Sådan designer du dele til CNC-bearbejdning
I denne komplette guide til design til CNC-bearbejdning har vi samlet grundlæggende og avancerede designpraksisser og tips, der hjælper dig med at opnå de bedste resultater for dine specialfremstillede dele.
Der er et par enkle trin, du kan tage for at optimere dine designs til CNC-bearbejdning (computer numerical control). Ved at følge design-for-manufacturing (DFM) regler kan du få mere ud af CNC-bearbejdningens brede muligheder. Dette kan dog være udfordrende, da der ikke findes branchespecifikke standarder.
I denne artikel tilbyder vi en omfattende guide til de bedste designpraksisser til CNC-bearbejdning. For at samle denne omfattende og opdaterede information har vi bedt om feedback fra brancheeksperter og leverandører af CNC-bearbejdningstjenester. Hvis du optimerer omkostningerne, kan du se denne guide til design af omkostningseffektive dele til CNC.
Hvad er CNC-bearbejdningsprocessen?
CNC-bearbejdning er en subtraktiv fremstillingsteknologi. I CNC fjernes materiale fra en massiv blok ved hjælp af en række forskellige skæreværktøjer, der roterer med høj hastighed – tusindvis af omdrejninger i minuttet – for at producere en del baseret på en CAD-model. Både metaller og plast kan CNC-bearbejdes.
CNC-bearbejdede dele har høj dimensionsnøjagtighed og snævre tolerancer. CNC er velegnet til både storproduktion og enkeltstående opgaver. Faktisk er CNC-bearbejdning i øjeblikket den mest omkostningseffektive måde at producere metalprototyper på, selv sammenlignet med 3D-printning.
Hvad er de vigtigste begrænsninger ved CNC-design?
CNC tilbyder stor designfleksibilitet, men der er et par begrænsninger. Disse begrænsninger vedrører den grundlæggende mekanik i skæreprocessen og vedrører primært værktøjsgeometri og værktøjsadgang.
Værktøjsgeometri
De fleste almindelige CNC-skæreværktøjer (pindfræsere og bor) har en cylindrisk form og en begrænset skærelængde.
Når materiale fjernes fra emnet, overføres værktøjets geometri til en bearbejdet del. Det betyder for eksempel, at de indvendige hjørner af en CNC-del altid har en radius, uanset hvor lille et skæreværktøj der blev brugt.
Værktøjsadgang
For at fjerne materiale, nærmer skæreværktøjet sig emnet direkte ovenfra. Funktioner, der ikke kan tilgås på denne måde, kan ikke CNC-bearbejdes.
Der er en undtagelse fra denne regel: underskæringer. Der er et afsnit om underskæringer mod slutningen af denne artikel.
Vi anbefaler at justere alle din models funktioner (huller, hulrum, lodrette vægge osv.) i en af de seks hovedretninger. Se dog denne regel som en anbefaling og ikke en begrænsning, da 5-aksede CNC-systemer tilbyder avancerede emneholderfunktioner.
Værktøjsadgang er også et problem ved bearbejdning af elementer med et stort dybde-til-bredde-forhold. For at nå bunden af et dybt hulrum har man for eksempel brug for værktøjer med udvidet rækkevidde. Det betyder et bredere bevægelsesområde for sluteffektoren, hvilket øger maskinvibrationen og sænker den opnåelige nøjagtighed.
Det vil forenkle produktionen, hvis du designer dele, der kan CNC-bearbejdes med det værktøj, der har den størst mulige diameter og den kortest mulige længde.
CNC-designretningslinjer
En udfordring, der ofte opstår, når man designer en del til CNC-bearbejdning, er, at der ikke findes specifikke standarder for hele branchen. Producenter af CNC-maskiner og -værktøjer forbedrer løbende teknologiens muligheder og udvider grænserne for, hvad der er muligt. Tabellen nedenfor opsummerer anbefalede og mulige værdier for de mest almindelige funktioner, der opstår i CNC-bearbejdede dele.
