют трубки с охлаждающей жидкостью, которые требуется проложить через все гибкие кабель-каналы. Эта особенность особенно заметна в случае установки шпинделя на большие станки, более 3м.

Недостатки:

Как мы уже говорили, конструкция шпинделя с воздушным охлаждением более массивна и рассчитана на большие нагрузки, поэтому это сказывается на его стоимости. Цена шпинделей с воздушным охлаждением несколько выше, чем у шпинделей с водяным охлаждением.
У шпинделя с воздушным охлаждением есть опасность перегрева при работе на пониженных оборотах, и за того что крыльчатка закреплена на валу, и при снижении оборотов объем охлаждающего воздуха снижается. Положение усугубляется, если шпиндель работает при высокой температуре наружного воздуха.
Крепление шпинделя выполнено таким образом, что невозможно регулировать го положение по высоте, если на станке не предусмотрена специальная переходная пластина, это может вызвать некоторые затруднения при ограниченном ходе по оси Z станка.
Поток охлаждающего воздуха у шпинделя с воздушным охлаждением достаточно сильный и раздувает срезанный материал в стороны, поэтому в этом случае требуется довольно мощная система удаления пыли и стружки.
Вентилятор охлаждения достаточно шумный, поэтому применять такой шпиндель на станках, где используется инструмент и материал не дающих шума не целесообразно (гравировальные машины, резка воска и модельного пластика).

Шпиндель с водяным охлаждением:
Достоинства:

При сравнимой мощности по сравнению с воздушными, имеют ощутимо меньшую стоимость
Более компактные размеры шпинделя
Для шпинделя с водяным охлаждением характерна достаточно бесшумная работа, при условии, что фреза сама не производит сильного шума. Это свойство позволяет создать станок, который можно эксплуатировать в не специализированных производственных помещениях.
Цилиндрическая форма шпинделя и крепление хомутом позволяет легко регулировать высоту шпинделя, и расширить возможности станка при работе с длинными фрезами и высокими заготовками.

Недостатки:

Главным недостатком шпинделя с водяным охлаждением является все навесное дополнительное оборудование для охлаждения: трубки, радиатор, вентилятор, насос и расширительный бачок. Хотя все эти компоненты и нельзя назвать дорогостоящими, однако их размещение на станке и обслуживание требует временных ресурсов.
У шпинделя с водяным охлаждением есть опасность коррозии внутри охлаждающей рубашки, что может вызвать попадание охлаждающей жидкости внутрь обмоток с последующим полным выходом из строя.

Важные замечания при эксплуатации шпинделей:

Для шпинделей с воздушным охлаждением:

старайтесь не давать шпинделю работать на низких оборотах, это может вызвать его перегрев и выход из строя
следите за состоянием каналов охлаждения, и за тем, чтобы они были свободны для воздуха, протекающего через них, а также, чтобы входное отверстие было свободно от посторонних предметов.
не рекомендуется применять шпиндели с воздушным охлаждением в среде, содержащую водяную или масляную взвесь.

Для шпинделей с водяным охлаждением:

если вы хотите чтобы шпиндель прослужил долго, и не возникло проблем с его корпусом и обмотками из-за коррозии, ни в коем случае не используйте обыкновенную воду для охлаждения шпинделя. Мы рекомендуем оснащать шпиндель полностью замкнутой системой охлаждения, заправленной специальной жидкостью. Этой жидкостью могут служить любые составы, которые применяются для систем охлаждения автомобилей. Допускается разбавлять эти жидкости чистой дистиллированной водой, так как опасность замерзания всей системы отсутствует. Смысл применения именно охлаждающих жидкостей, заключается в их антикоррозийных свойствах.
часто встречаются случаи эксплуатации шпинделя без системы охлаждения, из-за того что питание насоса сделано независимо от питания шпинделя, и оператор может забыть его включить. Мы рекомендуем подсоединить насос так, чтобы он автоматически включался при работе станка и шпинделя.
используйте подходящий насос или помпу для прокачки охлаждающей жидкости. Частой ошибкой является применение насоса, который не рассчитан на длительную непрерывную работу или насоса с негерметичными электрическими соединениями, например некоторых моделей топливных насосов.
для укладки линий охлаждающей системы в гибкие кабель-каналы, используйте трубки достаточной жесткости, чтобы избежать их перегибов при работе машины. Также некоторые виды трубок могут сильно терять свою форму уже при температурах выше 40°С, поэтому их применять также не рекомендуется.

