Домашний CNC. Часть 2. Механика

При конструировании очередного станка с ЧПУ, а попросту 3-х осевого фрезерного-сверлильного станочка для печатных плат и мелких фрезерных работ, у меня появилось неугомонное желание разложить всё «по полочкам».
Часть первая: Домашний CNC. Драйвер шагового двигателя для мини-станка с ЧПУ.

В этой части поговорим о механике, а конкретно о шарико-винтовой передаче и линейных направляющих.

↑ Винтовая передача

Винтовая передача преобразует вращение двигателя в поступательное движение — пара «винт-гайка». Самая качественная из доступных на сегодняшний день — шарико-винтовая передача, или ШВП. КПД такой передачи достигает 98%.

Согласно техническим требованиям ОСТ 2 Р31-5-89 и ОСТ2 Р31-4-88 винты изготовляют из сталей марок 8ХФ, 8ХФВД, ХВГ и 7Г2ВМ с объемной закалкой, стали марки 8ХВ с закалкой при индукционном нагреве, стали марки 20ХЗМВФ с азотированием. Для гаек применяют сталь марки 9ХС ШХ15 и ХВГ с объемной закалкой и цементируемые стали марок 18ХГТ, 12ХНЗА, 12×2Н4А. Шарики изготовляют из хромистой стали марки ШХ20СГ.
Материалы винта, гайки и тел качения должны обеспечить твердость рабочих поверхностей не ниже 61 НКСэ. Полость гайки при сборке заполняют пластичным смазкой на литиевой основе типа ЦИАТИМ-201, Mobil Unirex EP2 или аналогичной.


Гайки ШВП бывают разных конструкций, наиболее распространенная с тремя шариковыми «кольцами», в которых шарики перемещаются по замкнутому участку резьбы винта. Переход с одного витка резьбы винта на другой обеспечивает пластиковая втулка с канавкой, в которую «ныряют» шарики (для наглядности я пририсовал белые шарики на картинке с гайкой, на самом деле они конечно металлические). Такая конструкция гайки позволяет значительно по сравнению с обычной гайкой снизить трение, обеспечивая при этом хорошую точность перемещения без рывков.

Винт имеет круглый профиль канавок резьбы, изготовленный специально под размер шариков гайки. Резьба на винте наносится шлифовкой или накаткой с помощью ролика.

Зачастую винты продаются уже готовыми для установки в станок — они обработаны с учетом установки опорных подшипников и муфты, соединяющий шаговый двигатель с винтом. Конкретные марки муфт и подшипников буду выбирать из доступного на рынке, можно купить сразу комплект: винт определенной длины+гайка+2 подшипника + муфта.

Наиболее распространенные типы подшипников:

↑ Линейные перемещения

Перемещения каретки с фрезером осуществляется шариковыми втулками, которые катаются по цилиндрическим направляющим.

Шариковые втулки бывают различных модификаций и размеров. На мой взгляд наиболее удобные — «кубики» с четырьмя точками крепления, например, типа SC10UU (на вал диаметром 10 мм):

В шариковой втулке элементом качения являются шарики, это дает возможность снизить сопротивление трения. При этом шарики катаются по замкнутому циклу благодаря специальным канавкам, сделанным в корпусе втулки. При движении не происходит рывков, низкое трение делает возможным субмикронное движение. Втулки бывают разных диаметров с 4, 5 или 6 рядами шариков.

В качестве направляющих используются полированные цилиндры (валы).
Валы закалены до твердости 60 по шкале HRC и отполированы на специализированном оборудовании. Крепеж валов к корпусу осуществляется различными держателями, распространены серии CH и CHF Наиболее популярные в домашнем станкостроении — диаметры 8,10 и 12 мм.

↑ Ложка дёгтя

Недостатком практически всех конструкций, которые можно встретить на просторах интернета, является то, что ни направляющие, ни ходовые винты не защищены от пыли! Даже готовые станки, которые продают некоторые компании за немалые деньги, не имеют такой защиты.
Видимо, предусматривается очистка и замена смазки каждые 5 минут?

Единственное, что я встречал — шторки-гармошки, но если они не обеспечивают герметичность, от пыли они на 100% не защитят.

Если на станке сверлить и фрезеровать стеклотекстолит, то такая пыль быстро всё «убьет» (конечно, будет предусмотрен пылесос, но практика показывает, что далеко не всю пыль можно успешно удалить).

Данную задачу решают по-разному. Например, самостоятельно делают «гармошки», даже программу написали для печати выкройки и схемы мест сгибов материала. Но об этом в дугой раз!

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации