Частота вращения шпинделя: определение, ряды и график частот

При составлении технологической карты токарной или фрезерной обработки специалисту нужно найти оптимальный баланс между производительностью станка и требованиями к чистоте поверхности готовой детали. Основные параметры, на которые он может повлиять — это частота вращения шпинделя и скорость подачи. Выбор режимов обработки проводится расчетным или опытным путем.

Сложность работы на портальных фрезерно-гравировальных станках состоит в их многозадачности. В одной управляющей программе может быть несколько видов обработки: контурная резка, фрезерование пазов и сквозных отверстий, гравирование. При этом материалы — дерево, пластик и композиты, различаются сопротивлением резанию и структурой. Многие начинающие операторы сталкиваются с такими неприятными моментами как прижог, недостаточная чистота обработки, преждевременный износ режущей кромки. Ниже мы постараемся дать общие рекомендации о настройке скорости шпинделя и подачи без сложных расчетов.

Что такое скорость вращения шпинделя и подача?

Скорость вращения — один из основных параметров шпинделя. Он выражается в оборотах в минуту (об/мин) или герцах (Гц). В портальных станках с ЧПУ не используется сложных по конструкции механических коробок передач и скорость регулируется электронными компонентами. С увеличением скорости вращения растет производительность станка и снижается ресурс режущего инструмента. Последнее связано с выделением избыточного количества тепла, которое не успевает рассеиваться. В результате перегрева падает твердость режущих кромок, и они теряют свою остроту.

Скорость подачи, или линейного перемещения, измеряется в миллиметрах в минуту (мм/мин) и влияет на объем снимаемого материала в единицу времени. На портальных станках без механизма вращения заготовки регулируются скорости перемещения портала, каретки и вертикального движения шпинделя. При составлении управляющих программ стараются задать максимально возможные подачи, при этом должно выполняться условие сохранения целостности фрезы. Избыточная скорость приводит к появлению сколов на режущих кромках поломка или деформация хвостовика.

Распространенные ошибки при выборе режимов резания

Одно из важных условий правильной работы станка — согласование скоростей вращения и подачи фрезы между собой. Некоторые начинающие станочники при выборе режимов резания допускают ошибки в попытках сохранить инструмент.

Работа на минимальных скоростях приводит к снижению качества обработки. Если величина подачи сопоставима с толщиной режущей кромки, то вместо снятия стружки фреза надавит на заготовку и будет только шлифовать ее своей поверхностью. Чтобы понять, что в этот момент происходит с обрабатываемой поверхностью, представьте, что вы включили реверс на шпинделе, в котором зажато спиральное сверло, и пытаетесь «продавить» отверстие. На высоких оборотах будет наблюдаться прижог обрабатываемой поверхности и режущей кромки, отгибание фрезы.

Обратная ситуация, когда при высокой подаче шпиндель работает на малых оборотах, заставит фрезу снимать слишком толстую стружку. Из-за высокой нагрузки откалываются режущие кромки, а на обрабатываемой поверхности будут оставаться заметные «следы».

Для каждой фрезерной операции существует оптимальное соотношение скоростей подачи и вращения инструмента, на которых обработка будет проходить с достаточной скоростью и точностью. Это не фиксированные величины, а диапазоны. Поломка или преждевременный износ будут наблюдаться при критической ошибке.

Обработка чаще всего состоит из двух этапов: чернового, направленного на максимальный съем материала и чистового, при котором достигается требуемая шероховатость поверхности. Для чистового прохода снижают скорость подачи при сохранении оборотов шпинделя, а в станках со сменой режущего инструмента его выполняют другой, чистовой, фрезой.

Рекомендации по выбору режимов резания

Существует несколько типичных ситуаций, при которых можно воспользоваться общими рекомендациями.

Слишком большие обороты шпинделя

Иногда минимальные обороты станка все равно оказываются слишком высокими. Обычно это наблюдается при обработке твердых материалов фрезами больших диаметров. Можно использовать следующие варианты решения:

1. Заменить фрезу из быстрорежущей стали на твердосплавную, по возможности — с покрытием, которое работает при повышенных температурах.
2. Уменьшить диаметр фрезы. При этом снизится окружная скорость, с которой движется режущая кромка.
3. Использовать технологию HSM. Высокоскоростная обработка позволяет повысить частоту вращения шпинделя и скорость подачи без увеличения износа режущего инструмента. Первый проход выполняется на полную ширину фрезы, а все последующие — на ¼ диаметра.

