Com dissenyar peces per a mecanitzat CNC
En aquesta guia completa per dissenyar per al mecanitzat CNC, hem recopilat pràctiques i consells de disseny bàsics i avançats per ajudar-vos a aconseguir els millors resultats per a les vostres peces personalitzades.
Hi ha uns quants passos fàcils que podeu seguir per optimitzar els vostres dissenys per al mecanitzat per control numèric per ordinador (CNC). Seguint les regles de disseny per a la fabricació (DFM), podeu treure més profit de les àmplies capacitats del mecanitzat CNC. Tot i això, això pot ser un repte, ja que no existeixen estàndards específics per a tota la indústria.
En aquest article, oferim una guia completa de les millors pràctiques de disseny per al mecanitzat CNC. Per recopilar aquesta informació extensa i actualitzada, hem demanat comentaris a experts del sector i proveïdors de serveis de mecanitzat CNC. Si esteu optimitzant els costos, consulteu aquesta guia per dissenyar peces rendibles per a CNC.
Quin és el procés de mecanitzat CNC?
El mecanitzat CNC és una tecnologia de fabricació subtractiva. En CNC, el material s'extreu d'un bloc sòlid mitjançant una varietat d'eines de tall que giren a alta velocitat (milers de RPM) per produir una peça basada en un model CAD. Tant els metalls com els plàstics es poden mecanitzar amb CNC.
Les peces mecanitzades amb CNC tenen una alta precisió dimensional i toleràncies ajustades. El CNC és adequat tant per a la producció d'alt volum com per a treballs puntuals. De fet, el mecanitzat CNC és actualment la manera més rendible de produir prototips metàl·lics, fins i tot en comparació amb la impressió 3D.
Quines són les principals restriccions del disseny CNC?
El CNC ofereix una gran flexibilitat de disseny, però hi ha algunes restriccions. Aquestes limitacions es relacionen amb la mecànica bàsica del procés de tall i afecten principalment la geometria de l'eina i l'accés a l'eina.
Geometria de l'eina
La majoria de les eines de tall CNC més comunes (freses i broques) tenen una forma cilíndrica i una longitud de tall limitada.
A mesura que es treu material de la peça, la geometria de l'eina es transfereix a una peça mecanitzada. Això significa, per exemple, que les cantonades internes d'una peça CNC sempre tenen un radi, independentment de la mida de l'eina de tall utilitzada.
Accés a l'eina
Per eliminar material, l'eina de tall s'acosta a la peça directament des de dalt. Les característiques a les quals no es pot accedir d'aquesta manera no es poden mecanitzar amb CNC.
Hi ha una excepció a aquesta regla: els retalls. Hi ha una secció sobre retalls cap al final d'aquest article.
Recomanem alinear totes les característiques del model (forats, cavitats, parets verticals, etc.) amb una de les sis direccions principals. Tanmateix, considereu aquesta regla com una recomanació i no com una restricció, ja que els sistemes CNC de 5 eixos ofereixen capacitats avançades de subjecció de peces.
L'accés a les eines també és un problema quan es mecanitzen elements amb una gran relació profunditat-amplada. Per arribar al fons d'una cavitat profunda, per exemple, es necessiten eines amb un abast més ampli. Això significa un rang de moviment més ampli per a l'efector final, cosa que augmenta la vibració de la màquina i redueix la precisió assolible.
Simplificarà la producció si dissenyeu peces que es puguin mecanitzar per CNC amb l'eina que tingui el diàmetre més gran possible i la longitud més curta possible.
Pautes de disseny CNC
Un repte que sorgeix sovint a l'hora de dissenyar una peça per al mecanitzat CNC és que no existeixen estàndards específics per a tota la indústria. Els fabricants de màquines i eines CNC milloren contínuament les capacitats de la tecnologia, ampliant els límits del que és possible. La taula següent resumeix els valors recomanats i factibles per a les característiques més comunes que es troben a les peces mecanitzades CNC.
