Как выбрать направляющие для станка с ЧПУ

Как выбрать направляющие для станка с ЧПУ

В конструкции станка с ЧПУ используется несколько типов направляющих. Самодельные устройства нередко комплектуются рельсами из каретки печатной машинки, принтера или покупными. Качество и характеристики направляющих влияют на возможности станка с ЧПУ и точность обработки, поэтому экономить на их покупке не стоит.

Валы круглого сечения

Наиболее широко применяемый и недорогой тип направляющих это полированные валы. Они просто монтируются, обрабатываются, купить такие детали не проблема. Валы производят из высокопрочной стали, в основном, шарикоподшипниковой, марок ШХ15 СГ, ШХ15, 95Х18-Ш. Они дополнительно подвергаются индукционному закаливанию верхних слоев, после чего полируются. Закалка индукционным методом повышает срок эксплуатации и снижает степень износа. Полированная поверхность позволяет двигаться каретке с минимальным трением за счет идеальной гладкости. Фиксируются валы своими руками, с двух концов, очень просто и быстро.

В продаже множество подделок, выполненных из металла низкого качества. Ведь проверить твердость стали на месте не представляется возможным.

Эта модель направляющих обладает рядом недостатков:

• нет фиксации на основании. Вал удерживается лишь за счет двух концевых крепежей, что значительно облегчает установку своими руками, но делает направляющие независимыми от столешницы. Это увеличивает вероятность неточностей при обработке, направляющие может повести, со временем они искривляются.
• провисают на длинных отрезках. В связи с провисанием валы длиннее 100 см в станкостроении не применяют. Следует также учитывать соотношение толщины и длины вала. Оптимальным считается соотношение 0,05, а лучше от 0,06 до 0,1.

Линейные подшипники на круглый вал

Используется два типа линейных подшипников для направляющих:

• шариковые втулки;
• подшипники скольжения.

Шариковые втулки или подшипники качения по сравнению с каретками рельс обладают двумя большими недостатками: малая грузоподъемность, большой люфт. Чтобы каретка не разворачивалась, нужно на каждую ось ставить по паре валов. Минусы шариковых подшипников качения:

• выдерживают малую нагрузку;
• невысокий ресурс работы — шарик прилегает к валу лишь в единой точке, поэтому здесь образуется высокое давление. Постепенно в месте соприкосновения пробивается канавка и вал необходимо своими руками менять;
• большой люфт — дешевые подшипники (а их большинство) производятся со значительным люфтом;
• легко забиваются опилкой и пылью.

Подшипники скольжения. Подшипники этого типа изготавливают из мягких металлов, капролона, они работают по принципу трения скольжения. Если при эксплуатации выдерживаются все допуски, грузоподъемность и точность такого подшипника не меньше, чем качения. Вместе с тем, ему не страшны опилки и пыль. Но это касается лишь бронзовых деталей, грамотно обработанных.

Постепенно изделие изнашивается и его необходимо периодически подгонять, чтобы убрать зазоры. Чаще всего при изготовлении направляющих своими руками, используются более доступные шариковые подшипники.

Шлицевые валы

Вал круглого сечения имеет продольные пазы, по которым двигаются шарики втулки. Конструкция обладает повышенной жесткостью по сравнению простыми шлифованными валами, более длительным сроком эксплуатации, способна воспринимать с втулки усилия кручения.

При этом они также просто устанавливаются на два крепления по концам. Благодаря конструкции можно обеспечивать натяжение вала, поэтому их используют при необходимости крепежа направляющих по концам.

Один из основных минусов шлицевых направляющих — их высокая цена, поэтому в обычных станках с ЧПУ они используются редко.

Цилиндрические валы

Конструкция цилиндрических валов позволяет удерживать уровень по всей длине, полностью исключая провисание под весом каретки или своим собственным. Такие направляющие называются еще линейными опорными валами, фиксируются они прямо к корпусу станка с ЧПУ через предусмотренные в опорах резьбовые отверстия. По таким направляющим могут двигаться каретки большого веса без провисания.

Минусы цилиндрических валов:

• малый срок эксплуатации;
• заметный люфт втулок.

Если подшипники линейного типа одинаково работают с нагрузками разного направления, то на цилиндрических валах каретки показывают меньшую стабильность. Это объясняется замкнутой поверхностью втулок, которой не обладают каретки. Поэтому следует быть готовым к тому, что аппарат с ЧПУ малого размера с увесистой кареткой на опорных валах будет работать с большей погрешностью, нежели такой же станок с ЧПУ на обычных круглых рельсах.