Слишком малая скорость подачи

В ситуациях, когда привода перемещения не могут обеспечить требуемую скорость подачи, можно поступить следующим образом:

1. Уменьшать скорость вращения шпинделя вплоть до минимально допустимой мощности.
2. Использовать фрезу с меньшим количеством зубьев. Такое решение дает хорошие результаты при работе с вязкими материалами, поскольку улучшаются условия отвода стружки с обрабатываемой поверхности. Замена фрезы с 3 зубьями (заходами) на однозаходную фактически означает увеличение скорости подачи в 3 раза (на каждый зуб).
3. Использовать фрезу большего диаметра.

Налипание стружки при фрезеровании алюминия

Из-за относительно низкой температуры плавления алюминий имеет свойство налипать на поверхность фрезы. Многие начинающие фрезеровщики пытаются решить эту проблему регулированием оборотов шпинделя или скоростей перемещения. В результате оптимальный для фрезы режим резания становится неоптимальным для владельца предприятия: скорость обработки оказывается слишком низкой.

Главная причина налипания стружки — недостаточная подача или неправильный состав СОЖ. Если у станка нет возможности подавать смазочно-охлаждающую жидкость, необходимо организовать вакуумное удаление стружки или продувку сжатым воздухом.

Работа с глубокими отверстиями

Если глубина отверстия в 6 и более раз превышает его диаметр, оно считается глубоким. Неопытные станочники часто сталкиваются с такими проблемами как уход инструмента с оси и его поломка. Существует несколько приемов, которые позволят выполнить обработку точно и без потерь:

1. Пользоваться сверлами, а не фрезами. По возможности они должны иметь параболические канавки, которые обеспечивают лучший отвод стружки.
2. Подавать СОЖ под давлением. Жидкость будет вымывать стружку из отверстия.
3. По возможности производить последовательную обработку двумя сверлами с разными диаметрами: проходить половину глубины отверстия меньшим диаметром и рассверливать до чертежного. Затем пройти отверстие до конца.
4. При работе одним сверлом как можно чаще вынимать его из отверстия для удаления стружки.
5. Увеличить скорость подачи, чтобы стружка представляла собой непрерывную спираль.

Как фрезеровать пазы?

При фрезеровании торцов деталей и внутренних поверхностей пазов цилиндрическими фрезами важно выбрать правильное соотношение ширины и глубины снимаемого материала в соответствии с максимальными скоростными возможностями станка. При увеличении глубины фрезерования нагрузка на канавки распределяется более равномерно, но вместе с этим наблюдается более сильный отгиб режущего инструмента. Кроме того, ухудшаются условия удаления стружки. При увеличении ширины снимаемого материала существует возможность увеличения скорости вращения шпинделя. Однако есть некоторые граничные значения частот, при которых скорость съема материала начинает падать.

Единственный способ получения оптимального сочетания этих двух параметров — тестирование станка в разных режимах. При этом материал «пробной» и «рабочей» заготовок должен быть одинаковым.

Сотрудники компании MULTICUT посвятили много времени изучению режимов обработки разных материалов. Выбор базовой комплектации станков собственного производства выполнялся с учетом полученного опыта. Сотрудники компании готовы оказать консультационную и практическую помощь в освоении оборудования и выборе оптимальных режимов резания. Любой желающий может поработать на действующем станке MULTICUT в демонстрационном центре и получить советы опытных мастеров. Получить консультации и справки можно, позвонив по контактному телефону.

При оценке производительности жестких дисков наиболее важной характеристикой является скорость передачи данных. При этом на скорость и общую производительность влияет целый ряд факторов:

• Интерфейс подключения — SATA/IDE/SCSI (а для внешних дисков — USB/FireWare/eSATA). Все интерфейсы имеют разную скорость обмена данных.
• Объем кэша или буфера жесткого диска. Увеличение объема буфера позволяет увеличить скорость передачи данных.
• Поддержка NCQ, TCQ и прочих алгоритмов повышения быстродействия.
• Объем диска. Чем больше данных можно записать, тем больше времени нужно на чтение информации.
• Плотность информации на пластинах.
• И даже файловая система влияет на скорость обмена данных.

Но если мы возьмем два жестких диска одинакового объема и одного интерфейса, то ключевым фактором производительности будет скорость вращения шпинделя.

