Все о фрезерных станках с ЧПУ

Фрезерный станок с ЧПУ – устройство, делающее доступными автоматизированные производства, поставленные на поток. С таким фрезером можно выточить, к примеру, любое число одинаковых звёздочек для трансмиссии на велосипед, или увлечься мини-скульптурой, изготавливая фигурки нэцкэ из камня.

Важными для работы станка с ЧПУ комплектующими являются:

• станина (рама);

• рабочая область;

• шпиндель;

• комплект резаков по различным типам и видам материалов;

• электромотор;

• система управления на основе поворотных осей.

Последние работают, получая энергию вращения от шаговых двигателей, запитываемых посредством драйвера (контроллера), выдающего переменно-импульсный ток на соответствующие катушки по специальному алгоритму.

Шпиндель управляется от главного мотора, являющегося в составе станка наибольшим силовым узлом. В главном вращающем механизме станка располагается цанга, фиксирующая фрезу в неподвижном по одной из осей её движения состоянии. От качества работы шпинделя зависит тщательность резки материала в разных проекциях. Высококачественный шпиндель работает в течение ряда лет без заметных отклонений в худшую сторону, даже при ежедневной нагрузке длительностью от нескольких часов.

Поставщик фрезеровального оборудования устанавливает мощность шпиндельного функционального узла, достаточную для проведения большинства стандартных видов работ. Фрезеровальные станки небольшой мощности, справляющиеся с трёхмерной гравировкой, обладают 800-, 1500- или 2200-ваттным двигателем шпинделя – такая мощность достаточна для работ по дереву, пластику, резине и композиту на основе этих трёх типов материала. Обработка МФД или ЛДСП, однако, требует не менее 3-х киловатт.

Конструктивные особенности постоянно нагруженных шпиндельных двигателей, на которые ложится основная нагрузка, требуют жидкостной или воздушной системы съёма тепла. Охлаждение при помощи жидкости, оправдавшее себя, к примеру, в мощных игровых компьютерах с полноценным системным блоком, даёт возможность не вносить дополнительные децибелы шума во время работы и простоя станка (перерывы в работе устройства). Возможно разогнать шпиндель до 10000 и более оборотов в минуту. От модели шпинделя зависит, под каким углом расположены резаки друг относительно друга, какое пространство рабочей зоны охватывает их эффективная работа во всех 3-х проекциях, и с какими материалами они справятся.

У направляющих фрезерного станка немного иная задача. От их исполнения и качества работы зависит, насколько точной будет обработка, и как долго устройство сохранит жёсткость, достаточную для высококачественной обработки. Большинство станков нижнего и ценового диапазона ниже среднего оснащаются круглыми направляющими, подходящими для резки по дереву и пластмассе разных видов и разновидностей. К примеру, более твёрдые породы дерева требуют квадратно-профильных направляющих, полученных путём рельсопроката.

Малогабаритные станки комплектуются съёмным рабочим столом. Крупногабаритные обладают неотделяемой рабочей зоной. У вторых рабочий стол движется лишь по оси ординат и относится к вакуумным и Т-пазовым конструкциям. В первом случае обрабатываемые детали фиксируются за счёт мощности втягивающего насоса. В комплектацию насоса входит шнуровой уплотнитель, отсекающий излишки материала от обтачиваемой детали. Т-пазы в рабочем столе второго вида характерны для некрупногабаритных фрезеров – на таком станке лучше всего обрабатываются доски из натурального дерева, ДСП и МДФ. Достоинство станков на основе Т-пазового рабочего стола – сверхнадёжное закрепление обтачиваемой детали.

