Сборка самодельного копировально фрезерного станка

Основы процесса фрезерования

Практически на всех крупных промышленных производствах и в небольших мастерских можно встретить станки фрезерной группы. Ведь операция фрезерования — самый популярный способ механической обработки изделий. С помощью фрезеровальных устройств выполняют черновые, получистовые и чистовые обработки заготовок из дерева, черного и цветных металлов, а также пластика. Современные станки способны быстро и высокоточно обрабатывать изделия не только простых, но и самых сложных форм.

Фрезерные машины делятся на два вида:

• Станки общего назначения.
• Специализированное оборудование.

К специализированному оборудованию относятся рассматриваемые копировальные фрезеры. Они позволяют делать копии предметов и работают как с плоскими, так и объемными формами. Более того, эти устройства могут помочь выполнить гравировку, нанести орнаменты, различные надписи, создать различные узоры на гранях, которые расположены в различных плоскостях.

Существуют два способа фрезерования:

• Встречное, при котором инструмент подается и вращается в различные стороны.
• Попутное. В этом случае подача и вращение инструмента происходит в разных направлениях.

Режущее полотно фрез таких станков может быть из самых разных материалов, что позволяет успешно переходить с обработки деревянных изделий на твердые металлы и даже натуральные или искусственные камни.

ЧПУ на мускульной тяге (3D Пантограф)

В современном мире, в сообществе людей любящих делать вещи своими руками и при этом не чурающихся технологий, чрезвычайно популярна такая вещь как настольный ЧПУ-станок. Хоть эти устройства стали и достаточно доступны, но все еще остаются дорогими. Самый дешевый китайский вариант, на сегодняшний день, обойдется вам в 700-800 американских денег и он наверняка не заработает сразу из коробки, а потребует приложить усилия для доведения его до ума. Изготовление станка с ЧПУ самостоятельно может обойтись дешевле, но обычно требует доступа к разного рода деревообрабатывающему и металлообрабатывающему оборудованию и умения с его помощью изготовлять детали с высокой точностью.
Но люди всегда ищут способов достичь цели доступными средствами. В некоторых задачах для станков с ЧПУ, а именно когда нужно повторить многократно одну и ту же деталь, может помочь изобретенный еще в 1603 году Кристофом Шейнером пантограф — устройство для копирования карт, планов и других векторных рисунков.

Классический пантограф состоит из двух вершин, в одной из которых закреплена рукоятка-указка, с помощью которой обводят копируемый рисунок. Во второй закреплен пишущий инструмент, который через систему рычагов и шарниров повторяет движения первой вершины рисуя копию на втором листе. Зачастую в пантографы заложена функция масштабирования оригинального изображения.

Простая и гениальная идея. Теперь, а как скопировать некий объемный объект? Для этого нужно добавить в пантограф связь по Z-координате и заменить карандаш на бормашину, а лучше высокоскоростной шпиндель, и мы получим 3D пантограф.

Станки для копирования деревянных изделий на таком принципе производит например американская фирма Gemini да только цены на них такие, что за эти деньги можно купить неплохой ЧПУ-станок из Китая. Поэтому интересней чего в этой области достигло DIY сообщество.

Франк Форд (Frank Ford) занимается изготовлением акустических гитар. При этом ему приходится делать множество идентичных гитарных частей, таких как держатели для струн. Устав делать это вручную, но не желая заморачиваться с покупкой и настройкой ЧПУ, он изготовил для себя дупликатор. Т.к. ему была важна высокая точность копирования, его инструмент сделан целиком из металла. Щуп, которым снимается форма и шпиндель закреплены на общей раме, которая перемещается только по оси Z. Перемещение по осям X и Y осуществляются с помощью стола, на котором закреплены заготовки. Еще оригинальным в его конструкции является то, что в качестве шпинделя он использует пневматический привод работающий на 40 000 оборотах в минуту.

Тем не менее, хоть это и самодельный, но все еще дорогой вариант 3D пантографа. Есть и подешевле.

