Гвинти для чпу верстата. Ходова гайка для чпу своїми руками

"Був би верстат, а що на ньому робити знайдеться", "Зробимо, подивимося, що вийде, тоді і побачимо", "Просто цікаво", "Ні лобзиком, ні напилком пиляти не вмію, ось, нехай верстат і пиляє", " Цікава сама проблема та процес її вирішення», «Хочу верстат, щоб напилити на ньому багато КІТ-ів та заробити багато грошей» і т.д. і т.п. Подібні спонукальні мотиви для того, щоб почати будівництво такого складного і дорогого пристроюЯк верстат ЧПУ, не серйозні, хоча й поширені.

Моя спонукальна причина не збіглася з жодною з перерахованих. Я знав, що робитиму на верстаті – пиляти бальзові деталі для своїх літаків. А чому на ЧПУ? А тому, що втомився руками і довго занадто. Наприклад, ось фото консолей верхнього крила та стабілізатора копії літака І-5, спроектовані під верстат ЧПУ та цілком на ньому випиляні.

Це моя перша модель, яка проектується виключно під ЧПУ. Нервюри – бальза 1,5 мм, усі на шипах, 80% деталей – унікальні. Вручну таке робити - запаришся, мабуть, і не зробити. А уявляєте, гримнути таку модель у першому польоті? Або у другому? Посивієш! А тут, узяв і випилив нове крильце, або, там, стабілізатор.

Ну добре. А верстат навіщо? Куди не плюнь – контора із лазерною різкою! Віддав файли, одержав деталі, і не дорого. Так, це так, якщо штампувати КІТ-и, але не в процесі розробки. Конторам потрібні обсяги, їм не цікаво різати 2-3 деталі, вони навіть 10 деталей не різатимуть, їм подавай 10 стандартних листів. Та й не набігаєшся до них.

Спроектувати від і до, а потім з аркуша нарізати лазером, щоб все ідеально збіглося, можна тільки просту модель, але не копію. Може, комусь це і вдається, але не мені. Сконструював вузол, нарізав, склеїв, покрутив у руках, виправив, що не подобається, рушив далі – ось мій підхід. А для цього верстат має стояти вдома.

Читаючи форум, присвячений верстатам ЧПУ на нашому сайті, я дійшов висновку, що бажаючих побудувати верстат ставок. Але якщо з електронікою та програмами народ загалом дружить, принаймні є розуміння, що і як робити, то з механічною частиною верстата – труба. Завдання статті - запровадити які цікавляться курс справи з прикладу проектування конкретного верстата. Хочеться, щоб питання на форумах були осмисленішими і ґрунтувалися на реальних фактах, а не на домислах. У мене немає завдання повчати та вказувати, як саме ВАМ будувати СВІЙ верстат. Ви можете прийняти мої рекомендації до уваги, а можете проігнорувати це ваше право.

У цій статті жодного слова не буде сказано про електроніку та програми. І не тільки через те, що це тема окремої статті, яку, можливо, хтось напише. Не хочу нікого образити, але, на мою думку, сьогодні електроніка – не проблема. На відміну від механіки, її можна досить легко купити в повному обсязі – підключив і запрацювало, і вартість її становить не більше чверті всіх витрат на верстат. А ось механіка прийнятної якості за прийнятною ціною – проблема. Хочеться, щоб у людей, окрім бажання – хочу верстат ЧПУ, було ще й розуміння, що за цим стоїть.

Задаємо технічні характеристики

Призначення

1. Як було сказано, верстат потрібен головним чином фрезерування бальзових пластин – вирізування їх деталей моделей літаків. За цим матеріалом верстат повинен мати максимальну продуктивність. Окрім бальзи фрезеруватиметься будівельна та авіаційна фанера, дерево, пластик, склотекстоліт та карбон. Точність верстата за перерахованими матеріалами повинна бути не гіршою за 0,1 мм на максимальній довжині.
2. Крім неметалів верстат повинен добре різати алюмінієві сплави фрезами діаметром до 3 мм з подачами 150...250 мм/хв, при заглибленні до 2 мм. Точність при фрезеруванні алюмінієвих сплавівмає бути в районі 0,05 мм на площі 150х150 мм.
3. Фрезерування сталі передбачається, крім окремих випадків, у своїй швидкість і точність не регламентується.
4. Повинна бути можливість 3D фрезерування моделей і матриць з неметалічних матеріалів для виклеювання та формування крил, капотів, ліхтарів тощо.

Оптимально, малогабаритний настільний верстатпід перелічені завдання повинен мати рамкову конструкцію.

Зусилля різання та кроковий двигун

Є помилка, що при фрезеруванні потрібно тиснути на фрезу, щоб вона краще різала. Це не правильно. Згадайте випилювання лобзиком, трохи натиснув - пилка зламалася. Швидкість випилювання залежить від того, як швидко ви будете здійснювати зворотно-поступальні рухи лобзиком, і від гостроти пилки. При фрезеруванні тонкими фрезами спостерігається та сама картина, задав неправильні режими різання - фреза зламалася. Тому розраховуватимемо на гострий якісний інструментта оптимальні режими різання. За цих умов навантаження на шпиндель та реакції в опорах очікуються невеликі, в межах кількох кілограмів.

Розраховувати ці кілограми за формулами необов'язково. Ви легко та наочно можете оцінити максимально можливі зусилля прямо голими руками. Для цього візьміть тонку кінцеву фрезу діаметром 1 мм і спробуйте зламати її в руках. Ви здивуєтеся, наскільки легко вам це вдасться. Фрезу діаметром 3 мм у руках зламати важче, але зусилля ці не позамежні. Руйнування фрези при перевищенні допустимих навантажень і буде тим запобіжником, який убереже наш верстат від критичної напруги та виходу з ладу. Жорсткість верстата має бути розрахована на ці навантаження бажано з подвійним запасом.

Потужність крокового двигуна в основному потрібна не для різання, а для подолання сил тертя в направляючих та гвинтовій парі, а ці сили залежать від якості виготовлення, зазорів, перекосів і мастила. Розрахувати ці сили можна, методики існують, але що менше за розмірами механізм, то менш достовірні виходять результати. Так що вибір двигуна для верстата за потужністю це таке саме шаманство, як і вибір двигуна для моделі літака з ДВС: потягне - не потягне, із запасом - на межі, тобто. з досвіду чи основі аналізу прототипів.

Крокових двигунів на ринку навалом. Вибрати відповідні з цього різноманіття непросто. Тому зорієнтуємося на ті двигуни, які найчастіше застосовуються в подібній техніці - радянські індукторні крокові двигуни ДШІ-200-3 або ДШІ-200-2. Розрізняються вони за потужністю. Є ще ДШМ-200-1, але він відверто слабкий. ДШИ-200 хороші мотори, якщо пощастить, то можна знайти ці двигуни з індексом ОС (особлива серія, військове приймання), якість їх виготовлення краща, але і звичайні цілком на рівні.

Ось технічні характеристикидвигуна ДШІ-200-3 (у дужках значення для ДШІ-200-2):

• Максимальний статичний момент, нт – 0,84 (0,46).
• Одиничний крок, град – 1,8 (1,8).
• Похибка обробки кроку, % - 3(3).
• Максимальна частота прийомистості, Гц – 1000 (1000).
• Струм живлення у фазі, А - 1,5 (1,5).
• Напруга живлення, В – 30 (30)
• Потужність, Вт - 16,7 (11,8).
• Маса, кг – 0,91 (0,54).

Точність

Часто плутають роздільну здатність позиціонування та точність фрезерування. Роздільна здатність залежить від вибору крокового двигуна та виду трансмісії. Наприклад, кроковий двигун ДШІ-200-3 під час роботи в оптимальному напівкроковому режимі робить 400 кроків за оборот. Отже, якщо застосувати гвинтову передачу з кроком гвинта 2 мм, то один крок робочий орган пересунеться на 2 / 400 = 0,005 мм, тобто. на 5 мікронів. За кроку 3 мм – 3 / 400 = 0,0075 мм, тобто. далі на 2.5 мкм, зате і швидкість буде на третину вище.

Якщо використовувати передачу із зубчастим ременем, картина виходить така. Мінімально можливий (з конструктивних міркувань) середній діаметр зубчастого ведучого колеса - 14 мм. Отже, за оборот шлях виходить 3,14*14 = 43,96 мм, тобто. переміщення за 1 крок буде 43,96/400 = 0,11 мм. Для бальзи прийнятно, зі скрипом, звичайно, але можна було б упокоритися, якби це було все. Але це, на жаль, не все.

Для отримання точності фрезерування до значення дозволу слід приплюсувати технологічні люфти в напрямних і трансмісії, а так само значення переміщень внаслідок пружних деформацій, обумовлених загальною жорсткістю верстата. Люфти можна розрахувати, а ось із загальною жорсткістю складніше. Розрахувати її неможливо.

При серійному виробництві спочатку проектується та виготовляється дослідний зразок (як правило, на основі прототипу, тобто іншого верстата). Потім верстат відчувають, виробляють ретельні виміри, і дивляться, чи відповідає його точність вимогам ТЗ чи ні. Якщо не відповідає, то конструкцію аналізують, визначають проблемні місця, де треба посилюють жорсткість, проводять зміни у конструкторській документації та запускають установчу серію. Процес повторюється вже на кількох примірниках. Така процедура називається доведенням верстата.