Двигатель с рабочей зоной 120х120 см – шаговый. Он поставляется в составе устройства заводом-изготовителем. Но широкая рабочая зона может быть укомплектована сервоприводом. Главные достоинства сервомотора – значительно большая динамика и повышенная точность обработки. Потери точности шага во время работы не происходит – в состав привода входит особый датчик, вовремя обнаруживающий неточность позиционирования. Благодаря его работе станок выправляет позицию режущих инструментов, вне зависимости от частоты вращения шпиндельного мотора. Повышенная точность необязательна для изделий, отличных, например, от точной механики – здесь со своими задачами справится фрезерователь с шаговым мотором.

Управление фрезеровочными станками производится при помощи программного обеспечения Mach 3. Этот вариант весьма прост по сравнению с другими брендами: HAAS, Heidenhain, Fanuc, Seikos, Syntec, Mori Seiki; те решают гораздо более продвинутые задачи. Для трёх- и четырёхмерной обработки используют контроллеры, работающие на основе ПО Mach 3, NC Studio, NK 105 и других. Например, раскрой или гравировка производится при помощи ПО NC Studio – стоимость подобного решения невысока. Альтернатива – DSP-контроллеры. Навыки мастера, работающего на подобном станке, не отличаются высокими требованиями в плане знаний, а работа на таком станке предельно проста. По цене это самое доступное решение.

Часть заводских станков, задействованных в поточной работе, укомплектована стойкой для смены резаков без долгой остановки всего процесса. Эти станки управляются с помощью системы Fanuc серии Oi и схожих решений. Количество координат достигает 8, а одновременно управляются все 4 оси.

Смазка механизмов во время работы – не менее важная составляющая процесса. Смазка нужна для повышения ресурса большинства деталей до десятков раз по сравнению с ее отсутствием. Автоматическая система смазки срабатывает по прошествии определённого интервала во время работы. Ручная смазка может потребовать остановки станка на время обслуживания.

Зона рабочего процесса – область фрезеровки, величина которой напрямую влияет на максимальные габариты обрабатываемого изделия. Конкретная сфера применения характеризуется своим, свойственным ей объёмом этого пространства.

Фрезерователь для домашне-гаражного применения успешно решает задачи гравировки. Более крупные в размере промстанки применяют для решения куда более серьёзных задач. Домашний станок гораздо более прост в обслуживании, работает от простой сети с напряжением 220 вольт, трёхфазная линия ему не нужна. Он потребляет значительно меньше электричества, отнимает небольшую площадь (даже весь верстак он не займёт). Он не издаёт повышенный шум во время работы, обладает всем необходимым для простого потребителя функционалом защиты от нештатных ситуаций.

Управление станком осуществляется на основе программных решений Makerspaces, FabLabs и Education, где неважен постоянный контроль процесса. Небольшой вес станка позволяет переместить его в другое помещение. Не самая высокая стоимость делает его доступным многим пользователям – благодаря такому решению эти же потребители могут заняться малым бизнесом.

Домашний станок-фрезерователь даёт ряд возможностей.

• Резка, гравировка по дереву, пластику. Изготовление сувениров и мебели становится доступным каждому пользователю.

• Вытачивание двух- и трёхмерных деталей из композитных материалов. Не проблема, к примеру, выточить композитные и световые зубные пломбы.

• Нанесение узоров, рисунков на оргстекло.

• Если вместо резака станок снабдить лазером, то станет возможным, например, выжигание по дереву. Разлиновка исходного рисунка и копирование, перенос его «по клеточкам» не потребуется. Возможно также изготовление печатных (макетных) плат для электронных самоделок.

Станки с мощностью в 2-4 кВт годятся для фигурной резки металла. Станки, обладающие сервоприводом и имеющие аналогичную мощность, а также оснащённые лазерно-излучающей головкой, годятся даже для изготовления ювелирных изделий (например, бижутерии) из металлизированного композита, бронзы, латуни и иных дешёвых сплавов.

Фрезеры с ЧПУ делятся по видам работ:

• станки для работы по дереву и пиломатериалам;

• для резки черного и цветного металлов;

• для обработки стекла и оргстекла;

• устройства, обрабатывающие все виды пластика, включая акрил.

