Вакуумный стол для ЧПУ на эжекторе: расчёт удержания и воздуха

Краткий ответ: вакуумный стол держит заготовку разностью давлений, поэтому удержание считают по площади: F = Δp × A. Лист МДФ 600×400 мм при разрежении −50 кПа и зоне уплотнения 560×360 мм прижимается силой около 10 кН (≈1 030 кгс); для боковой нагрузки от фрезы берут запас 4, то есть рассчитывают на 2,5 кН.

Подобрать и купить вакуумную технику в каталоге →

Вступление полностью

Один эжектор типа ZH10 на такой зоне ест по каталогу SMC около 52 нл/мин сжатого воздуха непрерывно. Для одной-двух заготовок среднего размера и готовой сети сжатого воздуха эжектора ZH хватает. Когда зон много, плита пористая или воздуха в цехе не хватает, нужен вакуумный насос.

Что держит заготовку на вакуумном столе фрезера?

Заготовка лежит на плите с каналами или на жертвенном слое, по контуру стоит уплотнительный шнур. Из-под заготовки откачивают воздух, и под ней давление становится ниже атмосферного. Сверху остаётся нормальное атмосферное давление около 101 кПа, оно и прижимает лист к столу. Сила прижима равна разности давлений, умноженной на площадь, ограниченную уплотнением. Чем больше лист и глубже разрежение, тем крепче он сидит.

Заметьте разницу с присоской. Присоска поднимает деталь вверх, а стол фрезера удерживает её от сдвига в плоскости: фреза толкает лист вбок, и против этого работает сила трения, которую создаёт прижим. Поэтому запас берут как для вертикального удержания, а не как для горизонтального подъёма. Расчёт одной присоски на подъём детали разобран в статье вакуумная присоска: подбор и расчёт усилия удержания, здесь он не повторяется.

Как посчитать удержание заготовки по площади?

Формула для стола проще, чем для присосок: площадь уже известна, это зона внутри уплотнения.

F = Δp × A, а допустимая боковая нагрузка Fдоп = Δp × A / S, где Δp — разрежение под заготовкой (Па), A — площадь внутри уплотнения (м²), S — запас, для сдвига принимаем 4.

Расчёт для листа МДФ 600×400 мм:

1. Уплотнительный шнур ложится с отступом 20 мм от кромки, значит зона 560 × 360 мм, A = 0,56 × 0,36 = 0,2016 м².
2. Разрежение берём −50 кПа, Δp = 50 000 Па. Это осторожное расчётное значение, заведомо ниже каталожных максимумов эжекторов, чтобы оставить запас на утечки.
3. F = 50 000 × 0,2016 = 10 080 Н, примерно 1 030 кгс.
4. С запасом 4: Fдоп = 10 080 / 4 = 2 520 Н, около 257 кгс. Боковую нагрузку держит трение, поэтому в запасе 4 уже заложен коэффициент трения около 0,5 (дерево, металл по каталогам вакуумной техники). Если поверхность скользкая (плёнка, масло, влага, трение 0,2–0,3), запас увеличивают. Если сила резания на сдвиг больше, лист нужно крепить ещё и упорами по кромке или увеличить площадь зоны.

Если кромку заготовки не окаймлять шнуром, а положить лист на всю плиту без отступа, площадь вырастет до 0,24 м², и сила прижима составит 12 000 Н. Но так не делают: по периметру нужен шнур, иначе воздух засасывается и разрежение пропадает.

Единицы между кПа, МПа и кгс переводят калькулятором единиц.

Хватит ли эжектора ZH или нужен насос?

Ответ зависит не от силы удержания, а от того, сколько воздуха съест эжектор и сколько воздуха утекает через плиту. Эжектор создаёт разрежение потоком сжатого воздуха через сопло: пока стол работает, воздух из сети идёт непрерывно. У вакуумного насоса своя подача и свой привод, воздух из цеховой сети ему не нужен.

