Интересная идея по снижению шума при ЧПУ-обработке на дому (в сети такого ещё не видел)

Наше время интересно тем, что цифровые технологии глубоко проникли во все сферы, и одна из них — ЧПУ-станки (т. е. станки с числовым программным управлением).

Благодаря этому практически каждый желающий может иметь на дому фактически «маленький завод»: 3D-принтеры разных типов, лазерные резаки/граверы и даже — собственно то, что в обиходе носит название «ЧПУ-станки» (хотя, по большому счёту, и все предыдущие типы относятся к этому же).

Широкие технические возможности и доступность станков пробуждают и соответствующий техническо-творческий «аппетит»: хочется и то, и то, и то…

Особенно если доступность станков дополняется соответствующими знаниями в области электроники и программирования — это фактически открывает дорогу к практически неограниченному созданию роботизированных устройств.

Однако очень быстро работающие в этом направлении сталкиваются с тем, что наиболее доступный и относительно беспроблемный способ создания физических деталей на дому — 3D-печать — не во всём может удовлетворить, и в основном это касается недостаточной физической прочности получающихся распечаток.

Да, в некоторой степени эту проблему можно нивелировать с помощью использования закладных/накладных металлических деталей, сочетаемых с пластиковыми: металлические подшипники, металлические наконечники на пластиковую деталь и т. д. и т. п.

Но не везде это возможно, особенно если конечное изделие будет подвергаться воздействию высоких температур — тут уже просто без вариантов: необходимы цельнометаллические детали.

Самый простой и доступный способ получить эти детали в распоряжение — использовать вышеупомянутые ЧПУ-станки. Но есть основная проблема, с которой столкнётся любой желающий применять подобный станок на дому: шум. И не просто шум, а даже так: ШУМ.

Основная причина шума — вовсе не работа механических приводов и шпинделя (т. е. специального электродвигателя, вращающего обрабатывающий инструмент: сверло, фрезу), — с этим-то как раз вполне можно уживаться: они довольно щадящие. А шум вызывается высокочастотной вибрацией детали и обрабатывающего инструмента, в результате которой на определённых частотах вращения шпинделя возникает резонанс и шум становится просто невыносимым, превращаясь в громкий высокочастотный звон.

Учитывая то, что изготовление любой более-менее сложной детали подразумевает работу десятками минут в непрерывном режиме, сами понимаете: эта проблема становится основной.

Я не первый день задумываюсь об этом и, кажется, нашёл в некоторой степени одно из полезных решений, которое может помочь в борьбе с этой проблемой, и, как ни странно, его мало кто рассматривает!

Сначала маленькая предыстория, зачем я вообще задумался об этом: дело в том, что я довольно много лет являлся* владельцем известного домашнего компактного токарного станка по металлу ТВ-16.

*В данный момент его продал и планирую переход полностью на ЧПУ-станок для металлообработки, так как это более оправдано на данный момент, на мой взгляд: даже начальные версии ЧПУ-станков могут обрабатывать как плоские детали, так и за счёт комплектации «вращающейся осью» (то есть моторизованным токарным патроном, в который зажимается деталь, и задней бабкой) могут без проблем точить круглые детали сложной формы.

Это, в свою очередь, открывает возможности по серийному (в том числе) изготовлению деталей с высокой скоростью и повторяемостью размеров: не обязательно на продажу — а, например, те же самые маленькие латунные декоративные пушечки для самодельного настольного парусного фрегата Средних веков…

Отстояв много сотен часов за этим токарным станком*, я заметил на практике интересную вещь: при обработке металлов на определённых частотах возникает то самое, о чём мы уже упомянули выше — высокочастотный противный звон и как бы стук инструмента (в предшествующий период).

*Нет, я вовсе не токарь и это не моя профессия :-) — это всего лишь моё хобби, которое помогает в создании разнообразных робототехнических устройств, под которыми я подразумеваю не «настольные машинки» (что тоже было в прошлом, кто меня читает — видел), а нечто более серьёзное — самодельные роботизированные линии (комнатного формата) для серийного производства изделий/компонентов изделий.

Токарка + сварка + 3D-печать + электроника + программирование = совсем безумные вещи можно делать (при желании). ;-)

Фактически — создавать роботизированные линии для производства чего угодно, за условные 3 копейки, без потребности в покупке дорогих промышленных линий.

Другими словами — конкурировать с заводами, имея «нечестное преимущество»: дешёвую производственную линию. :-)

Слова «нечестное преимущество» специально взял в кавычки, так как многие книги по бизнесу именно на этом и акцентируются — создании конкурентных преимуществ любыми способами. И если этого позволяет добиться «инженерное искусство», то почему бы и нет? ;-)

Я пытался с шумом бороться, затачивая обрабатывающий инструмент (резец) под разными углами — как того и требует теория, чтобы сочетать определённую скорость вращения, определённый угол заточки под определённый металл. Бесполезно: шум не исчезал.

