Vis et écrous pour CNC. Recommandations pour choisir une machine CNC

"S'il y avait une machine, mais qu'il y aurait quelque chose à voir avec elle", "Faisons-le, voyons ce qui se passe, alors nous verrons", "Je me demandais", "Je ne sais pas comment scier avec une scie sauteuse ou une lime, alors laissez la machine faire le sciage », « Le problème lui-même et le processus pour le résoudre sont intéressants », « Je veux une machine pour pouvoir y couper beaucoup de KITs et gagner beaucoup d'argent ," etc. etc. De telles incitations pour démarrer la construction d'un appareil aussi complexe et coûteux qu'une machine CNC ne sont pas sérieuses, bien qu'elles soient courantes.

Mon motif ne coïncidait avec aucun de ceux ci-dessus. Je savais ce que je ferais sur la machine : scier des pièces en balsa pour mes avions. Pourquoi la CNC ? Mais parce que j'étais fatigué avec mes mains et que ça prenait trop de temps. Par exemple, voici une photo des consoles supérieures de l'aile et du stabilisateur d'une copie de l'avion I-5, conçue pour une machine CNC et entièrement découpée sur celle-ci.

C'est mon premier modèle conçu exclusivement pour la CNC. Les nervures sont en balsa 1,5 mm, toutes sur tenons, 80% des pièces sont uniques. Faire cela manuellement vous fatiguera et vous ne pourrez probablement même pas le faire. Pouvez-vous imaginer écraser un tel modèle lors de son premier vol ? Ou dans la seconde ? Vous deviendrez gris ! Et puis j'ai pris et découpé une nouvelle aile, ou, peut-être, un stabilisateur….

D'accord alors. Pourquoi la machine ? Où que vous crachiez - un bureau avec découpe laser ! J'ai donné les fichiers, reçu les pièces, et pas cher. Oui, cela est vrai si vous produisez des KITs, mais pas pendant le processus de développement. Les bureaux ont besoin de volumes, ils ne sont pas intéressés à découper 2-3 pièces, ils ne couperont même pas 10 pièces, donnez-leur 10 feuilles standards. Oui, et vous ne courez pas vers eux.

Vous ne pouvez le concevoir qu'à l'intérieur et à l'extérieur, puis le découper au laser à partir d'une feuille pour que tout s'emboîte parfaitement. modèle simple, mais pas une copie. Peut-être que quelqu'un peut faire ça, mais pas moi. J'ai dessiné un nœud, je l'ai coupé, collé, fait tournoyer dans mes mains, corrigé ce qui ne me plaisait pas, je suis passé à autre chose, c'est ma démarche. Et pour cela, la machine doit être à la maison.

En lisant le forum dédié aux machines CNC sur notre site Internet, je suis arrivé à la conclusion que ceux qui veulent construire une machine sont à la pelle. Mais si les gens, en général, sont familiers avec l'électronique et les programmes, au moins ils comprennent quoi et comment faire, alors avec la partie mécanique de la machine, c'est un tuyau. Le but de l'article est de présenter les personnes intéressées par le sujet à l'aide de l'exemple de conception d'une machine spécifique. J'aimerais que les questions sur les forums soient plus significatives et basées sur faits réels, et non basé sur des spéculations. Je n'ai aucune tâche à enseigner et à indiquer exactement comment VOUS devez construire VOTRE machine. Vous pouvez prendre en compte mes recommandations, ou vous pouvez les ignorer, c’est votre droit.

Cet article ne dira pas un mot sur l'électronique et les programmes. Et pas seulement parce que c'est le sujet d'un article séparé, que quelqu'un écrira peut-être. Je ne veux offenser personne, mais, à mon avis, l’électronique n’est pas un problème aujourd’hui. Contrairement à la mécanique, il peut être assez facilement acheté dans son intégralité - branchez-le et cela fonctionne, et son coût ne dépasse pas le quart de tous les coûts de la machine. Mais la mécanique est de qualité acceptable prix raisonnable- problème. Je veux que les gens, en plus de vouloir une machine CNC, comprennent également ce qui se cache derrière.

Nous définissons les caractéristiques techniques

But

1. Comme déjà mentionné, la machine est principalement nécessaire pour fraiser des plaques de balsa - en découpant des parties de modèles d'avions. Pour ce matériau, la machine doit avoir une productivité maximale. En plus du balsa, du contreplaqué de construction et d'aviation, du bois, du plastique, de la fibre de verre et de la fibre de carbone seront broyés. La précision de la machine pour les matériaux répertoriés ne doit pas être inférieure à 0,1 mm sur la longueur maximale.
2. En plus des non-métaux, la machine doit être capable de couper des alliages d'aluminium avec des fraises d'un diamètre allant jusqu'à 3 mm avec des avances de 150...250 mm/min, avec une profondeur allant jusqu'à 2 mm. Précision de fraisage alliages d'aluminium doit être d'environ 0,05 mm sur une surface de 150x150 mm.
3. Le fraisage de l'acier n'est pas prévu, sauf dans certains cas, et la vitesse et la précision ne sont pas réglementées.
4. Il devrait être possible de fraiser en 3D des modèles et des matrices à partir de matériaux non métalliques pour coller et mouler des ailes, des capots, des lumières, etc.

Idéalement, un ordinateur de bureau de petite taille pour les tâches répertoriées devrait avoir une conception en forme de cadre.

Forces de coupe et moteur pas à pas

Il existe une idée fausse selon laquelle lors du fraisage, vous devez exercer une pression sur la fraise pour qu'elle coupe mieux. C'est faux. N'oubliez pas de découper avec une scie sauteuse, si vous appliquez un peu de pression, la lime se casse. La vitesse de coupe dépend de la rapidité avec laquelle vous déplacez la scie sauteuse d'avant en arrière et de la netteté de la lime. Lors du fraisage avec des fraises fines, la même image est observée, mauvais modes coupe - le couteau s'est cassé. Nous comptons donc sur des outils affûtés et de haute qualité et sur des conditions de coupe optimales. Dans ces conditions, les charges sur la broche et les réactions dans les supports devraient être faibles, de l'ordre de quelques kilogrammes.

Il n'est pas nécessaire de calculer ces kilogrammes à l'aide de formules. Vous pouvez évaluer facilement et clairement l'effort maximal possible directement à mains nues. Pour ce faire, prenez une fine fraise en bout 1 mm de diamètre et essayez de le casser entre vos mains. Vous serez surpris de voir à quel point il est facile pour vous de le faire. Un cutter d'un diamètre de 3 mm est plus difficile à casser entre les mains, mais ces efforts ne sont néanmoins pas prohibitifs. Destruction de la fraise en cas de dépassement charges admissibles et sera le fusible qui protégera notre machine des tensions critiques et des pannes. La rigidité de la machine doit être conçue pour ces charges, de préférence avec une double marge.

La puissance d'un moteur pas à pas est principalement nécessaire non pas pour couper, mais pour vaincre les forces de friction dans les guides et la paire de vis, et ces forces dépendent de la qualité de fabrication, des jeux, des distorsions et de la présence de lubrification. Il est possible de calculer ces forces, des méthodes existent, mais plus le mécanisme est petit, moins les résultats sont fiables. Alors choisir un moteur pour une machine en fonction de la puissance est le même chamanisme que choisir un moteur pour un modèle réduit d'avion à moteur à combustion interne : il tirera ou pas, avec une réserve - à la limite, c'est-à-dire à partir de l’expérience ou sur la base de l’analyse de prototypes.

Il existe de nombreux moteurs pas à pas sur le marché. Choisir les bons parmi cette abondance n’est pas facile. Par conséquent, nous nous concentrerons sur les moteurs les plus souvent utilisés dans de tels équipements - les moteurs pas à pas à inductance soviétiques DSHI-200-3 ou DSHI-200-2. Ils diffèrent par leur puissance. Il existe également le DSHI-200-1, mais il est franchement faible. Les DSHI-200 sont de bons moteurs, si vous avez de la chance, vous pouvez trouver ces moteurs avec l'indice OS (série spéciale, acceptation militaire), leur qualité de fabrication est meilleure, mais les standards sont tout à fait à la hauteur.

Ici spécifications techniques moteur DSHI-200-3 (valeurs entre parenthèses pour DSHI-200-2) :

• Moment statique maximum, nt - 0,84 (0,46).
• Un seul pas, degré - 1,8 (1,8).
• Erreur de traitement des étapes, % - 3 (3).
• Fréquence de captage maximale, Hz - 1000 (1000).
• Courant d'alimentation en phase, A - 1,5(1,5).
• Tension d'alimentation, V – 30 (30)
• Consommation électrique, W - 16,7 (11,8).
• Poids, kg - 0,91 (0,54).

Précision

La résolution de positionnement et la précision de fraisage sont souvent confondues. La résolution dépend du choix du moteur pas à pas et du type de transmission. Par exemple, le moteur pas à pas DSHI-200-3, lorsqu'il fonctionne en mode demi-pas optimal, effectue 400 pas par tour. Par conséquent, si nous utilisons un engrenage à vis avec un pas de vis de 2 mm, alors en une seule étape, l'élément de travail se déplacera de 2/400 = 0,005 mm, c'est-à-dire de 5 microns. Avec un pas de 3 mm – 3 / 400 = 0,0075 mm, soit plus loin de 2,5 microns, mais la vitesse sera d'un tiers plus élevée.

