Усякі залізяки або невелике доопрацювання гравірувального верстата

Кілька місяців тому я публікував огляд невеликого гравірувального верстата. У тому огляді я показав недоліки конструкції, а також написав, що планую їх усунути.
У цьому огляді я розповім про запчастини для цього верстата, додам трохи теорії, а також покажу процес доопрацювання.

Для початку скажу, що це перша частина доопрацювання. У планах є продовження, але коли воно буде — поки невідомо. Власне, мета цього огляду — показати, що і навіщо потрібно. Заздалегідь перепрошую гуру CNC-верстатів, адже я в цій справі новачок, і деякі речі були новими й для мене. Тому частину інформації знайшов в інтернеті, частина — з мого досвіду. Якщо є зауваження, пишіть — думаю, це буде корисно всім.

У заголовку вказано один товар, але насправді було замовлено три товари, причому один із них — у двох варіантах виконання. Але про все по черзі.

Я отримав конверт із цілою купою всіляких дрібних пакетів і пакетиків.


Почну свою розповідь із ходових гвинтів.
Було замовлено три штуки, діаметр у всіх однаковий — 8 мм, а довжина різна: пара по 200 мм і один 100 мм. Посилання на них є в заголовку огляду.


До ходових гвинтів у комплекті йдуть відповідно три гайки, тож увесь комплект має такий вигляд.


Для переміщення механізмів верстата зазвичай використовують гвинтову передачу. За допомогою гвинта й гайки обертальний рух вала двигуна перетворюється на поступальний рух гайки, прикріпленої до механізму, який переміщується.

У найпростішому варіанті це просто довгий гвинт і гайка. Але коли я робив огляд верстата, то звернув увагу, що виробник застосував не зовсім правильний тип гвинта, а точніше — різьби.
Ця різьба призначена для кріпильних елементів, тобто гвинтів, болтів і гайок, але не дуже підходить як ходовий гвинт мініверстата.


Загалом існує досить багато видів різьби: метрична, дюймова, з великим і малим кроком (точна). Наприклад, упорна — її застосовують у лещатах, пресах, тобто там, де зусилля спрямоване в один бік.
Приклади інших типів різьби можна побачити на цій картинці.


Як ходову зазвичай використовують трапецієподібну або прямокутну різьбу.
Але, крім назви й типу, між ними є ще одна невелика відмінність: прямокутна, на відміну від трапецієподібної, не стандартизована, тобто формально її можна виготовляти за власними розмірами, але рекомендують дотримуватися тих самих розмірів і кроку, що й для трапецієподібної. Власне, тому я й показав їх разом.

Трапецієподібна


Прямокутна


Раніше я вважав, що ходові гвинти з прямокутною різьбою — це найпростіший тип передачі в невеликих верстатах, але практика показала, що вони посідають приблизно проміжне місце між гвинтами зі звичайною різьбою та дорогою ШВП (кулькогвинтовою передачею).

До речі, щодо ШВП: на мою думку, це найкращий варіант для верстатів із ЧПК, але, на жаль, і найдорожчий.
Тут застосовується ходовий гвинт зі складною формою різьби, до того ж його зазвичай додатково шліфують, адже він є частиною лінійного підшипника.
При цьому в гайці є ще й механізм повернення, через який кульки повертаються на початок шляху, замикаючи цикл.


У русі це має наочніший вигляд.



Варто зазначити, що для перетворення обертального руху на поступальний використовують не лише гвинтову, а й зубчасту передачу, але такий варіант у невеликих верстатах трапляється ще рідше. Зубчаста передача потребує потужнішого двигуна, зате може забезпечити й більшу швидкість руху.


Ось такий вигляд у реальності має ходовий гвинт із прямокутною різьбою.


У комплект поклали відповідні гайки з отворами для кріплення до механізму.




На фото можна побачити різницю між звичайною різьбовою шпилькою, яка стояла до переробки, і спеціальним ходовим гвинтом. Думаю, різницю видно неозброєним оком.


Також у попередньому огляді я скаржився на те, що для з'єднання вала двигуна з ходовим гвинтом поклали звичайні муфти.
З одного боку, це має свої переваги, про які я розповім нижче, але є й великий мінус: для нормальної роботи потрібно точно витримати співвісність вала двигуна та ходового гвинта. Найменше відхилення поступово розбиває кріплення, і шпилька вислизає.

На одній з осей у мене взагалі не вийшло нормально зробити, довелося намотати трохи скотчу.


Власне, тому й замовив спеціальні муфти.
Діаметр вала двигуна в моєму випадку — 5мм, а діаметр ходових гвинтів — 8мм, відповідно, вибрав муфти 5х8, посилання на товар у магазині, ціна $3.80.


