Правильнее этот вопрос задать так: какой вид охлаждения шпинделя больше подходит для решения задачи?  Этот вопрос является определяющий при конструировании нового станка или модернизации существующего. Каждый из видов охлаждения обладает своими преимуществами и недостатками.

Шпиндель с воздушным охлаждением:

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

• 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 его 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, шпиндели с водяным охлаждением 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.

Высокая твёрдость каменных заготовок (гранита, серпентевита-«змеевика» и пр.) определяет необходимость фрезеровать при меньшей подачи инструмента, чем для более «мягких» материалов.
Черновая обработка ведётся торцевыми фрезами (к примеру, диаметром 6 мм) на глубину не более 1 мм за проход и с шагом в 2 мм. Подача инструмента – порядка 20 мм/сек. В режиме черновой обработки рекомендуется применять наклонное врезание инструмента в поверхность заготовки.

Чистовое фрезерование осуществляется конической фрезой (Ø6 мм) с шагом 0,1-0,3 мм – в зависимости от требований к конечной шероховатости поверхности каменного изделия. Скорость обработки – 20-30 мм/с.

Если используются алмазные фрезы (взамен твёрдосплавных), скорость обработки можно увеличить. Однако в обоих случаях рекомендуется фрезеровать каменные заготовки с использованием системы СОЖ.

На качество обработки каменных заготовок (в частности, отсутствие сколов) сильное влияние оказывает вибрация станка и общая жёсткость системы. Как правило, современные конструкции фрезерных станков с ЧПУ имеют достаточную жёсткость (да и в любом случае, её повышение «своими силами» – без коренных изменений конструкции станка – невозможно). Поэтому в борьбе за качество следует «выбирать слабину» там, где это возможно. То есть заботиться о надёжном креплении заготовки на рабочем столе станка. И применять качественные фрезы с низким собственным биением.

Фрезерование представляет собой одну из наиболее распространенных металлообрабатывающих операций. Данный метод позволяет получать детали с чрезвычайно сложной формой, используемые в машиностроении. Современные станки, используемые на производстве, способны выполнять фрезерование материалов практически любой твердости, начиная от алюминиевых сплавов и заканчивая инструментальной сталью.

От правильности выбора режимов резания при обработке металлических изделий на фрезерных станках зависит качество производимых работ. По этой причине аналитический расчет таких режимов должен осуществляться максимально грамотно и качественно.

Оптимальный режим резания.

При фрезеровании обработка деталей по своей сути намного сложнее, чем при точении. Связано это с тем, что любой зуб фрезерного инструмента при каждом обороте фрезы сначала входит, а затем выходит из контакта с обрабатываемым изделием. Причем процесс его входа в контакт сопровождается ударом достаточно ощутимой силы. Кроме того, с детали при фрезеровании снимается прерывистая стружка, толщина которой не является постоянной (при точении сечение стружки всегда имеет один и тот же показатель).

Под такими условиями понимают режимы резания, обеспечивающие оптимальное сочетание подачи при фрезеровании, скорости и силы процесса, глубины срезаемого металлического слоя с целью получения заданной чистоты и точности обработки при минимальных затратах на нее.

На любом металлообрабатывающем предприятии имеются стандартные нормативы, в которых даются четкие рекомендации, облегчающие выбор варианта резки различных заготовок. С их помощью можно разрабатывать операционные карты и непосредственно технологический процесс, в который включаются все элементы фрезерования. Но многие параметры, указанные в таких нормативах, не подходят для случаев, когда используется новое оборудование и современный режущий инструмент. В подобных ситуациях оператору приходится самостоятельно производить расчет режимов обработки. Далее мы опишем их основные элементы.

Материал и геометрия рабочего инструмента

Материал, из которого сделана фреза, напрямую влияет на возможности и качество режущих операций. Наиболее эффективным инструментом признаются фрезы из быстрорежущей стали и резцы с пластинками из твердых сплавов. Их используют в настоящее время для большинства фрезерных операций, но при условии, что технический потенциал станков (показатель мощности их двигателя, скорость вращения шпинделя и так далее) позволяет работать с такими приспособлениями.