Si vous utilisez un engrenage avec une courroie crantée, l'image que vous obtenez est la suivante. Le diamètre moyen minimum possible (pour des raisons de conception) du pignon d'entraînement est de 14 mm. Cela signifie que pour un tour, la trajectoire est de 3,14 * 14 = 43,96 mm, c'est-à-dire le mouvement en 1 pas sera de 43,96 / 400 = 0,11 mm. Pour le balsa, c'est acceptable, avec un craquement, bien sûr, mais on pourrait vivre avec si c'était tout. Mais ce n’est malheureusement pas tout.

Pour obtenir une précision de fraisage, il convient d'ajouter à la valeur de résolution le jeu technologique dans les guides et la transmission, ainsi que les valeurs de déplacement dues aux déformations élastiques dues à la rigidité générale de la machine. Les jeux peuvent être calculés, mais avec une rigidité générale, c'est plus difficile. Il est impossible de le calculer.

Dans la production de masse, un prototype est d'abord conçu et fabriqué (généralement sur la base d'un prototype, c'est-à-dire d'une autre machine). Ensuite, la machine est testée, des mesures minutieuses sont prises et on vérifie si sa précision répond ou non aux exigences des spécifications techniques. S'il ne répond pas, la conception est analysée, les zones problématiques sont identifiées où la rigidité doit être renforcée, des modifications sont apportées à la documentation de conception et une série d'installations est lancée. Le processus est répété sur plusieurs exemplaires. Cette procédure est appelée finition machine.

Le design amateur est aussi en quelque sorte un prototype, mais malheureusement, il s'avère aussi être le dernier. Cela oblige la conception à inclure une rigidité manifestement excessive dans le circuit de puissance de la machine. Il n’y a pas lieu d’avoir peur de cela. Il vaut mieux être en sécurité ici. Le désir de créer un espace élégant et conception originale peut faire une blague cruelle au concepteur. La machine peut ne pas s'avérer rigide et il se peut qu'il n'y ait pas de deuxième tentative - c'est trop cher.

La « finition » mal comprise de la machine - correction des erreurs dans le circuit de puissance en vissant des coins, des goussets et des nervures supplémentaires - ne donne aucun résultat. C'est la même chose que traiter les dents avec des comprimés : il y a un soulagement temporaire, puis la situation s'aggrave encore. Il est impossible d’enseigner comment réaliser des structures fiables et rigides. Vous devez ressentir le design, cela vient avec l'expérience de la même manière qu'un conducteur expérimenté commence à ressentir une voiture.

Si vous souhaitez construire une machine fiable et durable pour un usage quotidien, et ne pas démontrer des capacités fondamentales, mais que vous n'avez pas suffisamment d'expérience en conception, ne tentez pas le destin, prenez comme base un prototype éprouvé, cela vous fera gagner des nerfs, du temps et argent.

Si vous décidez de concevoir la machine vous-même, suivez quelques règles simples :

• Ne lésinez pas sur la raideur. Dans les cas douteux, soyez prudent. Adhérez au principe d’une force égale et d’une rigidité égale.
• DANS cadre de puissance machine, dans la mesure du possible, utilisez des ajustements aveugles et serrés ou des broches, car une simple connexion boulonnée n’assure pas la rigidité.
• N'oubliez pas qu'en moyenne, en torsion, la raideur est proportionnelle au carré des dimensions de la section, et en flexion, elle est proportionnelle à la quatrième puissance, c'est-à-dire Lorsque les dimensions de la section transversale d'une pièce sont doublées, sa rigidité augmente seize fois.
• Ne vous laissez pas emporter par les palmes. Une pièce monolithique en aluminium est plus rigide qu'une pièce en acier de résistance et de poids égaux, mais nervurée.

Mais nous nous éloignons. La précision de la machine est déclarée dans les spécifications de conception en fonction des tâches qui seront effectuées sur la machine. Nous avons donc déclaré une précision de l'ordre de 0,05 mm sur la zone de travail de fraisage, limitée aux dimensions de 150x150 mm. Nous allons essayer de le fournir. Lorsque la machine sera prête, nous verrons ce qui s’est réellement passé, mais pour l’instant faisons quelques évaluations.

D'abord. Un entraînement par courroie crantée n'est pas adapté à la résolution. Cela signifie une vis. Du point de vue résolution, un pas de vis de 2 ou 3 mm n'est pas critique, les deux conviennent. À propos, une autre idée fausse très répandue est que plus le pas de vis est petit, plus la précision de la machine est élevée. La résolution de positionnement augmente, mais pas la précision de fraisage.

Deuxième. Évidemment, les guides les plus chargés de la machine se trouvent le long de l'axe X. Le poids du chariot X devrait être compris entre 5 kg et les forces de coupe attendues sont de 2 à 3 kg. Sous de telles charges, deux guides cylindriques d'un diamètre de 16 mm et d'une longueur de 700 mm, en acier 40X collé, auront une déflexion d'environ 2-3 microns. Même si c’est 5 microns, c’est quand même tout à fait acceptable.

Troisième. Nous supposerons que nous serons en mesure de garantir la rigidité des parties de la carrosserie du chariot X de telle sorte qu'il n'y aura pas de déformations notables dues aux forces de coupe. Ensuite, toute l'erreur (environ 0,04 mm) restera due au jeu, principalement dû au jeu dans les paires de vis et aux erreurs de fabrication des vis mères.

Des exigences très strictes, en fait, c'est le maximum que l'on peut obtenir d'une machine faite maison. Quant à toute la zone de fraisage, si on la maintient à 0,1 mm sur une longueur de 700 mm, ce sera tout simplement génial.

Dans un entraînement avec courroie crantée, il n'y a pas d'erreur de vis accumulée, mais la courroie ne s'étire que de manière conditionnelle, en fait elle s'étire, donc la précision de fraisage avec elle est faible et est rarement meilleure que 0,25...0,3 mm sur un longueur de 700 mm.

Vitesse

La machine a deux vitesses : la vitesse à laquelle la broche se déplace pendant le fraisage (avance) et la vitesse à vide (positionnement). Le premier est réglé en fonction des conditions de coupe et peut varier dans une large plage, le second doit être le maximum possible. Évidemment, si la vitesse maximale possible est inférieure à l'avance optimale lors du fraisage du matériau pour lequel la machine est conçue, la productivité de la machine sera insuffisante.

Pour le balsa, les modes de fraisage optimaux sont les suivants :

• Épaisseur de tôle de 1 à 2 mm – coupeur d'un diamètre de 0,6 mm (0,8 mm) ; avance 600 mm/min ; vitesse 40 000…50 000 tr/min.
• Épaisseur de tôle de 2 à 6 mm – coupeur 0,8 mm ; avancer 500 mm/min à la même vitesse ;

Pour les autres matériaux, il y a moins d'avances. La vitesse dépend de la broche. Même si aujourd'hui je n'ai pas de broche à 50 000 tr/min, peut-être qu'elle apparaîtra demain, donc la machine doit être réalisée à une avance de 500...600 mm/min.

Le DSHI-200-3 a une fréquence de démarrage de 1000 Hz, en mode demi-pas elle est de 150 tr/min, ce qui signifie que l'avance maximale avec une vis au pas de 3 mm sera de 450 mm/min. Un peu à court de mode optimal. Avec une vis au pas de 2 mm, l'avance sera encore moindre, seulement 300 mm/min, ce qui n'est clairement pas suffisant. Lorsque le moteur fonctionne en mode normal, la vitesse maximale est de 900 mm/min, mais la précision du positionnement chute à 0,015 mm. Cela fonctionnera pour le balsa, mais pas pour l'aluminium.

Taille de la zone de travail de fraisage

Comme on dit, la taille compte, et pas seulement en termes de placement de la surface optimale de la pièce (100x1000 pour le balsa, 300x500 pour le contreplaqué balsa). Le coût de la machine dépend fortement de la taille du plan de travail de fraisage, surtout si un entraînement à vis est utilisé. Un compromis est nécessaire ici. Pour ma part, j'ai trouvé ce compromis - 700x300x70 mm. Vos tailles peuvent être différentes.

Paliers et guides coulissants

Pour des machines de petite taille relativement précises comme celle que nous concevons, il est difficile de trouver une alternative aux guides ronds en acier à paliers lisses. Au moins dans la catégorie de prix sur laquelle nous comptons.

DANS dernièrement Un grand nombre de types différents de roulements linéaires à billes sont apparus. Pour être honnête, je ne comprends pas les raisons de leur popularité croissante. Outre le seul avantage - une extraordinaire facilité de mouvement (et donc la possibilité d'utiliser des moteurs moins puissants), ils présentent des inconvénients continus. Les principaux sont une faible précision et des exigences accrues concernant l'environnement dans lequel ils travaillent. Toutes sortes d'astuces de conception pour protéger ces roulements de la poussière, de la saleté et des copeaux ne permettent pas d'économiser grand-chose. De plus, toute pièce supplémentaire dans l'ensemble roulement, qu'il s'agisse d'une manchette, d'un grattoir ou d'une brosse, en plus d'augmenter le coût, introduit un élément de manque de fiabilité dans l'ensemble.

