Шпиндель станка — это главный вращающий узел, который передает инструменту (фрезе, сверлу, резцу) движение с нужной скоростью и крутящим моментом. От его мощности, жесткости и точности зависит чистота обработки, ресурс инструмента и скорость работы ЧПУ-станка.
В этой статье мы расскажем, об устройстве шпинделя, основных параметрах и то, как выбрать подходящую модель под конкретные задачи и тип станка.
Устройство и принцип работы шпинделя
Устройство шпинделя
Шпиндель станка можно разделить на 6 элементов:
- Мотор или двигатель. Создает крутящий момент и приводит в движение все остальные элементы. Они отличаются по мощности и RPM (обороты в минуту).
- Конус. Это переходная часть, которая вставляется в шпиндель и держит цангу с инструментом. Функции конуса заключаются в передаче крутящего момента, надежной фиксации и центрировании фрезы.
- Цанга или зажимной патрон. В нее устанавливается фреза.
- Подшипники и штревель. Важные элементы оснастки, которые влияют на точность обработки, минимизируя вибрации и износ.
- Система охлаждения. Шпиндель станка необходимо остужать, чтобы он не перегрелся и не сломался. Для этого используется воздушная или водяная системы охлаждения.
Принцип работы шпинделя
Все основано на крутящем моменте. Мотор создает его и запускает механизм. Шпиндель станка приходит в движение первым и передает крутящий момент на конус, что передает его цанге с инструментом. Благодаря этому инструмент обретает достаточную силу воздействия, чтобы снять слой материала.
Почему нельзя сразу передавать крутящий момент с мотора на цангу? Из-за нагрузок. Шпиндель станка и конус забирают их на себя, вследствие чего фреза может работать точно, без колебаний и риска сломаться.
Виды шпинделей
- GDZ шпиндели. Считаются универсальным, так как подходят для фрезеровки дерева, пластиков и мягких металлов. Такой вид установлен на большей части станков Wattsan как раз в связи с широким спектром заготовок, которые они позволяют обрабатывать.
- GDK формат. Идут преимущественно для работы с цветными металлами, поэтому их конструкция отличается повышенной жесткостью. RPM чаще всего до 24.000 об/мин.
- DX шпиндели. У этого типа максимальный RPM может быть 8.000–12.000 об/мин, и они предназначены для обработки цветных металлов (алюминия, меди) и черных металлов (стали, чугуна и тд.).
Основные параметры шпинделя
Тип охлаждения шпинделя
- Воздушное охлаждение
Очень шумный тип охлаждения, но для его работы не нужны никакие дополнительные аппараты. Однако состояние фильтров у системы придется проверять самостоятельно.
- Водяное охлаждение
Этот тип тихий, но для его работы нужен дополнительный аппарат, чиллер. Зато этот чиллер сам будет сообщать вам об ошибках или закончившейся воде.
Система смены инструмента
- Ручная смена
В этом случае заменять фрезы нужно будет самостоятельно. Это замедляет процесс изготовления, особенно, если производится несколько разных типов обработки (например, черновая, гравировка, финишная)
- Автоматическая смена (АТС)
Патроны с инструментом сменяются автоматически, без участия человека. Оператору необходимо лишь внести данные в программу и установить фрезы в патрон.
Станки с такими шпинделями имеют датчик инструмента, который помогает системе понять высоту фрезы и ее положение относительно материала
Обороты шпинделя (RPM)
- Стандартные значения: 18 000 и 24 000 RPM (реже — 15 000 у шпинделей с автосменой).
- Как выбирать: высокие обороты ≠ высокая производительность — важнее соответствие фрезе и материалу.
- Практика применения: 18 000 RPM хватает для 90% задач, 24 000 RPM нужны для фрез малого диаметра и микродетализации.
Обороты в минуту, влияют на эффективность обработки. Обращайте внимание на их количество при выборе
Страна производитель
Есть итальянские и китайские шпиндели. По качеству первые могут быть лучше вторых, но вот цена будет в пять-десять раз больше, из-за чего ремонт одного итальянского шпинделя может обойтись как покупка нового китайского.