Некоторые агрегаты старых моделей просто-напросто не могут применять твердосплавный и быстрорежущий инструмент. Тогда на них работают обычными концевыми и иными фрезами. Если же изделие после фрезерования должно иметь высокую точность и чистоту поверхности, и при этом скорость выполнения процедуры не имеет большого значения, лучше использовать приспособления из обычных легированных и углеродистых сталей.

Геометрия режущей части инструмента также влияет на выбор конкретного режима обработки детали. Форму и размеры, которые имеет зуб фрезы, задние и передние ее углы, параметры переходной кромки и углов подбирают из специальных таблиц. В них даются сведения о том, какие размеры обязан иметь зуб и все указанные углы при работе с заготовками, сделанными из различных материалов (легированные, жаропрочные, углеродистые стали, сплавы на основе меди, чугун). При использовании быстрорежущего инструмента все нужные параметры берутся из другой таблицы.

Глубина и ширина фрезерной обработки

Для рационального фрезерования любых изделий указанные параметры имеют огромное значение. Глубина (иными словами – толщина срезаемого слоя) представляет собой дистанцию между обработанной и обрабатываемой поверхностями. Величина срезаемого слоя обычно подбирается максимально большой, всегда стараются делать всего один проход инструмента с целью получения заданного результата фрезерования.

Если же поверхность готовой детали должна иметь повышенную чистоту и точность, следует осуществлять операцию в два прохода – черновой, а затем чистовой. Иногда величина срезаемого слоя высока и даже два прохода не позволяют качественно выполнить операцию. В данном случае требуемая глубина достигается посредством выполнения двух черновых проходов.

Стандартные рекомендации по величине срезаемого слоя:

• 0,5–1 мм – чистовая обработка;
• 5–7 мм – черновая обработка по чугунному и стальному литью;
• 3–5 мм – черновое фрезерование деталей из сталей разных марок.

Соблюдение данных показателей срезаемого слоя обычно гарантирует высокое качество обработки заготовок на станках любой мощности.

Выбор диаметра инструмента

Показатель срезаемого слоя, а также ширина обработки обуславливают выбор диаметра рабочего приспособления. Подбор сечения фрезы для резания производится по трем таблицам для разных видов инструмента:

• дискового;
• торцового;
• цилиндрического.

Производительность фрезерной обработки зависит от грамотного подбора сечения фрезы, так как диаметр инструмента влияет на величину среза. Она будет при идентичной глубине фрезерования и подаче приспособления тем меньше, чем большее сечение имеет фреза. Производя расчет режимов обработки, это всегда нужно принимать во внимание. Сечение рабочего инструмента также влияет на расстояние, которое преодолевает фреза при одном проходе. Данный показатель называют величиной пути. Формула для его расчета учитывает величины перебега и врезания инструмента, а также непосредственно длину обрабатываемой детали.

Показатель перебега чаще всего равняется 2 – 5 миллиметрам. С целью снижения холостого хода фрезерного агрегата (по сути – для уменьшения величины перебега) нужно брать фрезы малого сечения. Расчет показателя врезания осуществляется по формуле, учитывающей глубину обработки детали на конкретном станке определенной мощности. Для большинства фрез любых типов готовые значения пути врезания даются в таблицах. Найти в них эти элементы несложно.

Еще одной величиной, на которую влияет сечение инструмента, является крутящий момент определенной силы. Шпинделю станка следует сообщать меньший момент при малом диаметре фрезы, увеличивая его при повышении сечения приспособления для резания.

Учитывая все сказанное, может показаться, что целесообразнее всего производить выбор фрезы с малым сечением. Но это не так. Проблема заключается в следующем: со снижением диаметра инструмента для него необходимо подбирать оправку с малой жесткостью (так как фреза будет тонкой). А это ведет к потребности снижать величину срезаемой стружки с детали, то есть к необходимости уменьшать силы давления на оправку. Эффективность режима фрезерования при этом, как вы сами понимаете, снижается.