Pour les mêmes raisons, nous éliminerons de l'examen toutes sortes de schémas de conception utilisant des rails et des roues sous forme de roulements à billes, car sans importance pour une machine d'une précision donnée, et examinerons de près les supports coulissants.

Les paliers lisses ont des dimensions radiales et un poids réduits ; leur fabrication ne nécessite pas d'équipement spécial ; ils peuvent supporter de lourdes charges à des vitesses élevées. Mais dans notre cas, ce n’est pas important, autre chose est important. gros avantage– ils sont silencieux et ont une grande capacité d'amortissement lorsqu'ils sont exposés à des charges cycliques et à des chocs.

Matériels

Lors du choix d'un matériau pour les paliers lisses, nous nous concentrerons sur les matériaux disponibles qui ont bonnes caractéristiques friction pour nos conditions de fonctionnement. Et ces conditions sont les suivantes :

Pour les guides de haute précision, comme dans notre cas, attention particulière il faut prêter attention au bon fonctionnement, qui dépend avant tout de la différence entre les coefficients de frottement statique et de frottement de glissement (aussi bien sans lubrification qu'avec faible lubrification). Cette caractéristique est particulièrement importante pour nous, car... Nous utilisons un moteur pas à pas, et les chariots le long des guides se déplaceront, même si ce n'est que minutieusement, mais par saccades.

Après une simple recherche, nous sommes arrivés à la liste suivante de matériaux disponibles et acceptables en termes de douceur de fonctionnement (avec une mauvaise lubrification) avec coefficients de frottement sur un arbre en acier :

• Fonte grise – 0,15…0,2.
• Fonte antifriction – 0,12…0,15.
• Bronze – 0,1…0,15.
• Textolite – 0,15…0,25.
• Polyamides, nylon – 0,15…0,2.
• Nylon – 0,1…0,2.
• Fluoroplastique sans lubrification – 0,04…0,06.
• Caoutchouc lubrifié à l’eau – 0,02…0,06.

En principe, n'importe lequel des matériaux ci-dessus peut être utilisé pour les roulements, à l'exception du caoutchouc, qui est donné à titre de comparaison, et de la fonte, que nous rejetterons comme matériau pour machine domestique exotique. Franchement, le choix n'est pas génial. En gros, cela se résume à ce qui suit : métal (bronze) ou non métallique (n'importe lequel des éléments ci-dessus, à l'exception du caoutchouc).

Pour ma part, j'ai longtemps choisi le bronze - une solution éprouvée, pourrait-on dire standard, largement utilisée et ne nécessitant pas justifications détaillées. Mais par souci d’ordre, considérons d’autres options.

Roulements non métalliques

Je n'ai rien contre les roulements non métalliques. Si, pour une raison quelconque, le bronze n'était pas disponible pour moi (il est vrai qu'aujourd'hui il est difficile d'imaginer de telles raisons), je choisirais pour les roulements textolite. Les roulements Textolite sont fabriqués à partir de tissu mousseline multicouche, imprégné de bakélite et pressé sous une pression d'environ 1 000 kg/cm2, à 150...180 degrés. Ils fonctionnent mieux si les couches sont perpendiculaires à la surface de friction. La textolite peut être traitée avec des outils en carbure à faibles avances et à des vitesses de coupe élevées avec des tolérances assez serrées.

Nylon et nylon fonctionnent bien avec une lubrification insuffisante ou sans lubrification du tout. Mais comme tous les polyamides, ils sont difficiles à usiner. Les roulements en nylon et en nylon sont fabriqués par moulage par injection dans des moules métalliques avec une précision dimensionnelle de quelques centièmes de millimètre près. Lors de la fabrication avec les tolérances requises sur des équipements de traitement universels, des problèmes peuvent survenir - personne ne les acceptera.

Fluoroplastique(Téflon) est un excellent matériau, mais malheureusement pas très bon pour la fabrication de roulements en raison de sa douceur, de son coefficient de dilatation linéaire élevé, de son fluage à froid (apparition de déformations résiduelles sous une exposition prolongée à des contraintes relativement faibles) et de sa complète non mouillant avec de l'huile.

Tous les roulements non métalliques sont utilisés en combinaison avec des guides de dureté accrue (> HRC 50). Dans ces conditions, ils présentent une résistance élevée à l’usure. L'exigence d'une dureté de guidage accrue n'est pas un inconvénient des roulements non métalliques, c'est une évidence. D’ailleurs, c’est aussi une bonne idée de chauffer le guide pour les bagues en bronze.

Ressource

En ce qui concerne la durée de vie des roulements, les considérations suivantes doivent être prises en compte. Si nous avons accepté le principe d'égale résistance et d'égale rigidité comme concept fondamental de la conception, rien ne nous empêche d'adopter le même principe en ce qui concerne la ressource des principaux composants. Qu'est-ce que je veux dire ? Les principaux composants de notre machine sont des vis sans fin avec écrous et guides. Il est logique de les réaliser de manière à ce que la durée de vie de la paire de vis soit proportionnelle à la durée de vie des paliers lisses. Ceux. Après avoir installé les roulements une fois, ils devraient fonctionner aussi longtemps que les vis et les écrous fonctionnent. Lorsque les paires de vis tombent en panne, la machine nécessitera des réparations majeures, après quoi les roulements pourront être remplacés. Il n'est pas pratique de procéder à un remplacement plus tôt ; installez des roulements qui survivront non seulement à la paire de vis, mais aussi à vous et moi.

On sait qu'une paire de vis ordinaire composée d'une vis en acier et d'un écrou en bronze dure très longtemps. Avec une sélection appropriée des paramètres et fabrication de haute qualité, ces unités travaillent pendant des années chaque jour en trois équipes. Je ne pense pas que ma machine sera chargée comme ça. Cependant, il est impossible de calculer avec précision la ressource. Vous pouvez faire des prédictions basées sur votre expérience et votre connaissance du sujet. Je pense que dans ce cas, la paire de vis servira pendant environ 8 ans, même en tenant compte du fait que je scierai des KITs sur la machine. Pendant ce temps, beaucoup d'eau coulera, la machine deviendra obsolète, de nouvelles technologies apparaîtront et le coût de production pourrait baisser. Il ne sert peut-être à rien de le réparer.

Evidemment, la paire vis acier - écrou bronze fonctionne dans des conditions bien plus sévères qu'un guide acier - roulement bronze, ce qui fait que, théoriquement, le roulement aura évidemment une durée de vie plus longue. Mais si l'écart qui apparaît à la suite du développement du filetage dans l'écrou est réglable, alors l'écart dans la bague en bronze du roulement ne l'est pas. Nous accepterons donc (pas à l'improviste, mais sur la base d'une analyse de prototypes et avec un degré de probabilité élevé) que la vis et le roulement en bronze auront à peu près la même durée de vie.

Un roulement non métallique durera-t-il aussi longtemps ? Pas sûr. Peut-être qu'il vivra, peut-être pas. En principe, ce n'est pas fatal, vous pouvez prévoir des chemises remplaçables, mais cela augmente le coût de l'ensemble roulement, et d'ailleurs, après avoir investi beaucoup d'argent dans la fabrication de la machine, vous ne voulez pas provoquer dans un premier temps des hémorroïdes en remplaçant les roulements.

Nous prenons une décision

Compte tenu de ce qui précède, lors de la conception de guides, vous pouvez prendre les mesures suivantes solution technique pour la mise en œuvre du bloc roulement :

• Nous perçons des trous dans les boîtiers pour les bagues avec des exigences minimales en matière de tolérances de forme et d'emplacement des surfaces (c'est-à-dire assez grossièrement) ;
• Nous enfonçons fermement les bagues en bronze des paliers lisses dans les parties du corps avec une tolérance le long du diamètre interne ;
• nous avons percé les bagues pour les guides dans le cadre des boîtiers avec des tolérances calculées.

On peut déjà dire qu’une telle solution semble appropriée, mais nous envisagerons quand même d’autres options.

La première chose qui me vient à l'esprit est pourquoi fabriquer des bagues en bronze, puis les enfoncer et les percer, alors que le marché regorge de manchons pour paliers lisses prêts à l'emploi, avec bien plus encore. meilleures propriétés que le bronze pur, par exemple les paliers lisses en métal fluoré ? N'est-il pas plus simple de les acheter et de les presser de la même manière ?

Voyons cela. Le roulement en métal fluoré est un manchon en acier avec imprégnation sous vide Composition téflon-plomb dispersée dans le liquide d'une couche antifriction poreuse d'alliages de bronze frittés. En soi, l’association du bronze et du plastique fluoré est tentante et promet des bénéfices significatifs en termes de propriétés. C'est comme ça. Un roulement en métal fluoré à basse vitesse et à friction sèche (!) permet des charges très élevées (jusqu'à 350 MPa) et reste opérationnel dans la plage de température de -20 à +280 degrés. Mais, avec des charges comprises entre 0,1...10 MPa et des vitesses de glissement de 0,2...5 m/s (comme la nôtre), le coefficient de frottement peut varier de 0,1 à 0,2, soit être dans les limites des matériaux de roulement conventionnels sous lubrification limite. Cela revient à mettre des jantes en alliage sur les roues d'un Zaporozhets aux grandes oreilles - c'est possible, bien sûr, mais cela ne sert à rien.

