- Для чего мне нужен станок?
- Задаем характеристики
- Назначение
- Упрочнения резания и шаговый двигатель
- Точность
- Скорость
- Размер рабочей области фрезерования
Для чего мне нужен станок?
«Был бы станок, а что на нем делать найдется», «Сделаем, посмотрим, что окажется, тогда и заметим», «Легко весьма интересно», «Ни лобзиком, ни напильником пилить не могу, вот, пускай станок и пилит», «Увлекательна процесс и сама проблема ее решения», «Желаю станок, дабы напилить на нем большое количество КИТ-ов и получить большое количество денег» и т.д. и т.п. Подобные побудительные мотивы чтобы затеять постройку для того чтобы сложного и дорогого устройства, как станок ЧПУ, не важны, не смотря на то, что и распространены.
Моя побудительная обстоятельство не совпала ни с одной из перечисленных. Я знал, что буду делать на станке – пилить бальзовые детали для собственных самолетов. А из-за чего на ЧПУ?
А по причине того, что устал руками и продолжительно через чур. К примеру, вот фото консолей верхнего крыла и стабилизатора копии самолета И-5, спроектированные под станок ЧПУ и полностью на нем выпиленные.
Это моя первая модель, которая проектируется только под ЧПУ. Нервюры – бальза 1,5 мм, все на шипах, 80% подробностей – неповторимые. Вручную такое делать – запаришься, да пожалуй, и не сделать.
А воображаете, грохнуть такую модель в первом полете? Либо во втором? Поседеешь!
А тут, забрал и выпилил новое крылышко, либо, в том месте, стабилизатор….
Ну, прекрасно. А станок-то для чего? Куда не плюнь – контора с лазерной резкой! Дал файлы, взял подробности, и дешево.
Да, это так, в случае если штамповать КИТ-ы, но не в ходе разработки. Конторам необходимы количества, им не весьма интересно резать 2-3 подробности, они кроме того 10 подробностей резать не будут, им подавай 10 стандартных страниц. Да и не набегаешься к ним.
Спроектировать от и до, а позже с страницы нарезать лазером, дабы все идеально совпало, возможно лишь несложную модель, но не копию. Может кому-то это и удается, но не мне. Сконструировал узел, нарезал, склеил, покрутил в руках, исправил что не нравится, двинулся дальше – вот мой подход.
А для этого станок обязан находиться дома.
Просматривая форум, посвященный станкам ЧПУ на отечественном сайте, я заключил, что желающих выстроить станок много. Но в случае если с программами и электроникой народ, в общем и целом, дружит, по крайней мере имеется познание, что и как делать, то с механической частью станка – труба. Задача статьи — ввести интересующихся в курс дела на примере проектирования конкретного станка.
Хочется, дабы вопросы на форумах были более осмысленными и основывались на настоящих фактах, а не на догадках. У меня нет задачи поучать и показывать, как как раз ВАМ строить СОБСТВЕННЫЙ станок. Вы имеете возможность принять мои советы к сведению, а имеете возможность проигнорировать, это ваше право.
В данной статье ни слова не будет сообщено про программы и электронику. И не только по тому, что это тема отдельной статьи, которую, быть может, кто-нибудь напишет. Не желаю никого обидеть, но, по-моему, сейчас электроника – не неприятность.
В отличие от механики ее возможно достаточно легко приобрести полностью – подключил и получило, и цена ее образовывает не более четверти всех затрат на станок. А вот механика приемлемого качества по приемлемой цене – неприятность. Хочется, дабы у людей не считая жажды – желаю станок ЧПУ, было еще и познание, что за этим стоит.
Задаем технические характеристикиНазначение
- Как уже было сообщено, станок нужен в основном для фрезерования бальзовых пластин – вырезания из них деталей моделей самолетов. По этому материалу станок должен иметь большую производительность. Не считая бальзы будет фрезероваться строительная и авиационная фанера, дерево, пластик, карбон и стеклотекстолит. Точность станка по перечисленным материалам должна быть не хуже 0,1 мм на большой длине.