Однако я совершенно случайно обнаружил работающее решение, которое, как ни странно, в моём случае практически полностью убирало звук (из 100 % изначального шума субъективно оставалось где-то 0…2 %): смазка!

На самом пике, когда звук был просто сумасшедший, достаточно было лить на место соприкосновения детали и резца толстый слой машинного масла — и происходило настоящее волшебство: в подавляющем большинстве случаев звук исчезал полностью, а в оставшихся — становился настолько незначительным, что даже негромкий человеческий голос легко заглушал его! О_о

После того как открыл это явление для себя, я просто использовал его достаточно длительное время, не делая из этого открытия никакой сенсации…

И задумался о нём ещё раз только недавно, как бы переосмысливая то, что наблюдал многократно, в связи с потребностью перехода на ЧПУ-станок домашнего формата: а может… это решение использовать и для борьбы с шумом обработки на ЧПУ?!

Однако у меня есть привычка: я не люблю «изобретать велосипед» (просто времени жалко). Именно поэтому до того, как вообще копать эту тему, я решил посмотреть, а как вообще другие самодельщики борются с этой проблемой?

После просмотра множества видео у меня сложилось следующее понимание типового пути решения, которым идёт большинство: банально большой звукоизолированный «сундук» вокруг станка + виброзащитное основание под станком (обычно укладка волокнистых материалов — матов из звукоизолирующей ваты или вспененных материалов).

По сути, можно сказать, что варьируются только тип исполнения и материалы этого «сундука», в зависимости от кошелька и предпочтений конкретного самодельщика.

Среди этих решений я бы отметил два наиболее типовых (сразу скажу, что второе мне нравится больше — оно «презентабельнее» что ли… :-) ):

• Ящик из древесно-стружечной плиты (ДСП), отделанный внутри волокнистым матом (опционально — сверху ещё обшивают вспененным фольгированным полиэтиленом — ещё чуток звукоизоляции как бы, плюс светоотражающие свойства фольги улучшают внутреннее освещение).

• Варится с помощью сварки и профильной трубы квадратного сечения (где-то 20 × 20 мм) каркас ящика, в проёмы которого вставляются изготовленные по индивидуальному заказу пластиковые окна (где переднее — открывающееся, на петлях) — то есть многослойные стеклопакеты, где стыки между окнами и рамой могут быть закрыты стандартным способом — монтажной пеной.

  Таким образом, на выходе получается полностью прозрачный стеклянный ящик, через окна-стенки которого очень удобно наблюдать за происходящим процессом…

  Для подсветки сверху по периметру протягивают светодиодную ленту, и получается совсем хорошо…

Что же касается эффективности глушения подобных способов — видел тесты*, где запускали на смартфоне приложение по измерению уровня звука и тестировали запуски ЧПУ-станков с открытой дверью подобных ящиков и закрывая эту дверь в процессе: в среднем, из того, что видел, уровень звука был примерно таким: 75 дБ — с открытой дверью и 35 дБ — с закрытой.

*Специально их здесь не привожу, так как в них много лишнего (болтовни), надо перелистывать, искать это место, информация разрознена в разных видео и т.д., поэтому пишу тут только суть.

С одной стороны, выглядит довольно эффективным… Но многие отмечают другую проблему, которую вызывает постройка подобного ящика: загромождение квартиры!

Не секрет, что редко кто использует эти станки в непрерывном режиме — скорее, это инструмент хобби, к которому хочется обращаться время от времени, и в остальное время желательно, чтобы станок был убран «с глаз долой» (под стол, в шкаф и т. д.), а постройка такого ящика делает такой подход объективно невозможным…

Глядя на всё это, я опять вспомнил про наблюдаемый мной многократно эффект, начал активные поиски в сети и просто поразился: никто из самодельщиков не использует его! О_о

Видимо, как я понимаю, сказывается незнакомство с ним + работает некоторая инерция мышления: зачем о чём-то думать, искать, если есть уже готовый подход: ящик! :-))

А то, что это вызывает сопутствующие проблемы с загромождением… «Ну что же делать, ничего не поделаешь, ладно, потерпим»… :-)

Совсем недавно, когда мы рассматривали с вами эффект Ребиндера*, во время ознакомления с соответствующей литературой я обратил для себя внимание на интересный факт, суть которого заключается в том, что использование смазки позволяет уменьшить размер наплыва металла перед резцом:

