Jak navrhovat díly pro CNC obrábění
V tomto kompletním průvodci návrhem pro CNC obrábění jsme shromáždili základní i pokročilé konstrukční postupy a tipy, které vám pomohou dosáhnout nejlepších výsledků pro vaše zakázkové díly.
Existuje několik jednoduchých kroků, které můžete podniknout k optimalizaci svých návrhů pro obrábění s numerickým řízením počítače (CNC). Dodržováním pravidel návrhu pro výrobu (DFM) můžete lépe využít široké možnosti CNC obrábění. To však může být náročné, protože neexistují specifické standardy pro celé odvětví.
V tomto článku nabízíme komplexního průvodce osvědčenými postupy návrhu pro CNC obrábění. Abychom sestavili tyto rozsáhlé a aktuální informace, požádali jsme o zpětnou vazbu odborníky z oboru a poskytovatele služeb CNC obrábění. Pokud optimalizujete náklady, podívejte se na tohoto průvodce návrhem cenově efektivních dílů pro CNC.
Jaký je proces CNC obrábění?
CNC obrábění je subtraktivní výrobní technologie. V CNC se materiál odebírá z pevného bloku pomocí různých řezných nástrojů, které se otáčejí vysokou rychlostí – tisíce otáček za minutu – za účelem výroby dílu založeného na CAD modelu. CNC obráběním lze obrábět jak kovy, tak plasty.
CNC obráběné díly se vyznačují vysokou rozměrovou přesností a přísnými tolerancemi. CNC je vhodné jak pro velkoobjemovou výrobu, tak pro jednorázové zakázky. CNC obrábění je v současnosti cenově nejvýhodnějším způsobem výroby kovových prototypů, a to i ve srovnání s 3D tiskem.
Jaká jsou hlavní omezení CNC konstrukce?
CNC nabízí velkou flexibilitu návrhu, ale existuje několik omezení. Tato omezení se týkají základní mechaniky řezného procesu a týkají se především geometrie nástroje a přístupu k němu.
Geometrie nástroje
Většina běžných CNC řezných nástrojů (frézy a vrtáky) má válcový tvar a omezenou délku řezu.
Jak je materiál odebírán z obrobku, geometrie nástroje se přenáší na obráběný díl. To například znamená, že vnitřní rohy CNC dílu mají vždy poloměr, bez ohledu na to, jak malý řezný nástroj byl použit.
Přístup k nástroji
Pro odebírání materiálu se řezný nástroj přibližuje k obrobku přímo shora. Prvky, ke kterým není tímto způsobem přístup, nelze obrábět na CNC strojích.
Z tohoto pravidla existuje výjimka: podřezání. Sekce o podřezání je ke konci tohoto článku.
Doporučujeme zarovnat všechny prvky modelu (otvory, dutiny, svislé stěny atd.) s jedním ze šesti hlavních směrů. Toto pravidlo však považujte za doporučení, nikoli za omezení, protože 5osé CNC systémy nabízejí pokročilé možnosti upínání obrobků.
Přístup k nástrojům je také problém při obrábění prvků s velkým poměrem hloubky k šířce. Například k dosažení dna hluboké dutiny potřebujete nástroje s delším dosahem. To znamená širší rozsah pohybu koncového efektoru, což zvyšuje chvění stroje a snižuje dosažitelnou přesnost.
Výrobu zjednodušíte, pokud navrhnete díly, které lze obrábět CNC nástrojem s co největším průměrem a co nejkratší délkou.
Pokyny pro návrh CNC strojů
Problém, který se často objevuje při návrhu součásti pro CNC obrábění, je, že neexistují žádné specifické normy pro celé odvětví. Výrobci CNC strojů a nástrojů neustále zlepšují možnosti technologie a rozšiřují hranice toho, co je možné. Níže uvedená tabulka shrnuje doporučené a proveditelné hodnoty pro nejběžnější vlastnosti, které se vyskytují u CNC obráběných součástí.
