Рама и привод самодельного фрезера: сечение трубы, сварка, посадочные плоскости, ШВП или рейка

Рама и портал

Практики, которые строят станки на 2–5 метров, сходятся в нескольких вещах. Сначала опытные участники обсуждений отговаривают от затеи, потом, если человек не отступает, дают конкретные цифры. Вот типичные причины, по которым станок «по расчёту» гудит и гнётся:

1. слишком лёгкий профиль для портала: алюминиевая балка 60×120, труба 40×20×2, швеллер вместо замкнутого сечения;
2. фанера, ДВП и МДФ в раме: со временем разбалтываются и гудят на силах резания;
3. рельсы поставлены на непроверенную плоскость, а не на выставленную по линейке и индикатору;
4. тонкая стенка трубы (3–4 мм) не держит резьбу под рельсы;
5. сварка без учёта усадки: раму ведёт, а перед обработкой её не выдерживают;
6. стол из тонких профилей на пролёте 1400 мм вибрирует, пластиковые втулки из фторопласта «текут» под нагрузкой;
7. база кареток на портале слишком короткая, инструмент качается.

Сколько прогибается балка

Балку портала на двух опорах с силой в центре считают по формуле δ = F·L³ / (48·E·I), где I для замкнутого прямоугольного профиля равен (B·H³ − b·h³) / 12. Для стали E = 206 ГПа, для алюминия 70 ГПа. Силу возьмём F = 200 Н на шпинделе, как условный ориентир.

Пример подстановки для стали 200×100×8: I = (100·200³ − 84·184³) / 12 = 2,306·10⁷ мм⁴, δ = 200·2500³ / (48·206 000·2,306·10⁷) = 0,0137 мм.

Из таблицы два вывода. Стальная труба 200×100×8, которую практики называют ориентиром для балки около 2,5 м, сама по себе прогибается пренебрежимо, и 120×80×8 для двух метров тоже. Алюминиевый профиль 60×120, лёжа или на ребре, на порядок податливее, поэтому на длинном пролёте от него отказываются. Второй вывод менее приятный: если балка стальная и толстая, то станок гнётся не в ней. Податливость сидит в стыках профиля, каретках, оси Z с вылетом шпинделя. Участники форумов отмечают: рельс жёсткости станку не прибавляет, её даёт рама. Для расчёта портала с учётом осей смотрите и статью про самодельный станок против готового, где такой же расчёт сделан для балки 40×80.

Для масштаба: у серийных больших фрезеров усиленная сварная станина и вес в тонну с лишним. Так, у Wattsan M1 2030 и 2040 с полями 2100×3100 и 2100×4100 мм вес 1230 и 1480 кг. Лёгкая рама такой длины жёсткости не даст.

Посадочные плоскости под рельсы

Профильную трубу под рельсы напрямую не строгают. Практики приваривают платики и фрезеруют их после сварки и выдержки: в одном из обсуждений говорили о «нескольких месяцах», потому что сварка ведёт раму. Затем плоскость проверяют поверочной линейкой, на краску и щупом.

Требования к плоскости задаёт каталог рельсов. У HIWIN в серии HG для размера 20 допуск параллельности базовой поверхности рельса 25 / 20 / 18 мкм в зависимости от преднатяга и допуск по высоте между парой рельсов 130 / 85 / 50 мкм (таблицы 2-1-22 и 2-1-23 каталога). Рамой из трубы с допуском в миллиметр такую плоскость не получить, а фрезерованная после сварки плоскость даёт нужное.

Правила монтажа HIWIN: рельс прижимают к боковой базе (в каталоге упорный буртик E1 для размера 20 равен 3,5 мм), затем затягивают винты динамометрическим ключом. Для HG20 с винтом M5 момент по таблице 8,83 Н·м при установке в сталь, 5,88 Н·м в чугун и 4,41 Н·м в алюминий.

Практики добавляют по мелочам:

• в стенке 3 мм резьба М5 с шагом 0,8 даёт 3/0,8 = 3,75 витка, то есть меньше четырёх: приваривают полосу или ставят резьбовые вставки; нормальная длина свинчивания для стали составляет не меньше диаметра резьбы, то есть 5 мм для М5 (инженерное правило, значение уточняйте по справочнику резьбовых соединений);
• для рельсов типоразмера 20 используют винты М5×25 с низкой головкой и фиксируют резьбу синим фиксатором;
• швеллер и открытые профили уступают замкнутому сечению по изгибу и кручению;
• заднюю стенку портала делают враспор между ногами, а не внахлёст;
• чем больше база между каретками относительно высоты портала, тем меньше нагрузка на каретки и качание инструмента;
• чертежи комплектующих сверяют до сварки: габариты кареток и опор у китайских рельсов и ШВП расходятся на миллиметры;
• электронику не прячут в трубу портала: там жарко и трясёт;
• если станок вносят по частям, разборность закладывают в проект крупными сегментами на болтах, а не пилят готовую раму;
• для широкого портала лучше два винта с двух сторон, чем сложная конструкция, жёсткая на кручение;
• длинный стол опирают не по краям, а примерно на 2/9 длины от каждого края: так он провисает меньше;
• при работе по стали ставят профильные рельсы и ШВП с двойной гайкой, которая выбирает осевой люфт.

