Niewielka frezarka-grawerka CNC

W recenzji drukarki 3D wspominałem o niewielkich frezarkach, które z jakiegoś powodu częściej są przedstawiane jako grawerki. Ponieważ temat jest dość ciekawy, a czytelnicy później pytali mnie o takie urządzenie, postanowiłem przygotować jego recenzję.
Krótko mówiąc, znowu składamy zestaw-konstruktor, a jest szansa, że na końcu otrzymamy coś interesującego.

Ogólnie temat wszelkiego rodzaju maszyn jest bardzo ciekawy, i to nie tyle ze względu na uzyskiwane rezultaty, ile na wiedzę, którą planuję wykorzystać przy czymś większym. Ale najlepiej zacząć od czegoś małego.
Grawerka-frezarka jest w gruncie rzeczy bardzo podobna do drukarki 3D: te same trzy osie, a zamiast podawania filamentu uruchamia się silnik wrzeciona. Tyle że w drukarce powstaje sam obiekt, a przy frezowaniu obrabiany przedmiot w ogóle się nie porusza — wycina się wszystko, co zbędne wokół niego.
Poza tym nie wystarczy już prosta konstrukcja, taka jak w drukarce. Głowica drukująca w drukarce nie jest poddawana żadnym obciążeniom, natomiast w grawerce bardzo ważna jest sztywność konstrukcji, ponieważ materiał jest usuwany przez docisk frezu i jego obrót.
Właśnie dlatego trudno zbudować dużą i tanią frezarkę, w przeciwieństwie do drukarki. Im większy jest obrabiany element, tym większa dokładność i sztywność konstrukcji są potrzebne.

Maszyna jest dostarczana w postaci zestawu do samodzielnego montażu. Podczas składania natrafiłem na kilka problemów, między innymi na to, że w zestawie nie było żadnej instrukcji montażu. Krótko mówiąc, nauka zaczęła się jeszcze przed składaniem :)

Maszyna ma format 1310, czyli wymiary obrabianego elementu mogą wynosić maksymalnie 130х100, przy wysokości do 40мм.

Wszystkie elementy mocujące zapakowano osobno. W niektórych woreczkach było kilka rodzajów, w innych tylko jeden, ale mimo to nie musiałem szukać potrzebnych elementów, jak podczas składania drukarki 3D — wszystko było całkiem wygodnie zorganizowane.


No dobrze, można zabierać się do składania.
Całość składałem bez żadnej instrukcji, raczej intuicyjnie. Później udało mi się zdobyć zarówno film pokazujący montaż, jak i instrukcję, ale tylko potwierdziły, że wszystko zrobiłem dobrze.
Co więcej, w trakcie składania najpierw zmontowałem maszynę tak, jak pokazano w instrukcji (jak się później okazało), natrafiłem na drobny problem, rozebrałem część ramy i złożyłem ją po swojemu. W efekcie wyszło nawet lepiej niż w oryginale.

Na wszelki wypadek zamieszczam film z montażu. Jest po chińsku, ale za to z przyjemną muzyką :)


Cały proces montażu podzielę na etapy. Ponieważ ta procedura w większości pasuje do wielu urządzeń z tej serii, myślę, że może się przydać.


Potem przykręciłem pozostałe elementy.
Na tym etapie najważniejsze jest, żeby konstrukcja była równa. Później i tak musiałem ją rozkręcić, ale mimo wszystko warto od początku starać się wszystko ustawić jak najdokładniej.
Właściwie na każdym etapie montażu trzeba zwracać uwagę przede wszystkim na równość i sztywność konstrukcji. Śruby należy mocno dokręcić, bo podczas pracy występują spore drgania.



W efekcie powinna powstać taka konstrukcja.


Na tym tle łatwiej zrozumieć opisaną wyżej konstrukcję mechanizmu, a także całego tego zespołu.



Efekt. Formalnie można powiedzieć, że stolik i oś przesuwu Y są gotowe.









Cały zmontowany zespół wygląda trochę jak potwór, ale w rzeczywistości jest prostszy, niż się wydaje :)





Cały zestaw złożony i gotowy do eksperymentów :)


Grawerka to oczywiście fajna rzecz, ale bez frezów niczego nie wytnie, dlatego w zestawie dostajemy „zestaw startowy” złożony z czterech identycznych frezów.
Najpierw próbowałem rozszyfrować ich oznaczenia i dopasować pomiary do podanych wartości, ale kompletnie zbijało mnie z tropu to, że wszystkie trzy frezy mają takie same wymiary, a różne oznaczenia. Później okazało się, że są robione z połamanych frezów o różnych rozmiarach, stąd różne oznaczenia :)
Mam pomysł, żeby zrobić zmianę kierunku obrotów wrzeciona i pracować z takimi frezami. Frez jest symetryczny i nie ma określonego kierunku obrotów, więc będzie ciął w obu kierunkach. Dzięki zmianie kierunku można równomiernie zużywać obie strony, a trwałość frezu wzrośnie nawet dwukrotnie.
Frez ma bardzo ostry czubek, zwężający się do zera. Podczas eksperymentów lekko ukruszyłem sam koniec frezu i w efekcie uzyskałem jeszcze lepszy rezultat. Później używałem tego frezu nawet do obróbki wykańczającej.