Є й інші співвідношення діаметрів — від 3х3 до 10х10, включно з проміжними варіантами.
Але слід врахувати, що в моєму випадку діаметр вала відповідав діаметру різьби. Загалом це неправильно: хвостовики мають бути без різьби, але замовив те, що було.
Тож, коли підбиратимете комплект, будьте уважні.


Муфти бувають чотирьох типів:
Жорстка
Така муфта має низьку ціну, високу надійність і здатна передавати великий крутний момент, але зовсім не компенсує неспіввісність.

Спіральна
По суті, це пружина. Вона має середню ціну, може компенсувати досить велику неспіввісність, але не здатна передавати великий крутний момент, є крихкішою, а через пружні властивості може збільшити люфт і спричинити резонансні явища.

Кулачкова
Може передавати досить великий крутний момент, але компенсує неспіввісність гірше за спіральну. Також є ймовірність зношення амортизувальної вставки.

Мембранна
Компенсує значну неспіввісність і водночас здатна передавати великий крутний момент, але, на жаль, коштує найдорожче.


Спочатку, поки не було доступних промислових муфт, користувалися навіть саморобними, виготовленими з підручних матеріалів, наприклад зі шматка шланга високого тиску. Такі варіанти цілком життєздатні, але нетехнологічні й менш довговічні.


Я замовив по одній муфті на кожен двигун, оскільки вирішив переробити всі осі.


Ці муфти спіральні; на фото видно, що по суті це пружина. Уперше я «познайомився» з такою муфтою, коли збирав 3D-принтер, і був трохи здивований, що вона гнеться :)


У початковому варіанті вільний кінець ходових валів просто висів у повітрі. Це було припустимо з жорсткими муфтами, але зовсім неприпустимо зі спіральними.
Як я писав вище, спіральна муфта за своєю конструкцією є жорсткою пружиною.
Саме ця властивість спричиняє паразитний ефект — люфт. Якщо не закріпити кінець вала, його можна рухати в межах ±2-3мм, а це дуже багато й зведе нанівець усі зусилля з удосконалення конструкції.

Для фіксації валів замовив підшипники, посилання на товар, ціна $4.20.


Такі підшипники бувають різної конструкції: зі наскрізним або глухим отвором, а також можуть відрізнятися варіантами кріплення до основи. Я вирішив замовити варіант зі наскрізним отвором діаметром 8мм. У моєму випадку 8мм — це діаметр ходового вала. Якщо вал має хвостовик, діаметр отвору має відповідати діаметру хвостовика.
Встановлено закриті підшипники, тож у розумних межах пил їм не загрожує.
Є два гвинти, за допомогою яких фіксується вал.

Під час тестування з'ясувалося, що повністю люфт вони не усувають, хоча й зводять його майже до нуля.
Я не фахівець, але вважаю, що конструкція підшипників для такого застосування мала б бути дещо іншою, адже вони більше розраховані на інший режим роботи, а не на осьове навантаження, як у цьому випадку.
Але в будь-якому разі це набагато краще, ніж нічого.


Усі три комплекти в тому вигляді, у якому їх буде встановлено на верстат.


З коротким описом дійових осіб закінчили, можна переходити до процесу перероблення.


Спочатку я зняв вал, який переміщує столик. На фото видно, що було і що планую встановити.


Муфти


Гайки.
Ось тут я ще трохи затримаюся.
Як я показував у минулому огляді, були використані пластмасові гайки, по дві штуки на кожну вісь, розділені силіконовою шайбою.
Така конструкція недовговічна, але забезпечує майже нульовий люфт і до того ж коштує недорого. Спочатку я думав замінити пластмасові гайки на металеві, але вирішив, що тоді почнуть зношуватися вали. І хоча в комплекті мені дали три запасні гайки, я вирішив, що замінити весь комплект буде правильніше.


Річ у тім, що люфт у гвинтовій передачі — майже неминуче зло, тому його зменшують різними способами, наприклад за допомогою спеціальної конструкції та додаткових пружин.


Або використовують розрізну гайку, яка, по суті, є аналогом двох гайок, що йшли в комплекті з гравером.
У такому разі гайку затягують додатковим гвинтом, і люфт зменшується. Щоправда, треба пам’ятати про дві речі: що сильніше затягуємо, то менший люфт, але більше зусилля потрібне для провертання механізму і сильніше зношуються гайки.


У цьому разі я вирішив поки залишити все як є і не зважати на невеликий люфт, можливо, згодом доопрацюю.

Нові ходові вали були трохи довші за штатні: 199 проти 189 мм, але в цьому разі це не критично.