*Вкратце: суть эффекта Ребиндера заключается в том, что использование некоторых веществ позволяет облегчить «расклинивание» (то есть работает в качестве своеобразного «клина») кристаллических решёток (возможно, и не только кристаллических решёток, нужно копать глубже; я уже так глубоко не копал) при обработке — то есть внешнем воздействии, например, приложении физического усилия: достаточно несколько «раздвинуть» (имеется в виду, чтобы под давлением начала расти трещина в материале; понятно, что здесь не имеется в виду раздвижка маленьких атомов — огромным относительно них ножом) атомы кристаллической решётки (ножом, резцом токарного станка и т. д.), чтобы между ними «хлынуло» расклинивающее вещество, которое с большой скоростью и силой будет втягиваться в образовавшийся промежуток, создавая огромное давление на стенки будущей трещины (по некоторым данным, в тысячи бар), что существенно облегчает обработку и продлевает срок службы режущего инструмента.

Кроме того, наблюдаются и поразительные возможности, которые даёт этот подход: например, с его использованием можно резать оконное стекло обычными портняжными ножницами (и не просто резать, а вырезать сложные фигуры — условные «ромашки» и т. д.), погрузив его под воду!

В качестве «расклинивающих» веществ может применяться даже обычная вода, хотя по результатам разных тестов всё же существует градация по эффективности; одним из широко известных и наиболее эффективных «расклинивателей» является обычная мыльная вода, так как содержит ПАВ, но может использоваться и масло.

После ознакомления с этим становится понятно, почему при металлообработке в промышленных станках ЧПУ используется так называемый состав СОЖ (смазывающе-охлаждающая жидкость, которой непрерывно поливают место обработки) — несмотря на своё название, в своей основе этот состав в полной мере позволяет реализовать (в том числе) и возможности эффекта Ребиндера!

Почему я обратил на это внимание: потому что, имея дело с токарным станком по металлу, я многократно наблюдал следующее — при относительно малых оборотах и, если установить относительно большой вылет резца (другими словами, попытаться снимать сразу толстый слой металла), наблюдается эффект, который я для себя назвал «дын-дын-дын» :-)) — то есть резец начинает снимать металл, потом утыкается, потом резко срывается с места, опять начинает снимать, опять утыкается, резко срывается и т. д. — в результате наблюдается звук, примерно похожий на «дын-дын-дын».

То есть, другими словами: резец/фреза собирает перед собой некое количество металла, которое в определённый момент становится критически большим и отрывается — но не по своему основанию, а где-то посередине, таким образом, в сторону отлетает кусочек металла, а резец взлетает на холме, оставшемся от этой изначальной горки, и резко падает в ямку после горы — начиная снова собирать новую «гору» (далее процесс многократно повторяется)…

Проще говоря — источником звука является синусоидальное движение резца/фрезы по неровной поверхности!

Легко понять, что на больших оборотах наблюдается всё то же самое, только высокочастотное и входящее в резонанс на определённых скоростях вращения!

Эти резонансные явления в дальнейшем вызывают и соответствующий резонанс элементов конструкции станка, которые добавляют ещё шума в общий «хор»…

И, таким образом, получается, что источник звука можно в значительной степени нивелировать, если просто-напросто увеличить «ровность» поверхности:

• Как за счёт смазки — резец просто-напросто не может снять большой слой, так как поверхность слишком скользкая для него, он просто банально не может зацепиться за «большой кусок» металла;

• Эффект Ребиндера многократно облегчает работу резца, позволяя стабильно и легко снимать тонкий и ровный слой металла и, таким образом, создавая для резца относительно ровную поверхность, по которой он в дальнейшем и движется!

Но и это ещё не всё: логически я для себя рассудил, что если мы имеем дело с высокочастотными явлениями, то их можно было бы, в том числе, эффективно гасить, а также предупредить их возникновение вообще, если бы как-то увеличить вес той среды, в которой они распространяются! То есть увеличить вес детали! О_о

А как увеличить вес детали, если он является константой (ну ок, относительной константой, ведь мы деталь обрабатываем и снимаем металл, но в рамках высокоскоростных высокочастотных процессов, думаю, что вес детали вполне можно принять за константу)?

Да очень просто: наглухо залить деталь некой жидкостью! И, таким образом, многократно увеличить её вес и «тяжесть раскачки» в резонанс! О_о 

Как ни странно, этого практически никто не использует (по крайней мере, среди домашних мейкеров)!

И под «наглухо залить деталь некой жидкостью» — я подразумеваю вовсе не «легонькое поливание маслицем/водой/СОЖ» зоны резания!

