(На видео снято фрезерование карбоновой детали толщиной габаритами 42х42x1мм. Фреза «кукуруза» диаметром 1 мм, скорость фрезерования 3 мм/сек, два прохода. Вся работа заняла чуть меньше 6 минут.)

  Продолжаем рассказывать о модифицированном станке CNC 2417 (Предыдущая статья цикла). Чтобы выполнить фрезерование, сначала надо приготовить G-код. Как я говорил, я пользуюсь для этой цели бесплатной программой FreeCAD и не буду здесь объяснять, как создать модель детали. Для этого есть большое количество видео на YouTube и есть обсуждения на форумах . Если вы собираетесь учиться работать на этой программе, мой совет — для начала создайте не очень сложную модель — скорее всего у вас все получится даже с первого раза. Всякие сложные операции типа закруглений граней детали — оставьте на потом. После того как вы изготовили модель, Вам будет необходимо сгенерировать G-код пользуясь рабочим окружением “Path”. Это тоже достаточно сложно - необходимы некоторые специфические знание, я собираюсь написать отдельную статью на эту тему. Но а пока будем считать, что командный G-код получен. Нужно загрузить его в станок и исполнить.

Управление станком. Работа с G-кодом.

 Чтобы загрузить G-код в станок, я использую программу Candle. Тут есть небольшая сложность - текущая поддерживаемая версия Candle работает с языком GRBL 1.1 а контроллер нашего станка почему-то поддерживает GRBL 0.9 и поэтому некоторые функции Candle, например перемещения каретки, не работают. Наверное, существуют способы перешить контроллер на GRBL 1.1 перешить, но я решил не экспериментировать, а использовать старый Candle версии 1.0.10.
  Итак, мы подключили станок и загрузили в Candle файл с  G-кодом. В окне программы видим нашу деталь:

 На самом деле каждый станок имеет свои особенности, шаговые двигатели подключены по разному, ну а в нашем случае верх и низ детали в окне Candle перевернуты. Конечно, было бы хорошо найти в настройках Candle установки "Инвертировать X", "Инвертировать Y", но я их почему-то не нашел, поэтому пришлось компенсировать особенности станка вручную. В  Candle деталь можно вращать и масштабировать нажимая на клавиши клавиатуры и мыши.  Чтобы компенсировать инверсию осей, деталь нужно развернуть вот так:

  Нижняя сторона детали на экране теперь соответствует ближней части детали, установленной на станке, а движение фрезы происходить в тех же направлениях, как и на станке. Как видно, центр координат находится в нижнем (ближайшем к нам) левом углу координат и точно на поверхности заготовки.  FreeCAD и в других программы так же имеют средства для установки специальной системы координат станка. Так как наш станок имеет "перевернутую" систему координат, то в программе моделирования надо будет установить начало координат в  верхнюю-правую-дальнюю вершину на моделе детали.


Вот так, например, выглядит модель и траектория движения фрезы во FreeCAD-е. Но об этом поговорим в отдельной статье. 

Установка фрезы в начало координат

 Начало системы координат выбрано таким образом, чтовы в эту точку легко было подвести фрезу и сбростит координаты станка в "ноль" -  (0, 0, 0). Для этого ставим "большой шаг" перемещения  и кнопками ,, , ведем фрезу к левому ближайшему углу заготовки, затем включаем шпиндель и мелкими шагами  опускаем фрезу до тех пор, пока она не коснется поверхности материала. Точка касания фрезой поверхности заготовки и есть правильное положение начала координат. «Обнулить» координаты станка необходимо нажатием кнопок , .  Все - станок готов вырезать деталь, осталось лишь нажать кнопку .

Проверка перед началом фрезерования.

СТОП!!! Нельзя сразу после загрузки файла начинать фрезеровать деталь. Станок вырежет деталь, если вы 100% все сделали правильно. А  если вдруг неправильно то можно:
 - вырезать деталь с ошибками - траектория фрезы может непреднамеренно выйти за габариты заготовки.
 - сломать фрезу, задев ей за посторонние предметы (очень часто этими предметами бывают крепежные винты) 
 - послать каретку станка в положение находящееся за гранью ее возможного перемещения - произойдет сбой системы координат.
 - начать фрезеровать столик станка - испортить столик и/или сломать фрезу.
 - сместить деталь боковым нажимом фрезы.
 - еще куча всяких непредвиденных проблем...

Поэтому, здесь не следует торопиться - перед фрезерованием крайне желательно выполнить следующие операции:
 - Проверить соответствие параметров модели и реальных параметров фрезерования (тип и диаметр фрезы, толщина материала, скорость фрезерования и т.д).
 - Проверить надежность крепление фрезы в цанге.
 - Проверить надежность крепления заготовки.
 - Изучить габариты перемещения фрезы, особенно погружение фрезы по оси Z, в окне программы Candle габариты траектории фрезы отображены в нижнем левом углу:
    
 - Сделать «холостой проход», когда фреза вынута из цанги, или просто приподнята над деталью на несколько миллиметров и станок имитирует вырезание.

