Чиллер для ЧПУ: расчёт охлаждения шпинделя фрезерного станка

Чиллер для ЧПУ охлаждает шпиндель: в воду уходит та часть его мощности, которая теряется в двигателе и подшипниках, обычно 10–30 %. Калькулятор считает холодопроизводительность по мощности, типу и числу шпинделей и показывает расход воды.

Расчёт чиллера для шпинделя

Мощность, кВт Шпинделей, шт.

Тип шпинделя С ремённым или редукторным приводом Электрошпиндель до 15 000 об/мин Высокоскоростной электрошпиндель

Температура воды, °C Нагрев воды, °C

Запас 10 % 15 % 20 % Выносной конденсатор

Вода 22 °C теплее, чем у серийных чиллеров (от 5 до 15 °C): нужен индивидуальный подбор.

Требуемый чиллер

5,1

кВт

Тепло, кВт

4,40

Расход воды, м³/ч

1,45

Температура воды, °C

22

Запросить подбор на 5,1 кВт

Письмо производителю xiron.ru с параметрами расчёта

Откуда берётся тепло

• Двигатель электрошпинделя. Статор встроен в корпус шпинделя и охлаждается водяной рубашкой. Всё, что двигатель потребил и не передал на инструмент, становится теплом.
• Подшипники. Трение в них растёт вместе с оборотами. У высокоскоростных шпинделей подшипники греются сравнимо с двигателем, причём и на холостом ходу.
• Привод обычного шпинделя. У шпинделя с ремённым или редукторным приводом двигатель стоит отдельно. Водой или маслом охлаждают только шпиндельную бабку с подшипниками и редуктором. Тепло резания уходит не в шпиндель, а в СОЖ — его считают в задаче о чиллере для СОЖ.

Охлаждение нужно не только ради ресурса. Нагретый шпиндель удлиняется, и размер детали уходит, поэтому воду держат при постоянной температуре.

Формула

Тепло, которое шпиндели отдают воде:

Q_ш = P × N × a

Q_ш — тепло от шпинделей, кВт; P — длительная мощность одного шпинделя, кВт; N — число шпинделей на одном чиллере; a — доля мощности, которая переходит в тепло.

Холодопроизводительность чиллера с запасом и расход воды:

Q = Q_ш × (1 + k)

V = Q / (1,163 × Δt)

Q — холодопроизводительность, кВт; k — запас в долях единицы, обычно 0,10–0,20; V — расход воды, м³/ч; Δt — нагрев воды в шпинделе, °C; 1,163 — теплоёмкость кубометра воды, кВт·ч/(м³·°C), как в расчёте мощности по расходу и температурам. Если в паспорте шпинделя указан расход, берут его.

Пример расчёта

Обрабатывающий центр с одним электрошпинделем 22 кВт, до 15 000 об/мин. Вода на шпиндель 22 °C, нагрев воды 3 °C, запас 15 %.

1. Тепло от шпинделя: 22 × 1 × 0,20 = 4,40 кВт.
2. Холодопроизводительность с запасом: 4,40 × 1,15 = 5,06 кВт, округлённо 5,1 кВт.
3. Расход воды: 5,06 / (1,163 × 3) = 1,45 м³/ч.

Вода 22 °C теплее, чем у серийных чиллеров (от 5 до 15 °C). Чиллер для шпинделя подбирают индивидуально: с нужной температурой воды и точностью её поддержания. По холодопроизводительности это класс мини-чиллеров.

Как выглядит установка на 5,1 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 5 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Берут чиллер на всю мощность шпинделя. В воду уходит только 10–30 % этой мощности. Чиллер получается завышенным в несколько раз, работает короткими пусками, и температура воды скачет. Пуски сглаживает бак-аккумулятор, но лучше не завышать чиллер.
• Считают по нагрузке резания. Подшипники высокоскоростного шпинделя греются от оборотов, а не от нагрузки. На чистовой обработке с малым съёмом тепла почти столько же, сколько на черновой. Диэлектрик электроэрозионных станков в том же цехе считают по мощности генератора — задача о чиллере для электроэрозионного станка.
• Подают слишком холодную воду. Если вода холоднее точки росы в цехе, внутри шпинделя выпадает конденсат: ржавеют подшипники, страдает изоляция обмотки. Воду держат близко к температуре цеха; точку росы считают в расчёте теплоизоляции трубопроводов.
• Не смотрят на точность температуры. Когда вода гуляет на несколько градусов, шпиндель то удлиняется, то укорачивается. Размер детали плавает в течение смены. Точность задают уставкой и дифференциалом — справочник о настройке чиллера.