Шпиндель токарного ОЦ: виды и основные характеристики

Основная задача шпинделя заключается в передаче крутящего момента инструменту или заготовке. В случае с токарными станками мы говорим о шпинделе, который передает крутящий момент заготовке (хотя многофункциональные станки могут иметь так же и фрезерный шпиндель).

Основные параметры шпинделя

Шпиндель любого станка является очень важным критерием при выборе оборудования, поэтому очень важно понимать какой параметр шпинделя на что влияет. Чтобы понять это нам придется слегка углубиться в технологию обработки. Начнём с трех самых важных параметров шпинделя:
1. Мощность. Из уроков физики мы знаем, что мощность — это мера работы, затраченная в единицу времени. В случае со шпинделем, это, по сути, энергия, которую необходимо затратить для получения других характеристик (момента и частоты вращения). Мощность связывает вращающий момент с частотой вращения, чтобы определить общий объем работы, который должен быть выполнен за единицу времени. Если говорить проще это разменная монета, которую мы можем поменять на крутящий момент или частоту вращения.
2. Крутящий момент. Крутящий момент — это произведение силы на плечо, куда приложена сила. Измеряется крутящий момент Ньютонах на метр. Если посмотреть на формулу крутящего момента, то мы увидим две переменные: сила, и расстояние от центра вращения. Это поможет нам понимать, как возникает крутящий момент в электродвигателе. При возникновении магнитного поля в статоре электродвигателя, магнитное поле ротора стремиться совместиться с ним, а поскольку у ротора есть только одна степень свободы – это вращение, то ротор начинает вращаться. Таким образом в электродвигателе возникает крутящий момент, магнитное поле постепенно смещаться, заставляя ротор вращаться. По сути, крутящий момент является важнейшим параметром шпинделя (электродвигателя), так как это показатель фактического усилия на заготовке (в случае с фрезерным станком, усилие на инструменте).
3. Частота вращения. Как понятно из названия – это количество оборотов, которое совершает электродвигатель за единицу времени. Каждый электродвигатель имеет параметр: номинальная частота вращения, который считается базовым для расчёта мощности и момента. Иными словами, все параметры, которые указывает производитель для электродвигателя, достигаются на номинальной частоте вращения.

Теперь нам важно понимать, как эти три параметра влияют друг на друга, и для чего они нужны. В каталогах или предложениях очень часто можно встретить некий график, который называют графиком мощности-момента.  На примере одного графика мы рассмотрим, как эти параметры влияют друг на друга. Начнем с графика мощности:

На графике две оси, мощность и частота вращения. Как мы можем видеть: с увеличением числа оборотов, потребляемая мощность растёт. Это связано с тем, что чем быстрее вращается двигатель, тем больше мощности он потребляет. При достижении номинальной частоты вращения (в данном случае 1500 об/мин.) мощность выходит на пиковое потребление. Так же можно заметить, что графиков два. На одном мощность 15 кВт, на другом 11 кВт и надписи S1 и S3. Чтобы это объяснить надо сильно углубляться в теорию работы электродвигателей, поэтому постараемся объяснить всё максимально просто. Как и любой другой электроприбор, электродвигатель при работе выделяет тепло. Поскольку температура любого проводника влияет на его проводимость тока, то и параметры электродвигателя (мощность и момент) будут отличаться в зависимости от температуры двигателя. Разница на разных температурных режимах достаточно большая и пренебрегать ей нельзя, поэтому было принято решение внести стандарт ГОСТ Р 52776-2007. В этом ГОСТе описано 10 режимов работы электродвигателя, которые регламентируют время и нагрузку работы двигателя. Первое значение S1-это режим, отражающий работу двигателя в устоявшемся температурном диапазоне, т.е. когда двигатель прогрет и работает постоянно (иначе его могут указывать как «continuous» - постоянный). Указывать параметры на данном режиме работы является обязательным условием. Второй режим работы на графике это S3 – повторно кратковременный. Для этого режима характерны цикличная работа с постоянной нагрузкой, и периодические остановки, при которых двигатель не успевает охладится до температуры окружающей среды. 

Подробнее о режиме работы электродвигателя станка в отдельной публикации. 

Для двигателя, характеристики которого отражены на графике 8, помимо режима S1 характерен режим работы S3. В некоторых случаях можно увидеть режим работы S6 и очень редко S2. Разница между режимами S3 и S6 заключается в том, что при режиме S6 двигатель не останавливается полностью, а лишь работает какое-то время на холостых режимах. А при режиме S2 двигатель останавливается, и охлаждается до температуры окружающей среды.

Далее рассмотрим график момента.

Как и в предыдущем случае на графике есть две оси, но на этот раз вместо мощности будет момент.  Как видно, на этот раз после достижения номинальных оборотов крутящий момент падает. Это связано с таким явлением как ЭДС (Электродвижущая сила), которая возникает при увеличении частоты вращения. Если говорить простым языком, то двигатель начинает работать как генератор, что приводит к падению напряжения на его обмотках. Следом за напряжением падает и сила тока, что неизбежно приводит к падению крутящего момента. Также, как и мощность, крутящий момент имеет два значения для разных режимов (S1 и S3).

Подводя итог, мы можем сделать вывод: мощность и крутящий момент в электродвигателе напрямую зависят от частоты вращения ротора. И указанные производителем параметры будут справедливы в первую очередь для номинальной частоты вращения. Так же важно отметить, что наиболее важным параметром является крутящий момент двигателя, так как именно этот параметр определяет возможности шпинделя.

Подобнее о типах шпинделей, применяемых в токарных станках .