Станки для резки металла – прочные и наиболее долговечные устройства. Для распиливания и гравировки, к примеру, легированных сталей требуется мощность до нескольких киловатт. Для уменьшения износа и исключения застревания резака в устройстве есть подача охлаждающей жидкости непосредственно к месту контакта резака с обрабатываемыми поверхностями. Для охлаждения применяется вода или индустриальное масло.

Для устранения сточенного материала, принявшего вид порошка, станки оснащаются дополнительными вакуумными насосами. Если в самом станке нет встроенного пылесоса, то используют отдельный стройпылесос, воронка которого направлена непосредственно в область стачивания обрезаемого материала.

Настольный домашний станок, обрабатывающий металлические детали, работая по 5-осевой системе (пятикоординатный фрезер), способен решать задачи по машиностроительному моделированию.

Одноколонные или консольные станки с ЧПУ обладают характерной особенностью – невозможно с их помощью выточить и отшлифовать деталь габаритами более 3-х метров в длину. Масса изготавливаемых деталей не превышает нескольких тонн. В консольных станках рабочий стол может перемещаться во всех трёх измерениях.

Портальный фрезер лишён недостатков, присущих консольному. Портал такого станка включает в себя не одну, а две колонны, к которым прикреплены концы горизонтальных балок. По направляющим балок движется шпиндельный механизм вертикального действия. Помимо вертикального хода (по оси ординат), шпиндель поворачивается вокруг этой оси либо отклоняется в одной-двух вертикально расположенных плоскостях. В портальном станке нередко применяются 2-3 шпинделя, а не один-единственный.

Характеристиками станков с ЧПУ являются:

1. общие габариты и объём, занимаемый устройством в помещении;

2. объём рабочей зоны, общая площадь рабочего стола, габариты вытачиваемых деталей;

3. частота оборотов шпиндельного двигателя, мощность, тип мотора;

4. класс точности, погрешность при работе координатно-шаговой системы;

5. класс и функционал защиты от нештатных ситуаций;

6. класс влагозащиты программно-процессорного блока, электрики и механизмов;

7. перечень видов и типов, разновидностей работ, выполняемых на станке – указывается производителем в рекомендательном плане;

8. быстродействие и другие параметры программного блока;

9. многомерность – 3D-станок откроет перед вами возможности по изготовлению 3D-изделий практически неограниченной сложности (его иногда называют своеобразным 3D-принтером).

Китайские и российские бренды таких типов, как центровальный, гравировально-фрезерный и пильно-сверлильный станки, должны отличаться по качеству. В Китае, к примеру, марка Syil, в частности, линейки моделей x3, x4 и x5 поставлены на поток. Качество недорогих китайских станков, к сожалению, оставляет желать лучшего: максимальный срок их службы – не более 3-х лет. Российские станки, к примеру, марки «Калибр» этого же ценового диапазона проработали бы не менее 5 лет.

Нижний ценовой диапазон – станки со стоимостью до 65 тыс. руб. Цены до 500 тыс. руб. относятся к средним расценкам. Эти изделия, в свою очередь, могут проработать до 20 лет, так как рассчитаны в основном на крупносерийное производство – все детали изготовлены из высококачественной инструментальной и быстрорежущей стали высокого качества.

Большинство новичков берёт наиболее дешёвые станки. Когда точность выделки достигает 0,1% от любых размеров и габаритов вытачиваемой детали в любой из проекций, то станок считается малопригодным для дальнейшего использования. Распространены случаи, когда малый предприниматель заказал станок за 150 тыс. руб., окупил его раз 10 – и не жалко выбросить, ибо затраты на устройство давно покрыты.

Ассортимент российских или китайских магазинов ориентирован больше на китайские модели. Дело в том, что даже такой именитый бренд, как «Калибр», давно переехал как завод в Китай.

Для дома станок выбирается не только в зависимости от его цены. Несколько конкретных характеристик окончательно определят конечный выбор потребителя.

