Невеликий CNC фрезер-гравер

В огляді 3D-принтера я згадував невеликі фрезери, які чомусь частіше позиціонують як гравери. А оскільки тема ця досить цікава, та й читачі потім запитували мене про такий пристрій, я вирішив зробити цей огляд.
Загалом знову збираємо конструктор-головоломку, і є шанс, що зрештою отримаємо щось цікаве.

Узагалі тема всіляких верстатів дуже цікава, і навіть не стільки заради результату, скільки заради інформації, яку я планую застосувати в чомусь масштабнішому. Але починати краще з малого.
Гравер-фрезер за своєю суттю дуже схожий на 3D-принтер: ті самі три осі, замість подавання пластику вмикається двигун шпинделя. Тільки у випадку з принтером створюється сам об’єкт, а у випадку з фрезером об’єкт узагалі не рухається — вирізається все зайве навколо.
Крім того, простою конструкцією, як у принтері, тут уже не обійтися. У принтері друкувальна головка не зазнає жодних навантажень, а у гравері дуже важлива жорсткість конструкції, адже вирізання відбувається завдяки тиску на фрезу та її обертанню.
Власне, тому фрезер важко зробити великим і дешевим, як у випадку з принтером: що більша деталь, яку треба обробити, то більшої точності та жорсткості конструкції потрібно.

Цей верстат постачається у вигляді набору, який ще треба зібрати. Під час складання трапилося кілька нюансів, один із яких — у комплекті не було жодної інструкції зі складання. Тож вивчення почалося ще до складання :)

Верстат має формат 1310, тобто розміри деталі можуть бути максимум 130х100, а висота — до 40мм.

Усе кріплення було розфасоване по окремих пакетах. У деяких пакетах було кілька типів кріплень, у деяких — лише один, але, попри це, мені не довелося шукати потрібне кріплення, як під час складання 3D-принтера, — усе було досить зручно.


Тепер можна братися до складання.
Усе складання відбувалося без жодних інструкцій, радше інтуїтивно. Пізніше я все-таки роздобув і відео процесу складання, і інструкцію, але вони лише підтвердили, що я все робив правильно.
Ба більше, спочатку я зібрав усе так, як було в інструкції (як згодом з’ясувалося), наступив на невеликі граблі, розібрав частину шасі й зібрав по-своєму — зрештою вийшло навіть краще, ніж в оригіналі.

Про всяк випадок додам відео складання — щоправда, китайською, зате з приємною музикою :)


Увесь процес складання буде розбитий на етапи. Оскільки ця процедура здебільшого підходить для багатьох пристроїв цієї серії, думаю, вона може стати в пригоді.


Потім прикрутив решту деталей.
На цьому етапі головне, щоб конструкція була рівною. Потім мені все одно довелося її розкручувати, але в будь-якому разі краще від самого початку намагатися зробити все якомога рівніше.
Загалом під час складання на всіх етапах особливу увагу приділяємо рівності та жорсткості конструкції. Гвинти треба затягувати досить сильно, адже під час роботи вібрація значна.



У результаті в нас має вийти така конструкція.


На цьому тлі конструкція описаного вище механізму, та й узагалі всього цього вузла, стає зрозумілішою.



Результат. Формально можна сказати, що столик і вісь переміщення Y готові.









Увесь зібраний вузол має дещо монструозний вигляд, але насправді він простіший, ніж здається :)





Увесь комплект зібрано й готово до експериментів :)


Гравер — це, звісно, добре, але без фрез він нічого не різатиме, тому в комплект поклали «стартовий набір» із чотирьох однакових фрез.
Спочатку я намагався розібратися з маркуванням на них, пробував зіставити вимірювання з цифрами, але мене неабияк спантеличувало те, що всі три фрези мають однакові розміри, але різне маркування. Згодом з'ясувалося, що їх виготовляють зі зламаних фрез різних розмірів, тому маркування в них різне :)
Є думка зробити реверс шпинделя для роботи з такими фрезами. Фреза симетрична й не має такого поняття, як напрямок обертання, а отже, різатиме в будь-якому напрямку. Якщо використовувати реверс, можна рівномірно зношувати обидва боки, і ресурс фрези збільшиться вдвічі.
Фреза має дуже гострий кінець, що сходиться в нуль. Під час експериментів я трохи надломив самий кінчик фрези й у результаті отримав ще кращий результат. Потім я використовував цю фрезу навіть для фінішної обробки.


Встановлюємо фрезу в патрон, затягуємо гвинти, перевіряємо, чи немає биття.




Із чогось складнішого я вирішив спочатку вигравіювати невелике зображення жирафа.
Фрезерував комплектною фрезою, навіть у режимі чистової обробки. Хоча фрезерувати таке фрезою, кінець якої сходиться в нуль, неправильно. Для фінішної обробки краще використовувати фрезу зі сферичним кінцем, а не з голкою. Але оскільки моя фреза була трохи надломлена, то для фінішної обробки вона фрезерувала навіть дуже непогано.

Плямки зверху з'явилися випадково: треба було вибрати попереднє заглиблення, тобто починати обробку не від нуля, а заглибити фрезу на 0.5-1мм, щоб компенсувати нерівність заготовки.
Розміри — 26х28мм, глибина різання близько 1.5мм, крок на фініші — 0.1мм.


Фрагмент процесу гравіювання цієї моделі. Вибачте за якість відео, знімав на пилосос фотоапарат.


До верстата я замовив додаткові фрези, але покажу лише ті, які зміг установити в цей патрон.


А далі я взяв модель побільшу. Розміри — 50х35мм, глибина моделі — 5.5мм, повна глибина фрезерування — 6мм.
Чорнове фрезерування виконувалося фрезою номер 4 зі списку вище. Було зроблено 6 проходів по 0.9 або 0.95мм кожен (точно не пам’ятаю).
На виході вийшла така картина.


