Калкулатор за оборотите на шпиндела

Калкулаторът за обороти на шпиндела определя скоростта на въртене, изразена в обороти в минута (об/мин), с която трябва да работи шпинделът на металообработваща машина при зададени скорост на рязане и диаметър на инструмента. Машинистите го използват за настройване на фрези, стругове, бормашини и машини с ЦПУ преди рязане.

Какво представляват оборотите на шпиндела?

Оборотите на шпиндела показват колко бързо се върти шпинделът и се измерват в об/мин. Шпинделът е въртящият се вал, който държи режещия инструмент (при фрезоване и пробиване) или обработвания детайл (при струговане). Работата с прекалено високи или прекалено ниски обороти може бързо да износи инструмента, да изгори материала или да остави грапава повърхност.

Подходящите обороти на шпиндела зависят от две неща: колко бързо трябва да се движи режещият ръб през материала (скоростта на рязане) и колко широки са инструментът или детайлът (диаметърът).

Формула за оборотите на шпиндела

$\text{Обороти на шпиндела (об/мин)} = \frac{\text{Скорост на рязане} \times 1000}{\pi \times \text{Диаметър на инструмента}}$

• Скоростта на рязане е скоростта на режещия ръб спрямо материала, изразена в метри в минута (m/min). Тя зависи от обработвания материал и материала на инструмента.
• Диаметърът на инструмента е диаметърът на режещия инструмент в милиметри (mm). При струговане вместо това се използва диаметърът на детайла.
• Коефициентът 1000 преобразува метрите в милиметри, така че единиците да съвпадат. При инчови единици същото правило се записва като N = 12 В ÷ (π D), където V е в повърхностни футове в минута, а D е в инчове.
• π (пи) е приблизително 3,14159. Той се появява, защото ръбът на инструмента описва окръжност веднъж за всеки оборот, а обиколката на тази окръжност е равна на π, умножено по диаметъра.

По-широкият инструмент изминава по-голямо разстояние за един оборот, затова са му необходими по-малко обороти в минута, за да достигне същата скорост на рязане. По-тесният инструмент се нуждае от повече обороти в минута.

Как се изчисляват оборотите на шпиндела

1. Намерете препоръчителната скорост на рязане за използваните материал и инструмент, изразена в m/min. Доставчиците на инструменти и материали публикуват тези стойности.
2. Измерете диаметъра на инструмента (или диаметъра на детайла при струговане) в mm.
3. Умножете скоростта на рязане по 1000.
4. Умножете диаметъра на инструмента по π (приблизително 3,14159).
5. Разделете първия резултат на втория. Полученият резултат са оборотите на шпиндела в об/мин.

Пример

Един машинист фрезова нисковъглеродна стомана с челна фреза от бързорезна стомана (HSS) с диаметър 10 mm. Скорост на рязане от около 30 m/мин (100 повърхностни фута в минута) е предпазлив избор за тази комбинация.

$\text{RPM} = \frac{30 \times 1000}{\pi \times 10} = \frac{30{,}000}{31.42} \approx 954.9 \text{ RPM}$

Машинистът настройва шпиндела на около 955 об/мин.

Типични обороти на шпиндела според материала

Скоростите на рязане по-долу са от препоръчаните повърхностни скорости за инструменти от бързорезна стомана на Университета на Флорида, преобразувани от повърхностни футове в минута в метри в минута. Университетът определя тези стойности като предпазливи, избрани за учебен цех. Той предлага те да се умножат по 2,5 при твърдосплавни инструменти. Колоната с об/мин е изчислена за диаметър на инструмента 10 mm.

По-меките и по-топлопроводими метали, като алуминия, позволяват много по-високи скорости на рязане от по-твърдите или чувствителни към топлина метали, като титана.