Потребляемая мощность – проводка в доме или квартире чаще всего рассчитана на 16 ампер при 220 вольтах (порядка 3500 ватт). Именно эту мощность выдержат автоматы в квартире. Если проводка имеет существенно большее сечение, и в прихожей рядом со счётчиком установлены автоматические предохранители на 25 ампер, а счётчик позволяет выдержать импульсный ток более 5 кВт, что указано на его лицевой стороне, то разрешённая мощность вырастает именно до данного предела.

Габариты – станок должен поместиться в любой комнате. Он может занять столько же места, сколько и небольшой диван либо одно-двуспальная кровать. Комната должна быть довольно большая. Размещать станковое оборудование в квартире не рекомендуется – шум и вибрации легко передаются через стены многоквартирного дома.

Возможность резки и стачивания, сверления и пиления металлов. Лучшей окажется модель, рассчитанная на обработку сталей. Но и стоит она недёшево.

Шумовой уровень – вряд ли соседям понравится, если ваш станок предназначен для не самых шумных работ, а его звуки в действительности громче пилорамы, болгарки или перфоратора. Уровень шума в децибелах может быть указан конкретно.

Чаще всего для смазывания нагруженных трением механизмов применяют машинное масло для швейных машинок и дверных замков. Можно попробовать летнее или зимнее автомасло – от компаний Castrol, StatoilHydro, Mobil-1 или отечественный «Лукойл». Температурный диапазон указан на фляге или канистре. Например, в межсезонье или зимой, если станок стоит во дворе, в подсобке, имеет смысл применить масло с вязкостью 5W-30 от суббренда Castrol Edge.

Некоторые пользователи в труднодоступных местах, например, на подшипниках двигателя, используют солидол, «Литол-24» от «Газпрома» или графитовую смазку. Чем гуще смазка (она не является маслом), тем дольше её слой прослужит.

В помощь новичку, в первый раз вставшему за только что приобретённый или самостоятельно изготовленный станок, учебники и справочники, советы знакомых токарей-фрезеровщиков, обучающие видеоматериалы. Универсальные инструкции тоже есть. Вот одна из них.

1. Для подключения микроконтроллеров станка может использоваться, к примеру, проводной интерфейс RS-485. Это специализированный микроконтроллер, преобразующий сигналы USB-порта ПК в команды RS-формата и обратно. Скорость обмена данными между программной частью станка и компьютером/ноутбуком/планшетом, в котором есть свободный USB-порт, может достигать 10 Мбит/с. Для подключения используйте кабель USB.

2. Установите драйвер для программатора и специальную ЧПУ-программу на ПК.

3. Подготовьте станок к работе. В отладку устройства входит проверка рабочего стола станка на отсутствие посторонних предметов и вещей. Переключите станок в режим приёма команд. Инструкция по отладке прилагается в руководстве по эксплуатации.

4. Подготовьте материалы и заготовки, подлежащие обработке. Перед началом механического процесса прогрейте шпиндельный механизм, заставив его немного поработать вхолостую. Это важно на зимнем холоде, когда станок эксплуатируется в холодное время и не в домашних условиях.

5. Выставьте показатели коррекции на нужные габариты резаков, которыми будет обрабатываться каждая деталь.

6. Поставьте зажимное устройство на его посадочное место, на котором оно согласно инструкции должно работать.

7. Передайте в программный блок станка координаты относительного нуля для проведения начала обточки. Запустите на ПК программу, задающую схему работы станка, и загрузите в неё вытачиваемый эскиз.

8. Запустите процесс, проверив наладку и крепление заготовки. Материал при обточке не должен сместиться с позиции обрабатывающего центра.

Станок приступит к работе. Если эскиз был удачно загружен, а сама деталь и резаки надёжно закреплены, то по окончании определённого времени пользователь получит запрашиваемую деталь, которая выточилась из исходной заготовки.