ЧПУ станок для хобби и моделизма - что это и как он работает

ЧПУ-роутер

Резка изделий для хобби и моделизма, по обыкновению, производится на станках, называемых ЧПУ-роутерами. С них и начем.

ЧПУ-роутер – станок для обработки плоских материалов. Но это не значит, что на нем нельзя получить трехмерную деталь. Можно, но с определенными ограничениями.
При всем многообразии вариантов этих станков, общее у них следующее: горизонтальный стол, на который крепится заготовка и система направляющих, по которым движется портал, на котором закреплен шпиндель. Опять же, в подавляющем большинстве случаев, шпиндель стоит вертикально. Данная схема, определенным образом, ограничивает степени «трехмерности» станка. Несмотря на то, что у него есть три оси: Х (длина), Y (ширина) и Z (высота), данный станок является 2,5-мерным. То есть на нем принципиально невозможно обработать заготовку справа или слева – только сверху. Я не рассматриваю здесь станки с поворотной осью Z – даже если вы такой и найдете, стоимость изготовления детали на нем будет запредельной. Правда, никто не отменял возможности закрепить изготовленную плоскую деталь в тиски, закрепленные на столе и обрабатывать ее с торца. Подобная операция страдает только одним недостатком – невысокой точностью.
Станок подключается к своему собственному контроллеру, а он, в свою очередь, к LPT-порту компьютера. Есть также варианты с USB-подключением. Станок работает, используя G-команды.

Все рекомендации я буду вести на примере станка СМ-325:

На фото, правда, отсутствует шпиндель. Это важная деталь станка, при высоком качестве, она обеспечивает длительную непрерывную работу и чистоту реза. Большинство серьезных эксплуатантов недорогих ЧПУ-роутеров использует, как и я, шпиндель Kress-800. Это очень надежный агрегат, который может работать непрерывно в течении нескольких часов без потери точности. Всякие Proxxon и прочие подобные хобби-изделия с режимом работы «15 минут работаем, 15 – отдыхаем» оставим на совести их изготовителей. Обороты этого шпинделя – от 10000 до 30000 в минуту. Наиболее часто применяется режим 20000. Это ограничивает выбор фрез изделиями из карбида вольфрама – стальные фрезы «горят» в считанные минуты. Фрезы, для высокой точности реза, зажимаются в цангу типа ER. Допустимые диаметры хвостовиков фрез – 3,175, 4, 5, 6 и 8мм.

Операции

ЧПУ-роутер способен выполнять всего 4 операции – прорезка по внешнему или внутреннему контуру (Profile), выборка паза (Pocket), сверление (Drill) и гравировку (Engrave). Кажется, что это очень небольшое количество операций, но с их помощью можно создавать довольно сложные детали, вроде изображенной на рисунке ниже.

Все четыре операции можно осуществлять на заданную глубину. Комбинируя pocket и profile в нужной последовательности, мы получаем практически неограниченное поле для творчества, даже без использования чистого 3D.
Особняком стоит создание криволинейных поверхностей. Их тоже можно получить с помощью ЧПУ-роутера, но описание этих процедур вне моей компетенции. Желающим поглубже ознакомиться с темой, могу порекомендовать поискать форум пользователей программы ArtCam.

Материалы и их обработка

На ЧПУ-роутере можно обрабатывать довольно большой ассортимент материалов. Ниже я приведу список наиболее распространенных из них и доступные способы их обработки.

Стеклотекстолит:
Для обработки доступен текстолит толщиной от 0,8 до 3 мм. Практически, для моделизма используется текстолит толщиной 1, 1.5 и 2 мм. Для его обработки используются рашпильные фрезы (так называемые «кукурузы») диаметром 1 и 2 мм с хвостовиком 3,175мм. Следует отметить, что стеклотекстолит толщиной 2 мм прорезается насквозь фрезой 1мм в два прохода. Фреза 2мм прорезает его в один проход. Это необходимо учитывать при проектировании – деталь толщиной 2мм с необходимостью обработки 1мм фрезой будет стоить в изготовлении вдвое дороже такой же детали, но без подобного требования – за счет двойного времени на рез. Также необходимо учитывать, что фреза 1мм полностью изнашивается за 15 метров реза.

Карбон:
Справедливо все, что написано для текстолита. Только фреза 1мм изнашивается за 3-5 метров реза. В общем, материальчик тот еще!

Полистирол и АБС:
Доступен от 2 до 10 мм. Режется однозаходными фрезами любого типа диаметром от 1 до 6мм. За один заход можно снимать 2-3мм без потери качества реза и чистоты поверхности. Фрезы практически не изнашиваются.

Литой поликарбонат:
Доступен от 2 до 10 мм. Режется однозаходными фрезами из материала К200 или К55UF диаметром от 2 до 6мм. За один заход можно снимать 1-2мм без потери качества реза и чистоты поверхности. Фреза 3мм изнашивается за 100м реза.

ПВХ:
Доступен от 2 до 10 мм. Режется специальными фрезами диаметром от 1 до 6мм. За один заход можно проходить материал насквозь без потери качества реза и чистоты поверхности. Фрезы практически не изнашиваются.

Алюминиевые сплавы:
Доступен от 0.5 до 6мм. Режется фрезами из K55UF диаметром 2.5 – 3.175мм. За один заход можно снимать 0.5мм без потери качества реза и чистоты поверхности. Фрезы изнашиваются хаотически – то живут помногу, то сразу «летят».

Фанера:
Доступна от 1 до 10 мм. Режется двузаходными фрезами по дереву, диаметром от 2 до 8мм. За один заход можно снимать 2-3мм без потери качества реза и чистоты поверхности. Фрезы практически не изнашиваются.