Под фразой «шпиндель для фрезерного станка с ЧПУ» обычно принято подразумевать двигатель, с установленным на него цанговым самозажимным патроном (как на ручной фрезерной машинке), который служит для фиксации режущего инструмента, такого как фреза, точильный камень, сверло и т.д, и передачи ему вращательного движения с большой скоростью.

Классификация

Их можно разбить на 2 небольших группы – это домашние и промышленные:

К домашним относятся различные бормашины, маленькие бытовые фрезеры или дрели.
К промышленным же относят двигателя, рассчитанные выдерживать высокие нагрузки в процессе работы, имеющие керамические подшипники и, зачастую оснащенные сложной системой жидкостного или воздушного охлаждения и системой подачи смазки непосредственно на участки с большим уровнем трения и нагрева.

При использовании в домашнем станке ЧПУ дрели в роли шпинделя, необходимо понимать, что ее подшипники не рассчитаны на высокую боковую нагрузку и очень быстро начнут «выть», что может привести к высокому нагреву обмоток, уменьшению мощности на валу, и в последствии такой шпиндель просто сгорит.

В данном случае охлаждение не поможет, и необходимо дорабатывать саму дрель, а именно: заменить шариковый подшипник вала на роликовый (желательно с керамическими роликами), жестко зафиксировать его в корпусе и позаботится о постоянном наличии смазки в нем.

Особенности шпинделя зависимо от вида

В основном, во время работы фрезерных станков, все нагрузки перпендикулярны оси шпинделя, а параллельные нагрузки появляются только в момент врезки в тело заготовки. Именно поэтому, необходимо выбирать двигатель, который сможет выдерживать такие нагрузки на протяжении большого периода времени, поскольку работа фрезерных станков может быть непрерывной в течении суток и даже более.

Шпиндели, предназначенные для промышленных целей, не нуждаются в постоянной чистке и смазке подшипников на всем сроке эксплуатации, но, если вы начинаете замечать посторонние звуки в его работе на холостом ходу, лучше все же разобрать корпус двигателя, выдуть изнутри сжатым воздухом все загрязнения (если таковые присутствуют) и хорошо смазать подшипник специальной смазкой, не теряющей своих свойств при высоких температурах.

Помимо всего, промышленный шпиндель оснащен качественным цанговым патроном, имеющим минимальное биение при работе, обеспечивая необходимую точность обработки, минимальную разницу между фактическим и реальным размером фрезы и позволяющий зажимать фрезы с обычным цилиндрическим хвостовиком.

Цанговые зажимы

В основном, самыми распространенными являются цанги типа ER11 и ER16, в которую становится сверло или фреза с диаметром хвостовой части от 2.5 до 3.2 мм, даже если она сделана конусом. Также существуют и патроны, рассчитанные под больший диаметр инструмента, но они используются при грубой обработке металла или фрезеровке по стали и имеют отверстие под зажим инструмента 6 и более миллиметров.

Почему нельзя установить ее на мой домашний станок с ЧПУ, спросите вы?

Если зажать фрезу диаметром 2 мм с диаметром хвостовика 3.2 мм в цанговый патрон, то при обработке вы практически не заметите разницы, но, если установить на любительский станок фрезу, диаметром 10 мм и хвостовиком 3.2 мм, то легко можно деформировать направляющие, поскольку нагрузка на них в таком случае возрастает в разы. В станке все детали должны идеально сочетаться друг с другом, в противном случае с ним будет больше проблем, чем качественной работы. Поэтому рекомендуем вам остановить свой выбор на цанге EP-13, ее вполне хватает для небольших объемов работ и к ней подходит практически любой рабочий инструмент, применяющийся в обработке различных материалов.

Мощность шпинделя

При выборе мощности шпинделя необходимо руководствоваться золотым правилом – чем больше, тем лучше. Основные правила при выборе мощности:

Если планируется использование фрезерных станков только для сверловки или гравировки небольших деталей, то будет вполне достаточно шпинделя, мощностью до 600 ватт.
Для фрезеровки твердых пород древесины и металла нужно рассматривать уже двигателя мощностью от 600 до 1400 ватт.
В случае, если планируется дальнейшая модернизация станка (бывают станки с двумя шпинделями и более) или нужен большой запас по мощности, необходимо смотреть в сторону шпинделей, имеющих мощность свыше 1.6 кВт, они позволят производить обработку практически любых материалов, а качество работы будет зависеть только от надежности механической части станков с ЧПУ.

Способы фрезеровки

Уточним некоторые тонкости. Фрезеровать можно двумя способами, либо с быстрой подачей и медленным вращением фрезы, либо с медленной подачей, но с высокой скоростью вращения фрезы. Первый способ называется скоростным, а второй – силовым.

В промышленности обычно используется силовое фрезерование для того, чтобы максимально быстро выбрать лишний материал из заготовки. Перед этим необходимо изучить описание и паспортные данные определенной фрезы и внести в станок нужные режимы резания конкретно для нее, а именно: скорость вращения, заглубления и подачи. Таким образом, можно использовать фрезу, получая от нее максимальную производительность, не перегружая ее.

Если механическая часть вашего станка не позволяет получить хорошее усилие и начинает деформироваться, то лучше не экспериментировать, а использовать второй способ фрезерования – скоростной, развив максимальную скорость вращения фрезы и установив минимальную скорость подачи.

Критерии выбора шпинделей

Проанализировав вышесказанное, необходимо определиться что нам важнее, скорость шпинделя или его мощность. Покупая качественный и дорогой шпиндель, можно не задаваться таким вопросом, ведь большинство из них имеют достаточно высокую мощность и высокую скорость вращения одновременно.

По максимуму такие шпиндели практически не используют, а нагружают их на 60-80% всей мощности и используют до 90% от максимальной скорости, что несомненно является большим преимуществом, так как в таких условиях шпиндель для фрезерного ЧПУ станка не перегреется и не будет работать на износ. Высокая скорость вращения (18000-20000 об/мин) практически не используется по той причине, что при обработке на таких скоростях инструмент и заготовка начинает греться и подгорать, испортив всю работу.

Отдельно стоит рассмотреть шпиндели, питаемые от трехфазной сети. Они подключаются пятью проводами, три из которых – линейные, один нулевой и один для заземления. К бытовой сети их не получится подключить без доработок.

Раньше для таких целей использовали пусковые конденсаторы, которые, по законам электротехники, изменяли угол фазы и искусственно создавали 3 фазы из одной. Но фрезерный станок с ЧПУ для такого способа вряд ли будет актуален, поскольку в таком случае теряется возможность регулирования скорости вращения шпинделей. Поэтому в наше время используются электронные преобразователи частоты (ПЧ), принцип работы которых построен на выпрямлении бытового напряжения и генерации из него 3-фазного с возможностью плавной регулировки частоты.

Преобразователь частоты или частотник, как его называют в народе, имеет множество полезных функций, среди которых можно выделить: контроль температуры шпинделей, плавная регулировка скорости их вращения, и самой полезной функцией является то, что он может быть подключен к блоку управления фрезерных станков и программное обеспечение будет автоматически устанавливать необходимую скорость вращения инструмента. Помимо этого, частотник дает возможность плавного запуска и торможения шпинделей, что значительно увеличивает срок их работы.

Охлаждение

Как уже было сказано выше, шпиндели могут быть оборудованы как воздушным, так и жидкостным охлаждением. Воздушное представляет собой обычную крыльчатку, закрепленную на валу двигателя и обдувающую его обмотки.

Большим недостатком такого типа охлаждения является тот факт, что крыльчатка не только нагнетает воздух на горячий мотор, но еще и засасывает в его корпус стружку, пыль и все то, что вырезает фреза из заготовки. Также при обработке на низких скоростях воздушное охлаждение малоэффективно, поскольку напрямую зависит от скорости вращения вала шпинделя.

Система водяного охлаждения не имеет такого недостатка, но при ее использовании необходимо отдельное место для резервуара с охлаждающей жидкостью и правильная фиксация трубок с ней на корпусе фрезерных станков, что сильно усложняет конструкцию, если это фрезерный двухшпиндельный станок.

Она гораздо эффективнее системы воздушного охлаждения, поскольку скорость тока жидкости через шпиндель все время одинакова благодаря использованию специальной помпы. Основным условием, которое необходимо соблюдать, имея шпиндель с водяным охлаждением – это то, что нельзя включать двигатель, не включив помпу, поскольку в таком случае он вовсе не будет охлаждаться, очень быстро перегреется и, как следствие, сгорит.