Чистове фрезерування виконувалося конічною фрезою з комплекту (фото є вище), у якої я обламав кінчик.
Крок фрезерування було задано 1мм, швидкість робочої подачі — 2.5мм/сек, швидкість подачі врізання — 2мм/сек (якщо не плутаю).
Увесь процес чистової обробки тривав 4 години. Можна було збільшити швидкість подачі, але постраждала б якість. Щоб якість не страждала, бажано, щоб шпиндель верстата мав вищі оберти. У моєму випадку під час розрахунків я брав 15000 об/хв, але є відносно невеликі верстати з обертами 40-50к.
Думаю, що за бажання і на цьому верстаті можна збільшити швидкість обробки у 2-4 рази, просто я не став поспішати. Що вища швидкість, то гірша якість і більша ймовірність пошкодити фрези.


У результаті в мене вийшла така модель. Фото дуже погано передає справжній вигляд, тож натякну: це Пегас :)
Початковий розмір моделі був помітно більшим, але, щоб виконати роботу швидше, довелося зменшити його до зазначених 50х35мм.




Рівень деталізації дуже високий, але видно сліди роботи фрези: основа вийшла абсолютно гладкою, а на самій моделі сліди є навіть на рівних ділянках.
Але загалом я б сказав, що для цього верстата результат навіть чудовий, малюнок передано дуже добре.


На додачу до фото я зняв і відео процесу фрезерування останньої деталі. Оскільки весь процес тривав близько 6.5 годин, а відео має тривалість лише 6.5 хвилин, його довелося сильно скоротити. Під час роботи я очищав модель від стружки, тому на відео вона має різний вигляд.
На початку видно, що чорнова фреза категорично не підходить для цього завдання, адже замість того, щоб перетворювати деревину на дрібну стружку, вона просто знімає її смужкою.



Тепер можна підбити підсумки.
Спочатку розповім про нюанси, пов’язані з конструкцією верстата, і можливі способи їх усунення. Розташую їх у порядку важливості.
Обов’язкове.
1. Не дуже якісні підшипники ковзання, хоча, мабуть, це просто втулки, а не підшипники. Під час складання я не звернув на них особливої уваги, але потім зрозумів, що перед складанням їх треба було підбити молотком — тоді вони сіли б глибше й працювали краще. Але в будь-якому разі планую замінити їх на лінійні кулькові.
2. Металеві втулки, що з’єднують вали крокових двигунів і ходові гвинти (шпильки). Це одна зі складних проблем: загалом їх можна виставити й зафіксувати майже без биття, але зробити це справді складно. На одній з осей мені довелося намотати скотч, щоб шпилька входила щільно, і лише потім затягнути її, але проблема виявилася в місці з’єднання втулки з валом двигуна.
Раджу замінити їх на нормальні демпфери, тим паче що коштують вони не дуже дорого.
3. Пластикові гайки.
Спочатку я планував поставити їх на перше місце, але практика показала, що вони поводяться краще, ніж очікувалося. Думаю, якщо замінити втулки на демпфери, працюватиме надійніше. Крім того, у комплекті дали три запасні гайки. Їх можна замінити на металеві, але таке рішення може мати свої мінуси.
Але така конструкція має й переваги. Цей вузол практично не має люфту, до того ж його можна регулювати в міру зношування.
4. Патрон.
Патрон треба замінити. Але не тому, що він поганий, а тому, що він незручний. З таким патроном можна використовувати фрези лише з діаметром хвостовика 3.175мм, а в багатьох, напевно, є фрези й свердла інших діаметрів.
5. Ходові гвинти (шпильки).
Тут складно сказати, як краще. З одного боку, це просто шпильки, і нормальна черв’ячна передача забезпечить більшу надійність (про ШВП мовчу — не та ціна), але зі шпильками верстат має вдвічі більшу тягу, а також вищу відносну точність позиціювання. Якщо замінювати шпильки на нормальну черв’ячно-гвинтову пару, доведеться міняти весь комплект — гвинт і гайку.

Другорядне
6. Упорні підшипники. Їх тут просто немає. Загалом усе нормально працює і без них, я навіть не знаю, чи є в них тут сенс, але якщо є можливість, краще встановити.
7. Двигун. Для цього верстата його більш ніж достатньо. Якщо встановити потужніший двигун, приводу осі Z буде важче працювати, а от «розігнати» наявний двигун цілком реально. Думаю, напругу живлення можна без проблем підвищити до 27-30 Вольт, тим паче що блок живлення це дозволяє.
8. Прибрати з конструкції блок живлення на 12 Вольт, замінивши його DC-DC перетворювачем. Не бачу сенсу в двох блоках живлення там, де цілком може працювати один.
9. Додати можливість реверсування двигуна — це збільшить ресурс деяких типів фрез.
10. Переробити все вищезгадане, поекспериментувати, поставити верстат на полицю, а на
основі набутого досвіду зробити щось своє — більше/потужніше/універсальніше.

Що взагалі дає цей конструктор.
1. Хорошу практику роботи з невеликими верстатами з ЧПК.
2. Розуміння принципу роботи такого обладнання.
3. Можливість використовувати його в цілком реальних завданнях, наприклад
для гравіювання, свердління плат, виготовлення невеликих деталей із пластику чи дерева.
4. Якщо інтерес не згасне, матимете інформацію (і деякі компоненти) для
самостійного складання власного варіанта схожого верстата.

Фрезер є спрощеним аналогом пристрою з цього огляду, тому багато з того, що там написано, стосується й верстата, який ми розглядаємо. Коштує менше, але має простішу конструкцію.

На цьому все, сподіваюся, було цікаво.