CNC em Alumínio

No meu laboratório tenho utilizado como fresa uma furadeira vertical com mesa X-Y acoplada. A mesa é uma PROXXON M-70 comprada na Alemanha e a furadeira de coluna uma máquina chinesa semelhante à Ferrari. Acoplei um motor DC ao eixo maior da mesa de forma a facilitar a movimentação da peça mas o controle do eixo vertical é feito de forma manual e o sistema todo é muito impreciso.

Já tinha feito duas CNCs anteriormente, sendo uma para cortar asa de isopor de aeromodelo e outra de três eixos, essa última feita de MDF e perfis de alumínio. O resultado, infelizmente, não foi muito bom. Pouca precisão e muito atrito. Abandonei o projeto e resolvi partir para fazer uma CNC de alumínio, estruturalmente forte, pesada, pequena e com o máximo de precisão possível com os meus recursos. Resolvi me basear em um modelo de uma CNC que encontrei na internet.

Comecei comprando as barras e chapas de alumínio.

E após algumas semanas de trabalho, o resultado:

  

Meu objetivo foi construir as peças de forma que após a montagem da máquina não houvesse necessidade de ajustes, principalmente em relação a alinhamentos dos eixos. Por isso, as peças foram feitas obedecendo a uma metodologia específica onde cada passo foi planejado com esse objetivo em mente. Por exemplo, as barras laterais foram feitas juntas, furadas juntas e o furo do eixo do motor, inicialmente bem justo, servindo como guia de alinhamento para manter as peças juntas de forma a garantir o alinhamento dos outros furos. Somente no final do processo de construção, após a montagem  e verificação de todo o conjunto, a máquina foi desmontada e os furos dos eixos dos motores foram alargados para que os mesmos girarem livremente.

O primeiro passo foi esquadrinhar todas as barras e chapas utilizadas, dentro das medidas do projeto. Em seguida, as barras laterais foram furadas juntas.

E depois, separadamente, usando a broca como guia para centralizar, fiz o ressalto para os eixos usando uma fresa de topo. Esse ressalto não é tão importante uma vez que o alinhamento (e paralelismo) dos eixos vai ser garantido pelo furo do parafuso de fixação.

Utilizei motores Nema 23 que já tinha comprado em outra ocasião. Como esses motores tem um ressalto, precisei usinar uma cava para que o motor faceasse a peça. Normalmente, esse ressalto no corpo do motor é usado justamente para posicionar o motor alinhado. Como eu não tinha como fazer uma cava exatamente do diâmetro do ressalto da caixa do motor, optei por fazer maior uma vez que o furo do eixo foi o agente de alinhamento. Após isso, o motor foi colocado no lugar e marcado o lugar do furo do primeiro parafuso. O motor usa parafuso M5 então usei uma broca de 5 mm para marcar o furo. Depois, uma broca de 4,5 mm para fazer o furo na barra de alumínio e depois a rosca. Em seguida, fixei o motor com o primeiro parafuso e repeti o processo de marcar, furar e fazer a rosca para os outros parafusos, um a um.

Para cada eixo projetado, uma ponta do fuso é ligada ao eixo do motor por um acoplador flexível e a outra ponta a um rolamento de 8 mm sustentado por um mancal. O ideal seria usar a própria placa de alumínio para embutir o rolamento mas para isso seria preciso cortar um cavo de 22 mm (o diâmetro externo do rolamento) com muita precisão. Infelizmente não tinha à mão meios de fazer esse corte, especialmente nas barras laterais dos eixos X e Y. Por isso, optei por construir mancais de nylon. A forma de conseguir o maior alinhamento possível dos mancais/rolamentos foi utilizar o eixo do motor como guia. Como as placas que trabalham em par foram furadas simultaneamente e com um furo do mesmo diâmetro que o eixo do motor, usei um motor como guia para posicionar o mancal na placa.

Pra os mancais, cortei e torneei 3 discos de nylon com 40 mm de diâmetro e 7 mm de espessura (a mesma espessura dos rolamentos). Em seguida furei o centro do disco com a broca de 6,4 mm (o eixo dos motores tem 6,35 mm de diâmetro).

