Каждой резьбе по резьбофрезе!

Добрый день, друзья!

Всё что вы хотели знать о применении резьбофрез на самодельных фрезерных станках с ЧПУ, но боялись даже спросить…
Немного картинок, чуть-чуть расчета, несколько витков резьбы и небольшой бонус ))
Неравнодушных прошу под кат.

Не знал, в какой раздел написать про резьбофрезы, но учитывая, что здесь будет больше не отзыв об их качестве, а опыт их применения с расчетом траекторий, то решил в DIY. Тем более самоделка всё-таки присутствует.

Кому лениво читать «недоматчасть» — в самом низу картинки )))

Сначала об их назначении и приобретении. Вот так в «интернетах» выглядит однозубая (зубьев на самом деле больше, но они располагаются на одном уровне) резьбофреза.

Нужны резьбофрезы, чтобы нарезать резьбу с заданным шагом исключительно с помощью фрезерного станка с ЧПУ. Да, да… Руками воспользоваться ими по назначению нереально…
Я долго искал, где их приобрести подешевле — в России не вариант, поэтому как всегда первый взгляд пал на Али… положил в корзину и ходил вокруг да около примерно недели две. Одна фреза обходилась примерно в 1800 рублей. Как по мне, это очень дорого для домашних экспериментов.
Решил попробовать на ТаоБао. Никогда там не заказывал ничего, и даже не знал, как это делается. Но один мой товарищ, оказалось, имеет «контакт», через кого можно притащить нужный товар в РФ. Никакой рекламы на «контакта» не будет (речь не об этом), я просто скинул ссылки ему, перевел нужную сумму денег (получилось дешевле Али примерно в 1.4 раза) и подождал 2.5 недели. Ссылки на ТаоБао и на аналогичные резьбофрезы на Али прикладываю:

https://item.taobao.com/item.htm?id=574477814935

https://aliexpress.com/item/item/32924234240.html


За то время, пока я ждал резьбофрезы, был продуман алгоритм их использования. На самом деле есть, конечно же, и готовые рецепты по применению, например, специальный плагин в PowerMill (слышал, сам лично не видел). Но мне кажется, устанавливать тяжеловесную программу, да еще и «честно неприобретенную», только для нарезания резьбы — это как-то неправильно.
На YouTube'e встречал каналы, где были ссылки на самописные калькуляторы расчета траектории движения фрезы при нарезании резьбы. Но попробовал один из них, и решил, что лучше сделаю для себя сам. Чтобы я полностью осознавал, что происходит при расчете и имел возможность подкорректировать расчет под конкретную задачу.

А вот теперь стоит оговориться, я не являюсь профессионалом в данной области, поэтому прошу не кидаться в меня ГОСТ'ами и обвинениями в неправильном употреблении терминов или не употреблении их вовсе. В ходе экспериментов я лишь удовлетворил свои хоббийные потребности.

Итак, с помощью одной и той же резьбофрезы можно делать как внутреннюю резьбу, так и внешнюю. Причем диаметр внутренней резьбы ограничен лишь минимальным значением диаметра самой резьбофрезы. Так, например, резьбофрезой с внешним диаметром 4,85 мм и зубом под максимальный шаг 1 мм, можно нарезать резьбу минимум 6 мм (отверстие под резьбу 4.9-5.0 мм в диаметре, плюс сама резьба при шаге 1 мм добавит примерно 1 мм к диаметру). А вот максимальный диаметр ограничен только Вашей фантазией.
Для неискушенных читателей подготовил картинку, для лучшего понимания.

D — диаметр режущей части фрезы
P — шаг резьбы
m — диаметр подготовленного отверстия
M — диаметр резьбы (наружный диаметр внутренней резьбы для гайки)
Суть процесса такова:
1. Для начала необходимо подготовить отверстие для будущей резьбы. Например, для М6, нужно 4.9 – 5 мм. При нарезании резьбы метчиком я обычно придерживался такого правила — диаметр отверстия равен диаметру резьбы минус шаг резьбы. Не совсем правильно, но для бытовых нужд более чем достаточно.
2. После этого, нужно рассчитать траекторию, по которой будет двигаться резьбофреза. Траектория будет винтовой.
3. А далее, собственно, само нарезание. Резьбофреза опускается в подготовленное отверстие до дна и, совершая винтовое движение вверх, нарезает резьбу. Вроде как все просто.