Аматорська конструкція теж до певної міри досвідчений екземпляр, але, на жаль, він виявляється і остаточним. Це змушує при конструюванні закладати в силову схему верстата наперед надмірну жорсткість. Не треба боятися цього. Тут краще перестрахуватись. Прагнення створити витончену та оригінальну конструкціюможе зіграти з конструктором злий жарт. Верстат може вийти не жорстким, а другий спроби може і не бути занадто дорого.

Помилково «доведення» верстата - виправлення помилок у силовій схемі пригвинчуванням додаткових куточків, косинок і ребер - результату не дає. Це те саме, що лікувати зуби таблетками – настає тимчасове полегшення, а потім стає ще гіршим. Навчити робити надійні жорсткі конструкції неможливо. Конструкцію треба відчувати, це приходить з досвідом точно так, як водій з досвідом починає відчувати автомобіль.

Якщо ви хочете побудувати надійний і довговічний верстат для повсякденного використання, а не для демонстрації принципових можливостей, але досвіду конструювання у вас недостатньо, не спокушайте долю, візьміть за основу перевірений прототип, це заощадить нерви, час і гроші.

Якщо ви все ж таки вирішили розробити конструкцію верстата самі, дотримуйтесь кількох простих правил:

• Не заощаджуйте на жорсткості. У сумнівних випадках перестрахування. Дотримуйтесь принципу рівноміцності та рівножорсткості.
• У силовому каркасіверстата скрізь, де це можливо, застосовуйте глухі і пресові посадки або штифти, т.к. просте болтове з'єднання жорсткості не дає.
• Не забувайте про те, що в середньому, при крученні жорсткість пропорційна квадрату розмірів перерізу, а при згинанні - четвертого ступеня, тобто. зі збільшенням розмірів перерізу деталі вдвічі, її жорсткість збільшується в шістнадцять разів.
• Не захоплюйтесь ребра. Монолітна алюмінієва детальжорсткіше, ніж рівна їй за міцністю та вагою сталева, але оребрена.

Але ми відволіклися. Точність верстата декларується у технічне завданняна конструювання виходячи із завдань, які виконуватимуться на верстаті. Ось і ми задекларували точність у межах 0,05 мм на робочій площі фрезерування обмеженою розмірами 150х150 мм. Намагатимемося її забезпечити. Коли верстат буде готовий, подивимося, що реально вийшло, а поки що проведемо деякі оцінки.

Перше. Привід із зубчастим ременем не годиться за роздільною здатністю. Значить гвинт. З точки зору дозволу, крок гвинта 2 або 3 мм не є важливим, і той і інший підходить. До речі, ще одна поширена помилка – чим менше крок гвинта, тим вища точність верстата. Вище стає роздільна здатність позиціонування, але не точність фрезерування.

Друге. Очевидно, найбільш навантажені напрямні біля верстата по осі Х. Вага каретки Х очікується в межах 5 кг, зусилля різання 2…3 кг. При таких навантаженнях дві циліндричні напрямні діаметром 16 мм, довжиною 700 мм, виготовлені із заклеєної сталі 40Х, матимуть стрілу прогину порядку 2-3 мкм. Нехай навіть 5 мкм, все одно це цілком прийнятно.

Третє. Вважатимемо, що ми зуміємо забезпечити жорсткість корпусних деталей каретки Х такою, при якій не буде помітних деформацій від зусиль різання. Тоді вся похибка (близько 0,04 мм) залишиться на люфти, в основному на люфти у гвинтових парах та на похибки виготовлення ходових гвинтів.

Дуже жорсткі вимоги, по суті, це максимум, що можна отримати від саморобного верстата. Що стосується усієї площі фрезерування, то якщо ми вкладемося в 0,1 мм на довжині 700 мм, це буде просто супер.

У приводі із зубчастим ременем накопичена помилка гвинта відсутня, але ремінь тільки умовно не тягнеться, насправді він тягнеться, тому точність фрезерування з ним невисока і рідко буває краще 0,25...0,3 мм на довжині 700 мм.

Швидкість

У верстата є дві швидкості – швидкість переміщення шпинделя під час фрезерування (подача) та швидкість холостого ходу(позиціонування). Перша задається за умовами різання і може змінюватись у широкому діапазоні, друга має бути максимально можливою. Очевидно, якщо максимально можлива швидкість буде нижче, ніж оптимальна подача при фрезеруванні матеріалу, на який верстат розрахований, продуктивність верстата буде недостатня.

Для бальзи оптимальні режими фрезерування такі:

• Товщина листа від 1 до 2 мм – фреза діаметром 0,6 мм (0,8 мм); подача 600 мм/хв; швидкість 40000 ... 50000 об / хв.
• Товщина листа від 2 до 6 мм – фреза 0,8 мм; подача 500 мм/хв за тієї ж швидкості;

Для інших матеріалів подачі менше. Швидкість залежить від шпинделя. Навіть якщо сьогодні я не маю шпинделя на 50000 об/хв, можливо, він з'явиться завтра, тому верстат треба робити на подачі 500...600 мм/хв.

ДШІ-200-3 має частоту прийомистості 1000 Гц, у напівкроковому режимі це 150 об/хв, отже, максимальна подача з гвинтом кроком 3 мм буде 450 мм/хв. Дещо не дотягує до оптимального режиму. З гвинтом кроком 2 мм подача буде ще менше, всього 300 мм/хв, що явно мало. При роботі двигуна у звичайному режимі максимальна швидкістьвиходить 900 мм/хв, але точність позиціонування падає до 0,015 мм. Для бальзи пригодиться, для алюмінію немає.

Розмір робочої області фрезерування

Як кажуть, розмір має значення, і не тільки в плані розміщення заготовки оптимальної площі (100х1000 для бальзи, 300х500 для фанери бальзової). Від розміру робочої площини фрезерування дуже залежить вартість верстата, особливо якщо застосовувати гвинтову передачу. Тут потрібний компроміс. Для себе знайшов цей компроміс – 700х300х70 мм. Ці розміри можуть бути інші.

Підшипники ковзання та напрямні

Для порівняно точних малогабаритних верстатів типу того, що ми конструюємо, альтернативу круглим сталевим напрямним із підшипниками ковзання знайти важко. Принаймні у тій ціновій категорії, на яку ми розраховуємо.

У Останнім часомз'явилося велика кількістькулькових лінійних підшипників різних видів. Чесно кажучи, мені не зрозумілі причини їхньої популярності. Крім єдиної переваги - надзвичайної легкості ходу (а значить, можливості застосувати менш потужні двигуни), у них суцільні недоліки. Головні з яких - невисока точність та підвищені вимоги до середовища, в якому вони працюють. Різні конструктивні хитрощі для захисту таких підшипників від пилу, бруду та стружок рятують погано. Крім того, будь-яка додаткова деталь у підшипниковому вузлі, манжета, скребок або щіточка, крім збільшення вартості вносить у вузол елемент ненадійності.

З цих причин знімемо з розгляду всілякі конструктивні схеми, що використовують рейки і коліщатка у вигляді кулькових підшипників, як несерйозні для верстата заданої точності, і впритул розглянемо опори ковзання.

Підшипники ковзання мають малі радіальні розміри та масу, виготовлення їх не вимагає спеціального обладнання, вони можуть нести великі навантаження при великих швидкостях. Але в нашому випадку важливо не це, важливо інша їхня велика перевага - вони безшумні і мають високу демпфуючу здатність при впливі циклічних і ударних навантажень.

Матеріали

При виборі матеріалу для підшипників ковзання орієнтуватимемося на доступні матеріали, що мають хороші характеристикитертя для наших умов експлуатації. А ці умови такі:

Для напрямних підвищеної точності, як у нашому випадку, особливу увагу слід приділити плавності ходу, яка залежить, перш за все, від відмінності коефіцієнтів тертя спокою та тертя ковзання (як без мастила, так і при слабкому мастилі). Ця характеристика особливо важлива нам, т.к. застосовуємо ми кроковий двигун, і каретки по напрямних рухатимуться хоч мізерними, але ривками.

Після нескладних пошуків вийшов такий список доступних і прийнятних по плавності ходу (при слабкому мастилі) матеріалів з коефіцієнтами тертя по сталевому валу:

• Сірий чавун - 0,15 ... 0,2.
• Антифрикційний чавун - 0,12 ... 0,15.
• Бронза - 0,1 ... 0,15.
• Текстоліт - 0,15 ... 0,25.
• Поліаміди, капрон - 0,15 ... 0,2.
• Нейлон - 0,1 ... 0,2.
• Фторопласт без мастила – 0,04…0,06.
• Гума при мастилі водою – 0,02…0,06.

В принципі, для підшипників можна використовувати будь-який із вищеперелічених матеріалів, крім гуми, яка наведена для порівняння, і чавуну, який відкинемо як матеріал для домашнього верстата екзотичний. Прямо скажемо, вибір невеликий. За великим рахунком, він зводиться до наступного - метал (бронза) або неметал (будь-який з перерахованих вище, крім гуми).

Про себе я вже давно вибрав бронзу – рішення перевірене, можна сказати стандартне, широко застосовуване і не потребує докладних обґрунтувань. Але для порядку розглянемо інші варіанти.