Расчет подачи фрезы и его особенности

При чистовом фрезеровании подача зависит от того, какой чистотой должна будет характеризоваться обработанная поверхность изделия, при черновом – от следующих факторов:

• показатель жесткости схемы "деталь/фреза/станок";
• материал, из которого изготовлена деталь;
• углы заточки рабочего инструмента;
• величина мощности (силы) привода фрезерного агрегата;
• материал инструмента для резания.

Главным первоначальным показателем, по которому выполняется выбор подачи для черновой обработки, считается величина S(зуб). Она зависит от варианта монтажа (по отношению к детали, подвергаемой обработке) режущего инструмента, который определяет:

• толщину стружки;
• параметр угла, под которым зуб начинает взаимодействовать с заготовкой;
• величину угла, при которой зуб фрезы выходит из детали после ее обработки.

Показатель S(зуб), как и иные элементы фрезерной обработки металлических заготовок, важен для правильного расчета режимов резания. Вручную его никто не высчитывает.

Выбор подачи при чистовой обработке также производится по табличным данным. Здесь есть один нюанс. На каждый зуб инструмента при чистовой обработке приходится очень малая величина подачи. Поэтому в таблицах даются значения на полный оборот инструмента, а не на один его зуб.

Как выполнить расчет скорости резания?

Скорость фрезерования определяется по специальным нормативам, включающим в себя множество карт для разных типов фрез и обрабатываемых материалов (для стали, алюминия и пр.). В таких картах учитываются мощности станков и другие их технические показатели. Выбрать нужную скорость обработки за счет этого достаточно просто.

Обратите внимание – стандартные таблицы для установления скорости содержат информацию для условий фрезерования одним инструментом при определенном уровне стойкости фрезы. Если стойкость инструмента отличается от табличного стандартного показателя, расчет скорости осуществляют с учетом поправочных коэффициентов. Последние созданы на основании следующих данных:

• для торцового инструмента – ширина обработки;
• свойства (механические) фрезеруемой заготовки;
• величина основного угла фрезы в плане;
• отсутствие либо наличие на детали окалины.

Таблица 1

Таблица 2  

Таблица 3

Скорость резания при фрезеровании рассчитывается по формуле для всех видов обработки:  

Т - стойкость фрезы;

B - ширина фрезерования;

s_z - подача на зуб;

t - глубина фрезерования;

D - диаметр фрезы;

Сv,x,y,q,m,u - коэффициенты, зависящие от условий обработки.

В описываемых нормативах для определения скорости указываются такие элементы – минутная подача и количество оборотов. Кинематика, показатели силы и технических возможностей шпинделя конкретного оборудования для фрезерования нередко отличаются от табличных данных.

Отдельно отметим, что при фрезеровании заготовок из алюминия рекомендуется назначать высокоскоростные режимы их обработки. Они обеспечивают при малых затратах силы электрооборудования большую глубину резания. Если же работать с деталями из алюминия на медленных скоростях, увеличивается риск выхода фрез из строя, ввиду того, что получающаяся мягкая стружка полностью забивает канавки инструмента.

Деревообработка на станках с ЧПУ, также, отличается своими особенностями и требует правильного выбора режимов резки. Так, при 3D –порезке (детали для лестниц, дверей и т.д.) подача рабочего инструмента может быть различной – от 10 до 100 мм/сек. Здесь стоит ориентироваться на размеры получаемого изделия и твердость самой древесины. Хвойные породы дерева (сосна, кедр и др.) можно обрабатывать на скорости 50-80 мм/сек, более твердые (орех, дуб…) на скорости поменьше. Скорость вращения шпинделя при этом не должна превышать 18 тыс. об/мин.

Процесс снятия стружки

Фрезерование деревянных заготовок обычно производится в три этапа: один-два черновых прохода, когда цилиндрическая концевая фреза снимает значительный слой материала (припуск на обработку), и завершающий чистовой проход – когда концевая сферическая или конусная фреза обеспечивает требуемую чистоту поверхности.