Поэтому, если учитывать расходы и качество работы, китайские шпиндели являются оптимальным решением, которое по итогу позволяет выпускать хорошую продукцию.
Типы конуса (торцевого инструмента)
Важно! Этот пункт имеет значение преимущественно для станков с автосменой инструмента. Если у вас обычный шпиндель, на тип конуса можно не ориентироваться — эта характеристика актуальна лишь в тех случаях, когда требуется перенастраивать или переносить оснастку между разными станками.
Когда впервые смотришь на них, по внешнему виду конусы кажутся более-менее одинаковыми. Однако они не взаимозаменяемы.
- BT и SK
На вид одинаковые, но первый является стандартом для Азии (используется в японских, корейских и тайваньских станках; периодически в американских), а второй распространен в Европе. Эти конусы считаются универсальными, и подходят для обработки большинства материалов.
- ISO
Еще один внешне неотличимый, но вот сфера применения у него другая. Он нужен для работы массивными инструментами на низких и средних оборотах. Если же попытаться использовать ISO конус на высоких RPM (20.000+), то он потеряет точность.
- BT и BBT
У BT конусов есть только одна контактная точка между ним и шпинделем. BBT же имеют двойной контакт с дополнительными контактными поверхностями. Это повышает стабильность BBT конусов, увеличивает точность и производительность. Однако они могут быть совместимы не со всеми станками с ЧПУ, в отличие от широко используемых BT.
BT применяются для большинства стандартных задач, тогда как BBT применяется для высокоточной и тяжелой резки или работе на больших скоростях.
- HSK
Жесткий и легкий конус. Основное применение: высокоскоростная и высокоточная обработка.
Конусы HSK имеют конструкцию с полым хвостовиком, которая обеспечивает более эффективную передачу мощности на инструмент. Это повышает точность и производительность резки. И как BBT, они имеют двойной контакт со шпинделем.
Помните, что конусы изнашиваются со временем. Они становятся менее точными, что может привести к сокращению времени службы фрезы или поломке. Следите за ними и меняйте по мере износа. Не доводите до крайнего, иначе можно повредить в шпиндель станка (что будет уже дорого).
Виды цанг
Размеры цанг и диаметр хвостовика
Если BT, HSK и другие — это верхняя часть конуса, то цанговый зажимной патрон, или просто ER, является ее нижней частью. Название цанги обычно состоит из трех элементов, например: ER-11 A или ER-20 M. Что это означает?
Цифра после ER обозначает диаметр, который имеет цанга, и соотносится с размером хвостовика фрезы, который может быть помещен в нее.
Например, с ER-8 можно использовать фрезы до 5 мм в диаметре. Инструмент всегда должен быть немного меньше, чем сама цанга
Основные размеры цанг и диапазоны диаметров хвостовика:
- ER-8 — 0.5–5 мм
- ER-11 — 1–7 мм
- ER-16 — до 10 мм
- ER-20 — до 12.7 мм
- ER-25 — до 16 мм
- ER-32 — до 20 мм
- ER-40 — до 26 мм
Обозначения типов (A, B, M, T1, T2)
Буква в конце маркировки указывает тип и размер гайки для фиксации инструмента. Это важно учитывать, чтобы подобрать правильный ключ или специальное приспособление для закручивания.
Существуют типы: A, B, M, T1, T2. Они различаются конструкцией гайки и способом фиксации инструмента. При выборе цанги важно сверять тип буквы, чтобы новая цанга подходила к вашей гайке и инструментальной оснастке.
Соответствие размеров цанг задачам и мощности
Цанги также разделяются по мощности шпинделя и типовым задачам, для которых они чаще всего используются:
- ER-8 - миниатюрные работы, гравировка, мелкие фрезы, высокая точность.
- ER-11 (до 1.5 кВт) - мелкая гравировка по цветным металлам, пластику, тонким материалам.
- ER-16 (до 1.5 кВт) - твердая древесина, фанера, пластики.
