Единица измерения частоты вращения шпинделя

Частота вращения шпинделя: определение, ряды и график частот

Для обработки различных заготовок и получения конкретных изделия часто применяется фрезеровальное или токарное оборудование. Оно характеризуется просто огромным количество различных особенностей, среди которых отметим наличие шпинделя. Предназначение подобного узла заключается в креплении заготовки или инструмента на момент работы. Выделяют довольно большое количество различных параметров, которые должны учитываться.

Примером можно назвать то, что частота вращения шпинделя варьируется в достаточно большом диапазоне, выбирается в зависимости от области применения оборудования и многих других моментов. Самостоятельно определить частоту вращения шпинделя можно исключительно при проведении теоретических расчетов, фактический показатель указывается производителем оборудования в инструкции по эксплуатации. Рассмотрим подробнее то, как рассчитать скорость вращения шпинделя и какими особенностями обладает устанавливаемый узел на станках.

Определение частоты вращения

Часто определение частоты вращения шпинделя проводится при создании технологической карты получения того или иного изделия. Именно поэтому для определения точного значение нужно уделить внимание исходным данным. В большинстве случаев они выглядят следующим образом:

1. Тип применяемого материала при создании заготовки. В большинстве случаев эта сталь, которая обладает определенным показателем твердости, а также пределом прочности. В большинстве случаев заготовка представлена углеродистой сталью, которая характеризуется относительно невысокой степенью обрабатываемости. Также могут использоваться различные цветные сплавы, а также чугун. От типа применяемого материала во многом зависит то, какая нагрузка должна оказываться на поверхность для снятия определенного слоя материала. Во многом именно тип материала определяет скорость вращения шпинделя, который выбирается во всех случаях обработки.
2. Диаметр заготовки может варьироваться в достаточно широком диапазоне. При этом для расчета основных параметров учитывается величина припуска. Она разделяется на несколько проходов в зависимости от того, какой точности размеров и качества поверхности нужно добиться после механической обработки. Чаще всего точение разбивается на несколько основных операций: черновое, чистовое и финишное. При черновом, как правило, выбирается больший показатель снимаемого материала, за счет чего проводится уменьшение частоты вращения шпинделя. При чистовой обработке показатель может быть существенно повышен, так как нагрузка на основные элементы существенно снижается. Финишное резание позволяет получить низкую степень шероховатости, которая свойственна деталям, которые применяются при создании ответственных механизмов.
3. Длина обрабатываемой детали имеет значение при выборе основных параметров резания. Это связано с тем, что обработка может проводится в несколько этапов. Слишком большая длина изделия определяет существенное повышение нагрузки на шпиндель и крепление режущего инструмента.
4. Квалитет точности и требуемая шероховатость считаются важными параметрами, которые оказывают влияние на число оборотов шпинделя. Высокую точность можно достигнуть исключительно при выборе высокой скорости вращения шпинделя и применении более современного оборудования. Наиболее высокий показатель квалитета точности можно достигнуть при применении станков с ЧПУ, так как их конструкция характеризуется высокой жесткостью и точностью позиционирования отдельных узлов относительно друг друга.

Для определения рассматриваемого показателя применяется формула, которая выглядит следующим образом: n=1000V/nd. Приведенная выше информация указывает на то, что частота вращения во многом зависит от диаметра и скорости резания, определяется в самых различных случаях.

Измеряется рассматриваемый показатель в единице, которая определяет число сделанных оборотов в минуту. Эта единица считается мировой, применяется в большинстве случаев и может переводится в другие. При расчетах редко получается точный результат, поэтому берется приближенный параметр из таблицы.