Что такое шпиндель

Шпиндель — единая ось в жестком диске, на которой установлено несколько магнитных пластин. Эти пластины закреплены на шпинделе на строго определенном расстоянии. Расстояние должно быть таким, чтобы при вращении пластин считывающие головки могли читать и записывать на диск, но при этом не касались поверхности пластин.

Чтобы диск нормально функционировал, двигатель шпинделя должен обеспечивать стабильное вращение магнитных пластин на протяжении тысяч часов. Поэтому неудивительно, что иногда проблемы с диском связаны именно с заклиниванием шпинделя, а вовсе не с ошибками в файловой системе.

Двигатель отвечает за вращение пластин, и это позволяет работать жесткому диску.

Что такое скорость вращения шпинделя

Скорость вращения шпинделя (spindle speed) определяет, насколько быстро вращаются пластины в нормальном режиме работы жесткого диска. Скорость вращения измеряется в оборотах в минуту (RpM).

От скорости вращения зависит, как быстро компьютер может получить данные от жесткого диска. Перед тем как винчестер сможет считать данные, он должен их сначала найти.

Время, которое требуется для блока магнитных головок, чтобы перейти к запрошенной дорожке/цилиндру, называется временем поиска (seek latency). После того как считывающие головки переместятся в нужную дорожку/цилиндр, надо дождаться поворота пластин, чтобы необходимый сектор оказался под головкой. Это называется задержками на вращение (rotational latency time) и является прямой функцией скорости шпинделя. То есть, чем быстрее скорость шпинделя, тем меньше задержки на вращение. 

Общие задержки на время поиска и задержки на вращение и определяют скорость доступа к данным. Во многих программах для оценки скорости hdd это параметр access to data time.

На что влияет скорость вращения шпинделя жесткого диска

Большинство стандартных 3,5″ жестких дисков сегодня имеют скорость вращения шпинделя 7200 оборотов в минуту. Для таких дисков время, за которое совершается половина оборота (avg. rotational latency), составляет 4,2 мс. Среднее время поиска у этих дисков — около 8,5 мс, что позволяет обеспечить доступ к данным примерно за 12,7 мс.

У жестких дисков WD Raptor скорость вращения магнитных пластин — 10 000 оборотов в минуту. Это уменьшает среднее время задержки на вращение до 3 мс. У «рапторов» и пластины меньшего диаметра, что позволило сократить среднее время поиска до ~5,5 мс. Итоговое среднее время доступа к данным — примерно 8,5 мс. 

Есть несколько моделей SCSI (например, Seagate Cheetah), у которых скорость вращения шпинделя достигает 15 000 оборотов в минуту, а пластины еще меньше, чем у WD Raptor. Среднее время rotational latency у них — 2 мс (60 сек / 15 000 RPM / 2), среднее время поиска — 3,8 мс, среднее время доступа к данным — 5,8 мс.

Диски с высокой частотой вращения шпинделя имеют низкие значения как времени поиска, так и задержки на вращение (даже при произвольном доступе). Понятно, что жесткие диски с частотой шпинделя 5600 и 7200 обладают меньшей производительностью.

При этом при последовательном доступе к данным большими блоками разница будет несущественна, так как нет задержки на доступ к данным. Поэтому для жестких дисков рекомендуется регулярно делать дефрагментацию.

Как узнать скорость вращения шпинделя жесткого диска

На некоторых моделях скорость шпинделя написана прямо на наклейке. Найти эту информацию несложно, так как вариантов немного — 5400, 7200 или 10 000 RpM.

Если на вашем жестком диске на наклейке нет этой информации (или просто нет желания доставать диск, чтобы посмотреть на наклейку), на помощь придут специальные программы. Большинство программ для проверки HDD и анализа SMART покажут вам скорость вращения шпинделя и другую информацию по жесткому диску.

FAQ – популярные вопросы

Какая скорость вращения лучше — 5400 или 7200?

На первый взгляд кажется, что чем быстрее, тем лучше. Однако надо учитывать, что с увеличением скорости вращения пластин диск сильнее нагревается и становится более шумным. Дисковые накопители с 7200 RpM универсальны для большинства задач, а диски с 5400 RpM отлично подойдут, например, для домашнего хранилища файлов.

А что такое технология IntelliPower?

Технология WD IntelliPower уменьшает энергопотребление и шум за счет снижения скорости вращения шпинделя. А потеря производительности частично компенсируется оптимизацией алгоритмов кэширования. Похожая технология у HGST с целью сокращения энергопотребления называется CoolSpin.

А на что влияет скорость вращения шпинделя в гибридных дисках?