Неметалічні підшипники

Нічого проти неметалічних підшипників не маю. Якби з якихось причин мені була б недоступна бронза (щоправда, сьогодні важко уявити собі такі причини), я вибрав би для підшипників текстоліт. Текстолітові підшипники виготовляють із багатошарової шифонної тканини, просоченої бакелітом та опресованої під тиском приблизно 1000 кг/см2 при 150…180 градусів. Вони працюють краще, якщо шари розташовані перпендикулярно поверхні тертя. Текстоліт можна обробляти твердосплавним інструментом при малих подачах та високих швидкостях різання з досить жорсткими допусками.

Капрон та нейлондобре працюють при недостатньому мастилі або без мастила взагалі. Але, як і всі поліаміди, погано піддаються механічній обробці. Капронові та нейлонові підшипники виготовляються прес-литтям у металевих формах з точністю розмірів у межах кількох сотих міліметрів. При виготовленні з потрібними допусками на універсальному обладнанні можуть виникнути проблеми - не візьметься ніхто.

Фторопласт(тефлон) відмінний матеріал, але, на жаль, не надто хороший для виготовлення підшипників внаслідок м'якості, великого коефіцієнта лінійного розширення, холодної повзучості (виникнення залишкових деформацій під тривалим впливом порівняно невеликих напруг) і повної несмачиваемости маслом.

Всі неметалеві підшипники застосовують у поєднанні з напрямними підвищеної твердості (HRC 50). За цієї умови вони виявляють високу зносостійкість. Вимога підвищеної твердості напрямних це недостатність неметалевих підшипників, це даність. До речі і для бронзових втулок теж непогано піджарити напрямну.

Ресурс

Що стосується ресурсу підшипників, то тут повинні враховуватися такі міркування. Якщо ми прийняли принцип рівноміцності та рівножорсткості як основоположну концепцію при конструюванні, ніщо не заважає прийняти такий же принцип щодо ресурсу основних вузлів. Що я маю на увазі? Основними вузлами нашого верстата є ходові гвинти з гайками та напрямні. Логічно зробити їх таким чином, щоб ресурс гвинтової пари був порівнянний з ресурсом підшипників ковзання. Тобто. встановивши підшипники один раз, вони повинні пропрацювати весь час, поки функціонують гвинти та гайки. Після виходу гвинтових пар з ладу, верстату буде потрібний капітальний ремонт, в цей момент можна і замінити підшипники. Робити заміну раніше недоцільно, ставити підшипники, які переживуть не лише гвинтову пару, а й нас із вами – теж.

Відомо, що звичайна гвинтова пара зі сталевим гвинтом і бронзовою гайкою служить дуже довго. При належному виборі параметрів та якісному виготовленні, такі вузли працюють роками щодня у три зміни. Не думаю, що мій верстат буде завантажений таким чином. Однак точно розрахувати ресурс неможливо. Можна прогнозувати, ґрунтуючись на досвіді та знанні предмета. Я думаю, що в даному випадкугвинтова пара послужить близько 8 років, навіть з урахуванням того, що я пилятиму на верстаті КІТ-и. За цей час багато води втече, і верстат морально застаріє, і нові технології з'являться, і вартість виробництва можливо впаде. Може й ремонтувати сенс не буде.

Очевидно, що пара сталевий гвинт - бронзова гайка працює в куди більш жорстких умовах, ніж сталева напрямна - бронзовий підшипник, а значить, теоретично підшипник матиме свідомо більший ресурс. Але якщо зазор, що з'являється в результаті вироблення різьблення в гайці, регулюється, то зазор в бронзовій втулці підшипника - ні. Тому приймемо (не зі стелі, а на підставі аналізу прототипів і з великою ймовірністю), що гвинт і бронзовий підшипник матимуть приблизно однаковий ресурс.

Чи проживе стільки ж неметалевий підшипник? Не впевнений. Може проживе, а може й ні. В принципі не смертельно, можна передбачити змінні вкладиші, але це дорожчає підшипниковий вузол, а крім того, вклавши великі гроші у виготовлення верстата, не хочеться спочатку закладати геморой із заміною підшипників.

Приймаємо рішення

Враховуючи сказане вище, при конструюванні напрямних можна прийняти наступне технічне рішенняз реалізації підшипникового вузла:

• отвори в корпусах під втулки свердлим з мінімальними вимогами до допусків форми та розташування поверхонь (тобто досить грубо);
• наглухо запресовуємо в корпусні деталі бронзові втулки підшипників ковзання з припуском внутрішнього діаметру;
• розточуємо втулки під напрямні у складі корпусів із розрахунковими допусками.

Вже зараз можна сказати, що таке рішення є доцільним, але все-таки розглянемо й інші варіанти.

Перше, що спадає на думку - навіщо робити бронзові втулки, а потім їх запресовувати і розточувати, коли на ринку повно готових гільз підшипників ковзання, з набагато кращими властивостями, ніж чиста бронза, наприклад, металофторопластові підшипники ковзання? Чи не простіше їх купити і так само запресувати?

Розберемося. Металофторопластовий підшипник є сталевою гільзою з вакуумним просоченням тефлоно-свинцевою композицією, диспергованої в рідині пористого антифрикційного шару з бронзових сплавних сплавів. Саме собою поєднання бронзи і фторопласта привабливо і обіцяє значні вигоди за властивостями. Так воно і є. Металофторопластовий підшипник при малих швидкостях і сухому (!) Терті допускає дуже великі навантаження (до 350 МПа) і зберігає працездатність в інтервалі температур від -20 до +280 градусів. Проте, при навантаженнях не більше 0,1…10 МПа і швидкостях ковзання 0,2…5 м/с (як і нас) коефіцієнт тертя може змінюватися від 0,1 до 0,2, тобто. бути в межах звичайних підшипникових матеріалів при граничному мастилі. Виходить те саме, що ставити литі диски на колеса вухатого Запорожця – можна, звичайно, тільки немає сенсу.

Тоді може бути, ми виграємо точно, спростимо механічну обробку і тим самим заощадимо? Теж немає. Якщо в першому випадку ми точно розточуємо бронзову втулку, то в другому, як розточувати доведеться посадкове місце під гільзу в корпусі, тобто. дорогу операцію на хорошому розточувальному верстатіми не виключаємо. Мало того, до розрахунку розмірних ланцюгів включаються допуски неспіввісності, биття, некруглості та ін. самої покупної гільзи, які доведеться враховувати, за умови, що ці допуски відомі і достовірні, тобто. це хороші дорогі підшипники, а не гільзи невідомого походження – 3 рублі за мішок. У результаті все це точності нашому верстату ніяк не додає, швидше навпаки.

Вартість бронзової втулки, яка є просто шматком труби - 50 рублів, а хорошого металофторопластового підшипника - близько $10. Підшипників цих потрібно 12 штук. Порахуйте самі, скільки ми переплачуємо, практично нічого не купуючи. Те саме можна сказати щодо інших можливих варіантівпокупних підшипників ковзання – переплачуємо, а вигода не очевидна.

Ну а якщо бронзи немає? А ось це, даруйте, повна фігня. Якщо ви маєте доступ до пристойного верстатного парку та затіяли дорогий проект, то не знайти шматок бронзи для дванадцяти невеликих втулок та чотирьох ходових гайок, просто смішно!

Із чого робити і як?

До цього часу ми весь час говорили: «сталь», «бронза»…. А яка сталь та яка бронза, конкретно?

При наших вимогах до зносостійкості (щодня у три зміни працювати не будемо) та невисоких вимог до стабільності сил тертя, вибір марок сталі та бронзи, а також термообробка сталевих напрямних істотного значення не мають. Тому, якщо мені зателефонують із заводу і запитають: «Такої бронзи (сталі), яку ви записали у кресленні, у нас немає. Можна ми зробимо заміну на…? Я одразу і без тіні сумніву відповім: «Можна! Аби це була справді бронза, а сталь була із середнім вмістом вуглецю. Наприклад, стали 30, 40 чи 45».

Але в кресленні все-таки треба щось записати, і записати треба найкращий варіант. Погіршити завжди встигнеться. Для втулок підшипників ковзання добре підходять олов'яні фосфористі (БрОФ10-1) та цинкові (БрОЦС5-7-12, БрОЦС6-6-3) бронзи. Безолов'яні бронзи (БрАЖ9-4, БрС30) краще працюють з гладко обробленими загартованими напрямними, тому в будь-якому випадку направляючі треба загартувати до твердості 40 ... 50 HRC і відполірувати з шорсткістю Ra 0,63. Чи мало з чого в результаті наріжуть втулки. Внутрішню поверхню втулок полірувати не треба, але шорсткість у неї повинна бути не гіршою за Ra1,25.

Не забуватимемо про те, що в нас крім підшипникових втулок є ще бронзові ходові гайки. Там вимоги до матеріалу жорсткіші, але для нашого випадку не набагато. Має сенс уніфікувати матеріал для ходових гайок та втулок ковзання.

Що стосується геометрії та зазорів, то тут вільностей краще не допускати. Для забезпечення працездатності нашого виробу при заданих точностях максимальний гарантований зазор між втулкою та направляючою (діаметр 16 мм) має бути близько 0,034 мм, що відповідає ходовій посадці за 7-м квалітетом (Н8/f7).