Расчет режима резания вызывает довольно много трудностей при отсутствии требующейся информации. Основными параметрами можно назвать следующее:

1. Для начала уделяется внимание типу подходящего режущего инструмента, его материалу и геометрическим параметрам. В продаже встречается просто огромное количество различных вариантов исполнения инструментов, поэтому выбору следует уделять довольно много внимания. Режущая часть часто изготавливается из быстрорежущей стали, но также есть варианты исполнения, кромка которых представлена твердым износостойким сплавом. На токарном станке устанавливаются резцы, режущая кромка которых может повторять различную форму. Примером можно назвать проходные, отрезные резцы, а также варианты исполнения, предназначенные для получения канавок. Куда более сложная характерна для фрез, которые могут применяться для получения плоской поверхности. При непосредственном выборе инструмента рекомендуется проводить его визуальный осмотр, так как дефекты могут стать причиной повреждения инструмента и его быстрого износа, возникновения многих других проблем.
2. Следующий шаг заключается в непосредственном выборе подходящего станка для получения детали. В этом случае не стоит забывать о том, что все оборудование может работать при определенном диапазоне вращения шпинделя. Кроме этого, выбор проводится в зависимости от типа проводимой работы. Примером можно назвать то, что токарное оборудование может проводить лишь наружное точение, а также отрезание и расстачивание и некоторые другие работы. Весьма сложной задачей можно назвать нарезание резьбы, для чего также проводится выбор частоты вращения. Для получения корпусных деталей, сверления и других подобных операций часто выбирается фрезеровальное оборудование, работа которого возможна от блока числового программного управления. На сегодняшний день проводится выпуск достаточно большого количества различных моделей станков, некоторые из них могут устанавливаться в домашней мастерской и при этом имеют достаточно широкий диапазон частоты вращения.
3. Следует провести расчет режимов резания. Наиболее важными параметрами можно назвать скорость резания, величина подачи и многие другие моменты. Технологическая карта, как правило, представлена чертежом с режимами резания, которые выведены в отдельной таблице. В подобном случае также проводится указание показателя частоты вращения шпинделя, который выбирается с рекомендуемого диапазона. Частота вращения шпинделя – параметр, который определяет многое на момент обработки: степень нагрева кромки, ее износа, производительность оборудования и многое другое. Все оборудование может работать при определенной частоте вращения, которая выбирается путем выбора соответствующего режима резания. Основные параметры рассчитываются при применении определенных формул, которые можно встретить в самой различной технической документации.
4. Рекомендуется также проводить проверку выбранных режимов резания. При этом проводится расчет мощности привода, прочность механизма подач, уделяется внимание прочности державки и пластинки твердого сплава. Не стоит забывать о том, что неправильный выбор основных параметров становится причиной не только получения низкокачественного изделия, но и износу основных узлов. Подобные расчеты проводятся исключительно с учетом технических особенностей оборудования, а также выбранной оснастки.
5. Наиболее важным параметром принято считать также количество времени, которое требуется для выполнения конкретной операции. Этот показатель применяется для определения производительности и себестоимости изделия. Наименьший параметр характерен для станков с ЧПУ, так как они могут работать при высоких показателях частоты вращения шпинделя, а на перемещение основных узлов уходит минимальное количество времени. Именно поэтому подобное оборудование устанавливается в случае, когда нужно достигнуть высокий параметр производительности.

Заключительный этап связан с проверкой эффективности выбранного режима резания, а также правильности подобранного обрабатывающего оборудования.

При отсутствии основной информации рассчитать частоту вращения шпинделя об/мин практически невозможно. Однако, прибора, который позволит определить значение с высокой точностью, практически нет. Единица измерения определенного шпинделя может переводится в другие значения, к примеру, количество оборотов в течение минуты или часа.

Важно учитывать тот момент, что количеству оборотов будут соответствовать определенные условия обработки заготовки. К примеру, слишком высокое значение становится причиной повреждения инструмента, при слишком малом добиться требуемых параметров будет практически невозможно.

Скорость вращения шпинделя

При рассмотрении формулы, которая применяется для расчетов частоты вращения шпинделя, уделяется внимание скорости. Она также должна выбираться в зависимости от определенных условий эксплуатации оборудования. Для расчета скорости вращения -шпинделя станка может применяться формула: v=пdn/1000.

Скорость вращения токарного станка по металлу используется в качестве показателя скорости резания. От него зависит следующее:

1. Производительность труда. Стоимость изделия во многом зависит от того, сколько времени было потрачено на его получение. Для повышений производительности труда следует существенно повысить значение скорости резания. Однако это не всегда можно провести, так как слишком высокий показатель может привести к серьезным проблемам, к примеру, нагреву инструмента или износу основной части.
2. Шероховатость получаемой поверхности также варьирует в большом диапазоне. С увеличением скорости резания можно существенно повысить качество готового изделия. Поэтому высокие значения применяются в большинстве случаев при чистовом точении.