Alors peut-être qu'on gagnera en précision, simplifiera usinage et ainsi économiser de l'argent ? Pas non plus. Si dans le premier cas nous alésons avec précision la bague en bronze, alors dans le second cas nous devrons percer avec précision le siège du manchon dans le corps, c'est-à-dire opération chirurgicale coûteuse sur un bon aléseuse Nous ne l'excluons pas. De plus, le calcul des chaînes dimensionnelles inclut les tolérances de désalignement, de faux-rond, de manque de rondeur, etc. du manchon acheté lui-même, qui devront être prises en compte, à condition que ces tolérances soient connues et fiables, c'est-à-dire Ce sont de bons roulements chers, pas des manchons d'origine inconnue - 3 roubles par sac. En conséquence, tout cela n’ajoute pas de précision à notre machine, bien au contraire.

Le coût d'une bague en bronze, qui est simplement un morceau de tuyau, est de 50 roubles, et un bon roulement en métal fluoré coûte environ 10 $. Vous avez besoin de 12 de ces roulements. Calculez vous-même combien nous payons en trop sans pratiquement rien acquérir. On peut dire la même chose des autres options possibles roulements lisses achetés - nous payons trop cher, mais les avantages ne sont pas évidents.

Et s'il n'y avait pas de bronze ? Mais ça, excusez-moi, c'est de la connerie totale. Si vous avez accès à une quantité décente de machines-outils et que vous avez lancé un projet coûteux, alors ne pas trouver un morceau de bronze pour douze petites bagues et quatre écrous tournants est tout simplement ridicule !

De quoi faire et comment ?

Jusqu'à présent on a toujours dit : « acier », « bronze »…. Quel type d’acier et quel type de bronze en particulier ?

Compte tenu de nos exigences en matière de résistance à l'usure (nous ne travaillerons pas en trois équipes par jour) et de nos faibles exigences en matière de stabilité des forces de frottement, le choix des nuances d'acier et de bronze, ainsi que le traitement thermique des guides en acier, n'ont pas d'importance significative. Par conséquent, s'ils m'appellent de l'usine et me demandent : « Nous n'avons pas le type de bronze (acier) que vous avez noté sur le dessin. Pouvons-nous faire un remplacement par… ? » Je répondrai immédiatement et sans l’ombre d’un doute : « Vous pouvez ! Si seulement c'était vraiment du bronze et que l'acier avait une teneur moyenne en carbone. Par exemple, l'acier 30, 40 ou 45. »

Mais tu dois quand même écrire quelque chose dans le dessin, et tu dois l'écrire meilleure option. Cela peut toujours empirer. Les bronzes au phosphore d'étain (BrOF10-1) et au zinc (BrOTsS5-7-12, BrOTsS6-6-3) conviennent bien aux paliers lisses. Les bronzes sans étain (BrAZh9-4, BrS30) fonctionnent mieux avec des guides durcis traités en douceur, donc dans tous les cas, les guides doivent être durcis à une dureté de 40...50 HRC et polis avec une rugosité de Ra 0,63. savoir de quoi les bagues finiront par être coupées. La surface intérieure des bagues n'a pas besoin d'être polie, mais sa rugosité ne doit pas être pire que Ra1,25.

N'oublions pas qu'en plus des coussinets, nous proposons également des écrous de roulement en bronze. Là, les exigences concernant le matériel sont plus strictes, mais dans notre cas pas beaucoup. Il est logique d'unifier le matériau des écrous mobiles et des bagues coulissantes.

Quant à la géométrie et aux écarts, il vaut mieux ici ne pas prendre de libertés. Pour garantir la fonctionnalité de notre produit aux précisions données, l'écart maximum garanti entre la douille et le guide (diamètre 16 mm) doit être d'environ 0,034 mm, ce qui correspond à un ajustement courant selon la 7ème qualité (H8/f7).

Dans la pratique, en cas de production à la pièce (et non en série), ils le font. Tout d'abord, les bagues pressées dans les boîtiers sont percées selon les tolérances requises pour la forme et l'emplacement des surfaces, puis les trous résultants sont mesurés avec précision, et ensuite seulement les guides sont meulés à une taille qui fournit le jeu requis. Ensuite, le tout est balisé pour ne plus confondre à l'avenir quels corps glissent sur quels guides.

Sauf l'écart paramètre important coussinet - sa longueur. Ou plutôt, pas la longueur en tant que telle, mais le rapport longueur/diamètre (l/d). On sait que la capacité portante est proportionnelle au carré du rapport l/d. Compte tenu de l'influence positive et négative de l/d sur la capacité portante, les valeurs moyennes de l/d = 0,8...1,2 sont le plus souvent respectées. Avec un diamètre de guidage de 16 mm, la plage de longueurs de bague est de 12,8 à 19,2 mm. Cependant, dans notre conception, la capacité portante du roulement importe peu ; nos charges sont faibles. Plus préoccupé par la sensibilité de la bague aux distorsions. Evidemment, plus le rapport l/d est faible, plus cette sensibilité est faible. Il est donc préférable de choisir une longueur de manche plus proche de 13 mm que de 20.

Une dernière remarque. Que dois-je faire si je ne parviens pas à suivre toutes les recommandations de ce chapitre ? Dois-je abandonner et ne pas m'en soucier ? Eh bien, pourquoi pas, il faut simplement se préparer au fait qu'à la fin, la qualité du produit (machine) en souffrira. C'est tout. Et s'il n'est pas blessé ? Il va souffrir, il va souffrir, la question est combien ? Mais personne ne peut le dire avec certitude. Une question comme : « Que se passera-t-il si nous remplaçons le bronze par du laiton, ou même si nous réalisons une paire coulissante - acier sur acier ? - ça n'a pas de sens. Essayez-le, faites-le, puis dites-le-moi. Une chose est claire : la situation va empirer. À propos, dans les guides non critiques de faible précision, une paire coulissante acier-acier est autorisée et les parties de la paire doivent avoir une dureté différente, par exemple, le guide est trempé et la bague, au contraire, est tempéré.

Vis et écrous

En pratique, il ne peut y avoir ici que deux options : une vis-mère classique en acier avec un écrou en bronze équipé d'un dispositif de compensation de jeu, ou une vis à billes (vis à billes).

Engrenage hélicoïdal à friction coulissante

Presque toutes les considérations générales exprimées dans le chapitre précédent concernant le choix des matériaux pour les guides et les paliers lisses sont également valables pour les engrenages à vis à friction glissante, il est inutile de les répéter ; Considérons une autre propriété importante de la paire de vis, qui peut être d'une grande importance par rapport à notre cas, à savoir la capacité d'amortissement de la transmission à vis à friction coulissante.

Les moteurs pas à pas ont un effet indésirable appelé résonance. L'effet se manifeste par une chute soudaine du couple à certaines vitesses. Cela peut entraîner des pas manqués et une perte de synchronicité. L’effet se manifeste si la fréquence de pas coïncide avec la fréquence de résonance propre du rotor. Cet effet peut être combattu dans deux directions. Par des méthodes électroniques, par exemple en passant à un mode de fonctionnement du moteur micropas (ou au niveau de l'algorithme de fonctionnement du conducteur), et en organisant un amortissement mécanique.

C’est dommage, après avoir fabriqué ou acheté un contrôleur et construit une machine, de se heurter au phénomène de résonance. Par conséquent, vous devez veiller à l'avance à ce que la fréquence de résonance soit transmise sans douleur lors de l'accélération et de la décélération du moteur. Le passage au mode micropas n'est pas toujours acceptable en raison d'une forte perte de vitesse et de couple sur l'arbre. Oui, même si cela est acceptable, il n’est jamais inutile de garder à l’esprit l’amortissement mécanique.

La fréquence de résonance est calculée à l'aide de la formule F 0 = (N*T H /(J R +J L)) 0,5 /4*pi,

• F0 – fréquence de résonance,
• N – nombre de pas complets par tour,
• TH – couple de maintien pour la méthode de contrôle utilisée et le courant de phase,
• JR – moment d'inertie du rotor,
• JL – moment d'inertie de la charge.

La formule montre que la résonance dépend en grande partie de la charge connectée au moteur. Il est évident que lorsque la vis mère est fixée rigidement à l'arbre du moteur, le moment d'inertie total du système augmentera considérablement, ce qui déplacera la résonance vers des fréquences plus basses, auxquelles les propriétés d'amortissement du frottement visqueux dans les tours de la vis mère les fils sont bien manifestés. En choisissant le nombre de tours et en ajustant l'écart (tension) dans le fil, vous pouvez éliminer les symptômes de résonance.

Ici, beaucoup dépend du matériau de l'écrou. Une bonne adsorption de l'huile sur le matériau est requise. Par exemple, un écrou en plastique fluoré ne peut pas servir d'amortisseur en raison de son non-mouillage total avec l'huile. Capron, en ce sens, se comporte mieux, mais pas très bien non plus. Parmi les non-métaux, les PCB sont les mieux adaptés car ils sont respectueux du pétrole. Le bronze est bon de tous côtés.

Vis mère

Les vis mères sont conçues pour la solidité, la résistance à l'usure et la stabilité. Nous nous intéressons peu à la force et à l'efficacité. La résistance à l'usure est intéressante pour déterminer la pression moyenne sur les surfaces de travail du filetage et choisir la hauteur du filetage. Mais, à partir de calculs de stabilité, il faut déterminer le diamètre de la vis pour une longueur donnée et le schéma choisi pour la fixation de la vis dans les supports. Ce schéma doit également être sélectionné.