Технология изготовления цилиндрических рельс очень проста, поэтому их производят и известные фирмы, и кустарные мастерские. Этим объясняется разброс технических характеристик и цен. Зачастую каретки и рельсы одного изготовителя «ноу нэйм» не совпадают.

Профильные рельсовые направляющие

Такие направляющие устанавливаются в станках ЧПУ особой точности, фиксируются прямо к станине, они могут быть шариковыми и роликовыми.

Шариковые профильные направляющие

На профильных направляющих есть дорожки, по которым перемещается каретка. Поэтому нагрузка распределяется равномерно по длине дорожки: шарик каретки прилегает к рельсу по дуге. Рельсы-направляющие характеризуются геометрической точностью. При перемещении тяжелой каретки их прямолинейность не нарушается. Служат они долго и практически не дают люфт.

Минусы шариковых рельс:

• к местам крепления существуют высокие требования по прямолинейности и шероховатости;
• достаточно сложно монтируются на станок с ЧПУ.

В продаже можно найти модели кареток и направляющих с разными грузоподъемностью и преднатягом. Производство рельс дорого, технология сложна. Поэтому кустари не занимаются их изготовлением, а представленная на рынке продукция достаточно качественная. Достойные направляющие выпускают, например, под марками ТНК и Hiwin.

Роликовые профильные направляющие

Это одна из разновидностей профильных рельс с плоскими пазами качения. Опорные модули вместо шариков оснащаются роликами. Благодаря этой разнице направляющие получаются еще более жесткими, выдерживающими большие грузы и длительный срок эксплуатации. Такие рельсы устанавливают на интенсивно работающее оборудование для фрезеровки камня, прочных марок стали и чугуна.

Призматические рельсы и «ласточкин хвост»

Их устанавливают на металлообрабатывающих производствах, где требуется повышенная жесткость. Рельсы «ласточкин хвост» представляют собой два скользящих друг по другу, плоских элемента. Отличие конструкции в большой плоскости соприкосновения. Такие рельсы нельзя демонтировать, они являются частью станины. Их производство и ремонт довольно сложны, поменять их своими руками вообще невозможно. Поэтому конструкция используется только в профессиональных станках с ЧПУ.

Самодельные направляющие из того, что нашлось под рукой

Простейшие направляющие можно собрать своими руками из металлического уголка, подшипников, гаек и болтов. Алюминиевые уголки для направляющих использовать не стоит — деталь придется менять очень часто. Ведь шарикоподшипники каретки будут выедать в ней дорожки. Предпочтительнее стальной уголок или кругляк. В зависимости от интенсивности использования его можно закалить или оставить, как есть. Но непременно следует отшлифовать, уменьшив трение. Наиболее простой и бюджетный вариант это направляющие из старого принтера.

Не следует подбирать слишком широкие подшипники, это бесполезно. Ширина «выедаемой» дорожки на направляющей не зависит от габаритов подшипника. Диаметр болтов должен совпадать с внутренним поперечником подшипника.

Чертежи, схемы и презентация самодельных направляющих в видеороликах:

Вал для чпу станка

Комплексные поставки комплектующих для ЧПУ и автоматизации

Расчёт проекта

Консультация

Выбираем направляющие для станков с ЧПУ

На сегодняшний день производители станков с ЧПУ при конструировании оборудования используют направляющие разных видов. Их большое количество существенно облегчает работу по проектированию автоматизированной промышленной техники. Ниже приводится информация об основных типах направляющих, которые активно используются машиностроителями по всему миру.

Полированные валы

Направляющие данного вида являются наиболее распространёнными и недорогими. Они доступны для покупателей с любыми бюджетами. Отличаются простотой монтажа на станке. Материалом изготовления в большинстве случаев являются высоколегированные стали, в основном, конструкционные подшипниковые.

В процессе изготовления полированные валы закаливаются индукционным методом. Благодаря этому обеспечиваются высокая износостойкость и длительный ресурс направляющих, а также их безотказная работа даже в напряжённых режимах. В конце процесса изготовления валы шлифуются и полируются, получая просто идеально гладкую поверхность. Это обеспечивает минимизацию сил трения, и компоненты станка движутся по этим направляющим практически без сопротивления.

Валы закрепляются в 2 точках – на концах. Благодаря этому их монтаж прост и интуитивно понятен. В целях недобросовестной экономии некоторые производители изготавливают эти направляющие из недорогих сортов мягких сталей. Поскольку далеко не каждый покупатель проверяет при покупке твёрдость изделий, такой подход процветает, и риск приобретения некачественных полированных довольно высок.