Например Адран (Adran), мечтая о собственном станке с ЧПУ, но не имея на это средств. Сконструировал себе дупликатор из бормашины Dremel, трех металлических направляющих и деревянных планок стандартных размеров из магазина. В качестве щупа используется обычная отвертка. Его конструкцию можно легко повторить, т.к. он выложил чертежи и все этапы изготовления на сайте Instructables.

Однако ручная бормашинка, не самый удачный инструмент для такой работы, скорость снятия материала у нее маловата. Вот Маттиас Вандель (Matthias Wandel) из Канады использовал в своем 3D пантографе ручной фрезер. Что дало ему достаточную мощь для быстрого копирования предметов в дереве. В качестве примера работы с таким дупликатором вот его видео, где он делает копию формы старого дискового телефонного аппарата (английский язык).

Его конструкцию так же можно повторить, т.к. он выложил чертежи и инструкции по изготовлению на свой сайт Woodgears.ca. Даже если вы не дружите с английским, там легко можно понять весь процесс по многочисленным фотографиям.

Если тема 3D пантографов вас заинтересовала, то на англоязычных ресурсах примеры таких устройств можно найти по тегам: carving duplicator, duplicarver, pantorouter.

Принципы работы

Общим элементом для всех фрезеров копировальных по дереву или металлу является фреза — режущий и обрабатывающий инструмент.

Основные моменты работы фрезерного устройства:

• 
  С помощью копира задается поверхность или контур, который затем повторяет фреза.

• Между узлом слежения и режущей фрезой расположена соединяющая их система. При обработке деревянных изделий она чаще всего имеет механическое управление и подачу. Кроме механической применяют пневматическую или гидравлическую систему.
• Копиром может является или плоский шаблон, или эталонная объемная заготовка, фотоэлемент или чертеж. В сложных станках встраивается ЧПУ, и тогда они превращаются в широкоуниверсальные.
• Детали, выступающие шаблонами, могут быть сделаны из чего угодно. Это может быть дерево, металл, пластмасса или другой плотный материал.

Все копировальные станки работают по одному принципу: к образцу любого типа подводится следящее устройство, которое через соединительную систему передает необходимое направление и усилие на режущий узел — фрезу.

Использование шаблона-образца исключает ручное вмешательство и поэтому даже при изготовлении копий сложных деталей, все полученные изделия одинаковы по форме и размерам. Копировальное фрезерование бывает контурное, объемное и прямого действия. Обрабатываемая заготовка и первоначальный шаблон закрепляют на перемещающейся рабочей поверхности станка.

При контурном копировании рабочая поверхность перемещается в продольном направлении. Во втором случае, при объёмном копировании, стол с копиром и заготовкой подвижны и в поперечном, и в продольном направлениях.

Узел между копиром и фрезой, который точно задает движение и силу режущему инструменту называется пантограф. По дереву или другому материалу пантографы работают одинаково безошибочно.

Пантограф используется в станках прямого действия. Этот узел позволяет организовывать не только копирование, но и масштабирование деталей. Часто такие станки используют для гравировальных работ.

Пантограф состоит из направляющего пальца, его оси, отдельной оси вращения и инструментального шпинделя. Направляющий палец вместе со шпинделем размещены на одной планке. Масштаб копирования напрямую зависит от соотношения плеч шпинделя и пальца.

Палец перемещается по контуру оригинала и приводит в движение рейку, которая свободно вращается на оси. Таким образом, шпиндель, расположенный на другой стороне рейки, повторяет движение пальца.

Режущая кромка приходит в движение при помощи винта, золотникового клапана, соленоида, электромагнитной муфты. В усилительном устройстве копировально фрезерного станка по металлу используется реле. Оно может быть электромагнитное, гидравлическое или электрооптическое.

Вращение передается от электрического двигателя при помощи цепи и гидравлического цилиндра.

Передача вращательного момента может быть многоступенчатой.

