Шпиндель

[Cruiser 0]

Изготовил станок с ЧПУ.

Когда начинал делать станок, про шпиндель особо не задумывался. Оказывается есть некоторая проблема. Хороший шпиндель стоит почти как станок, а если брать фрезер - шумно и ненадёжно.

Вот нарисовал шпиндель с обычным асинхронным двигателем на ременной передаче.

Двигатель предполагается 1,1 кВт или 2,2 кВт.

Диаметры шкивов больших 81 мм и маленьких 30 мм. т.е. получается передаточное число 2,7:1. Если двигатель будет 3000 об/мин то на выходе получим 3000*2,7*2,7=21870 об/мин.

Линейная скорость ремня получается 34 м/сек

Ремней на рисунке нет. С ременными передачами я знаком слабо (т.е. вообще незнаком) полазив по интернету обнаружил, что ремни в общем бывают трёх типов: зубчатые, клиновые и плоские. Какие из них лучше подойдут мне? Насколько я понял зубчатые плохо дружат с высокой скоростью но не требуют хорошего натяжения. Клиновые плохо дружат с шкивами маленького диаметра. По идее плоские лучше всего, но они широкие и реже встречаются. Как рассчитать параметры ременной передачи?

Подшипники. Посмотрел на сайте skf.ru параметры подшипников, там подшипники 28х10 мм (которые я хочу использовать) работают до 30000 об/мин, думаю будет нормально.

Какие проблемы могут быть при изготовлении такого девайса?

[Андрей Владимирович 0]

Ну я думаю, что на таких больших частотах вращения нужно весьма серьёзно подходить к соосности подшипников, к их посадочным местам. Есть хорошая книжка О.П.Леликов "Валы и опоры с подшипниками качения. Конструирование и расчёт"

[Di-mann 1 547]

зубчатые, клиновые и плоские

А поликлиновые?

[ber2004 23]

Быстроходные ременные передачи - дело не очевидное, да и мощность велика. Может проще запитать двигатель от 400 Гц?

[MFS 249]

У Hekkert есть серия старых ручных пантографов, так там да, именно так и сделано - асинхронник и ремень, дай бог памяти клиновой. Оброты - до 20 000 мин. Но камень преткновения, как и сказано выше -сам шпиндель, точнее подшипники, остальное-то не так сложно.

[Художник 47]

Число шкивов в два раза урежте.

[Server 0]

За всеми данными по этой конструкции можно обратиться к знакомому для всех трехтомнику Анурьева.

[Cruiser 0]

Быстроходные ременные передачи - дело не очевидное, да и мощность велика. Может проще запитать двигатель от 400 Гц?

Народ говорит, что обычный асинхронник до 400 не разгоняется + шумит на повышеных оборотах порядочно. Да и не рассчитан он на это - думаю долго не протянет.

У Hekkert есть серия старых ручных пантографов, так там да, именно так и сделано - асинхронник и ремень, дай бог памяти клиновой. Оброты - до 20 000 мин. Но камень преткновения, как и сказано выше -сам шпиндель, точнее подшипники, остальное-то не так сложно.

Подшипники - да. Я ещё за ремни сомневаюсь.

Число шкивов в два раза урежте.

В смысле в одну ступень?

За всеми данными по этой конструкции можно обратиться к знакомому для всех трехтомнику Анурьева.

Это само собой.

[ber2004 23]

шумит на повышеных оборотах порядочно

Это легко лечится: подшипники ставятся 2-го класса, ротор балансируется получше.

Насчет "не потянет" - спросить сейчас некого, но неочевидно, что может помешать. Он же асинхронный, т.е. в отличие от синхронного или шагового там крутящий момент будет всегда. Величина момента уменьшится? Так с запасом взять, чтоб с учетом уменьшения хватило и на силы трения и т.п. и на полезную нагрузку.

[Himik 2]

У предложенной схемы с ременной передачей есть, по моему мнению, следующие минусы:

1. у АС двигателя соотношение мощность/масса не оптимально, если шпиндельный узел планируется перемещать (даже по оси Z). двигатель в таком случае лучше установить неподвижно и сделать скользящий шкив на ведомом валу.

2. при работе с АС требуется применять сложную (отностительно) схему коммутации, тормозные резисторы и т.д.

Если питать АС от повышенной частоты и крепить инструмент на валу:

3. требуется заменить подшипники не только на более точные, но и вместо радиальных ставить радиально-упорные.

4. при работе АС на высокой частоте возникают большие потери на индуктивности обмоток, и соответственно падает момент. надо это компенсировать поднимая питающее напряжение.

5. требуется крепить на валу какой-либо патрон для фиксации инструмента, и всё это добро балансировать.

поэтому считаю, что стоимость шпиндельного узла приближается к стоимости готового электрошпинделя (при чём не обязательно за бугром сделанного).