Ici, je ne vais pas gonfler mes joues, faire semblant d'être intelligent et vous ennuyer avec des calculs utilisant des formules délicates. D'ailleurs, moi-même, bien que je sache faire cela, je n'ai pas calculé de telles choses depuis longtemps. Notre machine n'est pas un cric avec un fil de charge persistant pour une charge donnée de plusieurs tonnes, mais un dispositif mécanique précis. Le choix des paramètres géométriques de la vis peut, et doit, être effectué sur la base de l'analyse de prototypes. Si vous analysez (vous devez analyser équipement industriel, non fait maison) un grand nombre de machines et d'appareils similaires de conception similaire, vous trouverez alors les éléments suivants :

• Supports à vis : une extrémité est fixée rigidement, l'autre repose directement sur le moteur pas à pas.
• Diamètre minimum de vis : 12 mm pour des longueurs jusqu'à 700 mm, 16 mm pour des longueurs jusqu'à 1200 mm.
• Profil de filetage : trapézoïdal ou ruban (avec un profil rectangulaire).
• Avec un pas de 3 mm, la hauteur du profil fileté est de 1,5 mm.

Nous pouvons effectuer des calculs spécifiquement pour notre machine et le vérifier, mais le temps est une perte de temps. Lors de la conception, l'attention principale doit être accordée aux matériaux et à la technologie, ce qui est dans ce cas beaucoup plus important. Ensuite sera indiqué exigences techniques aux vis. Vous devez vous efforcer de les remplir, mais cela n'est pas toujours possible et coûte assez cher. Ici, il faut rechercher des compromis. Ce à quoi vous pouvez renoncer et ce à quoi vous ne pouvez pas renoncer est une question complexe et est résolue différemment par chaque designer, en fonction de ses préférences. Sans insister sur mon opinion, je vais donner les exigences de base sur ce que cela devrait réellement être.

Pour vis-mères non traitées thermiquement de précision normale et accrue le meilleur matériel est en acier laminé à chaud A40G. Des aciers améliorés 45 et 40X sont également utilisés. Dans ce cas, le matériau des guides peut être unifié avec le matériau de la vis.

Au cas où traitement final Pour le décolletage, on utilise de l'acier U10A, qui est recuit jusqu'à une dureté de 197 HB.

Pour les vis trempées et rectifiées selon le profil du filetage, on utilise des nuances d'acier 40ХГ et 65Г, qui présentent une résistance élevée à l'usure. Cette option est trop cool pour une machine domestique, mais les vis à billes, soit dit en passant, sont le seul moyen de le faire.

Écarts de vis admissibles :

1. La plus grande erreur de pas accumulée admissible, µm :
   • en une seule étape - ±3…6 ;
   • à une longueur de 25 mm – 5…9 ;
   • à une longueur de 100 mm – 6…12 ;
   • à une longueur de 300 mm – 9…18 ;
   • pour chaque 300 mm de longueur, 3…5 sont ajoutés ;
   • sur toute la longueur de la vis, pas plus de 20...40.
2. Tolérances pour l'extérieur, le milieu et diamètre interne Les filetages ne sont pas réglés au-delà des tolérances correspondantes pour les filetages trapézoïdaux conformément à GOST 9484-81, avec une plage de tolérance de 7N conformément à GOST 9562-81.
3. Pour garantir la précision des vis en termes de pas et pour protéger le filetage d'une perte rapide de précision due à une usure locale, l'écart d'ovalité du diamètre moyen du filetage à un pas de 3 mm doit être de 5...7. µm.
4. Le faux-rond du diamètre extérieur de la vis lors du contrôle au centre d'une longueur allant jusqu'à 1 mètre est de 40...80 microns.
5. Si le diamètre extérieur de la vis sert de base technologique au filetage (et c'est presque toujours le cas), alors la tolérance pour le diamètre extérieur est attribuée selon h5.

Il n'est pas difficile de deviner que la précision de la machine dépend directement des écarts selon la revendication 1. Si nous déplacions les chariots manuellement le long des verniers, ce serait le cas, mais dans notre cas, la vie est plus facile, car dans une machine CNC, l'erreur accumulée peut être compensée par un logiciel.

Si nous commencions le filetage trapézoïdal, alors aux exigences déjà énoncées, nous devrions ajouter un ensemble d'exigences importantes, mais difficiles à remplir, concernant les angles du profil du filetage. Mais le coût de la vis mère est déjà suffisamment élevé pour produire un outil spécial pour couper les filetages trapézoïdaux (et c'est précisément ce qui est fabriqué pour chaque cas spécifique). À production de pièces Sans préparation d'équipement spécial, un fil en bande à profil rectangulaire fera très bien l'affaire.

Et pourtant, pourquoi le fil trapézoïdal est-il meilleur que le fil ruban ? Seulement un - meilleure résistance à l'usure, parce que plan de travail les filetages trapézoïdaux ont plus de tours et la pression sur cette surface est donc moindre. Le choix entre un filetage trapézoïdal et un filetage en ruban est une question de compromis entre durabilité et coût. Si vous êtes prêt à payer un prix décent (comparable au coût d'une vis à billes) pour la durabilité, choisissez un filetage trapézoïdal. Personnellement, je ne suis pas prêt.

Je prévois une question de la série : « Que se passera-t-il si... ? » Que se passe-t-il si vous prenez une bonne tige et coupez un filetage métrique avec un profil triangulaire ? Je réponds - ce sera pire. Sur un diamètre de 12 mm, les filetages métriques sont taillés en standard au pas de 1,75. Sa hauteur de profil est de 1,137 mm, ce qui n'est pas suffisant pour la résistance à l'usure. Le filetage le plus proche correspondant à la hauteur du profil (1,624) a un pas de 2,5 et est coupé à un diamètre de 18 mm. Il s'avère que c'est un club décent. Mais plus important encore, les exigences relatives à l'hélice aux points 1 à 5 restent les mêmes. Le gain en coûts de fabrication, s’il y en a, sera faible.

D’ailleurs, le coût de fabrication d’une vis augmente de façon exponentielle avec sa longueur. Cela est dû à la technologie de filetage et à l'utilisation d'équipements spéciaux. Par exemple, pour réaliser une vis jusqu'à 500 mm de long, une lunette est nécessaire, et pour une vis de 700 mm, deux. Les supports d'une hélice spécifique doivent être modifiés ; le coût de la modification et des autres équipements nécessaires, comme vous le comprenez, est inclus dans le coût de l'hélice. Si nous fabriquions 50 vis, ou contactions une usine de production où ces vis sont produites en série, cela reviendrait moins cher, mais sinon... C'est pourquoi, dès le début, j'ai réglé le champ de travail X dans la machine - 700 mm et non 1000. C'est cher et ils ne le feront pas partout.

Écrou courant

En règle générale, les écrous sont fabriqués à partir de nuances de bronze BrO10F1 et BrO6Ts6S3. Si vous trouvez un tel bronze, ce sera très bien, mais ce n'est en aucun cas fatal si vous en utilisez un autre. En général, tout ce que nous avons dit sur les matériaux des bagues coulissantes est également vrai pour les écrous mobiles.

Écarts admissibles des écrous :

1. Le point 2 pour les vis s'applique également aux écrous.
2. Pour un écrou fendu, le diamètre extérieur du filetage est déterminé en fonction des conditions permettant d'assurer l'ajustement de l'écrou à la vis le long du profilé, il est donc réglé pour être 0,5 mm plus grand que selon GOST 9484-81. Le diamètre interne est attribué en fonction des conditions de l'espace requis, il est donc réglé 0,5 mm plus grand que selon le même GOST.
3. Dans les cas où le diamètre intérieur de l'écrou sert de base technologique pour le traitement final du corps de l'écrou (vous comprenez, c'est comme ça que ça se passe), le diamètre intérieur de l'écrou est réalisé selon H6.
4. Les écarts admissibles du profil et du pas ne sont pas réglementés, mais sont limités par la valeur de tolérance pour le diamètre moyen.

La présence d'espaces entre les filetages de la paire de vis provoque un jeu. Son élimination est obtenue par des mesures constructives - en serrant l'écrou fendu avec une vis, un ressort ou une pince de serrage. Le moyen le plus simple est de fabriquer un écrou fendu avec un serre-vis/

Que dois-je faire?

Rappelez-vous ce que nous avons dit à propos des guides et des paliers lisses : « En pratique, ils font cela. Tout d’abord, les bagues sont alésées, puis les guides sont rectifiés à une taille permettant d’obtenir le jeu requis. Ainsi, avec les vis-mères et les écrous, tout se passe exactement à l'opposé : d'abord les vis sont fabriquées, puis les écrous y sont affûtés.

Cette circonstance promet de grands avantages. Les vis ne s'usent pratiquement pas (c'est ainsi que les machines sont révisées en production - elles fabriquent de nouveaux écrous pour les vieilles vis), ce qui signifie que vous pouvez apporter une vis mère appropriée à l'usine et qu'elles fabriqueront un écrou pour vous. Les vis appropriées peuvent être achetées, retirées des anciennes machines et appareils ou enfin trouvées dans une décharge. Cela réduira considérablement le coût de production de votre machine, car... le coût des vis mères représente plus de la moitié de tous les coûts de fabrication de la mécanique.