Càries i bosses
Profunditat de cavitat recomanada: 4 vegades l'amplada de la cavitat
Les eines de fresat de vora tenen una longitud de tall limitada (normalment de 3 a 4 vegades el seu diàmetre). La desviació de l'eina, l'evacuació de la ferridura i les vibracions es tornen més prominents quan les cavitats tenen una relació profunditat-amplada més petita.
Limitar la profunditat de la cavitat a quatre vegades la seva amplada garanteix bons resultats.
Si es requereixen profunditats més grans, considereu dissenyar peces amb una profunditat de cavitat variable.
Fresat de cavitats profundes: les cavitats amb profunditats superiors a sis vegades el diàmetre de l'eina es consideren profundes. Es pot obtenir una relació diàmetre de l'eina-profunditat de la cavitat de fins a 30:1 utilitzant eines especialitzades (profunditat màxima: 35 cm amb una fresa de 1 polzada de diàmetre).
Càries i bosses
Radi de la cantonada vertical
Recomanat: ⅓ vegades la profunditat de la cavitat (o més gran)
L'ús del valor recomanat per als radis de les cantonades internes garanteix que es pugui utilitzar una eina de diàmetre adequat i que s'alineï amb les directrius per a la profunditat de cavitat recomanada.
Augmentar els radis de les cantonades lleugerament per sobre del valor recomanat (per exemple, en 1 mm) permet que l'eina talli seguint una trajectòria circular en lloc d'un angle de 90 graus. Això és preferible, ja que resulta en un acabat superficial de més qualitat. Si es necessiten cantonades internes nítides de 90 graus, considereu afegir un rebaix en T en lloc de reduir el radi de la cantonada.
Radi del sòl
Recomanat: 0.5 mm, 1 mm o sense radi
Factible: qualsevol radi
Les eines de fresat tenen un tall inferior pla o lleugerament arrodonit. Altres radis de base es poden mecanitzar amb eines de punta esfèrica. És una bona pràctica de disseny utilitzar els valors recomanats, ja que és el preferit pels maquinistes.
Parets primes
Gruix de paret mínim
Recomanat: 0.8 mm (metalls), 1.5 mm (plàstics)
Factible: 0.5 mm (metalls), 1.0 mm (plàstics)
La disminució del gruix de la paret redueix la rigidesa del material, cosa que augmenta les vibracions durant el mecanitzat i redueix la precisió assolible. Els plàstics són propensos a la deformació (a causa de les tensions residuals) i al reblaniment (a causa de l'augment de la temperatura), per la qual cosa es recomana un gruix mínim de paret més gran. Els valors factibles indicats anteriorment s'han d'examinar cas per cas.
Forats
Diàmetre
Recomanat: broca estàndard
Factible: qualsevol diàmetre superior a 1 mm
Els forats es mecanitzen amb una broca o una fresa de cantonada. La mida de les broques està estandarditzada (en unitats mètriques i imperials). Els escariadors i les eines de mandrinat s'utilitzen per acabar els forats que requereixen toleràncies ajustades. Per a forats d'alta precisió amb un diàmetre inferior a 20 mm, es recomana utilitzar un diàmetre estàndard.
Profunditat màxima
Recomanat: 4 vegades el diàmetre nominal
Típic: 10 vegades el diàmetre nominal
Factible: 40 vegades el diàmetre nominal
Els forats amb un diàmetre no estàndard s'han de mecanitzar amb una fresa. En aquest cas, s'apliquen les restriccions de profunditat màxima de la cavitat i s'ha d'utilitzar el valor de profunditat màxima recomanat. Els forats més profunds que el valor típic es mecanitzen amb broques especialitzades (amb un diàmetre mínim de 3 mm). Els forats cecs mecanitzats amb un trepant tenen un sòl cònic (angle de 135 graus), mentre que els forats mecanitzats amb una fresa són plans.
En el mecanitzat CNC no hi ha cap preferència particular entre forats passants o forats cecs.
Temes
Mida del fil
mínim: M1 (i inferior, en alguns casos)
Recomanat: M6 o més gran
Les rosques es tallen amb mascles i les rosques externes amb matrius. Els mascles i les matrius es poden utilitzar per tallar rosques fins a M2. Les eines de roscar CNC són habituals i les prefereixen els maquinistes, ja que limiten el risc de trencament del mascle. Les eines de roscar CNC es poden utilitzar per tallar rosques fins a M6.