Насправді, при штучному (не серійному) виготовленні роблять так. Спочатку розточують, запресовані в корпусах втулки, з потрібними допусками форми і розташування поверхонь, потім точно вимірюють отвори, і тільки потім шліфують напрямні до розміру, що забезпечує необхідний зазор. Потім усю цю справу маркують, щоб надалі не переплутати якісь корпуси, по яких напрямних ковзають.

Крім зазору, важливий параметр підшипникової втулки – її довжина. Точніше не довжина, як така, а відношення довжини до діаметру (l/d). Відомо, що здатність підшипника, що несе, пропорційна квадрату відношення l/d. Враховуючи позитивний та негативний вплив l/d на несучу здатність, найчастіше дотримуються середніх значень l/d=0,8…1,2. При діаметрі напрямної 16 мм діапазон довжин втулок – 12,8…19.2 мм. Однак у нашій конструкції несуча здатність підшипника турбує мало, навантаження у нас невеликі. Більше турбує чутливість втулки до перекосів. Очевидно, що менше відношення l/d, то менша ця чутливість. Тому довжину втулки краще вибрати ближче до 13 мм, ніж 20.

І останнє зауваження. Що робити, якщо не вдається виконати всі наведені в цьому розділі рекомендації? Кинути цю справу і не паритися? Ну, чому ж, просто потрібно бути готовим до того, що в результаті якість виробу (верстата) постраждає. Тільки і всього. А раптом не постраждає? Постраждає, постраждає, питання наскільки? А це з точністю ніхто не скаже. Питання типу: «А що буде, якщо бронзу замінити латунню, чи взагалі зробити пару ковзання – сталь по сталі?» - не має сенсу. Спробуйте, зробіть, потім розкажете. Ясно одне – буде гірше. До речі, у невідповідних напрямних невисокої точності пара ковзання сталь-сталь допускається, при цьому деталі пари повинні мати різну твердість, наприклад, загартована напрямна, а втулка, навпаки, відпущена.

Ходові гвинти та гайки

Практично, тут можуть бути тільки два варіанти - класичний сталевий ходовий гвинт з бронзовою гайкою, з пристроєм компенсації люфту, або кулькогвинтова передача (ШВП).

Гвинтова передача з тертям ковзання

Майже всі загальні міркування, висловлені в попередньому розділі щодо вибору матеріалів для направляючих та підшипників ковзання, справедливі і для гвинтової передачі з тертям ковзання, повторюватися немає сенсу. Розглянемо ще одне важлива властивістьгвинтова пара, яка може мати велике значеннястосовно нашої нагоди, а саме – демпфуючу здатність гвинтової передачі тертя ковзання.

Кроковим двигунам властивий небажаний ефект, який називають резонансом. Ефект проявляється у вигляді раптового падіння моменту на деяких швидкостях. Це може призвести до пропуску кроків та втрати синхронності. Ефект проявляється у тому випадку, якщо частота кроків збігається зі своєю резонансною частотою ротора. Боротьбу з цим ефектом можна проводити за двома напрямами. Електронними методами, наприклад, переходом на мікрокроковий режим роботи двигуна (або на рівні алгоритму роботи драйвера), і організацією механічного демпфування.

Прикро, зробивши чи купивши контролер і побудувавши верстат, нарватися явище резонансу. Тому потрібно заздалегідь подбати про те, щоб при розгоні та гальмуванні двигуна безболісно пройти резонансну частоту. Перехід на мікрокроковий режим не завжди прийнятний через різку втрату швидкості та моменту на валу. Так, якщо і прийнятний, ніколи не шкідливо пам'ятати механічне демпфування.

Резонансна частота обчислюється за формулою F 0 = (N * T H / (J R + J L)) 0.5 / 4 * pi,

• F0 - резонансна частота,
• N - Число повних кроків на оборот,
• TH – момент утримання для використовуваного способу управління та струму фаз,
• JR - момент інерції ротора,
• JL – момент інерції навантаження.

З формули видно, що резонанс великою мірою залежить від підключеного до двигуна навантаження. Очевидно, що при жорсткому кріпленні ходового гвинта до валу двигуна сумарний момент інерції системи істотно зросте, що зсуває резонанс в область більш низьких частот, на яких добре проявляються властивості в'язкого тертя, що демпфують, у витках ходового різьблення. Вибираючи кількість витків, і регулюючи в різьбленні зазор (натяг) можна домогтися усунення симптомів резонансу.

Ось тут багато залежить від матеріалу гайки. Потрібна хороша адсорбція олії до матеріалу. Наприклад, фторопластова гайка не може бути демпфером через повну несмачиваемость маслом. Капрон, у цьому сенсі, поводиться краще, але теж не надто добре. З неметалів найкраще підходить текстоліт, який з олією дружить. Бронза хороша з усіх боків.

Ходовий гвинт

Ходові гвинти розраховують на міцність, зносостійкість і стійкість. Міцність та ККД нас цікавить мало. Зносостійкість цікавить у плані визначення середнього тиску на робочих поверхнях різьблення та вибору висоти витка. А ось, виходячи з розрахунку на стійкість, ми повинні визначити діаметр гвинта при заданій довжині та обраній схемі закріплення гвинта в опорах. Схему цю також треба вибрати.

Не буду надувати тут щоки, робити розумний вигляді втомлювати вас розрахунками за хитрими формулами. Тим більше, що сам я, хоч і вмію це робити, давно вже такі речі не розраховую. Наш верстат це не домкрат із завзятим вантажним різьбленням на задане багатотонне навантаження, а точний механічний прилад. Вибір геометричних параметрівгвинта можна, і потрібно, виготовляти на основі аналізу прототипів. Якщо ви проаналізуєте (аналізувати потрібно промислове обладнання, а не саморобки) велика кількість аналогічних верстатів та приладів схожої схеми, то виявите наступне:

• Опори гвинта: один кінець закріплений жорстко, інший спирається на кроковий двигун.
• Мінімальний діаметр гвинта: 12 мм за довжини до 700 мм, 16 мм за довжини до 1200 мм.
• Профіль різьблення: трапецієдальний або стрічковий (з прямокутним профілем).
• При кроці 3 мм висота профілю різьблення 1,5 мм.

Можна провести розрахунки безпосередньо для нашого верстата і переконатися в цьому, але час шкода. При конструюванні основну увагу потрібно приділити матеріалам і технології, що в даному випадку набагато важливіше. Далі будуть викладені технічні вимогидо гвинтів. До їхнього виконання слід прагнути, але зробити це не завжди можливо і досить дорого. Тут потрібно шукати компроміси. Чим можна поступитися, а чим не можна складне питання і вирішується кожним конструктором по-різному, відповідно до своїх уподобань. Не наполягаючи на своїй думці, наведу основні вимоги, як це має бути насправді.

Для термічно необроблених ходових гвинтів нормальної та підвищеної точності найкращим матеріаломє гарячекатана сталь А40Г. Застосовують також сталь 45 і 40Х покращену. У цьому випадку матеріал напрямних можна уніфікувати з матеріалом гвинта.

У разі остаточної обробки гвинта різцем застосовують сталь У10А, яку відпалюють на твердість 197 НВ.

Для гартованих і шліфованих по профілю різьблення гвинтів застосовують сталь марок 40ХГ і 65Г, яка має високу зносостійкість. Цей варіант для домашнього верстата дуже крутий, а ось ШВП, до речі, тільки так і роблять.

Відхилення гвинтів, що допускаються:

1. Найбільша припустима накопичена помилка кроку, мкм:
   • в межах одного кроку – ±3…6;
   • на довжині 25 мм – 5…9;
   • на довжині 100 мм – 6…12;
   • на довжині 300 мм – 9…18;
   • на кожні 300 мм довжини додається – 3…5;
   • по всій довжині гвинта, трохи більше – 20…40.
2. Допуски на зовнішній, середній та внутрішній діаметрі різьблення встановлюють не більше відповідних допусків на трапеціїдальне різьблення за ГОСТ 9484-81, з полем допуску 7Н за ГОСТ 9562-81.
3. Для забезпечення точності гвинтів по кроці та для запобігання різьбі від швидкої втрати точності в результаті місцевого зносу, відхилення на овальність середнього діаметра різьби при кроці 3 мм має бути 5...7 мкм.
4. Биття зовнішнього діаметра гвинта під час перевірки у центрах при довжині до 1 метра – 40…80 мкм.
5. Якщо зовнішній діаметргвинта служить технологічною базою для нарізування різьблення (а майже завжди так і буває), то допуск на зовнішній діаметр призначають h5.

Неважко здогадатися, що від відхилень по п.1 безпосередньо залежить точність верстата. Якби ми пересували каретки вручну ноніусами, то так би воно й було, але в нашому випадку жити легше, бо в верстаті ЧПУ накопичену помилку можна компенсувати програмно.

Якби ми затіяли трапеціїдальне різьблення, то до вже викладених вимог слід додати купу важливих, але складних вимог до кутів профілю різьблення. Але вартість ходового гвинта і така висока, щоб виготовляти спеціальний інструмент для нарізання різьби трапеції (а він саме виготовляється для кожного конкретного випадку). При штучному виготовленні без підготовки спеціального оснащення цілком згодиться стрічкове різьблення з прямокутним профілем.