Выбор определенного показателя скорости вращения шпинделя проводится в зависимости от возможностей применяемого оборудования. Слишком высокий показатель нельзя устанавливать по причине того, что подобная эксплуатация оборудования приводит к сильному износу.

В заключение отметим, что неправильный расчет частоты вращения может привести к весьма тяжелым последствиям. Это связано с возможностью износа привода, а также других элементов. Не рекомендуется выбирать максимальные показателе частоты вращения и скорости резания, так как это может привести к повышенному износу и возможности износа применяемого инструмента.

Скорость вращения шпинделя

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.

Как определить количество оборотов шпинделя

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:

Формула для расчета

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:

Диаметр фрезы

Скорость вращения

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:

Обороты шпинделя при фрезеровании

Исходя из вышеизложенного, подытожим, что многоцелевого шпинделя с большим диапазоном оборотов, увы, не существует. И важно оптимальное соотношение размера, мощности и максимальных оборотов шпинделя для решения той или иной задачи. Скорость подачи важно распределять равномерно, так как это существенно влияет на качество обработки. При вычислении оборотов шпинделя для того или иного материала необходимо обращать внимание на скорость резания и диаметр режущей части фрезы для оптимальной работы станка без погрешностей. При «закрытом» фрезеровании, где отвод стружки затруднен (пазы, шпунты, гнезда), миновать прижогов возможно, если на порядок уменьшить частоту вращения. Также необходимо учитывать ресурс подшипников при фрезеровании и искусственно не увеличивать число оборотов шпинделя, в зависимости от номинальных, с целью получения большей производительности.

Частота вращения шпинделя токарного и фрезерного станка — расчет числа оборотов по формуле

Количество повторений каких-либо событий или их возникновения за одну единицу таймера называется частотой. Это физическая величина измеряется в герцах – Гц (Hz). Она обозначается буквами ν, f, F, и есть отношение количества повторяющихся событий к промежутку времени, в течение которого они произошли.

Вращение планет вокруг Солнца

При обращении предмета вокруг своего центра можно говорить о такой физической величине, как частота вращения, формула:

где:

• N – количество оборотов вокруг оси или по окружности,
• t – время, за которое они были совершены.

В системе СИ обозначается как – с-1 (s-1) и именуется как обороты в секунду (об/с). Применяют и другие единицы вращения. При описании вращения планет вокруг Солнца говорят об оборотах в часах. Юпитер делает одно вращение в 9,92 часа, тогда как Земля и Луна оборачиваются за 24 часа.

Переход от угловой к линейной скорости

Существует различие между линейной скоростью точки и угловой скоростью. При сравнении величин в выражениях, описывающих правила вращения, можно увидеть общее между этими двумя понятиями. Любая точка В, принадлежащая окружности с радиусом R, совершает путь, равный 2*π*R. При этом она делает один оборот. Учитывая, что время, необходимое для этого, есть период Т, модульное значение линейной скорости точки В находится следующим действием:

ν = 2*π*R / Т = 2*π*R* ν.

Так как ω = 2*π*ν, то получается:

Следовательно, линейная скорость точки В тем больше, чем дальше от центра вращения находится точка.

К сведению. Если рассматривать в качестве такой точки города на широте Санкт-Петербурга, их линейная скорость относительно земной оси равна 233 м/с. Для объектов на экваторе – 465 м/с.

Числовое значение вектора ускорения точки В, движущейся равномерно, выражается через R и угловую скорость, таким образом:

а = ν2/ R, подставляя сюда ν = ω* R, получим: а = ν2/ R = ω2* R.

Это значит, чем больше радиус окружности, по которой движется точка В, тем больше значение её ускорения по модулю. Чем дальше расположена точка твердого тела от оси вращения, тем большее ускорение она имеет.

Поэтому можно вычислять ускорения, модули скоростей необходимых точек тел и их положений в любой момент времени.

Связь между угловой и линейной скоростями

Понимание и умение пользоваться расчётами и не путаться в определениях помогут на практике вычислениям линейной и угловой скоростей, а также свободно переходить при расчётах от одной величины к другой.