Longitud del fil
mínim: 1.5 vegades el diàmetre nominal
Recomanat: 3 vegades el diàmetre nominal
La major part de la càrrega aplicada a una rosca la suporten les primeres dents (fins a 1.5 vegades el diàmetre nominal). Per tant, les rosques més llargues de 3 vegades el diàmetre nominal no són necessàries.
Per a rosques en forats cecs tallats amb mascles (és a dir, totes les rosques més petites que M6), afegiu una longitud sense roscar igual a 1.5 vegades el diàmetre nominal a la part inferior del forat. Quan es pot utilitzar una eina de roscar CNC (és a dir, rosques més grans que M6), el forat es pot roscar per tota la seva longitud.
Característiques petites
Diàmetre mínim del forat
Recomanat: 2.5 mm (0.1 polzades).
Factible: 0.05 mm (0.005 polzades).
La majoria de tallers mecànics poden mecanitzar amb precisió cavitats i forats utilitzant eines de fins a 2.5 mm (0.1 polzades) de diàmetre. Qualsevol cosa per sota d'aquest límit es considera micromecanitzat. Es necessiten eines especialitzades (microbrocades) i coneixements experts per mecanitzar aquestes característiques perquè la física del procés de tall canvia amb aquesta escala. Per tant, si no és absolutament necessari, es recomana evitar-les.
Toleràncies
Típic: +-0.1 mm
Factible: +-0.02 mm
Les nostres toleràncies són 2768 mitjanes o fines. Si no s'especifiquen toleràncies, els nostres fabricants utilitzaran el grau 2768 seleccionat.
Les toleràncies defineixen els límits d'una dimensió acceptable. Les toleràncies assolibles varien segons la dimensió base i la geometria de la peça. Els valors anteriors són directrius raonables.
Text i lletres
Recomanat: mida de lletra 20 (o més gran), gravat de 5 mm
Es prefereix el text gravat al text en relleu, ja que s'elimina menys material. Es recomana utilitzar una font sans serif de mida mínima de -20 (per exemple, Arial o Verdana). Moltes màquines CNC tenen rutines preprogramades per a aquestes fonts.
Configuració de màquines CNC i orientació de peces
Esquema d'una peça que requereix diverses configuracions
L'accés a les eines és una de les principals limitacions de disseny en el mecanitzat CNC. Per arribar a totes les superfícies del model, la peça s'ha de girar diverses vegades.
Sempre que es gira la peça, cal recalibrar la màquina i definir un nou sistema de coordenades.
A l'hora de dissenyar, és important tenir en compte la configuració de la màquina per dos motius:
El nombre total de configuracions de la màquina afecta el cost. La rotació i la realineació de la peça requereix treball manual i augmenta el temps total de mecanitzat. Això sovint és acceptable si la peça s'ha de girar fins a tres o quatre vegades, però qualsevol quantitat superior a aquest límit és excessiva.
Per aconseguir la màxima precisió posicional relativa, cal mecanitzar dues característiques en la mateixa configuració. Això és degut a que el nou pas de calibratge introdueix un petit error (però no negligible).
Què és el mecanitzat CNC de 5 eixos?
Una màquina CNC de 5 eixos mou eines de tall o peces al llarg de cinc eixos alhora. Les màquines CNC multieix poden fabricar peces amb geometries complexes, ja que ofereixen dos eixos de rotació addicionals. Aquestes màquines eliminen la necessitat de múltiples configuracions de màquina.
Quins són els avantatges i les limitacions del mecanitzat CNC de 5 eixos?
El mecanitzat CNC de cinc eixos permet que l'eina romangui constantment tangencial a la superfície de tall. Les trajectòries de l'eina poden ser més complexes i eficients, donant com a resultat peces amb un millor acabat superficial i temps de mecanitzat més curts.
Dit això, el CNC de 5 eixos té les seves limitacions. Les limitacions bàsiques de la geometria de l'eina i l'accés a l'eina encara s'apliquen (per exemple, les peces amb geometries internes no es poden mecanitzar). A més, el cost d'utilitzar aquests sistemes és més elevat.