Качество полученной при копировании детали, а именно шероховатость, точность размеров и формы, напрямую зависит от скорости реагирования и перемещения следящего устройства. Хорошими результатами считаются: точность профиля две сотых миллиметра, а шероховатость должна соответствовать шестому номеру общепринятых стандартов.

Что такое копировально-фрезерное оборудование

Пантограф является важнейшим элементом станка.

Такое оборудование является уникальным, т.к. при своей сравнительно простой конструкции способно копировать сложные изделия, даже тонкой ручной работы.

По сути, агрегат был разработан для фрезерования криволинейных элементов:

1. Осуществляется это способом копирования по шаблонам. Они позволяют делать операцию точной максимально, без использования ручной работы. Данное свойство агрегата гарантирует, что изготовленные элементы будут идентичны по размеру и форме.
2. Вы можете применять при этом один образец для всех заготовок или использовать как шаблон уже готовые изделия.
3. Когда таких параметров недостаточно – есть возможность значительно повысить точность станка.

Обратите внимание! Инструкция рекомендует комплектовать его для этого особым копирующим приспособлением. Называется оно «пантографом» и служит для точнейшего сообщения передвижения копирующего узла (головки) основному приспособлению, которое обрабатывает деталь.

Когда шаблон имеет много тонких изящных деталей, станок с пантографом незаменим.

Конструкция агрегата

На фото- настольное устройство с механическими прижимами.

Копировально-фрезерные агрегаты дают возможность обработки рельефов или профилей:

1. Заготовки обрабатываются особым инструментом – фрезой, сделанной из твердых сплавов.
2. Она повторяет в полном объеме передвижения копира, который воспроизводит очертания шаблона.
3. Копир оснащается электронной либо механической связью, имеющей систему слежения и отвечающей за траекторию перемещения инструмента.
4. Копиром может выступать плоский либо трехмерный образец, а также контурная схема либо модель-эталон.
5. При этом особый щуп регистрирует контуры детали. Далее эти данные сообщаются инструменту.
6. В наиболее современных станках щуп заменяется фотоэлементом, имеющим увеличенную точность.

Обратите внимание! Пантограф в описываемых агрегатах играет важнейшую роль. Он оборудуется специальным направляющим«пальцем».

Тот перемещается по копиру, при этом с максимальной точностью определяя геометрические параметры образца. От пропорций «плеч» пантографа зависит итоговый размер полученной копии.

Станок «Дупликарвер»

Агрегаты этой марки самые качественные.

Наиболее популярным брендом копировально-фрезерных станков являются агрегаты марки «Дупликарвер»:

1. Его режущим инструментом является фреза из твердых сплавов, воспроизводящая на заготовке контур либо поверхность копира.
2. Тот имеет механическую, гидравлическую либо пневматическую связь с отслеживающей системой, определяющей направление перемещения фрезы. Резак воздействует на усилительное приспособление и влияет на исполнительный узел.
3. Копиром может быть плоский или пространственный шаблон, контурная схема, эталонный образец. Копировальным приспособлением может выступать палец, фотоэлемент, щуп либо ролик. Данный узел и заготовка размещаются на вращающемся рабочем столе.
4. Исполнительным органом агрегата могут быть соленоид, дифференциал, винт, муфта электромагнитная, золотник. В усилительных узлах используется гидравлическое, электрооптическое либо электромагнитное реле.
5. Скорость передвижения отслеживающего приспособления определяет уровень точности профиля (до 0.02 мм), а также степень шероховатости детали.

Исполнительный узел приспособления, состоящий из электромотора и фрезы.

1. В движение станок приводит электромотор и силовой гидроцилиндр.
2. Пантограф, дающий возможность повторять продукцию в заданном масштабе, обладает инструментальным шпинделем и осью вращения, а также направляющим пальцем. Тот размещается на оси и передвигается по копиру.
3. Во время этого перемещения шпиндель на детали описывает нужную геометрическую конфигурацию. Пантограф, благодаря пропорции своих плеч, определяет масштаб копирования.

Разновидности устройств

Копировальное оборудование может отличаться приводами, которые бывают различных типов.