Montujemy frez w uchwycie, dokręcamy śruby i sprawdzamy, czy nie ma bicia.




Z bardziej skomplikowanych rzeczy postanowiłem najpierw wygrawerować niewielki obrazek z żyrafą.
Frezowałem dołączonym frezem, nawet przy obróbce wykańczającej. Chociaż frezowanie czegoś takiego frezem, którego końcówka schodzi do zera, nie jest właściwym rozwiązaniem. Do obróbki wykańczającej lepiej użyć frezu z kulistą końcówką, a nie igłą. Ale ponieważ mój frez był lekko wyszczerbiony, sprawdził się całkiem nieźle przy obróbce wykańczającej.

Plamki u góry wyszły przypadkiem. Trzeba było ustawić wstępne zagłębienie, czyli rozpocząć obróbkę nie od zera, ale z zagłębieniem 0.5-1 mm, żeby skompensować krzywiznę materiału.
Wymiary — 26х28 mm, głębokość frezowania około 1.5 mm, krok przy obróbce wykańczającej — 0.1 mm.


Fragment procesu grawerowania tego modelu. Przepraszam za jakość filmu, nagrywałem odkurzaczem aparatem fotograficznym.


Do frezarki zamówiłem dodatkowe frezy, ale pokażę tylko te, które udało mi się zamocować w tym uchwycie.


Potem wziąłem nieco większy model. Wymiary: 50х35mm, głębokość modelu 5.5mm, całkowita głębokość frezowania 6mm.
Frezowanie zgrubne wykonałem frezem numer 4 z powyższej listy. Zrobiono 6 przejść po 0.9 albo 0.95mm każde (dokładnie nie pamiętam).
Efekt wyglądał tak.


Frezowanie wykańczające wykonałem frezem stożkowym dołączonym do zestawu (zdjęcie jest wyżej), któremu odłamałem końcówkę.
Krok frezowania ustawiono na 1mm, prędkość posuwu roboczego na 2.5mm/sek, a prędkość posuwu przy zagłębianiu na 2mm/sek (jeśli dobrze pamiętam).
Cała obróbka wykańczająca zajęła 4 godziny. Można było zwiększyć prędkość posuwu, ale pogorszyłoby to jakość. Żeby jakość nie ucierpiała, wrzeciono maszyny powinno mieć wyższe obroty. W moich obliczeniach przyjąłem 15000 obr./min, ale są też stosunkowo niewielkie maszyny osiągające 40-50k obr./min.
Myślę, że przy odrobinie chęci można zwiększyć prędkość obróbki na tej maszynie 2-4 razy, ale nie chciałem się spieszyć. Im większa prędkość, tym gorsza jakość i większe ryzyko uszkodzenia frezów.


W efekcie powstał taki model. Zdjęcie bardzo słabo oddaje jego rzeczywisty wygląd, więc podpowiem: to Pegaz :)
Oryginalny model był znacznie większy, ale żeby szybciej wykonać pracę, musiałem zmniejszyć go do podanych 50х35mm.




Poziom szczegółowości jest bardzo wysoki, ale widać ślady pracy frezu. Podstawa wyszła zupełnie gładka, natomiast na samym modelu ślady są widoczne nawet na płaskich powierzchniach.
Ogólnie jednak powiedziałbym, że jak na tę maszynę wyszło wręcz świetnie — wzór został bardzo dobrze odwzorowany.


Oprócz zdjęć nagrałem też film z frezowania ostatniego elementu. Cały proces trwał około 6.5 godziny, a film ma zaledwie 6.5 minuty, więc musiałem go mocno skrócić. W trakcie oczyszczałem model z wiórów, dlatego na nagraniu wygląda on różnie.
Na początku widać, że frez do obróbki zgrubnej zupełnie się do tego zadania nie nadaje, bo zamiast rozdrabniać drewno na drobne wióry, po prostu zdejmuje je paskami.