Comme cela arrive toujours, une telle décision ne présente pas que des avantages. Les vis achetées (trouvées) ont déjà des extrémités coupées, ce qui dicte une conception de supports complètement spécifique, ce qui peut ne pas être bénéfique pour vous, ainsi que l'utilisation des roulements qui s'adaptent à la vis, et non ceux que vous souhaiteriez fournir. Il devient souvent nécessaire de fabriquer des pièces supplémentaires pour les supports qui augmentent les coûts et qui ne seraient pas nécessaires si la conception des vis et des écrous était la vôtre. C'est un vrai moins.

Récemment, de nombreuses entreprises sont apparues (y compris étrangères) qui vendent des paires de vis prêtes à l'emploi. En principe, les coûts d'achat et de production ne diffèrent pas beaucoup, mais il y a un problème avec les fins. Souvent, ces entreprises sont prêtes à fabriquer pour vous des vis de la longueur requise et avec une découpe des extrémités que vous dessinez vous-même, mais le prix augmentera de 1,5...2 fois. Dans tous les cas, c’est à vous de fabriquer vous-même vos vis-mères ou d’en acheter des toutes faites.

Si vous n'êtes pas sûr de pouvoir produire des paires de vis de haute qualité et que vous décidez d'utiliser des vis achetées ou même « de gauche » dans votre machine, il serait alors correct de les acheter ou de les trouver d'abord, et seulement puis commencez à concevoir la machine. Plus précisément, pour le design, car il n'y a rien de spécial à concevoir dedans.

Vis à billes

Dans une vis à billes, le frottement de glissement est remplacé par le frottement de roulement. Cela vous permet d'augmenter considérablement l'efficacité du mécanisme jusqu'à 95...98 %, ainsi que d'augmenter sa durée de vie d'un ordre de grandeur. Cela explique l'utilisation généralisée des vis à billes en construction mécanique.

La précision des vis à billes est inférieure à celle des engrenages à vis à friction coulissante. Cela s'explique simplement. Dans une vis à vis conventionnelle, il n'y a que deux pièces en contact et l'écart technologique (jeu) est ajusté, mais dans une vis à billes, en plus des mêmes deux pièces (vis et écrou), une troisième pièce est incluse dans le travail - une balle, ou plutôt un tas de balles, et le réglage du jeu est problématique. Mais cela ne veut pas dire que la vis à billes n’est pas précise. C’est précis, mais technologiquement, cette précision n’est pas facile. Disons simplement que si l'on compare une vis à billes et un engrenage à vis avec un frottement de glissement de même précision, alors la vis à billes s'avère nettement plus chère.

Je n’ai pas une mauvaise attitude envers les vis à billes et je ne prône pas exclusivement la vis classique avec écrou. Au contraire, j'aime les vis à billes, je rêve moi-même de faire une machine avec. Mais. En plus du fait qu'il soit fiable, beau, cher et généralement cool, cela oblige beaucoup. Il est étrange de voir des vis à billes à côté de guides constitués de tubes à rideaux et de roulements en nylon percés à la perceuse. Et vice versa, les bons guides dotés de roulements en métal fluoré à la mode ne semblent pas moins étranges à côté d'une tige filetée achetée sur le marché et d'un écrou hexagonal pour 3 roubles.

Si vous utilisez des vis à billes, alors avec de bons guides, des manchons de roulements lisses de haute qualité, des accouplements adaptateurs de haute qualité pour connecter la vis à billes au moteur et le reste des pièces de la machine doivent être au même niveau. Sinon, cela ne sert à rien. Et c'est une catégorie de prix complètement différente.

Conception de machines

1. Il n’est pas difficile de créer un mécanisme complexe comportant un tas de pièces. Vous n'avez pas besoin de beaucoup d'intelligence ici. Il est difficile de proposer un mécanisme simple et technologiquement avancé, mais qui remplisse les mêmes fonctions qu’un mécanisme complexe. Pourquoi est-il difficile de proposer un vélo original ? Parce que tout y a déjà été inventé, il y a bien longtemps ! La question se pose : est-il nécessaire de s’engager dans un exercice d’équilibre entre invention et conception ? La machine est nécessaire pour les affaires et non pour démontrer l'imagination fébrile du concepteur. Alors, sans plus tarder, parcourons Internet et sélectionnons un produit tout fait. schéma de conception machine qui répond à nos exigences.
2. Les pièces de la machine doivent être simples forme géométrique avec un nombre minimum d'opérations de fraisage. De plus, ces détails devraient être peu nombreux. Nous dépenserons déjà beaucoup d'argent en guides et en vis sans fin avec écrous, pour ensuite faire des folies avec des parties de corps en filigrane et en dentelle.
3. Pas de soudure. C'est de l'argent supplémentaire, et en plus, il faut encore recuire l'ensemble soudé dans un four pour éliminer les contraintes résiduelles et le mettre sur une machine pour l'usinage.
4. Le matériau de toutes les parties du corps est un alliage D16T. On gagnera en rigidité avec de grandes sections monolithiques, car Pour donner la rigidité nécessaire, une pièce épaisse coûte moins cher que trois pièces fines fixées ensemble.
5. Le moins de fixations possible. Le filetage coûte également de l’argent.
6. Ce serait bien d'inclure la possibilité de modernisation dans la conception. Par exemple, si nécessaire, modifiez le champ de travail de la machine avec des modifications minimes.

Les recherches sur Internet ont donné des résultats. J'ai aimé la machine austro-allemande Step-Four (Carriage Z.

Le chariot Y est déjà composé de deux barres avec des roulements et des trous pour les guides Z. Les guides doivent être insérés dans les trous selon un ajustement serré (de transition) et fixés avec des vis de réglage. La fixation avec des vis est plus une question de tranquillité d'esprit que de fixation proprement dite. Les guides doivent rester dans les trous comme s’ils étaient ancrés sur place. Dans la barre inférieure, il y a un trou pour l'ensemble de roulement de la vis mère, et dans la barre supérieure, il y a un siège pour le moteur pas à pas.

Chariot X – deux murs ayant le même éléments structurels, comme les barres du chariot Y. L'épaisseur de paroi est de 15 mm. Vous ne pouvez pas en faire moins, sinon les guides ne tiendront pas bien. Des boîtiers de roulements coulissants sont vissés dans la partie inférieure des murs pour déplacer le chariot le long des guides situés dans le châssis.

Châssis assemblé.

Il ne reste plus qu'à visser le châssis fini de la machine sur une base solide et rigide en utilisant les coins des poutres. La base peut être, par exemple, un morceau de carton stratifié utilisé pour fabriquer des plans de travail. meubles de cuisine, ou juste bureau. Les poutres du cadre elles-mêmes prendront la position souhaitée. L'essentiel est de ne pas les déranger.

Veuillez noter qu'en modifiant la longueur des guides, vous pouvez facilement fabriquer une machine avec n'importe quelle dimension (dans des limites raisonnables) du plan de travail de fraisage sans changer les parties du corps.

Transmission

Vous pouvez commencer à installer les vis.

Comme nous l'avons déjà dit, une extrémité de la vis pend directement sur le moteur pas à pas et l'autre repose sur un ensemble de roulements composé de deux roulements à contact oblique qui empêchent la vis de se déplacer le long de l'axe. Un roulement fournit une poussée dans un sens, l'autre dans l'autre. La tension dans les roulements est créée par un écrou borgne traversant les bagues situées entre les roulements. L'ensemble de roulement, et donc la vis entière, est fixé dans le boîtier avec une vis de réglage à travers un trou dans la bague extérieure.

Les roulements peuvent être n'importe lesquels. Je l'ai utilisé avec des dimensions hors tout 6x15x5. En théorie, il devrait y avoir un roulement à double contact oblique (série 176 GOST 8995-75), mais il est difficile à trouver. Il n’existe pas beaucoup de roulements à contact oblique simples sur le marché, encore moins de roulements doubles. Vous pouvez installer des roulements radiaux ordinaires. Nos forces axiales et nos vitesses ne sont pas élevées, et si elles se fissurent après un certain temps, elles peuvent être facilement remplacées, vous n'avez même pas besoin de démonter quoi que ce soit.

La vis est montée sur l'axe du moteur à travers une douille avec des pinces à bornes.

La transmission du couple de la vis d'entraînement en X à la vis non motrice est réalisée par une courroie crantée en plastique spéciale.

La courroie de distribution elle-même et les engrenages sont achetés. Une courroie de cette longueur ne s’étire pratiquement pas et doit être bien tendue. Est-ce fiable ? Fiable. Est-il possible de mettre deux steppers le long de l'axe X, un pour chaque vis ? Je ne sais pas, je ne l'ai pas essayé. Je pense qu'il y aura des problèmes de synchronisation. Et la ceinture est bon marché et amusante.

Touche finale. Nous installons le support de broche.

C'est ça. Vous pouvez connecter l'électronique, installer la broche et démarrer la machine. Tout devrait fonctionner. Et ça marche, je dois dire ! En principe, rien d'autre n'est nécessaire. Oh oui, des interrupteurs de fin de course doivent être installés, mais ce n’est pas obligatoire. C'est une option ; la machine fonctionne parfaitement sans fin de course.