Наша компания сотрудничает только с серьёзными поставщиками, и при обращении к нам вы можете быть уверены в качестве поставляемых нами полированных валов.

Однако полированным валам присущи и недостатки, в число которых входят следующие.

1. Вал не закрепляется на станине.

Направляющие крепятся только на концах, что облегчает их монтаж. Однако в этом случае валы не связаны с рабочей поверхностью стола. В то же время специфика портальных станков требует обеспечения наличия жёсткой механической связи между направляющими и поверхностью стола. Её наличие позволяет соблюдать заданную точность обработки заготовок и уменьшать погрешности. В частности, можно привести такой пример. Если рабочий стол искривился, и его рабочую поверхность, как говорят, «поведёт винтом», то валы повторят эти изгибы и компенсируют погрешность целиком или хотя бы какую-то её часть.

1. Вал большой длины провисает.

Закрепление этих направляющих всего в 2 точках приводит к тому, что на большой длине они провисают. Из-за этого эффекта в станках не используются валы длиной свыше 1 метра. Наряду с этим чрезвычайно важным является соотношение главных геометрических параметров – диаметра и длины вала. Значение отношения диаметра к длине должно находиться в интервале от 0,06 до 0,1(min0.05). Более точно необходимые значения диаметра и длины вала получают при САПР-моделировании нагрузок, прикладываемых к направляющим.

Важными компонентами, определяющими правильность функционирования системы автоматизации, являются линейные подшипники, используемые совместно с полированными валами. В настоящее время выпускается несколько типов этих подшипников.

Особенностями линейных подшипников качения, отличающими их от кареток рельсовых направляющих, являются наличие увеличенных люфтов и пониженные нагрузочные характеристики. Наряду с этим защиту от поворота каретки обеспечивает использование двух направляющих валов на одной оси. К недостаткам линейных подшипников качения можно отнести следующие.

Малая грузоподъёмность.
Наличие люфтов.
Небольшой ресурс. Шарики в линейных подшипниках соприкасаются с валом в одной точке. Это увеличивает давление на них, что приводит к прокатке шариками канавки на валу. Такой вал использовать нельзя, он должен быть заменён новым.
Высокая чувствительность к пылевым и стружечным загрязнениям, скапливающимся на поверхности вала.

Линейный подшипник скольжения

Данные втулки изготавливаются из материалов, обеспечивающих невысокое трение скольжения. Такими материалами являются латунь, бронза, капролон и подобные им. При точном выдерживании допусков бронзовый или латунный подшипник скольжения по показателям грузоподъёмности и точности ничем не отличается от подшипника качения. Достоинством этих компонентов является переносимость стружечных и пылевых загрязнений, скапливающихся на валу. При этом необходимо заранее продумать возможность приобретения необходимого материала для подшипника и обработки его с требуемым качеством. Следует также помнить, что эти подшипники нуждаются в периодической подгонке с целью устранения люфтов. Величина подгонки зависит от степени износа. В силу доступности и унифицированности (взаимозаменяемости) шариковые втулки являются предпочтительным вариантом для тех, кто только пробует себя в станкостроении.

Шлицевой вал (Ball spline)

На поверхности такого вала располагаются специальные дорожки, по которым катятся шарики втулки. В сравнении с обычными направляющими они обладают повышенной износостойкостью и жёсткостью. Кроме того, они способны воспринимать крутящие нагрузки от втулки. Благодаря простоте монтажа валов, износостойкости профильных рельсов и возможности создания натяга данные валы активно применяются в тех случаях, когда необходимо монтировать направляющие только на концевых участках. Однако их значительно более высокая цена в сравнении с полированными валами делает их менее доступными для конструирования обычного станочного оборудования.

Линейные валы на опорах, иначе называющиеся цилиндрическими рельсами, предназначены для обеспечения поддержки направляющих по длине. Использование этих валов позволяет предотвратить прогиб длинной направляющей под нагрузкой от движущейся каретки или под собственной тяжестью.

Цилиндрические рельсы прикрепляются напрямую к станку. Удобство и надёжность крепления направляющей к станине обеспечиваются резьбовыми отверстиями в опоре.

Недостатки у цилиндрических рельсов общие с полированными валами. Это, прежде всего, наличие люфтов у втулок и малый ресурс. Однако в отличие от полированных валов цилиндрические рельсы не прогибаются на большой длине, а, значит, обладают более высокой грузоподъёмностью. Каретки на цилиндрические рельсы отличаются от линейных подшипников на валы и воспринимают разнонаправленные нагрузки по-другому. Дело в том, что каретки на цилиндрические рельсы не замкнуты по контуру, а шариковые втулки на вал – замкнуты. Данный эффект вызывает понижение точности функционирования станка, оснащённого тяжёлым шпинделем на цилиндрических рельсах. Конструкция на валах работает гораздо точнее.