І все ж, чим краще трапеціїдальне різьблення в порівнянні зі стрічковим? Тільки одним – найкращою зносостійкістю, т.к. робоча поверхнявитка у трапецієдальної різьби більша, а тиск на цій поверхні, відповідно, менше. Вибір між трапеціїдальним та стрічковим різьбленням – питання компромісу між довговічністю та вартістю. Якщо ви готові заплатити пристойні гроші (порівняні з вартістю ШВП) за довговічність, вибирайте різьбу. Я особисто не готовий.

Передбачаю питання із серії: «А що буде, якщо…?». Що буде, якщо взяти хороший пруток та нарізати на ньому метричне різьблення з трикутним профілем? Відповідаю – буде гірше. На діаметрі 12 мм стандартно ріжеться метричне різьблення з кроком 1,75. Висота профілю має 1,137 мм, що недостатньо по зносостійкості. Найближча різьба, що підходить по висоті профілю (1,624) має крок 2,5 і ріжеться на діаметрі 18 мм. Виходить пристойна палиця. Але найголовніше, вимоги до гвинта за пунктами 1-5 залишаються ті ж самі. Виграш у вартості виготовлення якщо й буде, то невеликий.

До речі, вартість виготовлення гвинта зростає у геометричній прогресії від його довжини. Пов'язано це з технологією нарізування різьблення та застосуванням спеціального оснащення. Наприклад, виготовлення гвинта довжиною до 500 мм потрібно один люнет, а гвинта 700 мм вже два. Люнети під конкретний гвинт потрібно доопрацьовувати, вартість доробки та іншого необхідного оснащення, як ви розумієте, входить у вартість гвинта. Якби ми робили 50 гвинтів або зв'язалися з виробництвом, де ці гвинти роблять серійно, було б дешевше, а так…. Ось чому я із самого початку заклав у верстаті робоче поле по Х – 700 мм, а не 1000. Дорого і не скрізь зроблять.

Ходова гайка

Зазвичай гайки виготовляють із бронзи марок БрО10Ф1 та БрО6Ц6С3. Якщо ви знайдете таку бронзу, то буде дуже добре, але аж ніяк не смертельно, якщо ви застосуєте будь-яку іншу. Взагалі, все, що ми говорили про матеріали для втулок ковзання, справедливе і для ходових гайок.

Допустимі відхилення гайок:

1. П. 2 для гвинтів відноситься і до гайок.
2. Для розрізної гайки зовнішній діаметр різьблення призначають з умов забезпечення прилягання гайки до гвинта за профілем, тому його задають більшим на 0,5 мм, ніж за ГОСТ 9484-81. Внутрішній діаметр призначають із умов необхідного зазору, тому його задають більшим на 0,5 мм, ніж за тим самим ГОСТом.
3. У тих випадках, коли внутрішній діаметр гайки є технологічною базою для остаточної обробки корпусу гайки (самі розумієте, так воно і буває), внутрішній діаметр гайки виконують Н6.
4. Допустимі відхилення профілю та кроку не регламентуються, а обмежуються величиною допуску на середній діаметр.

Наявність зазорів між різьбленнями гвинтової пари є причиною виникнення мертвого ходу. Його усунення досягається конструктивними заходами - за рахунок стягування гайки гвинтом, пружиною або цанговим затискачем. Найпростіше зробити розрізну гайку зі стяжкою її гвинтом/

Як вчинити?

Пам'ятайте, що ми говорили про напрямні та підшипники ковзання: «На практиці роблять так. Спочатку розточують втулки, і тільки потім шліфують напрямні до розміру, що забезпечує необхідний зазор». Так ось, з ходовими гвинтами та гайками все відбувається з точністю до навпаки – спочатку роблять гвинти, а потім по них точать гайки.

Ця обставина обіцяє велику вигоду. Гвинти практично не зношуються (саме так на виробництві капітально ремонтують верстати – роблять нові гайки до старих гвинтів), отже, ви можете принести на завод відповідний ходовий гвинт, і вам по ньому зроблять гайку. Відповідні гвинти можна купити, можна зняти зі старих верстатів та приладів, знайти на звалищі, нарешті. Це здешевить виробництво вашого верстата, т.к. Вартість ходових гвинтів складає більше половини всіх витрат на виготовлення механіки.

Як завжди буває, таке рішення має не лише плюси. Покупні (знайдені) гвинти вже мають оброблені кінці, які диктують певну конструкцію опор, можливо, вам не вигідну, а також застосування тих підшипників, які підходять до гвинта, а не тих, які хотілося б поставити вам. Часто з'являється необхідність у виготовленні для опор додаткових деталей, які додають вартість, і які не знадобилися б, якби конструкція гвинтів і гайок ваша. Це справжній мінус.

Останнім часом з'явилося багато фірм (включно із зарубіжними), які продають готові гвинтові пари. У принципі, вартість купівлі та виготовлення відрізняються не сильно, але виникає проблема з кінцями. Часто ці фірми готові виготовити вам гвинти потрібної довжини і з обробкою кінців, яку ви самі намалюєте, але ціна при цьому зросте в 1,5 ... 2 рази. У будь-якому випадку виготовляти свої ходові гвинти або купити готові, вирішувати вам.

Якщо ви не впевнені в тому, що вам вдасться виготовити якісні гвинтові пари, і ви вирішили у своєму верстаті застосувати покупні або взагалі ліві гвинти, то правильно спочатку їх купити або знайти, а вже потім прийматися за конструювання верстата. Точніше за конструктивне оформлення, тому що конструювати в ньому особливо нема чого.

ШВП

У кульковинтовій передачі тертя ковзання замінено тертям кочення. Це дозволяє значно підвищити ККД механізму до 95...98%, а також значно збільшити його ресурс. Саме цим пояснюється широке застосування ШВП у машинобудуванні.

Точність ШВП нижча за точність гвинтових передач з тертям ковзання. Пояснюється це просто. У звичайній гвинтовій передачі в контакті знаходяться всього дві деталі і технологічний зазор (мертвий хід) регулюється, а в ШВП, крім тих же двох деталей (гвинт і гайка) в роботу включається третя деталь - кулька, вірніше купа кульок, і регулювати мертвий хід проблематично. Але це не означає, що ШВП не влучна. Вона точна, тільки технологічно ця точність дається не просто. Скажімо так, якщо порівнювати ШВП та гвинтову передачу з тертям ковзання однакової точності, то ШВП виходить суттєво дорожче.

Я не погано ставлюся до ШВП і не ратую виключно за класичний гвинт із гайкою. Навпаки, мені подобаються ШВП, сам мрію зробити з ними верстат. Але. Крім того, що це надійно, красиво, дорого і взагалі круто, це багато до чого зобов'язує. Дивно бачити ШВП поруч із направляючими із трубок для штор та капроновими підшипниками, просвердленим дрилем. І навпаки, гарні напрямні з модними металофторопластовими підшипниками виглядають поряд з різьбовою шпилькою, купленою на ринку, і шестигранною гайкою за 3 рублі не менш дивно.

Вже якщо застосовувати ШВП, то разом з хорошими напрямними, якісними гільзами підшипників ковзання, добротними перехідними муфтами для приєднання ШВП до двигуна, та й інші деталі верстата повинні бути на рівні. Інакше немає сенсу. А це вже зовсім інша цінова категорія.

Конструкція верстата

1. Вигадати складний механізм з купою деталей не важко. Тут багато розуму не треба. Важко вигадати механізм простий і технологічний, але який виконує ті ж функції, що і складний. Чому важко вигадати оригінальний велосипед? Тому що в ньому вже все вигадано, давно! Виникає питання, а чи треба займатися винахідництвом та конструкторською еквілібристикою? Верстат потрібен для справи, а чи не для демонстрації запаленої уяви конструктора. Тому, не мудруючи лукаво, пориємось в Інтернеті та підберемо готову конструктивну схему верстата, що відповідає нашим вимогам.
2. Деталі верстата повинні мати просту геометричну форму із мінімальною кількістю фрезерних операцій. Крім того, цих деталей повинно бути мало. Ми й так витратимо купу грошей на направляючі та ходові гвинти з гайками, щоб розорятися ще й на філігранних, мереживних корпусних деталях.
3. Жодного зварювання. Це зайві гроші, а крім того, потім все одно доведеться відпалювати зварений вузол у печі, щоб зняти залишкову напругу, і ставити на верстат для механічної обробки.
4. Матеріал усіх корпусних деталей – метал Д16Т. Жорсткість набиратимемо великими монолітними перерізами, т.к. для надання необхідної жорсткості одна товста деталь дешевше, ніж три тонкі скріплені разом.
5. Якнайменше кріпильних деталей. Нарізання різьблення теж коштує грошей.
6. Непогано було б закласти у конструкцію можливість модернізації. Наприклад, при необхідності змінювати робоче поле верстата з мінімальними доробками.

Пошуки в Інтернеті дали результат. Мені сподобався австрійсько-німецький верстат Step-Four (Каретка Z.

Каретка Y - це вже два бруски з підшипниками та отворами для направляючих Z. Напрямні повинні вставлятися в отвори по щільній (перехідній) посадці і фіксуватися гвинтами. Фіксація гвинтами потрібна більше заспокоєння душі, ніж реального кріплення. Напрямні повинні сидіти в отворах як укопані. У нижньому бруску є отвір для вузла підшипникового ходового гвинта, а у верхньому - посадкове місце для крокового двигуна.