Dutiny a kapsy
Doporučená hloubka dutiny: 4násobek šířky dutiny
Stopkové frézy mají omezenou délku řezu (obvykle 3–4násobek svého průměru). Průhyb nástroje, odvádění třísek a vibrace se stávají výraznějšími, když mají dutiny menší poměr hloubky k šířce.
Omezení hloubky dutiny na čtyřnásobek její šířky zajišťuje dobré výsledky.
Pokud jsou požadovány větší hloubky, zvažte návrh součástí s proměnnou hloubkou dutiny.
Frézování hlubokých dutin: Dutiny s hloubkou větší než šestinásobek průměru nástroje se považují za hluboké. Poměr průměru nástroje k hloubce dutiny až 30:1 je možný pomocí specializovaných nástrojů (maximální hloubka: 35 cm s frézou o průměru 1 palec).
Dutiny a kapsy
Svislý poloměr rohu
Doporučeno: ⅓ násobek hloubky dutiny (nebo větší)
Použití doporučené hodnoty pro vnitřní poloměry rohů zajišťuje, že lze použít nástroj s vhodným průměrem a že je v souladu s pokyny pro doporučenou hloubku dutiny.
Mírné zvětšení poloměrů rohů nad doporučenou hodnotu (např. o 1 mm) umožňuje nástroji řezat po kruhové dráze namísto úhlu 90 stupňů. Toto je preferováno, protože vede k kvalitnější povrchové úpravě. Pokud jsou požadovány ostré vnitřní rohy o úhlu 90 stupňů, zvažte namísto zmenšení poloměru rohu přidání podříznutí ve tvaru T.
Poloměr podlahy
Doporučená: 0.5 mm, 1 mm nebo žádný poloměr
Realizovatelný: libovolný poloměr
Stopkové frézy mají plochý nebo mírně zaoblený spodní břit. Jiné poloměry dna lze obrábět pomocí kulových nástrojů. Je dobrou konstrukční praxí používat doporučené hodnoty, protože to preferují obráběči.
Tenké stěny
Minimální tloušťka stěny
Doporučeno: 0.8 mm (kovy), 1.5 mm (plasty)
Použitelné: 0.5 mm (kovy), 1.0 mm (plasty)
Snížení tloušťky stěny snižuje tuhost materiálu, což zvyšuje vibrace během obrábění a snižuje dosažitelnou přesnost. Plasty jsou náchylné k deformaci (v důsledku zbytkového napětí) a měknutí (v důsledku zvýšení teploty), proto se doporučuje větší minimální tloušťka stěny. Výše uvedené proveditelné hodnoty by měly být posuzovány případ od případu.
Díry
Průměr
Doporučeno: standardní vrták
Možné: jakýkoli průměr větší než 1 mm
Otvory se obrábějí buď vrtákem, nebo frézou. Velikost vrtáků je standardizovaná (v metrických a imperiálních jednotkách). Výstružníky a vyvrtávací nástroje se používají k dokončení otvorů, které vyžadují přesné tolerance. Pro vysoce přesné otvory s průměrem menším než 20 mm se doporučuje použití standardního průměru.
Maximální hloubka
Doporučená: 4násobek jmenovitého průměru
Typický: 10násobek jmenovitého průměru
Realizovatelný: 40násobek jmenovitého průměru
Otvory s nestandardním průměrem musí být obrobeny stopkovou frézou. V tomto případě platí omezení maximální hloubky dutiny a měla by být použita doporučená maximální hodnota hloubky. Otvory hlubší než typická hodnota se obrábějí pomocí specializovaných vrtáků (s minimálním průměrem 3 mm). Slepé otvory obrobené vrtákem mají kuželové dno (úhel 135 stupňů), zatímco otvory obrobené stopkovou frézou jsou ploché.
Při CNC obrábění neexistuje žádná zvláštní preference mezi průchozími a slepými otvory.
Vlákna
Velikost závitu
Minimální: M1 (a v některých případech nižší)
Doporučená: M6 nebo větší
Závity se řežou závitníky a vnější závity závitníky. Závitníky a závitníky lze použít k řezání závitů až do velikosti M2. CNC závitořezné nástroje jsou běžné a obráběči jsou preferovány, protože snižují riziko zlomení závitníku. CNC závitořezné nástroje lze použít k řezání závitů až do velikosti M6.