Hulrum og lommer
Anbefalet hulrumsdybde: 4 gange hulrumsbredden
Pindfræsere har en begrænset skærelængde (typisk 3-4 gange deres diameter). Værktøjsudbøjning, spånafgang og vibrationer bliver mere fremtrædende, når kaviteter har et mindre dybde-til-bredde-forhold.
At begrænse hulrummets dybde til fire gange dets bredde sikrer gode resultater.
Hvis der kræves større dybder, bør man overveje at designe dele med en variabel hulrumsdybde.
Dyb kavitetsfræsning: Kaviteter med dybder større end seks gange værktøjsdiameteren betragtes som dybe. Et forhold mellem værktøjsdiameter og kavitetsdybde på op til 30:1 er muligt ved hjælp af specialværktøj (maksimal dybde: 35 cm med et pindfræseværktøj med en diameter på 1 tomme).
Hulrum og lommer
Lodret hjørneradius
Anbefalet: ⅓ gange hulrumsdybden (eller større)
Brug af den anbefalede værdi for indvendige hjørneradier sikrer, at et passende diameterværktøj kan anvendes, og at det flugter med retningslinjerne for den anbefalede hulrumsdybde.
Hvis hjørneradiusen øges en smule over den anbefalede værdi (f.eks. med 1 mm), kan værktøjet skære i en cirkulær bane i stedet for en 90-graders vinkel. Dette foretrækkes, da det resulterer i en overfladefinish af højere kvalitet. Hvis der kræves skarpe 90-graders indvendige hjørner, kan det overvejes at tilføje en T-bensunderskæring i stedet for at reducere hjørneradiusen.
Gulvradius
Anbefalet: 0.5 mm, 1 mm eller ingen radius
Gennemførlig: enhver radius
Endefræsere har en flad eller let afrundet nedre skærkant. Andre gulvradier kan bearbejdes med kugleendeværktøjer. Det er god designpraksis at bruge de anbefalede værdier, da det foretrækkes af maskinarbejdere.
Tynde vægge
Minimum vægtykkelse
Anbefalet: 0.8 mm (metaller), 1.5 mm (plast)
Muligt: 0.5 mm (metaller), 1.0 mm (plast)
Reduktion af vægtykkelsen reducerer materialets stivhed, hvilket øger vibrationer under bearbejdning og sænker den opnåelige nøjagtighed. Plastik er tilbøjelige til at vride sig (på grund af restspændinger) og blødgøres (på grund af temperaturstigning), så en større minimumsvægtykkelse anbefales. De ovenfor anførte mulige værdier bør undersøges fra sag til sag.
Huller
Diameter
Anbefalet: standardbor
Muligt: enhver diameter større end 1 mm
Huller bearbejdes enten med et bor eller en pindfræser. Borehovedernes størrelse er standardiseret (i metriske og britiske enheder). Rivaler og boreværktøjer bruges til at afslutte huller, der kræver snævre tolerancer. Til huller med høj præcision og en diameter mindre end 20 mm anbefales det at bruge en standarddiameter.
Maksimal dybde
Anbefalet: 4 gange den nominelle diameter
Typisk: 10 gange den nominelle diameter
Gennemførlig: 40 gange den nominelle diameter
Huller med en ikke-standard diameter skal bearbejdes med en pindfræser. I dette tilfælde gælder de maksimale begrænsninger for hulrumsdybde, og den anbefalede maksimale dybdeværdi bør anvendes. Huller dybere end den typiske værdi bearbejdes med specialbor (med en minimumsdiameter på 3 mm). Blindhuller bearbejdet med en boremaskine har en konisk bund (135 graders vinkel), mens huller bearbejdet med en pindfræser er flade.
Der er ingen særlig præference mellem gennemgående huller eller blinde huller i CNC-bearbejdning.
Tråde
Gevindstørrelse
Minimum: M1 (og lavere, i nogle tilfælde)
Anbefalet: M6 eller større
Gevind skæres med gevindtapper og udvendigt gevind med matricer. Gevindtapper og matricer kan bruges til at skære gevind ned til M2. CNC-gevindskæreværktøjer er almindelige og foretrækkes af maskinarbejdere, da de begrænser risikoen for gevindskærebrud. CNC-gevindskæreværktøjer kan bruges til at skære gevind ned til M6.