- ER-20 (до 3.5 кВт) - универсальная цанга для работы с деревом, акрилом, металлами, камнем. Подходит для большинства задач.
- ER-25, ER-32 (4.5+ кВт) - крупные фрезы, металлы, камень, толстая древесина; используются на мощных шпинделях.
Совет
Подбирайте цанги и мощность шпинделя под конкретные задачи
- Для хобби и бытовых работ — чаще всего достаточно шпинделя мощностью до 3 кВт.
- Для обработки дерева — оптимальный диапазон составляет 2.2–4.5 кВт.
- Для металла — подходят шпиндели 4.5–7.5 кВт, при этом наиболее распространенный выбор — 5.5 кВт.
- Для камня — рекомендуемая мощность находится в диапазоне 3–4.5 кВт.
Подшипники шпинделя
Керамические или стальные
| Критерий | Шариковые подшипники | Роликовые подшипники |
|---|---|---|
| Материал шариков | Нитрид кремния (Si₃N₄) | Хромистая сталь (100Cr6) |
| Твердость, HRC | 78–82 HRC | 60–65 HRC |
| Шероховатость поверхности шариков, Ra | 0.005–0.010 мкм | 0.020–0.040 мкм |
| Рабочий диапазон оборотов | До 40 000–60 000 rpm | Обычно до 20 000–30 000 rpm |
| Тепловое расширение | Минимальное, почти не влияет на зазор | Выраженное, требует контроля температурного режима |
| Допуск на радиальное биение | Низкое, подходит для высокоточной обработки | Выше, чем у керамических аналогов |
| Устойчивость к ударным нагрузкам | Слабая (ломкость материала) | Хорошая (сталь пластична) |
| Возможность замены | Требуется спецоборудование, ограниченная доступность | Можно заменить в большинстве сервисов |
| Стоимость | В 3–6 раз выше стальных | Базовый и доступный вариант |
Керамические подшипники выбирают там, где критична стабильность размеров при нагреве и минимальное биение на высоких оборотах. Они позволяют работать с малыми фрезами, удерживая точность даже при длительных циклах. Их слабое место — чувствительность к ударным нагрузкам: при резком заклинивании фрезы шарики могут разрушиться, и ремонт потребует специализированного сервиса.
Стальные подшипники менее точны на больших скоростях, но выдерживают резкие изменения нагрузки, характерные для черновой обработки или работы по неоднородным материалам. Их плюс — высокая ремонтопригодность: такие подшипники можно заменить в любом сервисном центре, а запчасти легко найти в продаже.
Шариковые или роликовые
| Критерий | Керамические подшипники | Стальные подшипники |
|---|---|---|
| Тип контакта | Точечный контакт | Линейный контакт |
| Распределение нагрузки | Подходят для радиальных нагрузок умеренной величины | Принимают значительно большие радиальные нагрузки |
| Деформация под нагрузкой | Выше из-за точечного контакта | Ниже благодаря распределению нагрузки по линии |
| Рабочая мощность шпинделя | До 3–4 кВт | Обычно от 4.5–7.5 кВт и выше |
| Частота вращения | Выше (лучше работают на 24 000–40 000 rpm) | Ниже (обычно 12 000–18 000 rpm) |
| Типы работ | Гравировка, дерево, легкие металлы | Фрезеровка металлов, камня, тяжелые режимы резания |
| Стоимость обслуживания | Ниже, простой подбор | Выше, сложнее в подборе и замене |
Роликовые подшипники используют там, где на шпиндель станка приходится значительная радиальная нагрузка — например, при работе крупными фрезами, глубокой выборке материала или резании на высоких подачах. Их конструкция с линейным контактом выдерживает такие режимы без роста биения, однако эффективно работать они могут только на шпинделях повышенной мощности: маломощные станки просто не раскрывают их ресурс.
Шариковые подшипники лучше подходят для высоких оборотов и малой нагрузки. Они обеспечивают предсказуемое поведение шпинделя на 24 000–40 000 rpm и используются в оборудовании, рассчитанном на гравировку, обработку древесины, легких сплавов или пластика. На низких мощностях их ресурс расходуется рациональнее, чем у роликовых, а конструкция не создает избыточной жесткости в шпинделе.