Код серии ZH показывает диаметр сопла: ZH05 — 0,5 мм, ZH07 — 0,7 мм, ZH10 — 1,0 мм, ZH13 — 1,3 мм. Расход воздуха при 0,45 МПа по каталогу SMC для того же формата:

листайте таблицу вбок →

Цифры расхода взяты у SMC и годятся только как оценка. Паспорта WAALPC с расходом и вакуумом нашей серии ZH мы не публикуем: в заводском листе этих данных нет. Для окончательного подбора запросите паспорт у инженеров.

Расход воздуха на примере ZH10B-08-10

Берём артикул ZH10B-08-10 (900 ₽) и расход 52 нл/мин как ориентир:

• за час непрерывной работы: 52 × 60 = 3 120 нл, то есть около 3,1 м³ воздуха в пересчёте на нормальные условия;
• за смену 8 часов: 3 120 × 8 = 24 960 нл, около 25 м³;
• стол 1200×2400 мм, разбитый на 12 зон по 600×400 мм, с одним ZH10 на зону: 12 × 52 = 624 нл/мин, около 0,62 м³/мин непрерывно.

Последняя цифра решает дело. Компрессор должен отдавать этот расход постоянно, плюс нужды самого станка. Если запас по производительности компрессора невелик, лучше ставить насос. Нормальные литры (нл) — это объём воздуха при нормальных условиях, а не сжатого; расход по своей линии оцените калькулятором расхода воздуха.

Когда эжектора хватает

• заготовки небольшие или среднего размера, одна-две зоны одновременно;
• заготовка плотная, с малыми утечками: фанера, плита с пропиткой, пластик, листовой металл;
• сеть сжатого воздуха в цехе уже есть и имеет запас по расходу;
• нужна простая и недорогая установка без отдельного агрегата.

Когда нужен насос

• площадь столов и число зон велики, суммарный расход эжекторов превышает запас компрессора;
• заготовки пористые (необработанные МДФ и ДСП, особенно с открытыми торцами), утечки постоянные и эжектор не вытягивает разрежение;
• станок работает в несколько смен, и непрерывный расход воздуха делает эксплуатацию дорогой;
• нужна более глубокая откачка и быстрый набор разрежения на всей площади.

Это общий инженерный ориентир, а не расчёт по вашему станку: утечку и скорость откачки вы проверяете замером на реальном столе.

Время откачки зоны зависит от объёма под заготовкой и подачи откачки эжектора. Подачу откачки нашего ZH паспорт WAALPC не приводит, поэтому время мы не считаем и не обещаем. Его замеряют на столе по моменту выхода на рабочее разрежение.

Что поставить рядом с эжектором на вакуумном столе?

Эжектор сам по себе стол не делает. Рядом ставят набор, и у каждой детали своя задача.

Регулятор давления перед эжектором

Расход по таблице выше дан для 0,45 МПа. В сети обычно 0,6–0,8 МПа, а эжектор на повышенном давлении ест больше воздуха, не всегда прибавляя вакуума. Давление перед эжектором задаёт регулятор: AR2000-02 (G1/4, регулировка 0,05–0,85 МПа) стоит 860 ₽.

Фильтр на подводе воздуха

Сопло эжектора имеет диаметр от 0,5 до 1,3 мм и засоряется конденсатом и частицами из сети. Перед регулятором ставят фильтр-влагоотделитель; GF300-08 (1 640 ₽) снимает конденсат и твёрдые частицы, рабочее давление до 1,0 МПа.

Клапан включения вакуума от станка

Контроллер станка включает и выключает подачу воздуха на эжектор электрически. Для этого подходит распределитель 3/2 с электромагнитом 3V210-08-DC24V (катушка DC24V, рабочее давление 0,15–0,8 МПа), цена 910 ₽. Если нужна катушка на сеть, есть вариант AC220V.