На основе приводов различают:

• Устройства, имеющие пантограф, который позволяет обрабатывать детали в разных измерениях.
• Оборудование, у которого копир закреплен на поворотной планке подвижной по вертикали.
• Станки с поворотными столами. Устройство может иметь один шпиндель или несколько. Стол имеет круглую или прямоугольную форму.
• Фотокопировальные устройства.
• Оборудование с подачей за счет механических, гидравлических или электрических узлов.

Станки также отличаются степенью автоматизации и вариантами фиксации заготовок.

На основании этого устройства бывают:

• Настольные или ручные. Обрабатываемая деталь закрепляется механическим способом. Этот способ позволяет рассверливать отверстия на заготовке по заданному шаблону.
• Автоматические станки, на которых заготовки фиксируются пневматическими прижимами. Эти станки стационарного типа и на них работают с алюминием.
• Автоматические стационарные агрегаты имеющие пневматические пружины и трехшпиндельную головку. На такой конструкции можно одновременно сверлить тройные отверстия, что невозможно сделать на устройствах предыдущих типов.

На современном рынке есть множество предложений по готовым станкам различного уровня и сложности. Но некоторые мастера предпочитают изготавливать самодельные копировальные фрезерные станки по дереву или металлу. Если присутствуют чертежи, инструмент и исходный материал, то подобное оборудование собрать несложно.

Завершение работ

Следующим шагом является сборка копировального механизма для фрезера. Для этого надо подготовить следующие комплектующие:

• 4 линейки;
• 8 латунных втулок.

Линейки должны быть из оргстекла или пластика, их толщина — 4-5 мм. Также в качестве материала для изготовления линеек можно использовать плексиглас. Далее выполняется разметка этих линейных частей. К этому процессу следует подойти очень тщательно, поскольку малейшая ошибка в размерах может привести к неправильной работе пантографа.

На нанесенных разметках сверлятся отверстия. При этом должна соблюдаться их соосность. Чтобы этого добиться, нужно сложить все линейки вместе и одновременно просверлить в них отверстия.

Затем в подготовленные отверстия нужно вставить латунные втулки. При их установке должен соблюдаться небольшой натяг: это поможет втулкам плотнее держаться в линейках. Для того чтобы закрепить осевые части во втулках, нужно изготовить специальные зажимы. Сделать их можно из стальной закаленной проволоки, диаметр которой должен составлять 1-1,5 мм.

Затем выполняется сборка бобышки. В ее нижней части делаются глухие отверстия, которые можно пробить керном. Гвозди нужно установить таким образом, чтобы они выступали из тела бобышки на 2-3 мм.

Подготовив все необходимые части пантографа, выполняют их сборку.

Во время этого процесса нужно следить за тем, чтобы все подвижные части имели плавный и легкий ход.

При этом все подготовленные отверстия следует промаркировать. Согласно этой маркировке можно выполнять масштабирование изготавливаемой копии детали.

Давайте посмотрим внимательно вокруг нас, и мы увидим, как много одинаковых предметов вокруг. Они вроде бы похожи друг на друга, но отличаются размером, цветом …

Такое сходство называют подобием, т.е. понятием, характеризующим одинаковость формы объектов, независимо от их размеров. Вокруг нас великое множество подобных фигур. Подобие нас окружает. Вот некоторые примеры из нашей жизни.

Множество рисунков в детских раскрасках подобны друг другу.

Для того, чтоб их нарисовать, мы с вами можем использовать приспособление, которое называется пантограф.

Сегодня мы с вами сами сделаем простейший пантограф из трубочек для коктейля.

