Охлаждение водяного шпинделя: антифриз, бак, насос и как промыть забитую рубашку

Что считается нормой

Водяной шпиндель отдаёт воде часть потерь в обмотках и подшипниках. Fischer для расчёта чиллера применяет правило: мощность охлаждения порядка 20% от номинальной мощности шпинделя S1. Для шпинделей небольшой мощности это оценка, фактические потери зависят от режима, но порядок величины она задаёт. Разница температур воды на входе и выходе при известном расходе считается по формуле Δt = P / (c × m), для воды один литр в минуту уносит около 70 Вт на каждый градус.

Таблица расчётная, не из паспорта: она показывает, зачем нужен расход около 3 л/мин. Fischer напоминает, что при сильном потоке температура входа и выхода близки, и это снижает тепловое расширение шпинделя и нагрузку на подшипники. Температуру подаваемой жидкости ориентируют на 20–24 °C (Fischer) или 25 ± 3 °C (HSD). Слишком холодная вода (Fischer прямо об этом пишет) даёт конденсат на корпусе и внутри. Ещё одно ограничение из паспортов шпинделей: окружающая среда не выше 35 °C, у Purelogic это верхняя граница диапазона +15…+35 °C.

Если вы видите на выходе разницу больше 8–10 градусов, расход слишком мал: воздух, перегиб шланга, слабая помпа или забитая рубашка. Обратка должна быть тёплой, но не горячей. О допустимой температуре корпуса форумы расходятся: одни называют нормой 40 °C, другие считают перегревом 70–80 °C, поэтому доверять нужно разнице температур воды и данным паспорта шпинделя.

Чем заливать контур

HSD в руководстве называет воду с 10% этиленгликоля и антикоррозионными присадками и предупреждает, что внутренние уплотнения у них из нитрильной резины, поэтому присадки должны её не разрушать. Для готового раствора у производителя есть своя смесь, которая защищает от коррозии примерно год. Практики говорят о том же иначе: заливают этиленгликоль с ингибиторами, разбавленный дистиллированной водой (до 50%). Жидкость с цинком опасна, если в системе есть оцинкованные детали. Purelogic для своих систем охлаждения рекомендует очищенную или дистиллированную воду либо антифриз и обновление воды раз в неделю, а производитель водяных шпинделей ATC добавляет, что гликоль в зимней концентрации ухудшает теплоотдачу на 5–10%.

Бак, радиатор и насос

Пока нет радиатора или чиллера, бак только накапливает тепло. При потерях 440 Вт (шпиндель 2,2 кВт) скорость нагрева зависит от объёма: бак 10 л нагревается на 0,63 °C в минуту, 20 л на 0,31 °C, 30 л на 0,21 °C. До прироста в 10 градусов в баке на 10 л проходит около 16 минут, на 20 л около 32, на 30 л около 48 (потери в стенки не учтены, реально чуть дольше). Это совпадает с жалобами операторов: шпиндель греется за 10–20 минут на маленьком баке.

Радиатор с вентилятором работает по-другому: у готовой системы Purelogic PLSC-01 бак 10 л, расход до 18 л/мин, рассеивание 60 Вт на градус разницы между водой и воздухом. Из этого получается оценка: при потерях 440 Вт вода в установившемся режиме будет на 440 / 60 ≈ 7 °C теплее воздуха, при 600 Вт на 10 °C, при 900 Вт на 15 °C. В цехе с 22 °C это 29, 32 и 37 °C, и для шпинделя 4,5 кВт такой радиатор уже на пределе. Практики советуют бак 15–30 л с автомобильным радиатором или радиатором от холодильника и вентилятором, называют обратку и радиатор важнее объёма; в одной из тем шпиндель 3 кВт с такой системой отработал 28 часов подряд. Для длинных смен, жары или шпинделей от 4–5 кВт ставят чиллер: он держит температуру независимо от цеха.

Насос выбирают по трём признакам. Во-первых, расход не ниже 3 л/мин у шпинделя, и именно при вашем напоре: шланг 6–8 мм, рубашка и радиатор дают сопротивление, а аквариумная помпа с большой цифрой максимального расхода на коробке при подъёме в 1–2 м отдаёт заметно меньше. Во-вторых, температурный предел: в одной из тем аквариумная помпа отключалась при 42–45 °C. В-третьих, тип: многие переходят на циркуляционный насос для отопления, бензонасос не подходит. Диаметр трубки влияет на скорость, а не на объём: при замене 6 мм на 8 мм струя слабеет, а расход тот же, поэтому ориентируются на температуру и отсутствие воздуха, а не на силу струи. Магистраль до шпинделя лучше делать более толстой и сужать у штуцеров: так советует Fischer.

В каталоге станков бывает по-разному: по карточкам, у Wattsan Mini 0404 и 0609 и у A1 шпиндель с водяным охлаждением и помпа в комплекте, а у M1 1616 охлаждение воздушное.

Подключение, воздух и контроль потока

Подавать воду нужно снизу, а забирать сверху: так поток вытесняет пузыри вверх. Заполните бак, включите насос, наклоните шпиндель или покачайте его, пока из обратки не пойдёт ровная струя без пузырей. Воздушная пробка в рубашке создаёт горячее пятно. Ещё три типичные причины перегрева, которые операторы называют: перегнутый шланг, низкий уровень в баке, перетянутый хомут. Шланги крепят хомутами, не пластиковыми стяжками.

Реле протока ставят на обратку: оно размыкает цепь пуска шпинделя, если потока нет, и это дешевле, чем менять шпиндель. Насос включают вместе с питанием станка, а не по команде шпинделя: так проще не забыть, а после остановки он ещё какое-то время выносит остаточное тепло. Для нескольких шпинделей подключают охлаждение параллельно через коллектор: магистраль 16–20 мм, ответвления меньшего сечения, датчик потока.

Как промыть забитую рубашку

Если шпиндель стал греться при исправном насосе, а вода в баке мутная, ржавая или со слизью, каналы, скорее всего, забились налётом. Работайте на остановленном шпинделе, обесточенном частотнике и снятом инструменте.

После промывки жидкость меняют по графику: у Purelogic в руководстве для системы рекомендовано раз в неделю при работе на воде, при гликолевой смеси интервал определяется её присадками.

Зима

Вода в рубашке замерзает и лопает корпус, и в темах об охлаждении это одна из самых дорогих историй. В холодном цехе в контур заливают смесь с этиленгликолем: ATC пишет, что 25–30% дают температуру замерзания около –15 °C, теплоотдача падает на 5–10%. Для длительного простоя и транспортировки воду сливают из бака и рубашки, как требует и Purelogic. Если цех отапливается ночью не всегда, антифриз нужен круглый год: вода может замёрзнуть в выходные.