- Не считая неметаллов станок обязан прекрасно резать алюминиевые сплавы фрезами диаметром до 3 мм с подачами 150…250 мм/мин, при заглублении до 2 мм. Точность при фрезеровании алюминиевых сплавов должна быть в районе 0,05 мм на площади 150х150 мм.
- Фрезерование стали не предусматривается, не считая отдельных случаев, наряду с этим точность и скорость не регламентируется.
- Обязана иметься возможность 3D матриц и фрезерования моделей из неметаллических материалов для выклейки и формования крыльев, капотов, фонарей и т.п.
Оптимально, малогабаритный настольный станок под перечисленные задачи должен иметь рамочную конструкцию.
Упрочнения резания и шаговый двигатель
Имеет место заблуждение, что при фрезеровании необходимо давить на фрезу, дабы она лучше резала. Это неправильно. Вспомните выпиливание лобзиком, чуть надавил — пилка сломалась.
Скорость выпиливания зависит от того, как скоро вы станете выполнять возвратно-поступательные перемещения лобзиком, и от остроты пилки. При фрезеровании узкими фрезами отмечается та же самая картина, задал неправильные режимы резания — фреза сломалась. Исходя из этого будем рассчитывать на острый оптимальные режимы и качественный инструмент резания.
При этих условиях нагрузки на реакции и шпиндель в опорах ожидаются маленькие, в пределах нескольких килограммов.
Рассчитывать эти килограммы по формулам не обязательно. Вы легко и наглядно имеете возможность оценить максимальные упрочнения прямо без всякого оружия. Для этого заберите узкую концевую фрезу диаметром 1 мм и попытайтесь сломать ее в руках.
Вы удивитесь, как легко вам это удастся. Фрезу диаметром 3 мм в руках сломать тяжелее, но все равно упрочнения эти не запредельны. Разрушение фрезы при превышении допустимых нагрузок и будет тем предохранителем, что убережет отечественный станок от выхода и критических напряжений из строя.
Жесткость станка должна быть запланирована на эти нагрузки нужно с двойным запасом.
Мощность шагового двигателя по большей части нужна не для резания, а для преодоления сил трения в направляющих и винтовой паре, а силы эти зависят от качества изготовления, зазоров, наличия и перекосов смазки. Вычислить эти силы возможно, методики существуют, но чем меньше по размерам механизм, тем менее точные получаются результаты. Так что выбор двигателя для станка по мощности это такое же шаманство, как и выбор мотора для модели самолета с ДВС: потянет — не потянет, с запасом — на пределе, т.е. из опыта либо на базе анализа прототипов.
Шаговых двигателей на рынке навалом. Выбрать подходящие из этого обилия не просто. Исходя из этого сориентируемся на те движки, каковые значительно чаще используются в аналогичной технике – советские индукторные шаговые двигатели ДШИ-200-3 либо ДШИ-200-2.
Различаются они по мощности. Имеется еще ДШИ-200-1, но он открыто не сильный. ДШИ-200 хорошие моторы, в случае если повезет, то возможно отыскать эти движки с индексом ОС (особенная серия, военная приемка), уровень качества их изготовления лучше, но и простые в полной мере на уровне.
Вот характеристики двигателя ДШИ-200-3 (в скобках значения для ДШИ-200-2):
- Большой статический момент, нт — 0,84 (0,46).
- Единичный ход, град — 1,8 (1,8).
- Погрешность обработки шага, % — 3 (3).
- Большая частота приемистости, Гц — 1000 (1000).
- Ток питания в фазе, А — 1,5(1,5).
- Напряжение питания, В – 30 (30)
- Потребляемая мощность, Вт — 16,7 (11,8).
- Масса, кг — 0,91 (0,54).
Точность
Довольно часто путают разрешающую точность фрезерования и способность позиционирования. Разрешающая свойство зависит от выбора вида трансмиссии и шагового двигателя. К примеру, шаговый двигатель ДШИ-200-3 при работе в оптимальном полушаговом режиме делает 400 шагов за оборот.