Почав доопрацювання зі столика — це був найпростіший об’єкт для перероблення.
Добряче лаявся, бо, щоб установити гайку, довелося розсвердлювати отвір. Та не лише розсвердлювати, а й трохи збільшувати діаметр вручну. Свердлив свердлом діаметром 10 мм (насправді 9,9), а зовнішній діаметр гайки — близько 10,2.


Найскладніше було встановити гайку, тим паче що заважав столик. Попередню гайку з одного боку підрізали.


За допомогою мультитула вирізав шматочок столика :) Потім відкрутив передню частину й розмітив кріпильні отвори під гайку. У гайки чотири кріпильні отвори, але оскільки в попередньої було три, то, як не старався, закріпити вдалося теж лише на три. Загалом вистачило б і двох, можливо, навіть було б краще, але вирішив кріпити на три.


Судячи з конструкції, гайку треба вставляти в отвір довгою частиною, але я вирішив інакше — тепер вона «дивиться» всередину.


Як ви розумієте, зроблено це було не просто так, а «з нагоди». Так я трохи збільшив хід по цій осі.


З муфтою проблем не виникло: зняв стару, виставив і прикрутив нову.
Річ у тім, що вал двигуна має лиску, тобто його трохи зрізано вздовж. Кріпити треба так, щоб гвинти не потрапили на це місце.


Приміряв підшипник. Хоч вал і довший за попередній, усе вийшло якнайкраще: додаткова довжина стала в пригоді, адже вал треба зафіксувати в підшипнику.
Спочатку я думав збільшити діаметр отвору для встановлення підшипника, але він виявився таким великим, що виходив за межі металевої рамки, на якій його встановлено.
Про всяк випадок збільшив діаметр отвору під вал із 8 до 10 мм.


Далі все йшло за звичним планом.
Розсвердлив отвір під вал.
Розмітив отвори для кріплення. Для цього обов’язково треба присунути стіл якомога ближче до підшипника, щоб вал сам став у потрібне положення.
Свердлимо пару отворів діаметром 3,2 мм, нарізаємо різьбу 4 мм.
Виставляємо підшипник так, щоб він не заважав обертанню вала, і затягуємо кріплення. Штатні отвори мають діаметр 5 мм, але я вирішив залишити місце «для маневру» — так зручніше.
Наостанок фіксуємо вал гвинтами самого підшипника.


А далі все пішло водночас і просто, і складно.
Просто, бо я вже приблизно уявляв, що робитиму, а складно, бо для цього довелося розібрати частину верстата. Але оскільки до того я намагався все робити акуратно, частину робіт довелося виконувати, не від’єднуючи дротів. Іноді на двигуні є роз’єм — тоді все простіше, але я міг від’єднати лише двигун шпинделя.


Наступною переробляв вісь, яка рухає механізм ліворуч-праворуч. Тут усе було так само, як з віссю столу, тільки трохи простіше.


Заодно трохи підняв двигун осі Z, щоб збільшити хід, та й новий ходовий гвинт був довший за старий.
Підняв його за допомогою стійок із комплекту до якоїсь материнської плати.


А потім я наступив на граблі. Виявилося, що вісь X не співвісна, причому настільки, що не допомагала навіть муфта. Під час фіксації вала він обертався дуже туго.
Довелося знову все розбирати, шліфувати площадку під гайку й збирати назад.


Підшипник осі X став без проблем, так само, як і на осі столу.


А ось Z піднесла невеликий сюрприз. Тут я теж хотів отримати максимальний хід, але не подумав, що підшипник може заважати самій оброблюваній деталі.
Крім того, навіть з урахуванням підняття двигуна на 5мм ходовий гвинт усе одно виявився помітно довшим, ніж потрібно.
Другий сюрприз полягав у тому, що чомусь отвір під муфту зробили діаметром 20мм (сама муфта має діаметр 19мм), а на осях X і Y отвір був 22мм, тому муфта входила буквально «в нуль»… Допомогло конічне свердло: як розширити отвір із 20 до 22мм, я придумати не зміг, а виявилося, що це дуже зручно.


Уже потім вирішив: якщо заважатиме, відпиляю. На фото механізм осі Z перебуває не в самому нижньому положенні, а піднятий приблизно на 10мм.


Але коли встановив фрезу, вирішив, що все гаразд, тим паче що в планах замінити патрон, і тоді для мене важливішим буде запас ходу вгору, а не вниз.


У результаті вийшла ось така конструкція, звісно, теж не ідеальна. Але, на мій погляд, набагато краща, ніж була.

Після складання змастив лише ходовий гвинт приводу «голови», решту краще не змащувати, бо до них липнутиме пил і зрештою буде тільки гірше.