Gevindlængde
Minimum: 1.5 gange den nominelle diameter
Anbefalet: 3 gange den nominelle diameter
Størstedelen af belastningen på et gevind optages af de få første tænder (op til 1.5 gange den nominelle diameter). Gevind længere end 3 gange den nominelle diameter er derfor unødvendige.
For gevind i blindhuller skåret med gevindtappe (dvs. alle gevind mindre end M6), skal der tilføjes en længde uden gevind svarende til 1.5 gange den nominelle diameter i bunden af hullet. Når et CNC-gevindskæreværktøj kan anvendes (dvs. gevind større end M6), kan hullet gevindskæres i hele dets længde.
Små funktioner
Minimum huldiameter
Anbefalet: 2.5 mm (0.1 tommer).
Gennemførlig: 0.05 mm (0.005 tommer).
De fleste maskinværksteder kan præcist bearbejde hulrum og huller med værktøjer ned til 2.5 mm (0.1 tommer) i diameter. Alt under denne grænse betragtes som mikrobearbejdning. Specialværktøj (mikrobor) og ekspertviden er påkrævet for at bearbejde sådanne funktioner, fordi fysikken i skæreprocessen ændrer sig med denne skala. Medmindre det er absolut nødvendigt, anbefales det derfor at undgå dem.
Tolerancer
Typisk: +-0.1 mm
Gennemførlig: +-0.02 mm
Vores tolerancer er enten 2768 medium eller fine. Hvis tolerancer ikke er specificeret, vil produktionspartnere bruge den valgte 2768-kvalitet.
Tolerancer definerer grænserne for en acceptabel dimension. De opnåelige tolerancer varierer afhængigt af basisdimensionen og emnets geometri. Ovenstående værdier er rimelige retningslinjer.
Tekst og bogstaver
Anbefalet: skriftstørrelse 20 (eller større), 5 mm graveret
Graveret tekst foretrækkes frem for præget tekst, da der fjernes mindre materiale. Det anbefales at bruge en minimumsstørrelse på -20 sans-serif-skrifttype (f.eks. Arial eller Verdana). Mange CNC-maskiner har forprogrammerede rutiner til disse skrifttyper.
CNC-maskineopsætning og emneorientering
Skematisk oversigt over en del, der kræver flere opsætninger
Værktøjsadgang er en af de største designbegrænsninger ved CNC-bearbejdning. For at nå alle overflader af modellen skal emnet roteres flere gange.
Hver gang emnet roteres, skal maskinen kalibreres på ny, og et nyt koordinatsystem skal defineres.
Under design er det vigtigt at overveje maskinopsætninger af to grunde:
Det samlede antal maskinopstillinger påvirker omkostningerne. Rotation og omjustering af emnet kræver manuelt arbejde og øger den samlede bearbejdningstid. Dette er ofte acceptabelt, hvis emnet skal roteres op til tre eller fire gange, men alt over denne grænse er for meget.
For at opnå maksimal relativ positionsnøjagtighed skal to elementer bearbejdes i samme opstilling. Dette skyldes, at det nye kalibreringstrin introducerer en lille (men ikke ubetydelig) fejl.
Hvad er 5-akset CNC-bearbejdning?
En 5-akset CNC-maskine bevæger skæreværktøjer eller dele langs fem akser på samme tid. Multiaksede CNC-maskiner kan fremstille dele med komplekse geometrier, da de tilbyder to ekstra rotationsakser. Disse maskiner eliminerer behovet for flere maskinopsætninger.
Hvad er fordelene og begrænsningerne ved 5-akset CNC-bearbejdning?
Fem-akset CNC-bearbejdning gør det muligt for værktøjet at forblive konstant tangentielt til skærefladen. Værktøjsbanerne kan være mere komplicerede og effektive, hvilket resulterer i dele med bedre overfladefinish og kortere bearbejdningstider.
Når det er sagt, har 5-akset CNC sine begrænsninger. Grundlæggende værktøjsgeometri og begrænsninger for værktøjsadgang gælder stadig (for eksempel kan dele med indvendige geometrier ikke bearbejdes). Desuden er omkostningerne ved at bruge sådanne systemer højere.