Цилиндрические рельсы и валы просты в изготовлении. Поэтому направляющие этого вида очень популярны среди производителей. В мире эту нишу заняли не только компании, но и частные производители. Выпускается как качественная продукция, так и не соответствующая требованиям. Нередко каретки, выпущенные одним и тем же производителем, не подходят к его же валам из другой партии. Касается это, в первую очередь, конечно же, кустарных производств.

Наша компания сотрудничает только с лучшими производителями, неукоснительно соблюдающими технологии выпуска качественной металлопродукции. Поэтому у нас вы купите лучшие направляющие, отвечающие самым жёстким требованиям, которые предъявляются к компонентам для автоматизации промышленного оборудования.

Подшипники скольжения для ЧПУ станка

Совсем недавно я заболел идеей создания ЧПУ станка для возможности работы с лазером и фрезой. На начальном этапе работ было потрачено огромное количество времени на сбор необходимой информации и ознакомление с опытом коллег по цеху. В итоге многое удалось повторить на самостоятельном примере и не все работало так как описывалось авторами.

Сегодня я хочу поделиться с вами информацией основанной на моем личном опыте и начнем мы с изготовления направляющих для станка, так как на мой взгляд это основные элементы станка, от качества и надежности работы которых зависит финальное качество работы CNC.

Направляющие валы для ЧПУ станка

Начнем с того, что в моей мастерской накопилось приличное количество струйных и лазерных принтеров, которые уже отслужили свой срок и дожидаются своего часа в качестве доноров. Я использовал более древние модели принтеров для снятия с них направляющих валов, чтобы не покупать новые.

В моем случае потребовалось 2 вала для установки на горизонтальную плоскость, по которым будет перемещаться рабочий стол станка и два вертикальных, на которых закреплена рама с режущим инструментом.

Для крепления валов были заказаны стойки с зажимами из Китая, на всем известной торговой площадке, которые идеально обхватывают вал и позволяют его зафиксировать в одной плоскости. Брал сразу 20 штук, так как предлагалась более выгодная цена ну и на всякий случай, привык брать с запасом.

В итоге получился вот такой комплектик направляющих с креплениями и подшипниками скольжения.

Подшипники скольжения для ЧПУ станка

Следующим элементом был выбор подшипников скольжения для валов будущего ЧПУ станка. Я учитывал возможность легкого крепления других элементов и стола к подшипникам, а также внимательно изучал отзывы какие подшипники более качественные.

В итоге также сделал заказ подшипников из Китая, установил их, но в итоге пришлось от них отказаться. Дело в том, что большая часть купленных подшипников изначально подклинивала и были установлены только те, которые легко скользили по валу. Но после непродолжительного периода времени тестирования работы станка и эти подшипники начали клинить.

Поэтому тем, кто планирует сборку своего станка или 3D принтера, настоятельно рекомендую приобретать подшипники у отечественных производителей, например в специализированном магазине: https://cema-bearing.com/podshipniki/, в котором представлено большое количество подшипников скольжения.

Это позволит вам с первого раза создать максимально качественные движущиеся элементы для вашего станка. Так как планируется использование станка для лазерной гравировки, то требуется высокоточное позиционирование движущихся элементов, используя качественные подшипники вы сможете легко откалибровать свой станок и пользоваться им длительное время.

Разновидности и конструктивные особенности подшипников скольжения

Существует довольно большое количество разновидностей подшипников скольжения. Какой выбрать для надежной и стабильной работы? Первое на что стоит обратить внимание — это конструктивные особенности подшипника, в частности тип крепления элементов к подшипнику.

Так, если использовать трубчатый тип подшипника, то придется делать специальное крепление. Если у вас имеется 3D принтер, то можно найти в интернете готовые модели крепления для подшипников разного типа, а вот в случае отсутствия возможности напечатать крепежные элементы, придется придумывать как закрепить. Это потребует лишнего времени, да и может напрочь отбить желание продолжать создание станка.

Также необходимо обратить внимание на количество шариков в подшипнике, чем их больше, тем плавнее будет ход и более длительный срок эксплуатации. Вот несколько фотографий с вариантами крепления разных типов подшипников при конструировании станков и 3D принтеров.