Угловая скорость

Резонансная частота: формула

Когда тело движется по окружности, то не все его точки движутся с одинаковой скоростью относительно оси вращения. Если взять лопасти обычного бытового вентилятора, которые вращаются вокруг вала, то точка расположенная ближе к валу имеет скорость вращения больше, чем отмеченная точка на краю лопасти. Это значит, у них разная линейная скорость вращения. В то же время угловая скорость у всех точек одинаковая.

Угловая скорость представляет собой изменение угла в единицу времени, а не расстояния. Обозначается буквой греческого алфавита – ω и имеет единицу измерения радиан в секунду (рад/с). Иными словами, угловая скорость – это вектор, привязанный к оси обращения предмета.

Формула для вычисления отношения между углом поворота и временным интервалом выглядит так:

где:

• ω – угловая скорость (рад./с);
• ∆ϕ – изменение угла отклонения при повороте (рад.);
• ∆t – время, затраченное на отклонение (с).

Обозначение угловой скорости употребляется при изучении законов вращения. Оно употребляется при описании движения всех вращающихся тел.

Формула угловой скорости

Угловая скорость в конкретных случаях

На практике редко работают с величинами угловой скорости. Она нужна при конструкторских разработках вращающихся механизмов: редукторов, коробок передач и прочего.

Вычислить её, применяя формулу, можно. Для этого используют связь угловой скорости и частоты вращения.

где:

• π – число, равное 3,14;
• ν – частота вращения, (об./мин.).

В качестве примера могут быть рассмотрены угловая скорость и частота вращения колёсного диска при движении мотоблока. Часто необходимо уменьшить или увеличить скорость механизма. Для этого применяют устройство в виде редуктора, при помощи которого понижают скорость вращения колёс. При максимальной скорости движения 10 км/ч колесо делает около 60 об./мин. После перевода минут в секунды это значение равно 1 об./с. После подстановки данных в формулу получится результат:

ω = 2*π*ν = 2*3,14*1 = 6,28 рад./с.

К сведению. Снижение угловой скорости часто требуется для того, чтобы увеличить крутящий момент или тяговое усилие механизмов.

Шестерёнчатый уменьшитель хода для мотокультиватора

Как определить угловую скорость

Принцип определения угловой скорости зависит от того, как происходит движение по окружности. Если равномерно, то употребляется формула:

Если нет, то придётся высчитывать значения мгновенной или средней угловой скорости.

Величина, о которой идёт разговор, векторная, и при определении её направления используют правило Максвелла. В просторечии – правило буравчика. Вектор скорости имеет одинаковое направление с поступательным перемещением винта, имеющего правую резьбу.

Правило Максвелла для угловой скорости

Рассмотрим на примере, как определить угловую скорость, зная, что угол поворота диска радиусом 0,5 м меняется по закону ϕ = 6*t:

ω = ϕ / t = 6 * t / t = 6 с-1

Вектор ω меняется из-за поворота в пространстве оси вращения и при изменении значения модуля угловой скорости.

Движение по циклоиде*

В системе отсчета, связанной с колесом, точка равномерно вращается по окружности радиуса R со скоростью , которая изменяется только по направлению. Центростремительное ускорение точки направлено по радиусу к центру окружности.

Теперь перейдем в неподвижную систему, связанную с землей. Полное ускорение точки А останется прежним и по модулю, и по направлению, так как при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой ускорение не меняется. С точки зрения неподвижного наблюдателя траектория точки А — уже не окружность, а более сложная кривая (циклоида), вдоль которой точка движется неравномерно.

Мгновенная скорость определяется по формуле

Распространенные ошибки при выборе режимов резания

Очень часто начинающие токари и фрезеровщики не согласовывают скорости – это оборачивается концентрацией напряжений на кромке, а значит повышает вероятность поломки инструмента в таких «критических» точках и вызывает другие проблемы.

Есть две классические ситуации:

• Максимальные обороты при медленной подаче – при этом серьезно падает качество обработки. Кроме того, резец будет не снимать стружку, а лишь давить на поверхность, сначала лишь шлифуя ее, а потом уже вызывая прижог; при этом не просто действуя вхолостую, а даже теряя в прочности, ведь будет наблюдаться отгибание кромки.
• Обратная ситуация приводит к тому, что лезвие убирает слишком много материала и вместе с тем испытывает чрезмерную нагрузку, в результате чего скалывается и оставляет царапины и другие дефекты на той плоскости, которая должна быть гладкой.