На цьому «апаратне» доопрацювання верстата завершилося, і я перейшов до «програмної» частини проєкту.
Але тут на мене чекав невеликий сюрприз.
Усе ввімкнулося одразу й навіть без проблем, якби не один нюанс. Чомусь я вважав, що швидкість має зрости в 2 рази, а вона зросла у 8 разів!
Ще під час огляду й доопрацювання я звернув увагу, що використано чотиризахідну різьбу. Це добре видно, якщо подивитися на торець гвинта.
На фото можна помітити чотири початки витків різьби.


Про всяк випадок поясню. Чотиризахідна різьба належить до класу багатозахідних різьб.
Звичайні гвинти й відповідні гайки мають однозахідну різьбу, тобто вся різьба йде ніби однією ниткою.
У багатозахідних різьб виходить одразу кілька «ниток». Таке рішення дає змогу зробити великий крок різьби, зберігши при цьому високу міцність, адже в зачепленні перебуває одразу кілька витків.


Виходить, що старий гвинт забезпечував у 8 разів меншу швидкість подачі, зате мав у 8 разів більше зусилля подачі за незмінного прикладеного крутного моменту.
Виходило повільно, зате потужно. У попередньому огляді я скаржився, що верстат працює дуже повільно. Щоправда, крім восьмикратного сповільнення через інший крок різьби, було ще й двократне сповільнення через те, що крокові двигуни мають крок 0.9 градуса, на відміну від поширеніших двигунів із кроком 1.8 градуса.

На фото видно, скільки витків різьби старого гвинта припадає на один виток нового.
Але старий гвинт мав іще одну перевагу: йому, по суті, не був потрібен режим гальмування вала. Зсунути механізм можна було лише двигуном, адже через малий крок без обертання вала нічого зрушити не вийде.


На цьому, власне, загалом і все. Невелике відео демонстрації роботи після доопрацювання.
В огляді гравера можна подивитися, як він працював до доопрацювання.


Знімок екрана під час роботи. Для тесту я взяв демонстраційний файл із програми для гравіювання друкованих плат.


Фото результату. Ось тут видно одну з проблем гравіювання. Найменша нерівність призводить до надто глибокого врізання або, навпаки, до проходу над заготовкою. І це я тестував на шматку ламінованої ДСП, яка дуже рівна, на відміну від склотекстоліту. Тобто матеріал треба готувати дуже ретельно. Наприклад, під час обрізання ножицями склотекстоліт деформується, і вирівняти його — ще та проблема.
Зате мінігравер чудово підходить для свердління плат, щоправда, для цього треба замінити патрон на нормальний, але це вже в майбутньому.


Фото зблизька. Фреза була не зовсім гостра, тому ліворуч угорі видно дефекти різання. Крім того, кінчик фрези має сходитися в нуль, у моєму випадку це було не зовсім так.

Але фрезерування плат теж підходить не в усіх випадках. Якщо ви робите плату якогось низьковольтного пристрою, то все буде гаразд. Але якщо плануєте робити пристрій із високою напругою, можуть виникнути проблеми, а якщо потрібна гальванічна розв’язка, то плату краще травити, адже пробій між полігонами небезпечний.


Сьогодні я не наводитиму переваги й недоліки товару, а просто розповім загалом.

Самі по собі муфти, гвинти й підшипники нічим не вирізняються серед інших. Але тут досить важко щось зіпсувати. Утім, можу сказати, що гвинти рівні, щоправда, перевіряв лише ребром лінійки.
Як на мене, показаний варіант посідає середнє місце серед варіантів, показаних в огляді. Знову ж таки, зросла лише швидкість холостого ходу, адже швидкість подачі залежить від матеріалу, який обробляють, тому можливі ситуації, коли швидкість узагалі не відрізнятиметься від першого варіанта.
Думаю, для невеликого верстата така конфігурація цілком підійде, але якщо верстат більший, то краще ШВП.

А тепер — що ж у підсумку отримав я.
Позитивне — збільшення швидкості холостого ходу, вища надійність.
З негативного — помітно більше шуму, невеликий, але все ж люфт, менша тяга.

Формально вийшло приблизно те саме.
Поки що в планах переробити підшипники й патрон, а коли ідеї закінчаться, то, найімовірніше, почну збирати власний варіант верстата — тоді вже робитиму з ШВП і мембранними муфтами. Мені здається, що поєднання мембранної муфти та ШВП краще підходить для якісної роботи, щоправда, і ціна там інша :(

На цьому, здається, все. Було б дуже цікаво дізнатися від досвідченіших колег, що ще можна застосувати у верстаті формату 2040-4060 (наприклад), бо я поки що в процесі вибору.

Товар надано магазином для написання огляду.