Каретка Х – дві стінки, що мають такі ж конструктивні елементи, що й бруски каретки Y. Товщина стінок 15 мм. Менше ніяк не можна, інакше напрямні погано триматимуться. У нижній частині стінок пригвинчуються корпуси підшипників ковзання для переміщення каретки по напрямних, що розташовані в рамі.

Ходова частина у зборі.

Залишилося прикрутити готову ходову частину верстата до міцної та жорсткої основи за куточки балок. Підставою може служити, наприклад шматок ламінованої дошки, що використовується для виготовлення стільниць. кухонних меблів, або просто письмовий стіл. Балки рами самі займуть потрібне становище. Головне їм не заважати.

Зверніть увагу, змінюючи довжину напрямних можна легко зробити верстат з будь-якими (в розумних межах) розмірами робочої площини фрезерування, не змінюючи корпусні деталі.

Трансмісія

Можна приступати до встановлення гвинтів.

Як ми вже говорили, один кінець гвинта висить прямо на кроковому двигуні, а інший спирається на підшипниковий вузол, що складається з двох радіально-упорних підшипників, які не дають гвинту переміщатися вздовж осі. Один підшипник забезпечує упор в один бік, інший в інший. Натяг у підшипниках створюється ковпачковою гайкою через втулки, що стоять між підшипниками. Вузол підшипників, а значить, і весь гвинт фіксується в корпусі настановним гвинтом через отвір у зовнішньому кільці.

Підшипники можуть бути будь-які. Я застосував з габаритними розмірами 6х15х5. За ідеєю, тут повинен стояти радіально-упорний здвоєний підшипник (серія 176 ГОСТ 8995-75), але знайти його важко. Навіть прості радіально-упорні підшипники на ринку купами не лежать, а здвоєних і зовсім немає. Можна поставити прості радіальні підшипники. Осьові зусилля та швидкості у нас не великі, а якщо через деякий час захрумтять, то замінити їх легко, не треба навіть нічого розбирати.

На вісь двигуна гвинт насаджений через втулку з клемними затискачами.

Передача моменту з гвинта координати Х на непривідній здійснюється спеціальним пластиковим зубчастим ременем.

Сам зубчастий ремінь та шестерні покупні. Ремінь на такій довжині практично не тягнеться і необхідно забезпечити хороший натяг. Чи це надійно? Надійно. А чи можна поставити по осі Х два кроковики, по одному на кожен гвинт? Не знаю, чи не пробував. Думаю, будуть проблеми із синхронізацією. А ремінь - дешево та сердито.

Останній штрих. Ставимо кронштейн для шпинделя.

От і все. Можна чіпляти електроніку, ставити шпиндель та запускати верстат. Все має працювати. І працює, треба сказати! Принципово більше нічого не потрібне. Ах да, кінцеві вимикачітреба поставити, але можна й не ставити. Це опція, верстат чудово працює і без кінцевих вимикачів.

Вважаємо корпусні (крім напрямних та ходових гвинтів) деталі, які треба замовляти на заводі – 14 штук! Плюс 2 куточки плюс дві деталі для кронштейна шпинделя. Разом: 18 деталей. А за номенклатурою ще менше, всього 8. Дуже хороший результат!

Надаємо «товарний» вигляд

Дивлячись на фото прототипу з сайту, бачимо, що там верстат солідний, а у нас якийсь скелетистий і дохлий!

Щас, зробимо!

Встановимо знизу рами швелери – основи (товщина 5 мм) та закриємо ходові гвинти швелером – кожухом (товщина 2 мм).

Встановимо траверзи, теж зі швелерів. Таким чином, з одного кінця закриємо ремінну передачу, а з іншого на траверзу можна встановити роз'єм від кроковиків.

На каретці Х встановимо кожух, що захищає ходовий гвинт Y, а до нього пригвинтимо жолоб, в якому лежатиме кабель від каретки Z. Такий же жолоб пригвинтимо до рами приводів.

Чи всі ці кожухи додадуть нашому верстату жорсткості? Безумовно, додадуть, але не дуже багато. Підсилювати конструкцію та надавати їй загальну жорсткість у такий спосіб не можна. Силова схема верстата має працювати як така і без цих підпорок. Але тепер верстат можна легко переносити з місця на місце, а не тримати його пригвинченим до письмового столу.

Поставимо кришечки, випиляємо (для проби) на новому верстаті коробочки, щоб сховати в них перехідні колодки для дротів від кроковиків. І, останній штрих, встановимо гусениці для кабелів

Я не є великим фахівцем у галузі металообробки та конструювання конкретно металообробних верстатів, тому можливо, десь виявився неправим або неточним, знаючі товариші мене виправлять. Крім того, за багато років реального конструювання в приладобудуванні та машинобудуванні у мене склалися певні стереотипи у підходах до проектування деталей машин (вибір конструктивних баз, особливості призначення допусків та посадок, адаптація конструкції під конкретне заводське обладнання тощо), можливо, вас ці підходи не влаштують, тож тут їх і не наводжу. Але при проектуванні даного верстата я спирався саме на ті загальні міркування, які виклав у статті. І верстат цей працює! Як задумано! Чи він прослужить 8 років – не знаю, час покаже, але, маючи конструкторську документацію, я можу виготовити не тільки запчастини, але ще кілька таких верстатів. Якщо знадобиться.

1. В.І.Анур'єв. Довідник конструктора-машинобудівника. У 3-х томах. Москва. "Машинобудування". 2001.
2. І.Я.Левін. Довідник конструктора точних пристроїв. Москва. ОБОРОНГІЗ. 1962.
3. Ф.Л.Литвин. Проектування механізмів та деталей приладів. Ленінград. "Машинобудування". 1973.
4. П.І.Орлов. Основи конструювання. У 3-х томах. Москва. "Машинобудування". 1977.
5. Довідник Приладові кулькові підшипники. Москва. "Машинобудування". 1981.
6. Довідник металіста. У 5 томах. За ред. Б.Л.Богуславського. Москва. "Машинобудування". 1978.

У приводі осі з ЧПУ передача використовується для перетворення обертального руху валу двигуна поступальний рух вздовж осі. Для того, щоб вам було простіше вибрати передачу для ЧПУ, нижче перераховані види передач, що найбільш широко використовуються в верстатах ЧПУ. Екзотичні для DIY-сектора передачі, такі як лінійний серводвигун і лінійний кроковий двигун залишаться за межами цієї статті з причин практичного характеру, і будуть розглянуті найпоширеніші.

Передача гвинт-гайка

Під передачею гвинт-гайка мається на увазі пара сталевий гвинт з трапецеїдальним або метричним різьбленнямта гайка. Даний вид передачі є передачею з тертям ковзання і практично у свою чергу має кілька різновидів.