 Короче, не начинайте операцию фрезерования, пока нет 146% уверенности правильности всех действий. Не пытайтесь сэкономить время на подготовки этапа фрезерования — материал, фрезы и потерянное время стоят дороже :).

  Теперь поговорим о непосредственно об элементах операции фрезерования.

Крепление детали.

 Деталь крепится на станке с помощью крепежных зажимов. Я использую простые зажимы с Алиэкспресса:

Чтобы не испортить столик, под заготовку необходимо установить подложку толщиной 3-5 мм. Для дешевых и мягких материалов типа полистирола или фанеры это может кусок толстого картона или оргалита (можно купить в багетной мастерской).  Для листового карбона это должен быть жесткий материал — лучше всего подходит листовое оргстекло, которое можно заказать на Алиэкспрессе или же купить  палитру для смешивания красок в магазине канцтоваров.

  При фрезерование карбона боковое давление на фрезу может привести к смещению заготовки, чтобы этого избежать я приклеиваю карбоновый лист к оргстеклянной подложке резиновым клеем  UHUpor. Такая приклеенная заготовка еще хороша тем, что после полного отрезания детали предотвращает ее случайное всасывание в шлаг отсоса. Резиновый клей не очень прочный - отделить готовую деталь от подложки можно медленно приподняв ее отверткой. Остатки клея с детали удаляют бензином.

Использование карты высот.

 Станок CNC 2417 во всех аспектах не особенно точный. Неортогональность осей и неконтролируемый изгиб листового материала приводят к тому, что передвижение фрезы в горизонтальном направлении так же обычно приводит к изменению вертикального расстояния от фрезы до поверхности детали. Для небольших деталей размером до 5 см эта ошибка относительно маленькая и ей можно пренебречь. В случае большой детали она становится значительной - из-за нее  деталь может быть недорезана по толщине, или наоборот, фреза будет очень глубоко резать подложку, снижая тем самым производительность процесса. Механически откорректировать неортогональность осей станка или неидеальность заготовки сложно — проще эту ошибку компенсировать программно. Для этого в программе Candle используется карта высот “height map” - таблица, где заложены значения компенсации по оси Z для каждой области детали (обычно вся деталь разбивается на квадратики и для каждого квадратика устанавливается компенсационное значение высоты).

 Карта высот очень важна для фрезерования печатных плат, так как в этом случае необходимо точно снять с платы слой меди толщиной около 0.1 мм. В этом случае такая карта строится автоматически, с помощью специальной контактной пробы, которой станок касается опорных точек в вершинах квадратной сетки на всей поверхность заготовки. Потом по этим точкам полиномиальной экстраполяцией Candle строит модель поверхности детали. Для фрезерования карбона карта высот выполняет вспомогательную роль, проба не нужна -  обычно бывает достаточно простейшей карты, состоящей из 4-х квадратиков, где каждой ячейке храниться относительная высота поверхности заготовки в 4-х углах детали. Эти точки определятся вручную — нужно перемещать фрезу и коснуться ей углов габаритного прямоугольника, внося в таблицу координату Z фрезы в момент касания. Объяснять весь процесс долго, много тонкостей, но на практике это все получается интуитивно и не так сложно, как кажется.

  Под картинкой находится таблица размерностью 2х2. Это и есть карта высот. С начала сложно понять, какая ячейка таблицы какому углу соответствует -  таблица также перевернута, как и рабочая зона станка, но картинка очень наглядна, можно экспериментировать - в процессе работы все станет понятно.
   Перед запуском G-кода, чтобы активировать карту высот, надо надо поставить галку .

Выбор фрезы.

  Я, в основном, работала с 2-мя типами фрез, которые были куплены куплены на Aliexpress-e.
- Для резки карбона фреза «кукуруза» 0.8 - 2 мм из карбида вольфрама.

- Для полистирола, оргстекла и дерева 2-х проходная "прямая" твердосплавная фреза 1.0 — 2.5 мм.

Можно конечно было использовать и другие типы фрез, но как-то мне они пока не понадобились.

Как выбрать правильные параметры фрезы?