Для внешней резьбы процесс аналогичный, только заготовка не отверстие, а цилиндр — ну вы поняли.

При подготовке алгоритма написания G-кода для станка с ЧПУ я сначала хотел представить винтовую траекторию в кусочно-линейчатом виде, то есть миниатюрными линейными отрезками по которым будет двигаться фреза. Для тех, кто не знает всех возможностей G-кода (таких, как я, например), это наверное самый очевидный способ.
Но, нашелся другой способ, более простой в реализации. Состоит он в использовании кодов G2 или G3 для круговой интерполяции. Как оказалось, с их помощью можно очень просто описать круговую (или дуговую) траекторию в плоскости, либо винтовую траекторию в трёх координатах.
Чуть-чуть покажу, как это происходит — сначала круг, а затем один виток винтовой траектории. Для данного случая применения команда выглядит вот таким образом.
G2/G3 X#.# Y#.# Z#.# I#.# J#.# F#
G2/G3 – круговое движение по часовой либо против часовой стрелки
X, Y, Z – координаты конечной точки (куда придет фреза из текущего положения)
I, J – относительные координаты центра окружности от начальной точки (текущего положения)
F – скорость подачи.

1. Например, необходимо создать траекторию движения по окружности на плоскости XY с центром в точке (0;0) и радиусом 2 (единицы измерения не ставлю, это абстракция). Движение начнем из точки (0;-2) лежащей на окружности. Необходимо лишь рассчитать параметры I и J.
I = (координата X начальной точки) – (координата X центра окружности) = 0 – 0 = 0
J = (координата Y начальной точки) – (координата Y центра окружности) = 0 – (-2) = 2
Учитывая, что движение по окружности будет осуществляться от точки (0;-2) с возвратом в эту же точку, G код будет выглядеть следующим образом
G0 X0 Y0 Z0 (перемещаемся в центр окружности)

G1 X0 Y-2 F200 (перемещаемся в точку, лежащую на окружности, откуда начнется движение)

G3 X0 Y-2 Z0 I0 J2 F200 (перемещаемся по окружности в ту же самую точку)

на самом деле можно упростить вид последней команды, учитывая, что точка начала и окончания траектории совпадают, а значение I = 0
G3 J2 F200 ( так значительно проще)

2. А теперь создадим один виток винтовой траектории. Код будет выглядеть точно так же, только в последнюю команду добавим координату Z = 1. Соответственно, при движении по окружности постепенно изменится координата Z с начального значения 0 до 1.
G0 X0 Y0 Z0
G1 X0 Y-2 F200
G3 Z1 J2 F200


Думаю, что этой информации вполне достаточно, чтобы понять, как необходимо «вручную» готовить G-код для движения по винтовой траектории при нарезании резьбы.
Кстати для визуализации процесса я использовал бесплатную программу NC Corrector. Большое спасибо ее авторам!

Конечно же, каждый раз считать «вручную» очень трудоемко, поэтому данный алгоритм был оживлен в «самописном» калькуляторе, да не в простом, а в золотом онлайновом.
За это спасибо! участнику MySKU-сообщества Sega-san, который помог мне и переложил оффлайн калькулятор, написанный на Си++, в онлайн, доступный по ссылке

Это и есть обещанный бонус! ))
Кому интересно — пользуйтесь на здоровье )) Выглядит он вот так.