• Будівельна шпилька та гайка.Самий бюджетний варіант. Будівельна шпилька взагалі не призначена для використання в верстатобудуванні, техпроцес її виготовлення націлений на застосування в будівельній сфері, внаслідок чого даний вид передачі володіє найповнішим набором недоліків - високою похибкою, низькою прямолінійністю, малими навантажувальними характеристиками, малою зносостійкістю, високим тертям і т.д. . Однак, все ж таки застосовується в DIY-верстатах, що виготовляються в навчальних цілях, внаслідок низької собівартості. Якщо Ви вирішили будь-що-будь заощадити на передачі і поставити будівельну шпильку, обов'язково передбачте можливість заміни її на трапецеїдальний гвинт або ШВП! Швидше за все, верстат на будівельній шпильці не виправдає Ваших надій.
• Привідний гвинт з трапецеїдальним або прямокутним різьбленням.Гвинт з трапецеїдальним різьбленням - найпоширеніший вид передачі в металообробних верстатах у минулому столітті і до теперішнього часу. Трапецеїдальні гвинти виготовляються з різних видів конструкційних вуглецевих сталей шляхом нарізки різьблення на сталевому прутку або його накатки. Накатні гвинти мають значно кращі характеристики, ніж нарізні. Широке застосування трапецеїдальних гвинтів обумовлюється їхньою широкою номенклатурою, доступністю на ринку гвинтів різних класів точності, від C10 до С3. Гайка на гвинт виготовляється із зносостійких матеріалів, таких як поліаміди (капролон, нейлон), тефлон, бронза. Правильно розраховані та виготовлені трапецеїдальні передачі відрізняються високою зносостійкістю, т.к. тертя йде з малим тиском (внаслідок порівняно великої поверхні тертя). На багатьох верстатах радянського виробництва, що все ще працюють, пари стоять з моменту випуску верстата, і не змінювалися вже 30-40 років. Також на таких ходових гвинтах можливе використання розрізних гайок, що дозволяє за допомогою стиснення гайки регулювати натяг і вибирати люфт, що з'являється з часом. З мінусів варто відзначити, як не дивно, простоту виготовлення гвинта, що автоматично означає наявність безлічі виробників з дуже широким розкидом показників якості. Бюджетні серії гвинтів виготовляються зі сталі #45 без загартування поверхні, що може призвести до порушення прямолінійності гвинта (інакше кажучи, гвинти малого діаметра м'які і часто гнуться в процесі транспортування). До мінусів та плюсів одночасно відноситься високе тертя у передачі. З одного боку, це знижує ККД, потрібний потужніший двигун для обертання гвинта. З іншого - тертя демпфує обертальні коливання гвинта, що може бути корисним у разі використання крокових двигунів (див. резонанс крокових двигунів). Цей ефект, щоправда, виявлено досить слабко, й у боротьби з резонансом потрібні інші методи. Підсумовуючи, можна сказати, що трапецеїдальний гвинт ще не втратив свого значення як передача верстата з ЧПУ і з успіхом використовується в верстатах усіх класів.
• Шарико-гвинтова передача() ШВП, або шарико-гвинтова передача (також називають "кулькова-гвинтова пара"), зараз є стандартом де-факто при будівництві верстатів з ЧПУ. Сталевий гвинт з біговими доріжками для кульок, підданий індукційному гартуванню і подальшому шліфування, і спеціальним чином підігнана гайка з кульками, що циркулюють усередині. При обертанні гвинта гайки котяться біговими доріжками, передаючи зусилля на корпус гайки. Така передача відрізняється високою точністю, високими ККД (80, 90% і більше) та ресурсом. ШВП частіше використовується в верстатах з ЧПУ, так як його використання дозволяє використовувати двигуни меншої потужності (не потрібні настільки суттєві зусилля стругування, як у разі передачі гвинт-гайка). ШВП поставляється як закінчена пара, не вимагає підганяння гайки і часто не вимагає обробки кінців для встановлення в опори - це робить виробник, тобто. ШВП найчастіше відповідає принципу plug and play, тоді як у разі використання трапецеїдальних гвинтів гайки і гвинти найчастіше виготовляються в різних місцях, і можуть вимагати ретельного припасування, без якого можуть виникнути зазори, люфти, підвищене тертя, знос і т.п. ШВП гірше переносить тирсу, пил і відсутність мастила, ніж передача гвинт-гайка, при попаданні стороннього тіла навіть дуже малого розміру передача може підклинювати, т.к. сусідні кульки у каналі обертаються у протилежному напрямку. Часто потрібний додатковий захист гвинта за допомогою гофроматеріалів. ШВП, також як і трапецеїдальний гвинт, мають обмеження по довжині - занадто довгий гвинт провисає під власною вагою і при обертанні гвинта (швидкість обертання гвинта з кроком 5 мм в портальних верстатахдосягає 10-15 об/сек і вище) веде себе як скакалка, від чого верстат вібрує, а вузли, що фіксують гвинт, зазнають ударних навантажень, їх ресурс швидко знижується, у посадкових місцях з'являються зазори, що у свою чергу посилює вібрацію верстата і знижує якість виробів. Досвід показує, що відношення діаметра ШВП до його довжини не повинно бути меншим за число 0.022, а також не рекомендується перевищувати довжину гвинта в 2000 мм. Для усунення ефекту "скакалки" застосовуються конструкції з нерухомим гвинтом і гайкою, що обертається, але такі вузли, як правило, істотно дорожче і складніше у виготовленні, а також вимагають місця, що не завжди можливо реалізувати на компактних порталах. Якщо Ви плануєте іноді відключати двигуни приводів і працювати на верстаті в ручному режимі, то краще не використовувати ШВП - передача без самогальмування може завдати Вам безліч турбот. Про різновиди ШВП та їх особливості дивіться основну статтю.

Зубчата передача

Як вибрати передачу для верстата з ЧПУ

Для того щоб вибрати передачу для ЧПУ верстата, Вибір повинен базуватися на тих характеристиках, які для Вашого верстата найбільш критичні. Передачі гвинт-гайка застосовуються там, де немає високих вимог щодо точності та швидкості переміщень, якщо від передачі потрібне самогальмування, а також у разі жорстких обмежень щодо бюджету. ШВП має найбільший спектр застосування, ви можете купити ШВП з потрібним Вам класом точності, кроком, можливістю створення переднатягу і без неї. Єдиний випадок, коли ШВП не може бути використано - якщо від передачі вимагається самогальмування, проте якщо мова про гальмування передачі з метою безпеки (утримання шпиндельної бабки), то питання вирішується використанням електромагнітного гальма на двигуні, противагою тощо. Рейка та ремінь застосовуються у верстатах з великим робочим полем - від 1.5 квадратних метріві більше - насамперед для досягнення великої швидкості розкрою та неодружених переміщень. На верстатах таких розмірів не ставиться мета досягти точності в десятки мікрон, 0.2-0.3 мм у більшості випадків більш ніж достатньо, тому розтяжність ременя та точність рейкової передачі не є перешкодою для їх застосування.

Разом, якщо у вас великий верстат розкроювальний - вам варто вибрати зубчасту рейку або ремінну передачу. Якщо у вас настільний фрезерно-гравіювальний верстат для навчальних або хобійних цілей, Вам підійде передача гвинт-гайка. Якщо ви будуєте верстат середнього формату для бізнесу, на виробництво, оптимальним виборомбуде ШВП. Після вибору типу слід визначитися з конкретними параметрами передачі.

(с) 2012 сайт

Копіювання дозволено із зазначенням прямого посилання на джерело

Особливість його конструкції полягає в тому, що ходовий гвинт по осі X закріплений нерухомо (не обертається). Для статичного гвинта потрібна спеціальна ходова гайка. У верстатах з ЧПУ не великого розмірузазвичай ходова гайка жорстко закріплена, а гвинт обертається, переміщуючи каретку. У мене ж навпаки — ходова гайка обертається навколо гвинта, що рухається кроковим двигуном. Ну і очевидно, що ходова гайка для ЧПУ великого розміру повинна бути виготовлена ​​своїми руками, тому що така ніде не продається!

Навіщо нам обертати ходову гайку замість ходового гвинта на верстаті з ЧПУ великого розміру?

1. Промисловий ходовий гвинт ШВП завдовжки 2 метри і більше коштує просто божевільних грошей (у порівнянні з будівельною шпилькою). Він має бути досить великого діаметра— від 20 мм і товщі, що коштує ще шаленіших грошей. Плюс таку махину ще й не всякий кроковик проверне, і потрібно ставити серву, яка коштує ще божевільніших грошей (у порівнянні з кроковиком). І, взагалі кажучи, на великий верстат з ЧПУ ставлять зазвичай 2 ходові гвинти (по одному з кожного боку). Виходить подвійне божевілля за бюджетом.
2. Вкрай бюджетним і непоганим варіантом є будівельна шпилька, але якщо при довжині в 2 метри ми спробуємо її обертати, то вона почне стрибати, як скакалка, і врешті-решт відвалиться.
3. На довгу станину 2-3 метри з нерухомим гвинтом по осі X можна поставити не одну, а цілих дві або навіть три незалежні осі Y, кожна з яких буде індивідуально працювати над своїм замовленням. Тобто. на одній станині буде встановлено як би 2 незалежні верстати з ЧПУ з однією механічно загальною віссю X. Очевидно, що з гвинтом, що обертається, незалежні каретки не вийдуть, а вийде тільки клонування осі.

Ходова гайка для ЧПУ своїми руками виготовляється досить просто: беремо відрізок капролону потрібної довжини і просто нарізаємо внутрішнє різьблення під будівельну шпильку. Капролон досить м'який і різьблення можна нарізати навіть будівельною шпилькою, попередньо виготовивши з неї мітчик за допомогою нарізання канавок болгаркою. Я внутрішнє різьблення робив на моєму домашньому токарничці, а потім робив прохід таким саморобним мітчиком зі шпильки для більш точного і щільного підгону різьблення. На токарні для цього потрібно спеціально різьблення не дорізати, щоб залишити під прохід самою шпилькою. Тоді ходова гайка ходитиме щільно і без люфтів. Люфти також забираються збільшенням довжини ходової гайки. Вже за довжини 35-40 мм люфти повністю зникають. В інтернеті можна знайти багато конструкцій з подвійною регульованою ходовою гайкою, якою також можна прибрати люфт, але її недолік у значному ускладненні конструкції. Якщо ви використовуєте свій верстат з ЧПУ для хобі, то звичайна ходова гайка з капролону прослужить вам дуже довго — кілька років точно! У мене досі живі, хоча я на них навіть алюміній попилюю

Ходова гайка для мого великого верстата з ЧПУ обертатиметься сама навколо нерухомого гвинта, тому з двох боків ми її підпираємо підшипниками і досить щільно затискаємо між двома алюмінієвими пластинами. У цих пластинах відфрезеровані посадочні місцяпід підшипники. Не біда, якщо посадкові місця вийдуть трохи кривуваті. Алюміній дуже м'який, тому підшипник потім можна буде туго запресувати лещатами через фанерні прокладки. І навіть краще, тому що нам необхідно повністю виключити поздовжній рух гайки в проміжку між цими двома пластинами. Для жорсткої фіксації пластин між собою, а також для передачі поступального руху гайки на каретку верстата, застосуємо листовий метал товщиною 4-5 мм (він вона - шкрябана іржава залізяка на фотці). На фото не вистачає аналогічного зв'язування пластин у горизонтальній площині (прямо під гайкою) — це я потім дороблю.

Залишається лише передати обертання з крокового двигуна на гайку. Я планую зробити це за допомогою зубчастого ременя. Але проблема в тому, що мені доведеться зробити свою власну нестандартну шестерню, а цього я поки ще ніколи не робив.