Следовательно, в случае если применить винтовую передачу с шагом винта 2 мм, то за один ход рабочий орган передвинется на 2 / 400 = 0,005 мм, т.е. на 5 микрон. При шаге 3 мм – 3 / 400 = 0,0075 мм, т.е. дальше на 2.5 мкм, но и скорость будет на треть выше.
В случае если применять передачу с зубчатым ремнем, картина получается такая. Минимально вероятный (из конструктивных мыслей) средний диаметр ведущего зубчатого колеса — 14 мм. Значит, за один оборот путь получается 3,14*14 = 43,96 мм, т.е. перемещение за 1 ход будет 43,96 / 400 = 0,11 мм.
Для бальзы приемлемо, со скрипом, само собой разумеется, но возможно было бы согласиться, если бы это было все. Но это, к сожалению, не все.
Для получения точности фрезерования, к значению разрешения направляться приплюсовать технологические люфты в направляющих и трансмиссии, конечно значения перемещений благодаря упругих деформаций, обусловленных неспециализированной жесткостью станка. Люфты возможно вычислить, а вот с неспециализированной жесткостью сложнее. Вычислить ее нереально.
При серийном производстве сначала проектируется и изготавливается опытный образец (в большинстве случаев, на базе прототипа, т.е. другого станка). После этого станок испытывают, создают тщательные замеры, и наблюдают, отвечает его точность требованиям ТЗ либо нет. Если не отвечает, то конструкцию разбирают, определяют проблемные места, где нужно усиливают жесткость, выполняют трансформации в конструкторской документации и запускают установочную серию.
Процесс повторяется уже на нескольких экземплярах. Такая процедура именуется доводкой станка.
Любительская конструкция также в некоем роде умелый экземпляр, но он же выясняется и окончательным. Это вынуждает при конструировании закладывать в силовую схему станка заведомо избыточную жесткость. Не нужно этого опасаться. Тут лучше перестраховаться. Рвение создать красивую и уникальную конструкцию может сыграть с конструктором злую шутку.
Станок может оказаться не твёрдым, а второй попытки может и не быть — через чур дорого.
Ложно осознаваемая «доводка» станка — исправление неточностей в силовой схеме привинчиванием дополнительных уголков, рёбер и косынок — результата не дает. Это то же самое, что лечить зубы пилюлями – наступает временное облегчение, а позже делается еще хуже. Научить делать качественные, твёрдые конструкции нереально.
Конструкцию нужно ощущать, это приходит с опытом совершенно верно так же, как шофер с опытом начинает ощущать автомобиль.
Если вы желаете выстроить надежный и долговечный станок для повседневного применения, а не для демонстрации принципиальных возможностей, но опыта конструирования у вас не хватает, не соблазняйте судьбу, заберите за базу проверенный прототип, это сэкономит и нервы, и время, и деньги.
Если вы все же решили создать конструкцию станка сами, придерживайтесь нескольких несложных правил:
- Не экономьте на жесткости. В вызывающих большие сомнения случаях перестраховывайтесь. Придерживайтесь принципа равнопрочности и равножесткости.
- В силовом каркасе станка везде, где это только возможно, используйте прессовые посадки и глухие либо штифты, т.к. простое болтовое соединение жесткости не дает.
- Помните о том, что в среднем, при кручении жесткость пропорциональна квадрату размеров сечения, а при изгибе — четвертой степени, т.е. при повышении размеров сечения подробности вдвое, ее жесткость возрастает в шестнадцать раз.
- Не увлекайтесь оребрением. Монолитная алюминиевая подробность тверже, чем равная ей по весу и прочности металлическая, но оребренная.
Но мы отвлеклись. Точность станка декларируется в техническом задании на конструирование исходя из задач, каковые будут выполняться на станке. Вот и мы задекларировали точность в пределах 0,05 мм на рабочей площади фрезерования, ограниченной размерами 150х150 мм. Попытаемся ее обеспечить.