Дибонд:
Композит - 2 листа алюминия 0.4 , между ними слой полиэтилена от 1,2 до 3.4мм. Доступен от 2 до 4 мм. Режется двузаходными прямыми фрезами диаметром от 2 до 3.175мм. Для сгиба используются специальные угловые двуперые фрезы. За один заход можно снимать 2мм без потери качества реза и чистоты поверхности. Фрезы практически не изнашиваются.

ДЕТАЛИ ИЗ СТАЛИ И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫХ НА ЧПУ-РОУТЕРЕ ОБРАБАТЫВАТЬ НЕЛЬЗЯ!

Поготовка эскиза

Современное состояние дел с распространением ЧПУ-роутеров привело к тому, что человеку, желающему изготовить какую-либо деталь, приходится иметь дело исключительно с системой проектирования. На этом пункте остановимся подробнее.
В принципе, нарисовать эскиз можно в любой программе, лишь бы на выходе получался файл в формате DXF. Но не все программы одинаково полезны. Конечно, если деталь состоит из одних отверстий и прямоугольных пазов – проблем никаких. Но, обычно, она представляет из себя довольно сложное нагромождение кривых, радиусов, толщин, пазов и прочего – а, иначе, зачем вообще нужно ЧПУ – можно же и дома лобзиком выпилить!
Для рисования эскизов, пригодных для последующей обработки на ЧПУ, особенно подходят две программы – SolidWorks и Компас-3D. Первая обладает более дружелюбным интерфейсом и гораздо качественнее прорисовывает сложные кривые. Вторая предназначена сугубо для мехобработки и обладает повышенным количеством полезных функций для подготовки эскиза – удобно многократно копировать элементы, подгонять кривые в стык. Собственно, без Компас-3D в конечном итоге, не обойтись – только эта программа умеет быстро и логично собирать контуры, используемые для резки. Ведь, если надо выбрать в заготовке паз сложной формы или вырезать ее по сложному контуру – то этот контур надо объединить из нескольких кривых в единый массив – и Компас-3D с этим справляется просто блестяще!
Некоторые неискушенные пользователи, начавшие делать первые шаги в мире ЧПУ-обработки, пытаются создать в программе SolidWorks 3D-модель своей детали. Это совершенно излишне – ведь ЧПУ-роутеру достаточно иметь вид детали сверху, а глубина реза каждого элемента задается индивидуально. Хотя, безусловно, наличие 3D-модели помогает понять, что же за изделие хочет получить заказчик.
В этом плане, гораздо более логичным является предоставление, вместе с DXF-эскизом, файла JPG с указанием того, какая толщина должна быть у каждого конкретного элемента эскиза. Если деталь должна получиться плоской, но с вырезанными пазами и отверстиями (как, обычно, бывает в случае резки стеклотекстолита и карбона) – то в JPG-файле необходимо закрасить черным места, подлежащие фрезеровке – особенно, если деталь имеет сложный контур. Это сильно сэкономит время, необходимое оператору ЧПУ-роутера в подготовке программы G-кодов.

Иногда автор чертежа, пытаясь сделать доброе дело, раскладывает элементы конструкции по поверхности. Это имеет смысл, но с определенными ограничениями. Во-первых, необходимо знать рабочее поле станка, на котором вы собираетесь резать детали. Если это домашний хобби-станок, вроде CM-325, то его рабочее поле, обычно, не превышает 325х225мм. Необходимо учитывать, что заготовка должна быть надежно закреплена по краям прижимами, поэтому резка у края рабочего поля чревата утыканием фрезы в прижим и ее поломкой. В связи с этим, реальное рабочее поле уменьшается до размеров 310х210мм, если прижимать заготовку качественно.
Фреза, используемая для обработки материала, имеет реальные физические размеры, наиболее критичен ее диаметр. При раскладке деталей на листе, следует помнить об этом и заранее обговорить с оператором ЧПУ-роутера диаметр применямой фрезы или фрез. Расстояние между отдельными деталями на листе должно составлять не менее 3 диаметров фрезы. В противном случае, возможен случайный откол материала детали, или рамки вокруг обрабатываемой детали с последующей поломкой фрезы и прилетом ее остатков в морду оператору.
Обычно, операции подготовки G-кода, делает не автор эскиза, а оператор станка. Тем не менее, я опишу вкратце, как это происходит.
После получения эскиза, оператор подготавливает его: объединяет кривые в контуры, удаляет лишние элементы, проверяет замкнутость кривых. Далее, при необходимости, детали раскладываются на листе и ориентируются сообразно заготовке и физическим параметрам станка. Все эти процедуры делаются в программе Компас-3D. Далее, подготовленный файл загружается в программу CamBam. Она предназначена для подготовки программы обработки деталей в G-кодах. Оператор выбирает, в необходимой последовательности, элементы эскиза и задает для каждого из них вид и глубину обработки. Окончательная программа записывается в формате CN и может быть передана на управляющую программу ЧПУ-роутера.
И еще один момент: при резке деталей из заготовки их необходимо как-то удерживать на месте – ведь вырезанная деталь уже не держится прижимами, а шпиндель исправно крутит свои 20000 оборотов в минуту. Для этого применяются технологические перемычки (табсы). После изготовления деталь приходится вырубать из заготовки и вручную опиливать их. Но это неизбежность техпроцесса. На больших станках для мягких материалов (ПВХ, дибонд) применяются вакуумные столы. Но это, я считаю, ненужная роскошь для домашнего или гаражного станка.

Автор: Максим Кузнецов (Max_SL