Délka závitu
Minimální: 1.5násobek jmenovitého průměru
Doporučená: 3násobek jmenovitého průměru
Většina zatížení působícího na závit je zachycena několika prvními zuby (až 1.5násobek jmenovitého průměru). Závity delší než 3násobek jmenovitého průměru jsou proto zbytečné.
U závitů ve slepých otvorech řezaných závitníky (tj. všechny závity menší než M6) se připočte nezávitová délka rovnající se 1.5násobku jmenovitého průměru na dně otvoru. Pokud lze použít CNC závitořezný nástroj (tj. závity větší než M6), lze otvor závitovat po celé jeho délce.
Drobné funkce
Minimální průměr otvoru
Doporučená: 2.5 mm (0.1 palce).
Realizovatelný: 0.05 mm (0.005 palce).
Většina obráběcích dílen dokáže přesně obrábět dutiny a otvory pomocí nástrojů o průměru až 2.5 mm (0.1 palce). Vše pod touto hranicí se považuje za mikroobrábění. K obrábění takových prvků jsou zapotřebí speciální nástroje (mikrovrtáky) a odborné znalosti, protože fyzika řezného procesu se s tímto měřítkem mění. Pokud to není nezbytně nutné, doporučuje se jim vyhnout.
Tolerance
Typický: +-0.1 mm
Realizovatelný: +-0.02 mm
Naše tolerance jsou buď střední, nebo jemná třída 2768. Pokud tolerance nejsou specifikovány, výrobní partneři použijí vybranou třídu 2768.
Tolerance definují hranice pro přijatelný rozměr. Dosažitelné tolerance se liší v závislosti na základním rozměru a geometrii součásti. Výše uvedené hodnoty jsou rozumné vodítko.
Text a písmo
Doporučeno: velikost písma 20 (nebo větší), gravírování 5 mm
Gravírovaný text je vhodnější než reliéfní, protože se odstraňuje méně materiálu. Doporučuje se použití písma s minimální velikostí -20 bezpatkové patkové patičky (např. Arial nebo Verdana). Mnoho CNC strojů má pro tato písma předprogramované rutiny.
Nastavení CNC strojů a orientace dílů
Schéma součásti, která vyžaduje více nastavení
Přístup k nástrojům je jedním z hlavních konstrukčních omezení v CNC obrábění. Aby se dosáhlo na všechny povrchy modelu, je nutné obrobek několikrát otočit.
Kdykoli se obrobek otočí, je nutné stroj znovu kalibrovat a definovat nový souřadnicový systém.
Při návrhu je důležité zvážit nastavení stroje ze dvou důvodů:
Celkový počet nastavení stroje ovlivňuje náklady. Otáčení a opětovné vyrovnání dílu vyžaduje ruční práci a prodlužuje celkový čas obrábění. To je často přijatelné, pokud je třeba díl otočit až třikrát nebo čtyřikrát, ale cokoli nad tento limit je nadměrné.
Pro dosažení maximální relativní polohové přesnosti musí být dva prvky obrobeny ve stejném nastavení. Je to proto, že nový kalibrační krok zavádí malou (ale nezanedbatelnou) chybu.
Co je 5osé CNC obrábění?
Pětiosý CNC stroj pohybuje řeznými nástroji nebo díly podél pěti os současně. Víceosé CNC stroje mohou vyrábět díly se složitou geometrií, protože nabízejí dvě další rotační osy. Tyto stroje eliminují potřebu více nastavení stroje.
Jaké jsou výhody a omezení 5osého CNC obrábění?
Pětiosé CNC obrábění umožňuje, aby nástroj zůstal neustále tečný k řezné ploše. Dráhy nástroje mohou být složitější a efektivnější, což vede k dílům s lepší povrchovou úpravou a kratším obráběcím časům.