В калькуляторе вы можете увидеть расчет для внутренней и внешней резьбы. Сформированный код достаточно скопировать в текстовый файл и отдать на растерзание вашему станку. Код проверен под управлением из Mach3 и LinuxCNC. Полёт нормальный.
Еще забыл маленький нюанс. При нарезании резьбы я режу не сразу на всю глубину, а постепенно. Соответственно и траектория получается в результате расчета не одна, а несколько, с постепенно увеличивающимся диаметром.
Вот так.


ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ: Калькулятор проверен уже примерно на десятке разных резьб, но его использование только на ваш страх и риск. Всегда проверяйте сгенерированный G-код перед использованием.

А теперь, собственно, сами фрезы и практическое их использование.
Фрезы пришли в стандартных контейнерах, с наклейками, указывающими параметры.


По тактильным ощущениям и внешнему виду мне показалось, что качество вполне приемлемое, а когда увидел маркировку на хвостовиках, так и вовсе успокоился (да, вот такой я наивный )) )

Вблизи рабочая часть выглядит вот так.

Я заказал 3 штуки, под шаг 0.5, 0.7 и 1 мм, для метрической резьбы Такие можно использовать для стандартных резьб М3, М4 и М6, соответственно. Но, как уже написано выше, диаметры резьб могут быть и любыми другими.
Кстати, в описании этих фрез у продавца я нашел все параметры, кроме диаметра вот этой части фрезы (не знаю как правильно назвать, то ли хвостовик, то ли еще как-то)

Я был уверен, что этот параметр мне просто необходим при расчете, но и без него справился.
А для любопытных на всякий случай приложу измеренное значение этого параметра (назову его S) тех фрез, что теперь есть у меня в хозяйстве. При этом, я допускаю, что это не обязательно стандарт, и у разных производителей, значение совсем другое.
P1.0*d4.85*15L*D6*50 — S=3,4 мм
P0.7*d3.15*10L*D4*50 — S=2,0 мм
P0.5*d2.35*7.5L*D4*50 — S=1,5 мм

Я не вижу смысла расписывать еще что-то и предлагаю посмотреть, как происходит процесс нарезания резьбы вживую (я попытался повторить ролик, который видел на YouTube от какой-то конторы-производителя) при помощи G-кода, сгенерированного описанным выше способом.

И конечно же макрофото результата:

Специально выкрасил боковую часть заготовки маркером, чтобы лучше было видно геометрию полученной резьбы.

Болт М6, который я туда закрутил вопреки всем Нормам, сидит как влитой (как я понял, существует Holy War между болтами и винтами, в соответствии с которым болты не закручиваются, а на них накручивается… и винты, соответственно наоборот, но мне как-то всё равно). Очень слабенький люфт конечно есть, но это очень даже приемлемо.
Я хотел еще отснять процесс нарезания внешней резьбы, но он мало чем отличается от внутренней. Единственное, цилиндрическая заготовка (она же — стержень) должна иметь диаметр чуть меньше, чем нарезаемая резьба (можно посмотреть в таблицах). Например для резьбы М6 заготовка будет 5.8 мм в диаметре, для М8 — 7.8-7.9 мм. Вообще, эта информация не секретная и вполне доступная.

А теперь самое главное — зачем мне так заморачиваться с этими резьбофрезами… есть же обычные дешевые метчики…
Да, я согласен, что способ несколько замороченный и недешевый, особенно учитывая, что я не режу резьбу в промышленных масштабах.
НО!
1. Приятно, когда твой самодельный станок работает за тебя.
2. Очень удобно нарезать резьбу в глухих отверстиях, витки начинаются всего на пол шага выше дна отверстия. А при использовании обычного набора из двух метчиков приходится добавлять третий метчик, специально слегка сточенный, чтоб резьба доставала до дна как можно больше.
3. Я не знаю ни одного человека, кто бы резал резьбу идеально вертикально перпендикулярно поверхности ))) а иногда это очень важно.
Доводы, конечно, так себе, но меня они убедили ))

Возможно всё получилось несколько сумбурно, но мне хотелось поделиться своим опытом, очень надеюсь, что это всё не зря и кому-нибудь пригодится.

Всего доброго!