Привод осей: винт, рейка, ремень

Выбор делают по длине оси, нагрузке и нужной скорости. Практический ориентир форумов: для точной 3D-обработки берут ШВП с преднатягом, для большого поля, камня и раскроя рейку. Скорость и цена за рейку, точность за ШВП.

Критическая скорость ШВП

Длинный вращающийся винт начинает «звенеть», когда обороты подходят к собственной частоте изгибных колебаний. Каталог HIWIN (Ballscrew Technical Information) даёт формулу:

Nc = 2,71·10⁸ · Mf · dr / Lt², об/мин,

где dr — диаметр по впадинам резьбы (мм), Lt — расстояние между опорными подшипниками (мм), а не длина винта, и Mf — коэффициент способа закрепления: 1,0 для «заделка — заделка», 0,689 для «заделка — опора», 0,441 для «опора — опора», 0,157 для «заделка — свободный конец». Рабочие обороты берут не выше 0,8 от Nc.

Для катаных винтов HIWIN R16-5 и R16-10 dr = 12,324 мм, для R20-10 dr = 16,744 мм. Считаем для схемы «фиксированная опора — поддерживающая» (Mf = 0,689):

Цифры совпадают с опытом: оператор, у которого винт 1610 длиной 1100 мм работал на 18 м/мин, а 1400 мм начинал трясти около 12 м/мин, получил бы по расчёту Nc около 19 и 11,7 м/мин. Если опоры «поддерживающая — поддерживающая» (Mf = 0,441), допустимая скорость ниже: 1605 на 1400 мм даёт всего 3 м/мин.

Отсюда следуют практические выводы: на длинной оси шаг 10 мм лучше шага 5 мм, потому что при той же подаче винт вращается вдвое медленнее; на оси длиннее 1,5 м вместо одного винта 1605 берут два винта 2010 или рейку; на 4 м винт провисает, и ставят две рейки. Вращающаяся гайка при неподвижном винте требует точной сборки без осевого люфта и резонанса не снимает.

Шаговый двигатель 86-го габарита на винте с шагом 5 мм быстро теряет момент, и потолок скорости называют по-разному: от 2,5–3 до 6 м/мин в разных описаниях, поэтому расчёт момента по скорости нужен отдельно, он разобран в статье про шаговый двигатель или серво.

Сборка узла винта тоже даёт люфт и биение:

• подшипник опоры насаживают с небольшим натягом, мягкой киянкой через кусок ПВХ-трубы, свободная посадка даёт люфт;
• стопорную гайку опоры затягивают до упора, удерживая винт за резьбу;
• шкив на валу шагового двигателя крепят двумя винтами под 90° на лыски, лучше шпонкой, а нагруженные оси фиксируют красным фиксатором; шкив, посаженный прямо на вал мотора, ломает вал усталостно, поэтому ось выносят на свои опоры и соединяют с мотором муфтой;
• шаг ШВП без маркировки определяют, измерив расстояние на 10–20 витках и разделив на число витков.

Рейка и шестерня

Рейка не боится длины и работает на любом поле, но требует редуктора, потому что шестерня на валу двигателя даёт слишком большой ход за оборот. Формула: ход за оборот мотора = π · m · z / i, где m — модуль, z — число зубьев шестерни, i — передаточное число редуктора.

Для шестерни модуля 1,5 на 30 зубьев начальный диаметр 45 мм, длина окружности 141,4 мм.

Практики на любительских станках считают оптимальным около 10 мм хода за оборот вала: такого хода хватает и по скорости, и по разрешению. Ременной редуктор 3 с шаговым двигателем нормален: ремень сглаживает рывки, не боится древесной пыли и служит годами. На серво ставят планетарный редуктор. Прямая рейка не хуже косозубой, косозубая тише, но не точнее.

Люфт редуктора обычно указывают в угловых минутах, и его надо пересчитать в миллиметры: смещение на рейке = длина окружности × угол / 360°. Для шестерни 141,4 мм и люфта 15′ (0,25°) это 141,4 × 0,25 / 360 = 0,098 мм. Для люфта 12′ получится 0,079 мм, для 18′ 0,118 мм. Дешёвый редуктор с люфтом 12–18′ даёт на рейке десятые доли миллиметра, которые видны на торце заготовки.

Ремень вместо рейки на тяжёлом портале растягивается: фрезер с порталом 170 кг на ремне практики называют категорически неудачным решением. Для лазеров и лёгких осей ремень подходит, и профиль без маркировки определяют по шагу на 30–50 зубьях: профили 3M, 5M, HTD3M, MXL различаются, об этом написано в статье про шкивы и зубчатые ремни.

Что считать до первой сварки

Если собираете самодельный станок под заказы, а не ради интереса, посмотрите, во что обойдётся простой. Расчёт стоимости сборки и сравнение с готовым станком есть в статье про самодельный и готовый станок, а порядок проверки готового станка перед покупкой в материале про новый и б/у станок. Как искать люфты и геометрию на собранном станке, описано в статье про люфт, овалы и вибрацию.