Для виготовлення своєї власної шестерні мені довелося трохи попихкати. Причому пихтіти довелося за комп'ютером. Я написав свою власну програму для розрахунку шківів із заданими параметрами, тому що нічого ділового та безкоштовного мені знайти не вдалося. За основу було взято відкритий файл на Thingiverse OpenSCAD, який я переписав на Python і зробив експорт в DXF. Шестерню я виготовив з капролону - це міцний конструкційний пластик, що легко обробляється. Крім самої шестерні для зубчастого ременя потрібен також ролик-натягувач (воне ж заспокоювач) ременя. Його я теж виготовив із капролону, але всередину вставив підшипник.

Після установки гайки, що обертається, на верстат я трохи промучився зі шківами для двигунів, які весь час з'їжджали через дуже високу швидкість обертання і сильного натягу. Мені навіть довелося свердлити у валах крокових двигунів невеликі канавки та фіксувати шківи на валах настановними гвинтами з внутрішнім шестигранником. Але в результаті результат порадував: на всій довжині ходового гвинта гайка йшла плавно погойдуючись і ні крапельки не тріпала гвинт.

Редукція ходової гайки вийшла 30:12 (30 зубів на гайці, 12 на шківі двигуна), тобто. редуктор посилює момент двигуна у 2.5 рази. Роздільна здатність верстата на шпильці з кроком 2 мм/оборот вийшла 0.004 мм (2мм/оборот ÷ (200 кроків/оборот * 2.5)).

Компанія Zaxis реалізує ходові гвинти та гайки з трапецеїдальним різьбленням. У каталозі представлені деталі найбільш затребуваних типорозмірів. Ходові гвинти поставляються у вигляді хлистів завдовжки 1 метр. За запитом клієнта співробітники Zaxis виконають торцювання у розмір і проточать шийку необхідного діаметра під муфтове з'єднання. на готових деталяхє фаски, округлення, жолобники, відсутній задирок. У заявці просимо вказувати шорсткості поверхонь та поля допусків для діаметральних та лінійних розмірів.

Трапецеїдальні гвинти

Трапецеїдальний профіль на гвинтах застосовується найчастіше через оптимальне поєднання самогальмування та ходових якостей. Звичайна різьба нездатна передавати настільки ж високі зусилля, як завзята, проте її властивостей міцності достатньо для здійснення робочих переміщення. Ми реалізуємо ходові гвинти з конструкційної вуглецевої та нержавіючої сталі. Вироби відрізняються стійкістю до зносу та високим ресурсом. Заготовкою для ходових гвинтів служить пруток, що калібрується, з термообробкою. Профіль різьблення формується накаткою, та її робочі поверхні мають високу чистоту. У каталозі представлені ходові гвинти діаметром 8, 10, 12, 16, 20 та 28 мм з кроком 2, 3, 4, 5. На сайті ви знайдете ціни та технічні описидля деталей всіх типорозмірів.

Гайки

Компанія Zaxis реалізує гайки, сумісні з усіма видами ходових трапецієподібних гвинтів. У каталозі представлені деталі з наступних матеріалів:

• стали. Найбільше бюджетне рішення для невідповідальних вузлів;
• бронзи. У поєднанні із сталевими ходовими гвинтами утворюють пари з коефіцієнтом тертя 0,07-0,1;
• капролону. Матеріал у 6 разів легший за бронзу і в 2 рази збільшує робочий ресурс ходового гвинта. При змащуванні водою коефіцієнт тертя у парі становить 0,005-0,02. Гайки виконані з гарантованим натягом, що забезпечує високу точністьпозиціонування.

Деталі виготовляються з зовнішньою циліндричною поверхнею і з фланцем. Замовити ходові гвинти можна на сайті компанії Zaxis або за телефоном.

Огляд на специфічний товар: комплекту ШВП типу SFU1605-1000 як елементи передач ЧПУ верстата.
В огляді буде коротка інформаціяпро те, що таке ШВП та як її застосовувати

Власне кажучи, при спробі розрахувати та побудувати аматорський ЧПУ верстат (фрезер) самотужки зіткнувся з тим, що у нас або дорогі комплектуючі для верстатів, або не зовсім те, що потрібно. А конкретно, була проблема з придбанням ходового гвинта або ШВП як елементи передачі по осях верстата.

Існують такі типи передач для ЧПУ:

1. реміннізастосовуються разом із шестернями в основному для лазерів, так як у лазера легка «головка»
2. зубчасті. Це прямозубі або косозубі зубчасті рейки та шестерні для переміщення по них
3. ходові гвинтибувають типу Т8 (в основному використовуються в 3Д принтерах та інших малогабаритних верстатах) типу TRR, наприклад TRR12-3 з POM-гайкою (пластикової).
4. кулько-гвинтові передачі- це гвинт та гайка до нього. У гайці є спеціальні підшипники, які переміщаються каналом усередині гайки.

Як правило, вибирають з урахуванням навантаженості (маса порталу/осі, що пересувається) і впливу люфта. У ШВП люфт менше за рахунок підшипників, вони вважаються точнішими і кращими, але при цьому досить дорогі для саморобок.

Цитата з Вікі:

Гвинтова передача - механічна передача, що перетворює обертальний рух на поступальний, або навпаки. У загальному випадку вона складається з гвинта та гайки. один з основних типів: кулькогвинтова передача кочення (ШВП).

Шарико-гвинтова передача(далі ШВП) - це надійніший аналог ходового гвинта, але замість латунної гайки (або пластикової як для гвинтів типу TRR-12-3, як у мене на старому проекті) призначена спеціальна гайка з кульками, які входять у зачеплення з гвинтом ШВП, вибирають весь люфт і одночасно знижують тертя. Для самостійного складанняверстата ЧПУ або 3Д принтера на ШВП знадобиться гвинт ШВП, гайка до нього, муфта кріплення до двигуна та підвісні підшипники.

Ось невеликий рендер із інтернету. Добре видно, як кульки розподілені гвинтом. Аналогічно Т8, гвинт ШВП має різьблення в кілька заходів.

Для верстата ЧПУ потрібно було осі Y два комплекти ШВП на 1000 мм, і X осі: 600 мм.
ШВП отримав кур'єрською поштою. Це не дорогий варіант з огляду на вагу посилки (близько 8 кг).

Упаковка є довгою вузькою коробкою, всередині картонної упаковки є упаковка типу синтетичного мішка, дуже міцний матеріал. Акуратно розпаковуємо. Усередині всім знайома bubble-wrap, тобто пухирчаста плівка, яка захищає товар від механічних дій.

Забираємо плівку. У посилці було три комплекти ШВП: гвинт+гайка, різного розміру. Два комплекти призначені для переміщення порталу верстата осі Y, третій короткий комплект осі X.

Усі комплекти загорнуті в інгібіторну зелену плівку, яка перешкоджає попаданню вологи. Плюс є неабияка кількість мастила на поверхні товару.

У цьому комплекті я доплачував за закінчення одного комплекту на 600 мм (так вийшло дешевше). Закінчення (machined) замовляв окремо у цього ж продавця (у нього є така послуга в каталозі), коштувало по 1 баксу за кожен кінець гвинта. Гарний варіантдля тих, хто бере гвинти у конкретний розмір.

Ось що являє собою «закінчення». Це обточування гвинта 16.05 мм до діаметра 12 мм для встановлення в підвісний підшипник, далі різьбова частина для фіксації гвинта, потім обточування до 10мм для затискання кінця в еластичній муфті двигуна

Посилка дійшла в цілості та безпеці, кур'єрська доставка це не пошта Росії. Прикладав лінійку у різних місцях, щоб знайти викривлення. Не знайшов, ШВП рівні. Решта покаже встановлення та використання.

Фото різьбової частини гвинтів

Зовнішній вигляд комплектів

І ще. Гайки прийшли вже накручені на гвинт... Кульки засипані всередині, є мастило. Просіть при замовленні запасні кульки хоча б кілька.

Далі починаємо перевіряти розміри гвинтів. Короткий на 600 мм. Тобто в ці 600 входить різьбова частина з обох боків. Реальний хід по осях верстата вийде менше.
Зверніть увагу, Що в лоті розмір вказаний для гвинта ШВП разом з різьбленням і обточеними кінцями, тобто робочий хід ШВП буде менше, ніж її довжина! А саме на 65 мм менше.

Другий та третій гвинти ШВП на 1000 мм

Діаметри різьбової частини відповідно 1605

посадочні місця під підшипники BK12 та BF12 10 та 12 мм відповідно.

І з іншого боку під підшипник. Діаметр самої гайки SFU1605 дорівнює 28 мм.

Якщо зняти з гайки пластикову заглушку, можна обслужити ШВП, змастити або поміняти кульки. Перевіряю, що все є))))

Власне, можна зняти гайку, протерти її, заново змастити її, завантажити кульки назад. Пластикова кришкакріпиться потайним гвинтом під шестигранник 2.5 (його видно вгорі).

Для встановлення ШВП в верстат потрібно підвісні підшипники типу BK12+BF12 (прямі) або FK12+FF12 (фланцеві), еластична муфта 6.35*10mm для підключення до двигуна типу NEMA23 з одного боку (6.35мм) і до кінця ШВП з іншого ( ).

Зовнішній вигляд комплекту осі в зборі: підшипники BK12, BF12, кільце стопорне, гайка для фіксації гвинта, тримач гайки SFU1605, муфта для двигуна і сам гвинт з гайкою.

Розміри ШВП для тих, хто збирається придбати чи проектує механіку верстата

І окремо для SFU1605

Зовнішній вигляд гайки SFU1605