Глушитель на выхлоп распределителя

Буква B в коде ZH по формату SMC означает корпусное исполнение со встроенным глушителем: выхлоп эжектора уже приглушён, отдельный глушитель на него не ставят. Шумит другой выхлоп — распределителя, который сбрасывает воздух при каждом отключении вакуума. На него ставят глушитель, например BSL-02 (60 ₽). Код резьбы глушителя в названии: 02 означает 1/4″, наружная резьба BSL по схемам производителя — R. Резьбу выхлопного порта распределителя сверьте по паспорту и подберите глушитель под неё.

Трубка и цанговые фитинги

Два числа в конце артикула ZH по формату SMC — наружные диаметры трубок: у ZH10B-08-10 подвод сжатого воздуха под трубку 8 мм, вакуумный выход под трубку 10 мм. Подвод от распределителя к эжектору ведут полиуретановой трубкой PU0850 (8×5 мм, 40 ₽) с цанговым фитингом PC08-02 (резьба R1/4, 50 ₽) в порт распределителя. Вакуумную линию к зонам стола подбирают под диаметр вакуумного выхода; присоединения нашего ZH перед заказом сверьте по паспорту. По заводскому листу пластиковые цанговые фитинги WAALPC работают на воздухе и на вакууме до −100 кПа при температуре 5–60 °C, так что расчётное разрежение стола (−50 кПа) в этот предел укладывается. Это относится к пластиковым PC и аналогичным сериям, а не к любому фитингу каталога.

Все цены на этой странице подтягиваются из актуального реестра. Как устроены эжекторы вообще и какие бывают, написано в статье пневматический эжектор: принцип, типы и подбор, а общую картину вакуумной техники даёт обзор вакуумной техники в пневматике.

Типичные ошибки при сборке вакуумного стола на эжекторе

• Считают на всю площадь листа. Сила удержания определяется зоной внутри уплотнения, а не габаритом заготовки.
• Берут запас 1. Сдвиг фрезой даёт динамическую нагрузку, поэтому берут запас 4, как для вертикального удержания.
• Подают на эжектор полное давление сети. Расход растёт, а выигрыша в разрежении может не быть; ставят регулятор.
• Забывают про утечки. Пористый лист или неплотный шнур съедают разрежение, и эжектор «не тянет», хотя сам исправен.
• Не продумывают отказ воздуха. Эжектор держит вакуум только пока идёт воздух: если пропало давление в сети, разрежение исчезает, а заготовка перестаёт удерживаться. Фреза в этот момент продолжает работать. Подачу воздуха и разрежение контролируют, а при падении разрежения станок должен остановить шпиндель. Распределитель 3V этого не обеспечивает: он только включает и выключает подачу воздуха.

Вопросы и ответы

Можно ли сделать вакуумный стол для ЧПУ своими руками на эжекторе?

Можно: плита с каналами, уплотнительный шнур по контуру и эжектор с регулятором и фильтром на подводе воздуха. Площадь зоны и запас считают так же, как выше. Отдельно продумайте остановку шпинделя при потере воздуха.

Какое разрежение брать для расчёта удержания?

В примере принято −50 кПа: это осторожное рабочее значение. Каталожные максимумы эжекторов выше, но на реальном столе с утечками до них не добираются. Цифры вакуума для нашего ZH паспорт не приводит, их уточняют у инженеров.

Сколько воздуха расходует эжектор?

По каталогу SMC при 0,45 МПа ZH05 около 13, ZH07 около 27, ZH10 около 52, ZH13 около 88 нл/мин. Это оценка для формата ZH. Расход нашего эжектора уточняйте у инженеров.

Когда вместо эжектора ставят вакуумный насос?

Когда зон много и суммарный расход воздуха превышает запас компрессора, когда заготовки пористые и утечки постоянны, когда станок работает в несколько смен.

Нужен ли запас по силе удержания?

Да. Для удержания от сдвига берут запас 4, как для вертикального удержания по каталогу Parker; в нём учтено трение около 0,5. Для скользких поверхностей запас увеличивают. Для горизонтального подъёма запас 2.

Что будет, если пропадёт сжатый воздух?

Разрежение под заготовкой исчезнет, и она перестанет удерживаться. Поэтому станок должен останавливать шпиндель при падении разрежения или давления воздуха.