Sotades de mecanitzat CNC
Els retalls són elements que no es poden mecanitzar amb eines de tall estàndard, ja que algunes de les seves superfícies no són accessibles directament des de dalt.
Hi ha dos tipus principals de retalls: ranures en T i cues d'oreneta. Els retalls poden ser d'una sola cara o de dues cares i es mecanitzen amb eines especials.
Les eines de tall amb ranura en T estan fetes d'una fulla de tall horitzontal unida a un eix vertical. L'amplada d'un tall inferior pot variar entre 3 mm i 40 mm. Recomanem utilitzar mides estàndard per a l'amplada (és a dir, increments de mil·límetres sencers o fraccions de polzades estàndard), ja que és més probable que ja hi hagi una eina adequada disponible.
Per a les eines de tall de cua d'oreneta, l'angle és la mida que defineix la característica. Les eines de cua d'oreneta de 45 i 60 graus es consideren estàndard. També existeixen eines amb un angle de 5, 10 i fins a 120 graus (en increments de 10 graus), però s'utilitzen amb menys freqüència.
Una ranura en T (esquerra), un tall en cua d'oreneta (mig) i un tall unilateral en una paret interna (dreta).
Disseny de retalls per a mecanitzat CNC
Quan dissenyeu peces amb retalls a les parets internes, recordeu d'afegir prou espai lliure per a l'eina. Una bona regla general és afegir un espai equivalent a almenys quatre vegades la profunditat del retall entre la paret mecanitzada i qualsevol altra paret interna.
Per a eines estàndard, la relació típica entre el diàmetre de tall i el diàmetre de l'eix és de 2:1, cosa que limita la profunditat de tall. Quan es requereix un rebaixament no estàndard, és pràctica habitual que els tallers mecànics fabriquin les seves pròpies eines de rebaixament personalitzades. Això pot augmentar el temps de lliurament i el cost, així que eviteu-ho si és possible.
Redacció d'un dibuix tècnic
Els enginyers de vegades utilitzen dibuixos tècnics per comunicar requisits específics de fabricació al maquinista.
Pujar un dibuix tècnic amb el vostre pressupost
Normalment no exigim un dibuix tècnic per a les comandes a la nostra plataforma, però en alguns casos poden afegir un context valuós a una sol·licitud de pressupost. Certes especificacions de disseny no es poden incloure en un fitxer STEP o IGES. Per exemple, haureu d'incloure un dibuix tècnic 2D si el vostre model inclou forats o eixos roscats i/o dimensions amb toleràncies més ajustades que el grau 2768 seleccionat.
Si afegiu un dibuix tècnic, assegureu-vos que coincideixi amb les especificacions dels fitxers carregats. Si els dibuixos tècnics no coincideixen amb els fitxers carregats o amb les especificacions del pressupost:
Les especificacions del pressupost es consideren el punt de referència per a la tecnologia, el material i els acabats superficials.
Els dibuixos tècnics es consideren el punt de referència per a les especificacions de rosca, les especificacions de tolerància, els detalls de l'acabat superficial, les sol·licituds de marcatge de peces i les especificacions del tractament tèrmic.
El fitxer CAD es considera el punt de referència per al disseny de la peça, la geometria, les dimensions i la ubicació de les característiques.
Quines són les millors pràctiques per al mecanitzat CNC?
Dissenyar peces que es puguin mecanitzar utilitzant l'eina amb el diàmetre més gran possible.
Afegiu els filets grans (almenys ⅓ vegades la profunditat de la cavitat) a totes les cantonades verticals internes.
Limiteu la profunditat de les cavitats a 4 vegades la seva amplada.
Alineeu les característiques principals del vostre disseny amb una de les sis direccions principals. Si això no és possible, el mecanitzat CNC de 5 eixos és una opció.
Envieu un dibuix tècnic amb el vostre dibuix si el vostre disseny inclou rosques, toleràncies, especificacions d'acabat superficial o altres notes per a l'operador de la màquina.
Tens peces que necessites mecanitzar amb CNC? Contacta amb el nostre equip de Gazfull.