• 4 трубочки для коктейля (без гофры)
• 4 швейных булавки
• Узкий скотч
• Ножницы
• 2 фломастера

Как сделать пантограф для рисования

1. Соединяем трубочки булавкой на концах (булавка – ось вращения)
2. Берем третью трубочку, сгибаем ее пополам, прикрепляем булавками к середине двух первых трубочек.
3. У четвертой трубочки отрезаем кусочек длиной 3 см и приматываем его скотчем к сгибу третьей трубочки (сюда будем вставлять фломастер или карандаш).
4. У остатка 4 трубочки на длину 3 см разрезаем вдоль конец (как на рисунке).
5. Обхватили разрезанными кончиками фломастер и замотали скотчем.
6. Воткнуть булавку-фиксатор в первую трубочку (в свободный конец).
7. Сделать надрез в свободном конце второй трубочки на длину 2 см. На надрезанный конец второй трубочки надеваем 4 трубочку с фломастером.
8. Таким образом мы удлинили плечо пантографа.
9. Втыкаем булавку-фиксатор в 1 трубочке в основание. В держатель 3 трубочки вставляем фломастер. И рисуем! Смотрим, что фломастер на длинном плече (4 трубочке) рисует подобную фигуру, только больше размером.

Почему рисовать нужно фломастерами? Да потому, что конструкция получилась достаточно хрупкая, и требует минимум приложения усилий. А фломастеры, как мы знаем, рисую достаточно легко, не требуя нажима.

Но слово пантограф имеет много значений. Мы с вами сделали прибор для увеличения или уменьшения чертежей.

Это тоже пантографы: манипулятор для погрузочно-разгрузочных работ («механическая рука»)

Оборудование копировального типа используется в случаях, когда следует провести изготовление деталей по определенному шаблону в пределах небольшой партии. В некоторых случаях копировально-фрезерный станок применяется при условиях крупносерийного производства, как и разновидность с ЧПУ. Это связано с тем, что рассматриваемый станок способен проводить создание изделий, форма которых в наибольшей степени соответствует изначальному образцу, как и станках с ЧПУ, движение фрезы задается автоматически. Главная особенность, которой обладает копировально-фрезерный станок – высокая скорость обработки.

Изготовление своими руками

Полностью конкурировать с промышленными образцами самодельный копировальный станок для резьбы по дереву, конечно, не может. При эксплуатации самодельных устройств наблюдаются разнообразные недостатки.

Самые распространенные проблемы — это вибрация рамы станка, прогибание заготовки, большие погрешности при копировании. Поэтому при проектировании собственного станка следует учитывать задачи, которые он будет решать. Проще собрать узкопрофильное устройство, чем универсальное, сразу настроив его для решения однотипной задачи.

Несмотря на разнообразие схем, показывающих порядок сборки станка, все устройства имеют одинаковые основные узлы.

Минимальный набор элементов следующий:

• Стол рабочий.
• Рама несущая.
• Головка фрезерная.

Вращение с электродвигателя через привод передаётся на головку с фрезой. При необходимости сменить режим реза, меняется высота стола. При желании, для смены скоростей разрабатывают передаточный механизм.

Пантограф может быть собран из дерева или металла.

Пантограф по дереву имеет свой недостаток, поскольку деревянные части соединяются при помощи петель и, таким образом, им свойственен люфт. Поэтому точность обработки деревянного пантографа невысокая.

При изготовлении металлического пантографа появляется возможность создавать копии разного масштаба. Но он не умеет делать объемные копии.

Некоторые умельцы пытаются переделать обычный производственный фрезерный станок, добавив к нему копирующее устройство. В этом случае надо переделывать практически полностью весь старый станок и проще собрать агрегат с нуля.

Следует учитывать размер заготовок, которые должен будет обрабатывать станок. Чем больше длина заготовки, тем сильнее нагрузка на направляющие оси станка. Возможно, они неспособны будут выдержать такую нагрузку. А также при работе с крупными деталями, инструмент испытывает большие вибрации. Чтобы компенсировать момент вибрации, оборудование необходимо проектировать массивным и тяжелым.

Поэтому, в первую очередь перед созданием копировально фрезерного станка по металлу или дереву надо выделить задачи, которые будут решаться при работе на нём. Исходя из этого планируются размеры стола и всей конструкции, способы крепления шаблона и варианты перемещения фрезы.