При обработке древесины фреза должна иметь возможность, подобно буравчику или сверлу, сравнительно глубоко погружаться в материал. Во избежание засорения и поломки фрезы, стружка должна отводиться быстро, и тем интенсивнее – чем больше скорость обработки. Глубокие пазы рекомендуется «проходить» в несколько этапов.

Поскольку обработка древесины приводит к обильному образованию стружки и мелкой пыли, рекомендуется использовать систему улавливания стружки – во избежание загрязнения подвижных деталей и выхода станка из строя.

Обработка твёрдых пород дерева

Твёрдыми породами древесины считаются бук, ясень, акации и ряд других. Изделия из этих материалов обладают достаточной прочностью и долговечностью, а их фактура определяет привлекательный внешний вид готового изделия.

Скорость фрезерования, особенно при черновых проходах, может устанавливаться высокой. Однако её чрезмерное увеличение ведёт к задирам волокон и ухудшению качества поверхности (что может и не быть ликвидировано при последующей чистовой обработке).

При работе с древесиной твёрдых пород всегда следует учитывать, происходит ли резание вдоль волокон, или поперёк (так называемое попутное, или встречное) – особенно при фрезеровании пазов. Существуют специальные фрезы, позволяющие нивелировать это отличие, но лишь частично.

Энергетические затраты на фрезерование твёрдой древесины оказываются выше, что может отразиться на стоимости готовых изделий.

Обработка мягких пород древесины на станке с ЧПУ обладает рядом особенностей.

Во-первых, программа обработки получается довольно сложной. Она должна содержать множество вложений (до нескольких сотен!) для точного определения позиций фрезы на каждом этапе обработки. Скорость фрезерования устанавливается минимальной, производительность выпуска также снижается.

Во-вторых, несмотря на общую точность станочного комплекса, фреза имеет неизбежный люфт и получения острых граней, вершин (характерных для геометрической резьбы по дереву) получить невозможно. Кроме того, обработка мягких пород приводит к образованию мельчайшего ворса, который следует своевременно удалять во избежание нарушений геометрии рисунка.

Тем не менее, выполнить качественную рельефную или скульптурную резьбу в автоматическом режиме на станке с ЧПУ возможно. Для этого необходима точная 3D-модель готового изделия, на основании которой в таких программах как ArtCAM, SprutCAM и пр. создаётся программа обработки для станка. Сложную трёхмерную модель изделия можно создавать в программах 3DMax, Rhinoceros и пр., или воспользоваться съёмкой прототипа с натуры при помощи лазерного трёхмерного сканера.

Чистовая обработка дерева

При переходе от чернового к чистовому фрезерованию необходима переналадка станка – замена фрезы для достижения требуемой чистоты поверхности.

Производительность при чистовой обработке может снижаться в десятки раз – как из-за малых скоростей резания, так и за счёт необходимых затрат времени на остановку и смену инструмента. Соответственно увеличивается и стоимость готового изделия – за счёт увеличения станочного времени и повышенных трудозатрат на разработку программы.

Гравировка древесины

Гравировкой называется процесс нанесения рисунка, орнамента, надписи на поверхность заготовки из дерева или иного материала.

Гравировка может осуществляться как сферической фрезой (имеющей малые вибрации при работе и дающей чёткий контур), так и специальными граверами. Конический гравер предназначен для нанесения U-образной гравировки (в том числе текста) и обработки трёхмерных объектов, содержащих множество мелких деталей рисунка. В обработке трёхмерных изображений существует самостоятельный дизайнерский стиль, так называемая V-гравировка. Для её осуществления применяется специализированная фреза – V-гравер.

При чистовой фрезеровке гравером твёрдых пород древесины, поверхность получается полированной и больше не требует дополнительной обработки.

Нетрудно догадаться, что каждый вид обработки, помимо специальных фрез, требует особых скоростей и режимов резания. Однако для автоматического станка с ЧПУ их изменение не представляет никаких трудностей.