Поэтому на практике нужно проводить расчет частоты вращения шпинделя для каждой технологической операции и, на основе полученных результатов, соотносить подачу, чтобы обеспечивать не только скорость, но и точность, и безопасность процесса. Тем более что все величины можно принимать в некотором диапазоне – всегда есть место для допусков. Помните, что длительная эксплуатация инструмента – следствие правильного подхода, тогда как неожиданная поломка – результат допущенных ошибок.

И универсальный совет – проводите обработку в несколько этапов: сначала черновую, по максимуму снимая ненужный металл, потом чистовую, более медленно, и, наконец, финишную – для шлифовки мельчайших неровностей.

Угол поворота и период обращения

Рассмотрим точку А на предмете, вращающимся вокруг своей оси. При обращении за какой-то период времени она изменит своё положение на линии окружности на определённый угол. Это угол поворота. Он измеряется в радианах, потому что за единицу берётся отрезок окружности, равный радиусу. Ещё одна величина измерения угла поворота – градус.

Когда в результате поворота точка А вернётся на своё прежнее место, значит, она совершила полный оборот. Если её движение повторится n-раз, то говорят о некотором количестве оборотов. Исходя из этого, можно рассматривать 1/2, 1/4 оборота и так далее. Яркий практический пример этому – путь, который проделывает фреза при фрезеровании детали, закреплённой в центре шпинделя станка.

Внимание! Угол поворота имеет направление. Оно отрицательное, когда вращение происходит по часовой стрелке и положительное при вращении против движения стрелки.

Если тело равномерно продвигается по окружности, можно говорить о постоянной угловой скорости при перемещении, ω = const.

В этом случае находят применения такие характеристики, как:

• период обращения – T, это время, необходимое для полного оборота точки при круговом движении;
• частота обращения – ν, это полное количество оборотов, которое совершает точка по круговой траектории за единичный временной интервал.

Интересно. По известным данным, Юпитер обращается вокруг Солнца за 12 лет. Когда Земля за это время делает вокруг Солнца почти 12 оборотов. Точное значение периода обращения круглого гиганта – 11,86 земных лет.

Связь со вторым законом Ньютона

Согласно второму закону Ньютона причиной любого ускорения является сила. Если движущееся тело испытывает центростремительное ускорение, то природа сил, действием которых вызвано это ускорение, может быть различной. Например, если тело движется по окружности на привязанной к нему веревке, то действующей силой является сила упругости.

Если тело, лежащее на диске, вращается вместе с диском вокруг его оси, то такой силой является сила трения. Если сила прекратит свое действие, то далее тело будет двигаться по прямой

Циклическая частота вращения (обращения)

Формула механической мощности — средняя и мгновенная мощность

Скалярная величина, измеряющая частоту вращательного движения, называется циклической частотой вращения. Это угловая частота, равная не самому вектору угловой скорости, а его модулю. Ещё её именуют радиальной или круговой частотой.

Циклическая частота вращения – это количество оборотов тела за 2*π секунды.

У электрических двигателей переменного тока это частота асинхронная. У них частота вращения ротора отстаёт от частоты вращения магнитного поля статора. Величина, определяющая это отставание, носит название скольжения – S. В процессе скольжения вал вращается, потому что в роторе возникает электроток. Скольжение допустимо до определённой величины, превышение которой приводит к перегреву асинхронной машины, и её обмотки могут сгореть.

Устройство этого типа двигателей отличается от устройства машин постоянного тока, где токопроводящая рамка вращается в поле постоянных магнитов. Большое количество рамок вместил в себя якорь, множество электромагнитов составили основу статора. В трёхфазных машинах переменного тока всё наоборот.

При работе асинхронного двигателя статор имеет вращающееся магнитное поле. Оно всегда зависит от параметров:

• частоты питающей сети;
• количества пар полюсов.

Скорость вращения ротора состоит в прямом соотношении со скоростью магнитного поля статора. Поле создаётся тремя обмотками, которые расположены под углом 120 градусов относительно друг друга.