Nicméně 5osé CNC má svá omezení. Stále platí základní omezení geometrie nástroje a přístupu k nástrojům (například díly s vnitřní geometrií nelze obrábět). Navíc jsou náklady na používání takových systémů vyšší.
CNC obrábění podřezů
Podřezy jsou prvky, které nelze obrobit standardními řeznými nástroji, protože některé z jejich povrchů nejsou přístupné přímo shora.
Existují dva hlavní typy podřezů: T-drážky a rybinové drážky. Podřezy mohou být jednostranné nebo oboustranné a obrábějí se pomocí speciálních nástrojů.
Nástroje pro řezání T-drážek se skládají z vodorovného řezného kotouče připevněného ke svislé hřídeli. Šířka podřezu se může pohybovat mezi 3 mm a 40 mm. Doporučujeme používat standardní velikosti pro šířku (tj. celé milimetrové přírůstky nebo standardní zlomky palců), protože je pravděpodobnější, že je již k dispozici vhodný nástroj.
U rybinových řezných nástrojů je úhel určující velikostí prvku. Standardní jsou rybinové nástroje s úhlem 45 i 60 stupňů. Existují také nástroje s úhlem 5, 10 a až 120 stupňů (v krocích po 10 stupních), ale používají se méně často.
T-drážka (vlevo), rybinový podřez (uprostřed) a jednostranný podřez na vnitřní stěně (vpravo).
Návrh podřezání pro CNC obrábění
Při navrhování součástí s podřezáním na vnitřních stěnách nezapomeňte přidat dostatečný prostor pro nástroj. Dobrým pravidlem je přidat prostor rovnající se alespoň čtyřnásobku hloubky podřezání mezi obrobenou stěnou a jakoukoli jinou vnitřní stěnou.
U standardních nástrojů je typický poměr mezi řezným průměrem a průměrem hřídele 2:1, což omezuje hloubku řezu. Pokud je vyžadován nestandardní podříznutí, je běžnou praxí, že si strojírny vyrábějí vlastní zakázkové podříznuté nástroje. To může prodloužit dodací lhůtu a náklady, proto se tomu pokud možno vyhněte.
Vypracování technického výkresu
Technické výkresy někdy používají inženýři ke sdělení specifických výrobních požadavků strojníkovi.
Nahrání technického výkresu s cenovou nabídkou
Na naší platformě obvykle nevyžadujeme technické výkresy pro objednávky, ale v některých případech mohou být cenným doplňkem k poptávce. Některé konstrukční specifikace nelze zahrnout do souboru STEP nebo IGES. Například budete muset zahrnout 2D technický výkres, pokud váš model obsahuje závitové otvory nebo hřídele a/nebo rozměry s tolerancemi menšími než vybraná třída 2768.
Pokud přidáváte technický výkres, ujistěte se prosím, že odpovídá specifikacím nahraných souborů. Pokud technické výkresy neodpovídají nahraným souborům nebo specifikacím cenové nabídky:
Specifikace cenové nabídky jsou považovány za referenční bod pro technologii, materiál a povrchové úpravy.
Technické výkresy jsou považovány za referenční bod pro specifikace závitů, specifikace tolerancí, detaily povrchové úpravy, požadavky na značení součástí a specifikace tepelného zpracování.
Soubor CAD je považován za referenční bod pro návrh součásti, geometrii, rozměry a umístění prvků.
Jaké jsou osvědčené postupy pro CNC obrábění?
Navrhněte součásti, které lze obrábět nástrojem s co největším průměrem.
Přidejte velké zaoblení (alespoň ⅓ násobku hloubky dutiny) do všech vnitřních svislých rohů.
Hloubku dutin omezte na čtyřnásobek jejich šířky.
Slaďte hlavní prvky svého návrhu s jedním ze šesti hlavních směrů. Pokud to není možné, je možností 5osé CNC obrábění.
Pokud váš návrh obsahuje závity, tolerance, specifikace povrchové úpravy nebo další poznámky pro obsluhu stroje, přiložte k výkresu technický výkres.
Potřebujete díly obrábět na CNC? Kontaktujte prosím náš tým Gazfull.