Если тема вам интересно, пишите в комментариях, я продолжу публикацию по сборке и выбору комплектующих для ЧПУ станка, основываясь на своем собственном опыте.

Сравнение направляющих для станков с ЧПУ

Станки с числовым программным управлением характеризуются отличной функциональностью, производственной гибкостью, высоким качеством изготавливаемой продукции. Не последнюю роль в обеспечении скорости и точности обработки играют конструктивные особенности станка.

Для обеспечения точных линейных перемещений в станках с ЧПУ используются различные виды направляющих: полированные валы, цилиндрические рельсы, профильные направляющие. К этим узлам предъявляются серьезные требования:

• высокая жесткость конструкции независимо от длины;
• отсутствие деформаций как без нагрузки, так и в нагруженном состоянии;
• низкий коэффициент трения;
• устойчивость к нагреву под нагрузкой, причиной которого является трение;
• сопротивляемость износу.

Кроме того, элементы узла должны быть защищены от пыли, грязи и, желательно, обладать малой чувствительностью к загрязнениям и не иметь особых претензий к смазке. Выполнение всех этих требований одновременно достаточно проблематично, поэтому и разработаны разные типы конструкций направляющих станков ЧПУ, работающие в условиях трения-скольжения или трения-качения. У каждого типа имеются свои достоинства и недостатки.

Цилиндрические направляющие

Цилиндрические направляющие выполняются в виде вала круглого сечения с креплениями на концах или конструктивно выполненными на опоре. Материалом для их изготовления является высоколегированный стальной сплав. Особую прочность и надежность они получают благодаря закалке металла методом индукционного нагрева. Последующей полировкой достигается идеально ровная поверхность, обеспечивающая малый коэффициент трения.

Полированные валы

Круглые валы являются самым бюджетным видом направляющих. Их монтаж не сложный — они легко крепятся с двух сторон. Выполненные из качественного сплава, они обеспечивают хорошую точность перемещений и грузоподъемность. Однако при большой собственной длине (более 1 метра) вал может провисать, а отсутствие фиксации к станине приводить к увеличению погрешности обработки. К тому же приемлемая жесткость обеспечивается в основном при условии небольших нагрузок. При повышенной нагрузке возрастают потери на трение и нагрев, снижая таким образом ресурс узла. Кроме того, некоторые нерадивые производители для изготовления вала используют металлические сплавы низкого качества, которые деформируются под нагрузкой.

Цилиндрические рельсы

Цилиндрические направляющие на опоре крепятся к основанию станка в нескольких местах по длине. Благодаря опоре в виде рельсы они меньше провисают под собственным весом и воздействием нагрузки, так как передают нагрузку конструкции станка. Их можно использовать для бюджетных станков ЧПУ, длина рабочего стола которых превышает 1 м. Они довольно просты в монтаже и обладают хорошим соотношением цена/качество.

Но есть одна особенность — опорные валы не желательно применять для станков с тяжелым шпинделем, так как в этом случае страдает точность. Это связано с тем, что вместо шариковых втулок, используемых в сочетании с цилиндрическим валом, на опорных валах используются каретки, контур которых является разомкнутым.

Следует помнить, что покупать полированные валы на опоре или без нее нужно у проверенных поставщиков, так как ресурс узла напрямую зависит от качества материала, из которого он изготовлен.

Направляющие для ЧПУ

Профильные направляющие

Профильные рельсовые системы состоят из продольной балки (рельса) и подвижной каретки. В качестве элементов качения используются шарики (шариковые профильные рельсовые направляющие) или ролики (роликовые профильные рельсовые направляющие). Профильные направляющие обладают высокой несущей способностью и жесткостью, поэтому могут применяться для любых задач, которые требуют точных линейных перемещений.

Каким направляющим отдать преимущество для использования в станках с ЧПУ

Цилиндрические направляющие можно устанавливать на хоббийных и бюджетных станках с небольшой загрузкой. Они менее требовательны к смазке и не очень чувствительны к пыли. Более простой монтаж и несложных уход делают их востребованными для станков, предназначенных для обработки материалов невысокой прочности и жесткости.

Рельсовый тип направляющих является более предпочтительным в условиях повышенных нагрузок и скоростного режима. Они обеспечивают бо́льшую скорость (5 м/с, против 2 м/с у цилиндрических валов) и более высокую точность перемещений. Рельсовые направляющие сложны в производстве и стоят значительно дороже валов, поэтому их чаще используют в промышленных станках. Незаменимыми профильные направляющие являются в металлообрабатывающих станках и оборудовании, предназначенном для фрезеровки камня.