Nous comptons les pièces de carrosserie (à l'exception des guides et des vis-mères) qui doivent être commandées en usine - 14 pièces ! Plus 2 coins, plus deux pièces pour le support de broche. Total : 18 pièces. Et en termes de nomenclature, encore moins, seulement 8. Très bon résultat!

Nous lui donnons une apparence « commercialisable »

En regardant la photo du prototype sur le site, on voit qu'il y a une machine solide, mais la nôtre est un peu squelettique et morte !

Maintenant, faisons-le !

Nous installerons des canaux - bases (5 mm d'épaisseur) à partir du bas du cadre et recouvrirons les vis mères avec un canal - boîtier (2 mm d'épaisseur).

Nous installerons des traverses, également à partir de canaux. Ainsi, nous fermerons la transmission par courroie à une extrémité et, à l'autre extrémité, nous pourrons installer les connecteurs des moteurs pas à pas sur la traverse.

Sur le chariot X, nous installerons un boîtier qui protège la vis mère Y, et nous y visserons une rainure dans laquelle reposera le câble du chariot Z. Nous visserons la même rainure au châssis côté entraînement.

Tous ces capots rendront-ils notre machine plus rigide ? Bien sûr, ils ajouteront, mais pas grand-chose. Il est impossible de renforcer ainsi la structure et de lui conférer une rigidité globale. Le circuit de puissance de la machine doit fonctionner tout seul sans ces supports. Mais désormais, la machine peut être facilement déplacée d'un endroit à l'autre, plutôt que de la garder vissée au bureau.

Mettons les couvercles, découpons (pour tester) les boîtes sur la nouvelle machine pour cacher les blocs adaptateurs pour les fils des steppers qu'ils contiennent. Et, touche finale, nous installerons les rails pour les câbles.

je ne suis pas un grand spécialiste dans le domaine du travail des métaux et de la conception de machines spécifiquement pour le travail des métaux, alors peut-être que je me suis trompé ou que je me suis trompé quelque part, des camarades avertis me corrigeront. De plus, au cours de nombreuses années de conception réelle en instrumentation et en génie mécanique, j'ai développé certains stéréotypes dans les approches de conception de pièces de machines (choix des bases de conception, caractéristiques d'attribution des tolérances et des ajustements, adaptation de la conception à un équipement d'usine etc.), peut-être que ces approches ne vous conviendront pas, je ne les présente donc pas ici. Mais lors de la conception de cette machine, je me suis appuyé précisément sur les considérations générales que j'ai exposées dans l'article. Et cette machine fonctionne ! Comme prévu ! Je ne sais pas si cela durera 8 ans, le temps nous le dira, mais ayant la documentation de conception, je peux fabriquer non seulement des pièces de rechange, mais aussi quelques autres machines identiques. Si nécessaire.

1. V.I.Anuriev. Manuel du concepteur en génie mécanique. En 3 tomes. Moscou. "Génie mécanique". 2001.
2. I.Ya.Levin. Manuel du concepteur d'instruments de précision. Moscou. OBORONGIZ. 1962.
3. F.L. Litvin. Conception de mécanismes et de pièces d'appareils. Léningrad. "Génie mécanique". 1973.
4. P.I. Orlov. Bases du design. En 3 tomes. Moscou. "Génie mécanique". 1977.
5. Annuaire. Roulements à billes pour instruments. Moscou. "Génie mécanique". 1981.
6. Manuel du métalleux. En 5 tomes. Éd. B.L. Boguslavski. Moscou. "Génie mécanique". 1978.

La particularité de sa conception est que la vis mère le long de l'axe X est fixée immobile (ne tourne pas). Une vis statique nécessite un écrou fileté spécial. Dans les machines CNC petite taille Habituellement, l'écrou mobile est fixé de manière rigide et la vis tourne pour déplacer le chariot. J'ai le contraire : l'écrou tournant tourne autour de la vis, entraîné par un moteur pas à pas. Eh bien, il est évident qu'un écrou tournant de grande taille pour CNC doit être fabriqué à la main, car il n'est tout simplement vendu nulle part !

Pourquoi ferions-nous tourner un écrou au lieu d'une vis sur une machine CNC de grande taille ?

1. Une vis à billes industrielle d'une longueur de 2 mètres ou plus coûte de l'argent fou (par rapport à une goupille de construction). Il doit être joli grand diamètre- à partir de 20 mm d'épaisseur, ce qui coûte encore plus cher. De plus, tous les stepper ne peuvent pas réaliser un tel colosse, et vous devez installer un servo, ce qui coûte encore plus cher (par rapport à un stepper). Et, d’une manière générale, une grande machine CNC possède généralement 2 vis-mères (une de chaque côté). Cela s’avère être une double folie sur un budget.
2. Une option extrêmement économique et intéressante est une épingle de construction (voir), mais si nous essayons de la faire pivoter sur une longueur de 2 mètres, elle commencera à sauter comme une corde à sauter et finira par tomber.
3. Sur un lit long de 2-3 mètres avec une vis fixe le long de l'axe X, vous pouvez installer non pas un, mais deux voire trois axes Y indépendants, dont chacun fonctionnera individuellement selon son propre ordre. Ceux. sur un lit seront installées, pour ainsi dire, 2 machines CNC indépendantes avec un axe X mécaniquement commun. Évidemment, avec une vis rotative, on n'obtiendra pas de chariots indépendants, mais seulement un clonage d'axe.

Fabriquer un écrou tournant CNC de vos propres mains est assez simple : nous prenons un morceau de caprolon de la longueur requise et coupons simplement le filetage interne pour une goupille de construction. Le Caprolon est assez doux et les fils peuvent être coupés même avec la plupart des broches de construction, après en avoir préalablement fait un taraud en découpant des rainures avec une meuleuse. J'ai réalisé les filetages internes sur mon tour domestique, puis j'ai fait un passage avec un taraud fait maison à partir d'une épingle à cheveux pour un ajustement plus précis et plus serré du filetage. Pour ce faire, sur un tour il faut spécifiquement ne pas couper le filetage, afin de le laisser pour le passage de la goupille elle-même. Ensuite, l'écrou mobile se déplacera fermement et sans jeu. Le jeu est également supprimé en augmentant la longueur de l'écrou tournant. Déjà à une longueur de 35 à 40 mm, le jeu disparaît complètement. Sur Internet, vous pouvez trouver de nombreuses conceptions avec un double écrou de roulement réglable, qui peut également supprimer le jeu, mais son inconvénient est qu'il complique considérablement la conception. Si vous utilisez votre machine CNC pour un passe-temps, un écrou ordinaire en caprolon vous servira très, très longtemps - plusieurs années certainement ! Je les ai toujours, même si j'en ai même vu de l'aluminium.

L'écrou de roulement de ma grande machine CNC tourne tout seul autour d'une vis fixe, nous le soutenons donc des deux côtés avec des roulements et le fixons assez fermement entre deux plaques d'aluminium. Les sièges des roulements sont fraisés dans ces plaques. Ce n’est pas grave si les sièges s’avèrent un peu tordus. L'aluminium est très mou, le roulement peut donc être pressé fermement dans un étau à l'aide d'entretoises en contreplaqué. Et c'est encore mieux, car il faut éliminer complètement le mouvement longitudinal de l'écrou dans l'espace entre ces deux plaques. Pour la fixation rigide des plaques entre elles, ainsi que pour transmettre le mouvement de translation de l'écrou au chariot de la machine, on utilise tôle 4 à 5 mm d'épaisseur (le voilà - le morceau de fer rouillé et débraillé sur la photo). Ce qui manque sur la photo, c'est un groupe de plaques similaire dans le plan horizontal (juste sous l'écrou) - je terminerai cela plus tard.

Il ne reste plus qu'à transférer la rotation du moteur pas à pas vers l'écrou. Je prévois de le faire en utilisant une courroie de distribution. Mais le problème, c'est que je devrai fabriquer mon propre équipement personnalisé, ce que je n'ai jamais fait auparavant.

Pour fabriquer mon propre matériel, j'ai dû souffler un peu. Et j'ai dû souffler devant l'ordinateur. J'ai écrit mon propre programme pour calculer des poulies avec des paramètres donnés, car je n'ai rien trouvé d'utile ou de gratuit. A été pris comme base ouvrir le fichier sur Thingiverse dans OpenSCAD, que j'ai réécrit en Python et exporté au format DXF. J'ai fabriqué l'équipement en caprolon - il s'agit d'un plastique structurel durable et facile à traiter. En plus de l'engrenage lui-même, la courroie crantée a également besoin d'un galet tendeur (alias tendeur) pour la courroie. Je l'ai également fabriqué en caprolon, mais j'ai inséré un roulement à l'intérieur.

Après avoir installé l'écrou rotatif sur la machine, j'ai un peu souffert avec les poulies des moteurs, qui continuaient à glisser en raison de la vitesse de rotation très élevée et de la tension élevée. J'ai même dû percer les puits moteurs pas à pas petites rainures et fixez les poulies sur les arbres avec des vis Allen. Mais au final, le résultat était satisfaisant : sur toute la longueur de la vis mère, l'écrou se déplaçait en douceur et ne faisait pas bouger la vis du tout.

