Вакуумный стол для ЧПУ: как устроен, какой нужен насос и почему детали сдвигаются

Сколько держит вакуум

Атмосферное давление у земли около 101 кПа. Для зажима на деревообрабатывающих станках Busch называет диапазон абсолютного давления 150–500 гПа. Возьмём верхнюю границу, 500 гПа: перепад получается около 51 кПа, или около 5 Н на каждый квадратный сантиметр площади детали. Сила прижима F = Δp × A, и от формы детали она не зависит.

Коэффициент трения дерева по дереву в сухом состоянии справочники дают в пределах 0,25–0,62.

Теперь сила резания. Фреза 6 мм при 18 000 об/мин и подаче 5400 мм/мин в пазу глубиной 6 мм снимает 194 400 мм³ в минуту. При удельной силе резания дерева 30–60 Н/мм² (порядок величины, формулы разобраны в статье про расчёт режимов) мощность резания составит 100–200 Вт. Окружная скорость кромки 5,65 м/с, значит касательная сила около 17–34 Н. Деталь 100×100 мм держится с запасом в 4–18 раз. У детали 50×50 мм запас от 0,9 до 4, то есть в худшем случае фреза сильнее трения. А ведь это ещё до того, как кромка разрежет контур и пропустит воздух под деталь. Поэтому мелочь держат мостиками и недорезом, как в статье про раскрой фанеры, а вакуум оставляют для больших деталей.

Расчёт идёт по теоретическому перепаду. Реальный ниже, потому что воздух течёт по каналам и просачивается. Манометр, который стоит на самом насосе, показывает разрежение у насоса, а не под деталью, поэтому полезно поставить второй на столе.

Из чего состоит стол

Производители оснастки различают две схемы. Первая, универсальная (её называют проточной), распределяет разрежение по всей поверхности пористой плиты и годится для раскроя целых листов. Вторая, замкнутая, держит одну деталь: уплотнитель обходит её по контуру, а каналы внутри контура собирают воздух.

Эти цифры рассчитаны на промышленные станки. Для мастерской это ориентир сверху, с которым сравнивают паспорт насоса.

Стол раскроя почти всегда универсальный. Под плитой лежит камера или сетка каналов, разбитая на зоны с клапанами. Сверху лежит жертвенный слой из пористой плиты МДФ. На камере стоит манометр, перед насосом ставят фильтр или сепаратор, иначе пыль уйдёт в насос.

Зоны

Лист 1220×2440 мм на столе 1300×2500 мм закрывает 2,98 из 3,25 м², то есть около 92 процентов. Остальное — открытые отверстия, и воздух уходит в них, а не из-под листа. Клапаны зон перекрывают то, что лист не накрыл. Например, у фрезера Wattsan M1 1325 тип стола в характеристиках указан как «Т-пазы/вакуум», вакуумных зон шесть, а насос заявлен на 5,5 кВт. Если зоны равны, на каждую приходится около 0,54 м², и полулист 1220×1220 мм займёт примерно три зоны, а остальные три нужно закрыть.

То же советуют и для листа неполного формата: закрывать неиспользуемые участки плиты обрезками или плёнкой, торцы плиты красить резиновой краской, чтобы воздух не шёл сбоку.

Насос: водокольцевой, пластинчатый и другие

Для мастерской выбирают обычно между водокольцевым и пластинчатым. Водокольцевой прощает пыль, но требует воды и места под бак, а летом вода греется и вакуум слабеет. При 40 °C давление пара воды 74 гПа: до рабочих 150–500 гПа запас ещё есть, а паспортные 53–107 гПа уже недостижимы. Пластинчатый проще подключить, но фильтр придётся чистить регулярно.

Насос обслуживают по регламенту производителя. Перед сухим пластинчатым ставят влагоотделитель, в водокольцевой заливают чистую воду, лучше дистиллированную, и ни в коем случае не растворители. Двигатель подключают строго по шильдику, корпус заземляют, а после любого ремонта замеряют ток.

В паспорте смотрят не максимальный расход при атмосферном давлении, а расход при рабочем разрежении, по кривой «расход — остаточное давление». Если у продавца такой кривой нет, это повод спросить прямо.

Расход и мощность

Для универсального стола нужен большой расход: воздух должен успевать идти через плиту и неплотности. Для замкнутого хватает малого, но с глубоким вакуумом. Производители советуют следить за насосом не на холостом ходу, а в реальной работе.

По электричеству насос прибавляет заметно. Станок Wattsan M1 1313 без насоса потребляет 4400 Вт (заявлено производителем), а насос на 5,5 кВт поднимает установленную мощность до 9,9 кВт. По формуле из статьи про электричество для цеха это около 18 А по трём фазам при 380 В. При тарифе 10 ₽ за кВт·ч насос на 5,5 кВт на полной нагрузке обходится в 55 ₽ в час (допущение, тариф берите свой). Калькулятор окупаемости фрезера закладывает около 50 ₽ в час, потому что насос не всегда работает на полную мощность.

Жертвенный слой

Пористую плиту при первой установке фрезеруют с двух сторон: по данным американского производителя фрез Onsrud это улучшает пропускание воздуха и даёт плоские, параллельные поверхности. Потом плиту перефрезеровывают большой фрезой, чтобы убрать канавки. Каждый сквозной рез оставляет в плите канавку, а канавка пропускает воздух мимо детали. Заглубление в плиту делают минимальным, 0,1–0,3 мм (ориентир практики), чтобы фреза прошла сквозь лист, а жертвенный слой остался целым.

Сам жертвенный слой не выравнивают вручную: его прифрезеровывают тем же станком широкой фрезой, около 18 мм, с заметным перекрытием проходов, за несколько проходов по 1 мм. Если на плите после этого остались волны, причина чаще в неперпендикулярном шпинделе, и стол тут ни при чём.

Двусторонняя меламиновая плита пропускает меньше воздуха, чем голая МДФ. Для замкнутой оснастки для уплотнителя советуют закрытоячеистый поролон для уплотнителя: он возвращает форму после сжатия, а открытоячеистый уплотнитель-«самоклейка» держит плохо. Уплотнитель закладывают в проточку вокруг детали, и порты вакуума сверлят внутри его контура.

Почему детали сдвигаются

Если вакуум плохо держит при исправном насосе, ищите подсосы: края кривого листа заклеивают малярной лентой, проверяют хомуты на шлангах, фильтр и обратный клапан (у старого он мог сточиться и начать запирать поток). Магистрали лучше собирать из полипропилена, а не из серой канализации, и помнить, что сечение кранов и фитингов влияет на расход сильнее диаметра труб.

Тупая фреза и завышенная подача поднимают силу резания, а мелкая деталь снижает прижим, поэтому сначала проверяют режим и площадь детали, а потом винят насос. Расчёт подачи на зуб есть в статье про режимы фрезеровки МДФ, фанеры и массива.