Если планируется обработка плоских деталей, то для контурного копирования хватит двух осей станка, поскольку перемещение будет только продольное и поперечное.

Если рассчитывать на работу с рельефными заготовками, то потребуется добавить еще перпендикулярное движение.

Если же рельеф большой, то приходится рассчитывать на еще одну ось — четвертую.

Все возможные варианты надо продумать до начала изготовления станка, поскольку после изготовления и сборки всех узлов, очень сложно внести изменения в существующую конструкцию.

Компоновка станка может быть горизонтальной или вертикальной. Если станок вертикальный, то стружка во время фрезерования попадает либо на стол, либо в специальный поддон, а не оседает в деталях фрезы.

Для лучшего качества обработки изделия фрезерная головка должна быть высокооборотная.

Для обработки деталей из разных материалов, желательно иметь набор режущих фрез разного качества и износостойкости.

После определения круга задач, вычисляется необходимая мощность мотора. Для выполнения гравировки и подобных работ по дереву достаточно двигателя с мощностью от сто пятидесяти до двухсот ватт.

Рабочий узел и щуп закрепляются вместе так, чтобы они находились на одной плоскости и высоте по отношению к рабочему столу. В качестве крепления используется жесткий зажим. Тогда весь собранный элемент сможет перемещаться параллельно сторонам рабочей поверхности как горизонтально, так и вертикально.

Все подвижные узлы должны быть максимально легкими, чтобы управляющие усилия были минимальными.

Изготовление пантографа

Фрезер, оснащенный пантографом, позволяет в процессе работы выполнять повторение параллельных линий обрабатываемого изделия. Такая процедура облегчает изготовление фасонных деталей, различных орнаментов и узоров. Кроме того, с помощью пантографа можно выполнять различные надписи на металлических и деревянных пластинах.

Самодельный пантограф сделать не сложно, для этого только понадобятся 4 рычага-линейки. Три таких рычага должны быть длинными, а один — коротким. Кроме того, в них понадобится сделать несколько отверстий, чтобы произвести крепление осей.

Оси будут использоваться для установки механизма и крепления стержня. Осевой механизм представляет собой шпильку, на конце которой находится шляпка. Копировальная часть должна напоминать элемент циркуля, в котором крепится грифель. Такую стержневую часть можно изготовить из наконечника пластиковой спицы. Подобный наконечник будет мягко скользить в процессе работы и не испортит оригинальную деталь.

Также понадобится ось, на которую будет опираться вся механическая часть устройства. Она должна быть снабжена пяткой, выполняющей роль упора. Последняя или крайняя направляющая будет выполнять роль крепежа всей конструкции при помощи специальной бобышки.

Подобная бобышка должна быть изготовлена из алюминиевого цилиндра. В ее нижней части нужно закрепить 3 жала, которые можно сделать из маленьких мебельных гвоздей. С помощью таких гвоздиков будет выполняться фиксация основания на обрабатываемой пластине.

Вернуться к оглавлению

Правила техники безопасности

Поскольку инструмент является и электрическим, и режущим, он требует аккуратной эксплуатации и соблюдения элементарных правил техники безопасности.

Правила техники безопасности включают в себя:

• Размещать аппарат в помещении следует таким образом, чтобы к нему был свободный доступ.
• Само помещение должно быть хорошо проветриваемым.
• Перед включением нужно убедиться, что поверхность стола свободна он лишних предметов и ничего не мешает работе устройства.
• Все крепления, особенно фреза, должны быть надежно закреплены и не болтаться.
• Электродвигатель должен быть заземлен и не иметь повреждений.
• Нельзя прикасаться руками к вертящимся валам до полной их остановки.
• Любые ремонтные работы проводятся только при выключенном приборе и отключенном от электросети двигателе.
• Стоять во время работы нужно на резиновом коврике.
• После получаса непрерывной работы, необходимо выключить станок и дать деталям остыть.

Знание и соблюдение простых мер безопасности предотвращает травмы, порезы, ушибы, а иногда спасает жизнь.