В то время, когда станок готовься , посмотрим, что реально оказалось, а до тех пор пока совершим кое-какие оценки.
Первое. Привод с зубчатым ремнем не годится по разрешающей свойству. Значит винт.
С позиций разрешения, ход винта 2 либо 3 мм не принципиален, и тот и второй подходит. Кстати, еще одно распространенное заблуждение – чем меньше ход винта, тем выше точность станка. Выше делается разрешение позиционирования, но не точность фрезерования.
Второе. Разумеется, самый нагруженные направляющие у станка по оси Х. Вес каретки Х ожидается в пределах 5 кг, ожидаемые упрочнения резания 2…3 кг. При таких нагрузках две цилиндрические направляющие диаметром 16 мм, длиной 700 мм, сделанные из заклеенной стали 40Х, будут иметь стрелу прогиба порядка 2-3 мкм.
Пускай кроме того 5 мкм, все равно это в полной мере приемлемо.
Третье. Будем вычислять, что мы сумеем обеспечить жесткость корпусных подробностей каретки Х таковой, при которой не будет заметных деформаций от упрочнений резания. Тогда вся погрешность (порядка 0,04 мм) останется на люфты, по большей части на люфты в винтовых парах и на погрешности изготовления ходовых винтов.
Очень твёрдые требования, по сути, это максимум, что возможно получить от самодельного станка. Что касается всей площади фрезерования, то в случае если мы уложимся в 0,1 мм на длине 700 мм, это не составит большого труда супер.
В приводе с зубчатым ремнем накопленная неточность винта отсутствует, но ремень лишь условно не тянется, в действительности он тянется, исходя из этого точность фрезерования с ним низка и редко бывает лучше 0,25…0,3 мм на длине 700 мм.
Скорость
У станка имеется две скорости – скорость перемещения шпинделя на протяжении фрезерования (подача) и скорость холостого хода (позиционирование). Первая задается по условиям резания и может изменяться в широком диапазоне, вторая должна быть максимальной. Разумеется, что в случае если максимальная скорость будет ниже, чем оптимальная подача при фрезеровании материала, на что станок вычислен, производительность станка будет недостаточна.
Для бальзы оптимальные режимы фрезерования такие:
- Толщина страницы от 1 до 2 мм – фреза диаметром 0,6 мм (0,8 мм); подача 600 мм/мин; скорость 40000…50000 об/мин.
- Толщина страницы от 2 до 6 мм – фреза 0,8 мм; подача 500 мм/мин при той же скорости;
Для других материалов подачи меньше. Скорость зависит от шпинделя. Кроме того в случае если сейчас у меня нет шпинделя на 50000 об/мин, быть может, он покажется на следующий день, исходя из этого станок нужно делать на подачи 500…600 мм/мин.
ДШИ-200-3 имеет частоту приемистости 1000 Гц, в полушаговом режиме это 150 об/мин, значит, большая подача с винтом шагом 3 мм будет 450 мм/мин. Мало не дотягивает до оптимального режима. С винтом шагом 2 мм подача будет и того меньше, всего 300 мм/мин, что очевидно не достаточно.
При работе двигателя как и всегда большая скорость получается 900 мм/мин, но точность позиционирования падает до 0,015 мм. Для бальзы сгодится, для алюминия нет.
Размер рабочей области фрезерования
Как говорится, размер имеет значение, и не только в плане размещения заготовки оптимальной площади (100х1000 для бальзы, 300х500 для бальзовой фанеры). От размера рабочей плоскости фрезерования очень во многом зависит цена станка, в особенности в случае если использовать винтовую передачу. Тут нужен компромисс.
Для себя я отыскал данный компромисс – 700х300х70 мм. У вас эти размеры смогут быть другие.
Подшипники скольжения и направляющие
Для относительно правильных малогабаритных станков типа того, что мы конструируем, альтернативу круглым металлическим направляющим с подшипниками скольжения отыскать тя