Teraz można już podsumować.
Na początek opowiem o niuansach związanych z konstrukcją maszyny i możliwych sposobach ich rozwiązania. Ułożę je według ważności.
Konieczne zmiany.
1. Niezbyt dobre łożyska ślizgowe, choć właściwie są to raczej tuleje niż łożyska. Podczas montażu nie zwróciłem na nie szczególnej uwagi, ale później zrozumiałem, że przed montażem należało je dobić młotkiem. Wtedy osadziłyby się głębiej i działały lepiej. W każdym razie planuję wymienić je na liniowe łożyska kulkowe.
2. Metalowe tuleje łączące wały silników krokowych ze śrubami pociągowymi (prętami gwintowanymi). To jeden z trudniejszych problemów. W zasadzie można je ustawić i zamocować niemal bez bicia, ale w praktyce jest to naprawdę trudne. Na jednej z osi musiałem owinąć pręt taśmą, żeby ciasno wchodził, i dopiero wtedy go dokręcić, ale problem pojawił się na połączeniu tulei z wałem silnika.
Radzę wymienić je na porządne sprzęgła elastyczne, tym bardziej że nie są zbyt drogie.
3. Plastikowe nakrętki.
Początkowo planowałem umieścić je na pierwszym miejscu, ale praktyka pokazała, że sprawują się lepiej, niż się spodziewałem. Myślę, że po wymianie tulei na sprzęgła elastyczne całość będzie działać pewniej. W zestawie są też trzy zapasowe nakrętki. Można wymienić je na metalowe, ale takie rozwiązanie może mieć swoje wady.
Ta konstrukcja ma jednak również zalety. Ten zespół ma praktycznie zerowy luz, a ponadto można go regulować w miarę zużywania się elementów.
4. Uchwyt.
Uchwyt trzeba wymienić. Nie dlatego, że jest kiepski, lecz dlatego, że jest niewygodny. Z takim uchwytem można używać tylko frezów z trzpieniem o średnicy 3,175 mm, a na pewno wiele osób ma frezy i wiertła o innych średnicach.
5. Śruby pociągowe (pręty gwintowane).
Trudno powiedzieć, co będzie lepsze. Z jednej strony są to po prostu pręty gwintowane, a porządna przekładnia ślimakowa zapewni większą niezawodność (o śrubie kulowej nawet nie wspominam — to nie ta półka cenowa). Z drugiej strony maszyna z prętami gwintowanymi ma dwukrotnie większą siłę ciągu, a także większą względną dokładność pozycjonowania. Przy wymianie prętów na porządną przekładnię ślimakowo-śrubową trzeba wymienić cały zestaw: śrubę i nakrętkę.

Mniej pilne zmiany
6. Łożyska oporowe. Po prostu ich tu nie ma. W zasadzie wszystko działa prawidłowo i bez nich. Nie wiem nawet, czy mają tu sens, ale jeśli jest taka możliwość, lepiej je zamontować.
7. Silnik. Do tej maszyny jest aż nadto wystarczający. Po zamontowaniu mocniejszego silnika napęd osi Z będzie miał ciężej, natomiast zwiększenie obrotów obecnego silnika jest jak najbardziej realne. Myślę, że bez problemu można podnieść napięcie zasilania do 27–30 V, tym bardziej że zasilacz na to pozwala.
8. Usunąć z konstrukcji zasilacz 12 V i zastąpić go przetwornicą DC-DC. Nie widzę sensu stosowania dwóch zasilaczy tam, gdzie spokojnie wystarczy jeden.
9. Dodać możliwość zmiany kierunku obrotów silnika, co wydłuży żywotność niektórych rodzajów frezów.
10. Przerobić wszystko, co wymieniłem wyżej, poeksperymentować, odstawić maszynę na półkę, a na
podstawie zdobytego doświadczenia zbudować coś własnego — większego, mocniejszego i bardziej uniwersalnego.

Co właściwie daje ten zestaw do samodzielnego montażu?
1. Dobre doświadczenie w pracy z małymi maszynami CNC.
2. Zrozumienie zasad działania tego typu urządzeń.
3. Możliwość wykorzystania maszyny w praktyce, na przykład do
grawerowania, wiercenia płytek czy wykonywania drobnych elementów z plastiku lub drewna.
4. Jeśli zainteresowanie nie minie, zdobędziemy wiedzę (i kilka podzespołów) potrzebną do
samodzielnego zbudowania własnej, podobnej maszyny.

Frezarka jest uproszczonym odpowiednikiem urządzenia opisanego w tej recenzji, dlatego wiele informacji z tamtego tekstu odnosi się również do omawianej maszyny. Jest tańsza, ale ma prostszą konstrukcję.

To już wszystko, mam nadzieję, że było ciekawie.