Защо диаметърът на инструмента е важен

Диаметърът и оборотите на шпиндела са обратно пропорционални. Ако диаметърът на инструмента се удвои, необходимите об/мин се намаляват наполовина, защото ръбът на по-големия инструмент изминава двойно по-голямо разстояние за един оборот. Затова малкото свредло се върти много по-бързо от голямото, за да реже същия материал при същата скорост на рязане.

Струговане спрямо фрезоване и пробиване

При фрезоване и пробиване диаметърът във формулата е диаметърът на въртящия се режещ инструмент. При струговане вместо инструмента се върти детайлът, затова се използва диаметърът на детайла. Тъй като детайлът често става по-тесен с отнемането на материала, някои стругове използват управление с постоянна периферна скорост, което автоматично увеличава оборотите при намаляване на диаметъра и поддържа постоянна скорост на рязане.

Регулиране на изчислените обороти

Формулата дава начална стойност. Машинистите често я коригират поради следните причини:

• Състояние на инструмента. Износен или затъпен инструмент може да изисква по-ниски обороти.
• Коравина на машината. Машина или закрепване с по-малка коравина може да вибрира при изчислените обороти и да изисква по-ниски обороти.
• Охлаждане. По-слабото смазване изисква по-ниска скорост. Например в ръководството за цеха на Университета на Флорида скоростта и подаването се намаляват до 60%, когато маслото се нанася ръчно вместо с обилно охлаждане.
• Налични обороти. По-старите машини с ремъчно задвижвани шайби предлагат само няколко фиксирани стойности на оборотите, затова машинистът избира най-близките обороти, които са равни на или по-ниски от изчислената стойност.

Работата с прекалено високи обороти на шпиндела обикновено износва или поврежда инструмента и може да обгори детайла. При прекалено ниски обороти се образуват дълги нишковидни стружки и повърхността се получава с лошо качество, тъй като инструментът трие, вместо да реже чисто.

Често задавани въпроси

Какво представляват оборотите на шпиндела при обработване? Оборотите на шпиндела са скоростта на въртене на шпиндела на металообработваща машина, изразена в об/мин. Те определят колко бързо се върти режещият инструмент или детайлът по време на рязане.

Как се изчисляват оборотите на шпиндела? Умножете скоростта на рязане (в m/min) по 1000, след което разделете на π, умножено по диаметъра на инструмента (в mm). Резултатът са оборотите на шпиндела в об/мин.

Защо диаметърът на инструмента променя оборотите на шпиндела? Инструментът с по-голям диаметър изминава по-голямо разстояние за един оборот. За да се запази същата скорост на рязане при ръба, той трябва да се върти по-бавно от инструмент с по-малък диаметър.

Какво се случва, ако оборотите на шпиндела са зададени прекалено високи или ниски? Прекалено високите обороти причиняват бързо износване и счупване на инструмента, както и обгорен или обезцветен детайл. Прекалено ниските обороти водят до лошо образуване на стружки, грапава повърхност и по-бавно рязане.

Една и съща формула ли се използва при струговане, фрезоване и пробиване? Да. Формулата е една и съща и за трите операции. При фрезоване и пробиване диаметърът е диаметърът на режещия инструмент. При струговане това е диаметърът на детайла в зоната на рязане.

Мога ли да използвам футове в минута вместо метри в минута? Формулата по-горе използва метри в минута. За да преобразувате футове в минута в метри в минута, умножете по 0,3048, тъй като 1 фут (0,3 m) = 0,3048 метра.

Източници

1. Университет на Флорида, Катедра по машиностроене и аерокосмическо инженерство. Speeds and Feeds. Лаборатория за проектиране и производство на UF — N = 12 В/(πD); препоръчани повърхностни скорости за инструменти от бързорезна стомана по материали; ×2,5 при твърдосплавни инструменти; 60% при ръчно нанасяне на масло.
2. Национален институт по стандартите и технологиите. NIST Guide to the SI, Appendix B.9: Factors for units listed by kind of quantity or field of science. NIST SP 811, приложение B.9 — 1 фут = 0,3048 m точно.