La réduction de l'écrou tournant s'est avérée être de 30:12 (30 dents sur l'écrou, 12 dents sur la poulie moteur), c'est-à-dire La boîte de vitesses augmente le couple moteur de 2,5 fois. La résolution de la machine sur une épingle à cheveux avec un pas de 2 mm/tour s'est avérée être de 0,004 mm (2 mm/tour ÷ (200 pas/tour * 2,5)).

Dans un entraînement d'axe CNC, un engrenage est utilisé pour convertir le mouvement de rotation d'un arbre moteur en mouvement linéaire le long d'un axe. Pour vous faciliter la sélection d'un engrenage CNC, les types d'engrenages les plus couramment utilisés dans les machines CNC sont répertoriés ci-dessous. Les transmissions exotiques pour le secteur du bricolage, comme les servomoteurs linéaires et les moteurs pas à pas linéaires, resteront en dehors du cadre de cet article pour des raisons pratiques, et les plus courantes seront considérées.

Transmission vis-écrou

Par transmission vis-écrou, on entend une paire de vis en acier à filetage trapézoïdal ou métrique et un écrou. Ce type de transmission est une transmission à friction glissante et en pratique, à son tour, il en existe plusieurs variétés.

• Goujon et écrou de construction. L'option la plus économique. La goupille de construction n'est pas du tout destinée à être utilisée dans l'industrie des machines-outils ; le processus technique de sa fabrication est destiné à être utilisé dans l'industrie de la construction, de sorte que ce type de transmission présente l'ensemble le plus complet d'inconvénients - une erreur élevée. , faible rectitude, faibles caractéristiques de charge, faible résistance à l'usure, frottement élevé, etc. Cependant, il est encore utilisé dans les machines de bricolage fabriquées à des fins pédagogiques en raison de son faible coût. Si vous décidez à tout prix d'économiser du matériel et d'installer une goupille de construction, pensez bien à la possibilité de la remplacer par une vis trapézoïdale ou une vis à billes ! Très probablement, la machine sur une broche de construction ne sera pas à la hauteur de vos espérances.
• Vis d'entraînement à filetage trapézoïdal ou rectangulaire. La vis à filetage trapézoïdal est le type de transmission le plus courant dans les machines à travailler les métaux au siècle dernier et jusqu'à nos jours. Les vis trapézoïdales sont produites à partir de différents types d'aciers au carbone structurels en coupant des filetages sur une barre d'acier ou en les roulant. Les vis moletées ont des caractéristiques nettement meilleures que les vis filetées. Large application Les vis trapézoïdales sont déterminées par leur large gamme et la disponibilité sur le marché de vis de différentes classes de précision, de C10 à C3. L'écrou à vis est constitué de matériaux résistants à l'usure, tels que les polyamides (caprolon, nylon), le téflon, le bronze. Correctement conçu et fabriqué engrenages trapézoïdaux se caractérisent par une résistance élevée à l'usure, car le frottement se produit à faible pression (en raison de la surface de frottement relativement grande). Sur de nombreuses machines de fabrication soviétique encore en état de marche, les paires sont en place depuis la sortie de la machine et n'ont pas été modifiées depuis 30 à 40 ans. Il est également possible d'utiliser des écrous fendus sur de telles vis-mères, ce qui permet d'ajuster la tension en comprimant l'écrou et de sélectionner le jeu qui apparaît dans le temps. Parmi les inconvénients, il convient de noter, curieusement, la facilité de fabrication de la vis, ce qui signifie automatiquement la présence de nombreux fabricants, avec une très large gamme d'indicateurs de qualité. Les vis des séries économiques sont fabriquées en acier #45 sans durcissement de surface, ce qui peut perturber la rectitude de la vis (en d'autres termes, les vis de petit diamètre sont molles et se plient souvent pendant le transport). Les inconvénients et les avantages incluent à la fois un frottement élevé dans la transmission. D'une part, cela réduit l'efficacité ; un moteur plus puissant est nécessaire pour faire tourner l'hélice. En revanche, le frottement amortit quelque peu les vibrations de rotation de la vis, ce qui peut être utile lors de l'utilisation de moteurs pas à pas (voir résonance des moteurs pas à pas). Cet effet est cependant plutôt faible et d’autres méthodes sont nécessaires pour lutter contre la résonance. En résumé, nous pouvons dire que la vis trapézoïdale n'a pas encore perdu de son importance en tant que transmission de machine-outil CNC et est utilisée avec succès dans les machines-outils de toutes classes.
• Vis à billes() La vis à billes, ou vis à billes (également appelée « vis à billes »), est actuellement le standard de facto dans la construction de machines CNC. Une vis en acier avec chemins de roulement à billes, trempés par induction puis rectifiés, et un écrou spécialement monté avec des billes circulant à l'intérieur. Lorsque la vis tourne, les écrous roulent le long des chemins de roulement, transmettant la force au corps de l'écrou. Cette transmission est très précise, haute efficacité(80, 90% ou plus) et ressource. Les vis à billes sont plus souvent utilisées dans les machines CNC, car leur utilisation permet l'utilisation de moteurs de moindre puissance (des forces de rupture aussi importantes ne sont pas nécessaires comme dans le cas d'une transmission vis-écrou). La vis à billes est fournie par paire complète, ne nécessite pas de réglage de l'écrou et ne nécessite souvent pas de traitement des extrémités pour l'installation dans les supports - ceci est effectué par le fabricant, c'est-à-dire Les vis à billes sont souvent plug and play, tandis que les vis trapézoïdales ont souvent des écrous et des vis fabriqués en différents endroits, et peut nécessiter un ajustement minutieux, sans lequel des espaces, un jeu, une friction accrue, une usure, etc. peuvent se produire. Une vis à billes supporte moins bien la sciure, la poussière et le manque de lubrification qu'une transmission vis-écrou ; si un corps étranger, même très petit, pénètre à l'intérieur, la transmission peut se bloquer, car ; les billes adjacentes dans le canal tournent dans la direction opposée. Souvent requis protection supplémentaire visser en utilisant des matériaux ondulés. Les vis à billes, ainsi que les vis trapézoïdales, ont des limites de longueur - une vis trop longue s'affaisse sous son propre poids et lorsque la vis tourne (la vitesse de rotation de la vis par incréments de 5 mm dans les machines à portail atteint 10-15 rps et plus haut), il se comporte comme une corde à sauter, ce qui fait vibrer la machine, et les composants fixant la vis subissent des charges de choc, leur durée de vie diminue rapidement, en sièges Des espaces apparaissent, ce qui augmente les vibrations de la machine et réduit la qualité des produits fabriqués. L'expérience montre que le rapport entre le diamètre de la vis à billes et sa longueur ne doit pas être inférieur à 0,022 et qu'il n'est pas non plus recommandé de dépasser la longueur de la vis de 2 000 mm. Pour éliminer l'effet "corde à sauter", des conceptions avec une vis fixe et un écrou rotatif sont utilisées, mais de telles unités sont généralement beaucoup plus chères et plus difficiles à fabriquer, et nécessitent également de l'espace, ce qui n'est pas toujours possible. implémenter sur des portails compacts. Si vous envisagez d'éteindre parfois les moteurs d'entraînement et de faire fonctionner la machine manuellement, il est préférable de ne pas utiliser de vis à billes - une transmission sans auto-freinage peut vous causer beaucoup de problèmes. Pour plus d'informations sur les types de vis à billes et leurs caractéristiques, consultez l'article principal.

Engrenage

Comment sélectionner un engrenage pour une machine CNC

Pour sélectionner la vitesse pour la machine CNC, le choix doit être basé sur les caractéristiques les plus critiques pour votre machine. Les transmissions à vis-écrou sont utilisées là où il n'y a pas d'exigences élevées en matière de précision et de vitesse de mouvement, si un freinage automatique est requis de la part de la transmission, ainsi qu'en cas de restrictions budgétaires strictes. Les vis à billes ont la plus large gamme d'applications ; vous pouvez acheter des vis à billes avec la classe de précision, le pas dont vous avez besoin, la possibilité de créer une précharge ou sans. Le seul cas où une vis à billes ne peut pas être utilisée est si un freinage automatique est requis de la transmission. Cependant, s'il s'agit de freiner la transmission pour des raisons de sécurité (en maintenant la tête de broche), alors le problème est résolu en utilisant un électromagnétique. frein sur le moteur, un contrepoids, etc. La crémaillère et la courroie sont utilisées dans les machines ayant une grande surface de travail - à partir de 1,5 mètres carrés - principalement pour atteindre des vitesses de coupe et des mouvements à vide élevés. Sur des machines de cette taille, l'objectif n'est pas d'atteindre une précision de plusieurs dizaines de microns ; 0,2-0,3 mm est largement suffisant dans la plupart des cas, donc l'extensibilité de la courroie et la précision de l'engrenage à crémaillère ne sont pas un obstacle. à leur utilisation.

Ainsi, si vous possédez une grande machine de découpe, vous devez choisir un entraînement à crémaillère ou par courroie. Si vous possédez une fraiseuse et une machine de gravure de bureau à des fins éducatives ou de loisirs, une transmission vis-écrou vous convient. Si vous construisez une machine moyen format pour le commerce, la production, choix optimal il y aura une vis à billes. Après avoir choisi le type, vous devez décider des paramètres de transmission spécifiques.

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