Штревель
Штревель является связующим звеном между станком и конусом. Для большинства требуется стандартный штревель (ISO, BT и другие), но для некоторых потребуется специальная конструкция.
С этим вы столкнетесь, когда вам понадобится покупать дополнительную оснастку. Просто надо будет выбрать такие же, какие у вас уже есть.
Как выбрать шпиндель станка?
Сначала определите материал и тип обработки — это задает рабочие параметры шпинделя: требуемую мощность, диапазон RPM и допустимую нагрузку на узлы.
Затем соберите конфигурацию по ключевым пунктам:
- Мощность шпинделя для нужной глубины фрезеровки.
- Тип охлаждения — воздушный или водяной.
- Тип цанги ER под используемые диаметры фрез.
- Смена инструмента — ручная или автоматическая (ATC).
Подробное объяснение каждого параметра и рекомендации под разные материалы собраны в отдельном материале Lasercut — «Как выбрать шпиндель для фрезерного станка”
Lasercut имеет большой выбор шпинделей типов GDK, GDL, GDZ и тд. Если у вас возник вопрос в подборе, то обращайтесь к нашим специалистам за помощью.
Обслуживание и уход за шпинделем
Регулярно контролируйте работу шпинделя: посторонние шумы, рост вибраций или изменение тона звука указывают на отклонения в работе узлов.
Конусы и подшипники имеют ограниченный ресурс, поэтому их проверяют по признакам износа — увеличению биения, нестабильной работе инструмента и появлению люфта. Изношенные элементы необходимо заменять своевременно, чтобы не допустить повреждения шпинделя.
Заключение
Чтобы обеспечить как можно долгую работу вашего фрезерного станка с ЧПУ, необходимо знать, как устроен один из главных его узлов, шпиндель. Также знание типов поможет не ошибиться при выборе или замене, подобрать под материал и задачи.
Если вам требуется помощь в выборе фрезерного оборудования или шпинделей — оставьте заявку на нашем сайте или позвоните по номеру 8 (800) 777-17-87. Наши специалисты с удовольствием ответят на все интересующие вас вопросы и помогу сделать правильный выбор.
Частые вопросы
-
В чем разница между валом и шпинделем?
Вал — это передающий элемент, который вращает механизмы. Шпиндель — это вал повышенной точности, предназначенный для удержания и вращения инструмента или заготовки. Шпиндель станка всегда имеет подшипниковую опору, систему охлаждения и интерфейс крепления (цангу, патрон или конус).
-
В каких станках есть шпиндель?
Шпиндели используются в фрезерных станках, токарных станках с ЧПУ, ЧПУ-центрах, сверлильных машинах, обрабатывающих центрах, станках с автосменой инструмента и ряде гравировальных установок. Любое оборудование, вращающее инструмент с высокой точностью, использует шпиндель.
-
Чем отличается шток от шпинделя?
Шток передает усилие поступательно (вперед-назад) и не предназначен для точного вращения. Шпиндель — вращающийся узел, который передает крутящий момент и удерживает инструмент. То есть шток — линейный исполнительный элемент, шпиндель — высокоточный вращающийся.
-
Как рассчитать частоту вращения шпинделя?
Частоту вращения определяют по формуле: n = (1000 × Vc) / (π × D),
где n — обороты шпинделя (rpm), Vc — рекомендуемая скорость резания для материала (м/мин), D — диаметр фрезы (мм). Подставив значения из таблиц для конкретного материала и инструмента, можно получить оптимальные RPM для обработки.
-
Как запустить шпиндель на ЧПУ?
Шпиндель запускают через контроллер ЧПУ: задают скорость (S10000, S18000 и т. д.) и включают командой M3 или M4 — в зависимости от направления вращения. Останов осуществляется командой M5. Перед запуском проверяют охлаждение, инструмент и отсутствие помех в зоне обработки.