если интересно, есть туториал по АС, где довольно просто расписаны основные моменты управления АС, в т.ч. от ПЧ (123 Кб). также есть док по устройству шпиндельных узлов, где какая схема применяется (1,12 Мб). кому интересно - вышлю на почту.

[gran 0]

Добрый день!

Хотелось бы обратить внимание коллег на некоторые проблемы, с которыми придется столкнуться при проектировании шпинделей.

1. Жесткость.

Любой станок обрабатывает детали с определенной точностью. Точность (в том числе) зависит от жесткости системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь). В нашем случае предполагается принять диаметр шпинделя равным 10 мм. Шпиндель будет нагружен силами резания и усилиями в ременной передаче. Подсчитайте углы прогиба вала диаметром 10 мм от этих сил.

Кроме того, в шпиндель устанавливают инструменты с нормализованными хвостовиками. Обратите внимание на инструмент, устанавливаемый в шпиндель.

2. Подшипниковые опоры.

Радиальные подшипники имеют радиальный зазор (есть различные исполнения подшипников по этому параметру). Величина зазора влияет на точность станка. Поэтому в шпинделях применяются радиально-упорные подшипники, которые подразумевают сложную регулировку и создание предварительного натяга в паре подшипников.

С увеличением диаметра шпинделя хотя бы до 30 мм (хотя на первый взгляд и этого мало) допустимая скорость вращения радиально-упорных подшипников падает до 16 000 об/мин. Определяется эта величина прежде всего допустимой рабочей температурой. Для высокоскоростной обработки производятся специальные шпиндельные подшипники. Они отличаются от радиально-упорных углом контакта, допусками, исполнениями сепаратора. Шарики могут изготовляться из керамики. Для таких подшипников допустимая скорость при внутреннем диаметре 30 мм составит уже 28 000 об/мин при пластичной смазке. Цена вырастет в гораздо большей пропорции!!!

3. Обороты шпинделя.

Заявленные 28 000 об/мин приводят к повышенным требованиям, как к подшипниками, так и к балансировке шпинделя, шкивов ременных передач и т.д. Соответственно, ваша производственная база должна обеспечить выполнение этих параметров.

4. Теперь о ременных передачах. Есть рекомендация использовать для шпинделей поликлиновые ремни, которые дают плавность вращения. В Анурьеве расчета их нет. Да и производители ременных передач не стоят на месте: применяют новые материалы для корда, выпускают специальные исполнения. Всего этого справочник Анурьева не учитывает. Поэтому мой совет однозначный: каталоги производителей ремней. Очень рекомендую каталог фирмы Contitech по любым видам ремней. Там действительно есть все данные для расчета. Скачать с сайта Contitech или с моего <noindex>http://engineercatalogues.narod.ru</noindex>. В ближайшее время там же выложу статью по ременным передачам. После предварительного выбора ремня обратитесь к производителю: они сделают проверочный расчет.

5. Определитесь с потребной мощностью. Чтобы передать мощность 3,7 кВт (пример из каталога Contitech) поликлиновым ремнем с оборотов 2850 на 8550 нужен ремень сечения PJ на 6 ребер и шкивы диаметром 125 и 40 мм. Соответственно, при 1,1 кВт нужно 2 ребра, а для 2,2 кВт уже 4 ребра. И нагрузки на шпиндель с опорами разные.

6. Описанные проблемы будут и при установке электродвигателя соосно с шпинделем. Плюс проблемы с электрической частью.

7. Моя рекомендация:

- если речь идет о станке на продажу, с гарантийными обязательствами и т.д. — КУПИТЕ шпиндель. Например, я встречал станки для обработки дерева и пластика, где устанавливалась покупная ручная фрезерная машинка.

- Если возможно, снизьте требования к частоте вращения. Может быть, тогда указанные проблемы будут менее острыми.

[ber2004 23]

Всеобъемлюще.

Еще хотелось бы обратить внимание автора темы на определенное противоречие между частотой вращения и мощностью. Таких скоростей обычно мелкий осевой инструмент требует - так ему такая мощность не нужна?

Ременные передачи заметную силу радиальную создают, поэтому и применяют их больше в чистовой обработке, когда силы невелики и есть потребность уменьшить вибрации, повысить достижимый класс шероховатости... А в рядовых случаях зубчатые колеса проще.

Сейчас купить по каталогу пару зубчатых колес не намного труднее, чем ремень поликлиновый со шкивами.

Повторюсь, ИМХО электрошпиндель (в простейшем варианте - асинхронник с патроном от дрели) - для самоделки проще будет. А то на магнитные подшипники еще потянет, на литую станину, 10 лет выдержанную для снятия напряжений, активный контроль размеров обрабатываемой детали и т.д.

А лучше готовый станочек взять б/у (сверлильный или фрезерный) и его модернизировать.