Поскольку в основе гибридных накопителей все те же жесткие диски, то и скорость вращения шпинделя влияет на скорость доступа, но уже в меньшей степени, так как используется большой кэш в энергонезависимой памяти.27 декабря 2017

Частота вращения шпинделя относится к характеристикам фрезерного станка и имеет обозначение в об/мин. Это скорость, с которой вращается шпиндель вместе с цанговым патроном и фрезой.

Шпиндели принято разделять на ременные и моторшпиндели (электрошпиндели). Первые характеризуются меньшим крутящим моментом. Конструкция классического шпинделя с ременным приводом имеет в составной части шпиндельный вал с подшипниками. Данный вал способен зажимать либо разжимать фрезу. Мощность и динамика передаются шпинделю от наружного мотора, который инсталлирован рядом с приспособлением посредством ременной передачи. Мощность, вращающий момент и скорость шпинделя зависят от характеристик внешнего двигателя и самой ременной передачи. За счет внешней инсталляции можно варьировать размеры мотора, тем самым изменяя обороты и мощность шпинделя, как в меньшую, так и в большую сторону. Применение шпинделей с ременной передачей возможно для задач, где требуемая скорость вращения шпинделя не превышает значение 12 000 – 15 000 об/мин. Из минусов – это ограничение по скорости в сравнении с электрошпинделем. Также натяжение ремня формирует излишнюю нагрузку на задние подшипники шпинделя, тем самым исчерпывая их ресурс.

Электрошпиндель — это приспособление, которое имеет в своей конструкции три ключевых звена: электрический асинхронный двигатель, патрон для зажима фрезы и подшипник. Предельные частоты вращения электрошпинделей — до 180 тысяч об/мин. Эти шпиндели являются более дорогостоящими по сравнению с ременными.

По количеству оборотов, шпиндели подразделяются:

• Высокой мощности от 5 кВт и более: применяются в основном на крупногабаритных станках. Обороты составляют 12000…18000 об/мин. Предназначены для высокопроизводительных работ. Такое количество оборотов является большим минусом при работе с твёрдосплавными фрезами при фрезеровании тонкими фрезами, что существенно снижает общий КПД фрезерного станка.
• Средней мощности 1.2…5 кВт: используются во фрезерных станках средних габаритов. Применяются для фрезерования пластиков, дерева и мягких металлов. Обороты составляют 18000…24000 об/мин. Идеально подходят для мелких гравировальных работ.
• Малой мощности 0.8 кВт и менее: используются во фрезерных станках малых габаритов. Обороты составляют до 60000…70000 об/мин.

Скорость вращения вычисляется по формуле:

, где

d – диаметр режущей части инструмента (мм),

П – число Пи, постоянная величина равная 3.14;

V – скорость резания (м/мин) – это путь, пройденный точкой режущей кромки фрезы в единицу времени.

d – диаметр режущей части инструмента (мм),

П – число Пи, постоянная величина равная 3.14;

V – скорость резания (м/мин) – это путь, пройденный точкой режущей кромки фрезы в единицу времени.

Если у станка есть преимущество в виде преобразователя частоты (т.е. можно с легкостью варьировать скорость вращения шпинделя), то скорость мотора выбирается исходя из выбора диаметра фрезы и материала заготовки. Но важно знать, что при стремительном снижении скорости вращения потерю момента не миновать. В некоторой степени эта потеря возмещается инвертором благодаря функции поддержания крутящего момента при понижении скорости вращения шпинделя. Можно использовать данные из таблицы при выборе параметров соотношения количества оборотов двигателя к диаметру фрезы:

Опытным путем было установлено, что заявленные максимальные обороты в паспорте шпинделя не являются физической границей – абсолютно все высокоскоростные шпиндели без труда разгоняются до 120% от номинальных оборотов, и даже выше. Но при этом следует помнить, что ресурс подшипников может резко снизиться. И очень быстрое вращение не всегда хорошо, так как, например, дерево при фрезеровании образует мелкую пыль, которая затирается между материалом и режущим инструментом, и начинает подгорать. Как следствие, происходит перегрев фрезы и заготовки.

Пример влияния количества оборотов шпинделя при фрезеровании заготовки:

Используемые источники:

• https://www.multicut.ru/articles/skorost-vrashcheniya-shpindelya-kak-vybrat/
• https://www.datarc.ru/articles/hdd/skorost-vrashheniya-shpindelya.html
• https://freza.ru/blog/skorost-vrashcheniya-shpindelya/