O processo de fazer os mancais envolve colocar o disco centrado na peça utilizando o eixo do motor e em seguida fazer o furo de um dos parafusos (M3)  atravessando o mancal e marcando levemente a peça de alumínio..Em seguida retira-se o disco do mancal e faz-se um furo na placa de alumínio com a broca de 2,5 mm e depois usa-se o macho de 3 mm para fazer a rosca. Depois, coloca-se o disco novamente no lugar, usando sempre o eixo do motor para centra e coloca-se o parafuso. Em seguida usa-se a broca de 3 mm para fazer o furo passante do parafuso oposto marcando-se levemente a placa de alumínio. Depois fura-se o alumínio com a broca de 2,5 mm e faz-se a rosca. Repete-se o processo para cada parafuso. Finalmente, retorna-se o disco para o torno e torneia-se o furo central para conter o rolamento (22 mm). É importante que ao colocarmos o disco centralizado no eixo do motor, para fazer o primeiro parafuso, façamos uma marca tanto no disco como na placa de alumínio de forma a criar um registro para a posição dos furos que não precisam ser tão precisos. O mesmo em relação ao torno, para que possamos retornar o disco para as castanhas na mesma posição em que foi torneado inicialmente.

 O mesmo foi feito para os mancais das pontas dos fusos nos três eixos. Em seguida, o furo da placa de alumínio pode ser alargado para a passagem da ponta do eixo (fuso). Usei uma broca de 10 mm. Os fusos utilizados foram comprados na internet, no mercado nacional, e possuem 16 mm de diâmetro (para os eixos X e Y) e 14 mm de diâmetro para o eixo Z com passo de 3 mm. As castanhas são de poliacetal, com flange. Elas são bastante ajustadas e não geram desvio de retorno (backslash). As pontas dos fusos foram rebaixadas para 8 mm (obrigado a meu amigo Newton que fez isso para mim em um torno maior), tanto do lado do acoplador do motor quando do lado do rolamento. Foram deixadas pontas excedentes nos eixos X e Y para a colocação de volantes para uso manual.

 Os eixos são todos de 8 mm. Foram cortados, faceados e furados no torno com broca de 2,5 mm e em seguida fez-se rosca para M3. A máquina utiliza parafusos de aço inox para chave allen. Os parafusos dos motores são M5. As peças mais pesadas são fixadas com M4 e as mais leves, como eixos e mancais com M3. Os pillow blocks dos rolamentos lineares usam M4.

  

A mesma técnica usada para construir as placas laterais (eixo X da máquina) foi usada nos outros eixos.

E um novo design para o eixo Y, a mesa.

O suporte para a Dremel foi feito na fresa manual:

 Finalmente pronta para os testes.

A placa controladora dos motores de passo é uma placa que comprei há muito tempo.Para os motores uso os 5V de uma fonte de computador modificada e para a lógica da placa uma fonte de bancada.

 Os primeiros testes serão para testar o controle dos motores, vibração, atritos e precisão dos movimentos. Quando acabei de montar o eixo X, fiz um teste para verificar como estava o alinhamento e a precisão. Coloquei uma régua de aço paralela ao eixo e comandei o Mach3 para mover 10 cm. A diferença foi da ordem de 0,2 mm ou seja, um desvio relativo de 0,002.

Para realizar os testes iniciais com todos os eixos, montei um suporte para uma caneta de ponta porosa fina, conforme mostrado nas imagens abaixo.

O primeiro teste foi feito comandando o Mach3 com G02 I0. J-20. F100 para desenhar um círculo der raio 20 mm. O resultado foi excelente conforme mostrado na imagem abaixo.

 Um vídeo deste teste pode ser visto abaixo:

Os próximos passos são fazer mais testes do alinhamento e precisão, ainda com a caneta e depois um teste com a ferramenta de corte. Aguardem.

O primeiro teste fresando com a Dremel mostrou uma folga grande no suporte da estrutura do eixo Z em relação ao eixo X. Para corrigir eu acrescentei mais um rolamento linear em cada eixo. A folga desapareceu quase que completamente. Um teste com as mãos mostra apenas uma pequena folga que acredito ser devido ao fato de que os rolamentos não serem de primeira linha.

 

 Para os eixos X e Y eu torneei em alumínio volantes que vão me auxiliar no posicionamento e tb a usar a cnc como fresa manual.

Como a Dremel faz muito barulho, até que eu faça um sindle usando um motor de aeromodelo, adaptei o spindle de uma maquina UNIMAT, menos potente mas muito mais silenciosa.

O resultado do primeiro teste de fresagem pode ser visto abaixo. Foi um corte circular (4 cm de diâmetro) usando avanço de 1mm no eixo Z, a cada volta. Apesar da falta de acabamento (a ferramenta talvez não seja a mais apropriada e a velocidade muito baixa), em termos de precisão, fiquei muito satisfeito com o resultado.

Depois tem mais.