 Фрезы малых диаметров используются там, где есть мелкие отверстия и пазы, но скорость резки такими фрезами относительно низкая. Чем диаметр больше, тем выше можно сделать скорость фрезерования, но тем больше нагрузка на подачу, тем больше шум, производимый фрезой и тем больше опилок. По моему опыту, для домашнего фрезерования лучше всего подходят фрезы 0.8 - 2.0 мм диаметром. Они, при фрезеровании, шумят не сильнее работающего пылесоса, при этом обеспечивая необходимую скорость и глубину резки.
  Длина рабочей поверхности фрезы тоже важна — при работе длинная фреза сильнее гнется и легче ломается. Фрезы лучше выбирать «разумно» короткие — если фрезеруешь карбон 2 мм толщиной, то вряд ли нужна фреза с длиной рабочей части более 10 мм. Короткая фреза меньше гнется -  возрастет точность фрезерования и можно сделать выше скорость подачи.
 Материал фрезы тоже важен - обычно фрезы из хорошего материала стоят дорого. И с другой стороны, на Алиэкспрессе мне уже встречались бракованные фрезы, которые были недостаточно закаленными и ломались через несколько минут работы даже при медленной «щадящей» подаче. Поэтому, при покупке фрезы выбирайте надежного поставщика и внимательно изучайте отзывы.
  Диаметр хвостовика у всех моих фрез одинаковый - 3.17 мм. Так же обращайте на это внимание - очень удобно иметь фрезы одного типа - не надо менять цангу при замене инструмента.

Выбор скорости подачи и ошибки фрезерования.

  В целом, максимальная скорость подачи обычно лимитирована прочностью фрезы и силой подачи станка. CNC 2417 имеет достаточно сильные горизонтальные подачи, по крайней мере может обеспечить боковое давление около 3-5 килограммов, что вполне достаточно для резки мягких материалов. Любая фреза при большой боковой нагрузке заметно гнется и отклонение кончика фрезы происходит не только в направлении противоположном движению, но и в боковом направлении, так как фреза трется о материал режущей поверхностью и "уходит в сторону". Нагрузка на фрезу растет с увеличением скорости подачи, а точность падает, поэтому, выбирайте разумную скорость фрезерования.
  Если при выполнения G-кода чувствуется, что скорость подачи выбрана неправильно и ее надо увеличить или уменьшить, нет острой необходимости генерировать новый G-код. В Candle скорость подачи при фрезеровании можно подстраивать ползунком . Ползунок активен только во время исполнения G-кода.

Особенности фрезерование материалов

  Кратко о моем опыте фрезерования материалов:

Листовой карбон (толщина 0.5 — 2 мм) — я использовал фрезы «кукуруза» диаметром 0.8 — 2.0 мм. Проход велся с горизонтальной и вертикальной скоростью 1 — 2 мм в секунду с углублением не больше диаметра фрезы.

Листовой полистирол (5 мм) — я использовал прямые 2-х проходные фрезы. 1.0 — 2.5 мм. У полистирола есть особенность — он легко плавится. Поэтому его надо фрезеровать быстро и неглубоко, не давая материалу сильно нагреться. Заглубление фрезы желательно выбрать около 1 - 2 мм, а горизонтальную и вертикальную подачу около 10 мм/сек (Эта скорость кажется завышенной, но она действительно необходима!).

Алюминий — я пробовал фрезеровать алюминий разными типами фрез, но пока безуспешно, вероятно нужны специальные фрезы для резки алюминия. Все мои фрезы очень быстро забивались алюминиевой стружкой и ломались. Потом, я прочитал, что для охлаждения фрезы необходимо использовать керосин, который и предает металлообрабатывающим мастерским характерный запах! Слишком много сложностей, поэтому я  пока не рекомендую фрезеровать металлы в домашних условиях.

Дерево и фанера (1 — 8 мм) — очень хороший материал для фрезерования - использовал прямые 2-х проходные фрезы 1.5 — 2.0 мм. Скорость резки 2-3 мм в секунду в зависимости от углубления. Материал толщиной до 3 мм режется за один проход.
  В обсуждении одной из статей, Константин задавал мне вопрос — можно ли укрепить на станке лазер и использовать его для резки древесины?? Ответ - наверное можно, но вряд ли нужно — фрезой дерево режется очень быстро, механическое фрезерование явно быстрее лазерной резки и, конечно, нет дыма и ужасного запаха.

  Площадка для сервопривода, фанера 52х30х3мм, фреза диаметром 1.5 мм, подача 3 мм/сек, 1 проход, время фрезерования около 1 минуты  30 секунд.

  Моторама, фанера 60х35х8мм, фреза 1.5 мм. подача 2 мм/сек, 2 прохода, время фрезерования около 5 минут.

Заключение

  Ну вот и все, что я хотел рассказать. Я собрал станок около 2-х месяцев назад и еще не изучил все его возможности - каждый день открываю для себе его новые стороны. Но даже сейчас он уже кардинально изменил мои подходы к изготовлению авиамоделей до такой степени, что я уже не понимаю, как без него можно обходится :). Так как я всегда все делаю с некоторыми дальними планами, то надеюсь, что через некоторое время я здесь опубликую статью о авиамодели, построенной на основе фрезерованных карбоновых элементов.

 И, в заключение, видео о фрезеровании пластмассы.

  Пресс-форма, полистерол 110х80х5 мм. Фреза 1.5 мм. Подачи 10 мм/сек. 5 проходов, общее время фрезерования — около 6 минут.

(Продолжение: Домашний CNC - полтора года эксплуатации)