А прямо натурально погружение детали под слой жидкости, толщиной, например, в 20–30 мм (как минимум) и вести обработку прямо под слоем жидкости!

Это действие, помимо устранения ещё одной проблемы обработки — избавления от пыли (но это больше к неметаллам, но тем не менее), позволяет получить (в теории) аж 4 эффекта сразу:

• Смазывание (резец не может снять сразу толстый слой);

• Эффект Ребиндера (поверхность обрабатывается легко и «горка» даже почти не возникает);

• Увеличение веса системы и гашение вибраций в зародыше;

• Активное охлаждение резца (т. е. дольше проживёт).

Я честно просмотрел огромное количество источников — и не нашёл почти никого, кто бы это делал! Однако в тех редких случаях, когда кто-то пробовал, они там больше радуются тому, что под жидкостью «почему-то легко обрабатывается материал» ( :-) ), и не акцентируются на звуке!

Похоже, что просто никто не задавался раньше усиленно этим вопросом, так что здесь, похоже, имеется чуть ли не чистое поле для экспериментов и исследований!

Скажем, можно попробовать поэкспериментировать, заливая деталь не водой или маслом, а чем-то ещё более тяжёлым и жидким или той же водой, но более вязкой*…

*Скажем, использовать химию для «желирования» воды — то есть превратить воду в гель (по консистенции); но это так, в порядке идеи…

Кстати говоря, я тут подумал, что перевод воды (с добавлением ПАВ или без, это уже не суть) в гелеобразное состояние — это сильнейший лайфхак в том смысле, что почти позволит устранить брызги! Так как просто-напросто гель вязкий и не так легко разбрызгивается резцом/фрезой!

И… в качестве такого геля можно попробовать использовать что? Да просто обычное жидкое мыло, которое продаётся канистрами, — и прямо не разводя его, залить деталь толстым слоем!!! О_о

В результате — имеем, как минимум, эффект Ребиндера «на максималках» (потому что используем ПАВ) + все остальные эффекты!

Вот это, на мой взгляд, будет уже просто реально недурно!

Особая прелесть в том, что так, похоже, никто ещё в интернете не делал (мне не удалось найти ни одного прецедента обработки под слоем гелеобразного мыла)!

И тем не менее! Несмотря на практически голую пустыню в этой области, кое-что из исследований найти мне всё же удалось: как можно видеть по ссылке — там провели эксперимент по попытке снижения вибраций с помощью заполнения тонкостенной металлической трубы вязким веществом с последующим завариванием концов, зажиманием этой трубы в токарный станок и последующей обточкой.

Уровень вибраций (т. е. шума от них) замерялся с помощью установленного рядом микрофона (Shure SM-137):

В ходе эксперимента производили токарную обработку трёх трубок: одна была пустой, вторая была заполнена моторным маслом, третья была заполнена силиконовым маслом. 

Результаты обработки, так же как и перечислено выше, показаны на рисунке ниже в порядке сверху вниз:

Даже визуально видно, насколько сильно снижаются вибрации (уменьшается волнистость поверхности) при продвижении от варианта в самом верху (пустая труба) к варианту внизу (труба с силиконовым маслом). 

Как они сами заявляют, заполнение моторным маслом позволило уменьшить вибрации в 6,6 раза, в то время как заполнение силиконовым — уменьшило их аж в 14,8 раза.

Другими словами, получается, что в первом варианте (с моторным маслом) звук упал примерно на 84,8% от изначального, в то время как использование силиконового масла позволило уронить уровень звука ещё сильнее — на 93,2% от изначального! 

То есть при использовании силиконового масла от изначального звука осталось только ~6,8%!

Весьма недурно! И это при том, что они тестировали только снижение вибраций в области самой детали, точение было, похоже, насухую (чтобы не смазать результаты эксперимента привнесением новых переменных).

Таким образом, мы видим однозначную тенденцию — заливка жидкостью значительно уменьшает уровень вибраций, даже если это не чистый эксперимент с заливкой всей детали (изнутри и снаружи)!

И исходя из этого, получается, что заливка детали толстым слоем позволяет (в теории) добиться множества эффектов одновременно, и причём весьма простым способом!

На мой взгляд, довольно серьёзный повод задуматься для тех, кто хотел бы поэкспериментировать в этой области и приобщиться к ЧПУ-обработке… :-)

P.S. Насчёт потенциальной опасности вспенивания мыла, о чём сразу начинаешь думать, — думаю, что сильных проблем с этим не будет, т. к. для пены всё же нужен воздух, а тут обработка будет вестись под толстым слоем жидкости, в безвоздушной среде, поэтому, по идее, должно сработать… ;-)