CNC-bearbejdning underskæringer
Underskæringer er elementer, der ikke kan bearbejdes med standardskæreværktøjer, da nogle af deres overflader ikke er tilgængelige direkte ovenfra.
Der er to hovedtyper af underskæringer: T-spor og svalehaler. Underskæringer kan være ensidede eller dobbeltsidede og bearbejdes med specialværktøj.
T-not skæreværktøjer er lavet af et vandret skæreblad fastgjort til en lodret aksel. Bredden af en underskæring kan variere mellem 3 mm og 40 mm. Vi anbefaler at bruge standardstørrelser til bredden (dvs. hele millimeterintervaller eller standard tommebrøkdele), da det er mere sandsynligt, at et passende værktøj allerede er tilgængeligt.
For svalehaleskæreværktøjer er vinklen den definerende størrelse. Både 45- og 60-graders svalehaleværktøjer betragtes som standard. Værktøjer med en vinkel på 5, 10 og op til 120 grader (i intervaller på 10 grader) findes også, men er mindre almindeligt anvendte.
Et T-not (venstre), en svalehaleunderskæring (midten) og en ensidig underskæring på en indvendig væg (højre).
Underskæringsdesign til CNC-bearbejdning
Når du designer dele med underskæringer på indvendige vægge, skal du huske at tilføje tilstrækkelig frihøjde til værktøjet. En god tommelfingerregel er at tilføje en afstand svarende til mindst fire gange dybden af underskæringen mellem den bearbejdede væg og enhver anden indvendig væg.
For standardværktøjer er det typiske forhold mellem skærediameteren og akseldiameteren 2:1, hvilket begrænser skæredybden. Når der kræves en ikke-standard underskæring, er det almindelig praksis for maskinværksteder at fremstille deres egne specialfremstillede underskæringsværktøjer. Dette kan øge leveringstiden og omkostningerne, så undgå det, hvis det er muligt.
Udarbejdelse af en teknisk tegning
Tekniske tegninger bruges undertiden af ingeniører til at kommunikere specifikke produktionskrav til maskinarbejderen.
Upload af en teknisk tegning med dit tilbud
Vi kræver normalt ikke en teknisk tegning til ordrer på vores platform, men i nogle tilfælde kan de tilføje værdifuld kontekst til en tilbudsanmodning. Visse designspecifikationer kan ikke inkluderes i en STEP- eller IGES-fil. For eksempel skal du inkludere en 2D-teknisk tegning, hvis din model indeholder gevindhuller eller aksler og/eller dimensioner med tolerancer, der er strammere end den valgte 2768-kvalitet.
Hvis du tilføjer en teknisk tegning, skal du sørge for, at den stemmer overens med specifikationerne for de uploadede filer. Hvis de tekniske tegninger ikke stemmer overens med de uploadede filer eller tilbudsspecifikationerne:
Tilbudsspecifikationerne betragtes som referencepunkt for teknologi, materiale og overfladebehandlinger.
De tekniske tegninger betragtes som referencepunkt for gevindspecifikationer, tolerancespecifikationer, overfladefinishdetaljer, anmodninger om mærkning af dele og specifikationer for varmebehandling.
CAD-filen betragtes som referencepunktet for deldesign, geometri, dimensioner og funktionsplaceringer.
Hvad er de bedste fremgangsmåder for CNC-bearbejdning?
Design dele, der kan bearbejdes med værktøjet med den størst mulige diameter.
Tilføj de store fileter (mindst ⅓ gange hulrumsdybden) til alle indvendige lodrette hjørner.
Begræns dybden af hulrum til 4 gange deres bredde.
Justér hovedtrækkene i dit design med en af de seks hovedretninger. Hvis det ikke er muligt, er 5-akset CNC-bearbejdning en mulighed.
Indsend en teknisk tegning sammen med din tegning, hvis dit design indeholder gevind, tolerancer, specifikationer for overfladefinish eller andre noter til maskinoperatøren.
Har du dele, der skal CNC-fræses? Kontakt venligst vores Gazfull-team.