Wie man Teile für die CNC-Bearbeitung konstruiert
In diesem umfassenden Leitfaden zur Konstruktion für die CNC-Bearbeitung haben wir grundlegende und fortgeschrittene Konstruktionspraktiken und Tipps zusammengestellt, die Ihnen helfen, die besten Ergebnisse für Ihre kundenspezifischen Teile zu erzielen.
Es gibt einige einfache Schritte, mit denen Sie Ihre Konstruktionen für die CNC-Bearbeitung optimieren können. Durch die Anwendung der Regeln für die fertigungsgerechte Konstruktion (DFM) können Sie die vielfältigen Möglichkeiten der CNC-Bearbeitung besser nutzen. Dies kann jedoch eine Herausforderung darstellen, da branchenweite, spezifische Standards fehlen.
In diesem Artikel bieten wir Ihnen einen umfassenden Leitfaden zu den besten Konstruktionsmethoden für die CNC-Bearbeitung. Um diese umfangreichen und aktuellen Informationen zusammenzustellen, haben wir Branchenexperten und CNC-Bearbeitungsdienstleister um Feedback gebeten. Wenn Sie Kosten optimieren möchten, werfen Sie einen Blick auf diesen Leitfaden zur Konstruktion kosteneffizienter Teile für die CNC-Bearbeitung.
Was ist der CNC-Bearbeitungsprozess?
Die CNC-Bearbeitung ist ein subtraktives Fertigungsverfahren. Dabei wird Material von einem massiven Block mithilfe verschiedener Schneidwerkzeuge abgetragen, die sich mit hoher Geschwindigkeit – Tausenden von Umdrehungen pro Minute – drehen, um ein Bauteil auf Basis eines CAD-Modells herzustellen. Sowohl Metalle als auch Kunststoffe können CNC-bearbeitet werden.
CNC-gefräste Teile zeichnen sich durch hohe Maßgenauigkeit und enge Toleranzen aus. CNC eignet sich sowohl für die Serienfertigung als auch für Einzelanfertigungen. Tatsächlich ist die CNC-Bearbeitung derzeit die kostengünstigste Methode zur Herstellung von Metallprototypen, selbst im Vergleich zum 3D-Druck.
Was sind die wichtigsten Einschränkungen bei der CNC-Konstruktion?
CNC bietet große Designflexibilität, es gibt jedoch einige Einschränkungen. Diese Einschränkungen beziehen sich auf die grundlegende Mechanik des Schneidprozesses und betreffen hauptsächlich die Werkzeuggeometrie und den Werkzeugzugriff.
Werkzeuggeometrie
Die meisten gängigen CNC-Schneidwerkzeuge (Schaftfräser und Bohrer) haben eine zylindrische Form und eine begrenzte Schnittlänge.
Beim Materialabtrag vom Werkstück wird die Geometrie des Werkzeugs auf das bearbeitete Teil übertragen. Das bedeutet beispielsweise, dass die Innenecken eines CNC-Teils immer einen Radius haben, egal wie klein das verwendete Schneidwerkzeug ist.
Werkzeugzugriff
Um Material abzutragen, nähert sich das Schneidwerkzeug dem Werkstück direkt von oben. Details, die auf diese Weise nicht zugänglich sind, können nicht CNC-bearbeitet werden.
Eine Ausnahme von dieser Regel bilden Undercuts. Ein Abschnitt über Undercuts befindet sich gegen Ende dieses Artikels.
Wir empfehlen, alle Merkmale Ihres Modells (Bohrungen, Aussparungen, vertikale Wände usw.) an einer der sechs Hauptrichtungen auszurichten. Diese Regel ist jedoch als Empfehlung und nicht als Einschränkung zu verstehen, da 5-Achs-CNC-Systeme über fortschrittliche Werkstückspannmöglichkeiten verfügen.
Auch der Werkzeugzugang ist ein Problem, wenn Merkmale mit einem großen Verhältnis von Tiefe zu Breite bearbeitet werden. Um beispielsweise den Boden einer tiefen Kavität zu erreichen, benötigen Sie Werkzeuge mit größerer Reichweite. Dies bedeutet einen größeren Bewegungsbereich für den Endeffektor, was das Rattern der Maschine erhöht und die erreichbare Genauigkeit verringert.
Die Produktion wird vereinfacht, wenn Sie Teile entwerfen, die mit dem Werkzeug mit dem größtmöglichen Durchmesser und der kürzestmöglichen Länge CNC-bearbeitet werden können.
CNC-Konstruktionsrichtlinien
Eine häufige Herausforderung bei der Konstruktion von Teilen für die CNC-Bearbeitung besteht darin, dass keine branchenweit einheitlichen Standards existieren. Hersteller von CNC-Maschinen und -Werkzeugen verbessern die Technologie kontinuierlich und erweitern so die Grenzen des Machbaren. Die folgende Tabelle fasst empfohlene und realisierbare Werte für die häufigsten Merkmale von CNC-bearbeiteten Teilen zusammen.
Hohlräume und Taschen
Empfohlene Hohlraumtiefe: 4-fache Hohlraumbreite
Schaftfräser haben eine begrenzte Schnittlänge (typischerweise das 3- bis 4-fache ihres Durchmessers). Werkzeugdurchbiegung, Spanabfuhr und Vibrationen treten verstärkt auf, wenn das Verhältnis von Tiefe zu Breite der Kavität geringer ist.
Eine Begrenzung der Hohlraumtiefe auf das Vierfache ihrer Breite gewährleistet gute Ergebnisse.
Wenn größere Tiefen erforderlich sind, sollten Sie Bauteile mit variabler Hohlraumtiefe in Betracht ziehen.
Tieffräsen: Kavitäten mit einer Tiefe von mehr als dem Sechsfachen des Werkzeugdurchmessers gelten als tief. Mit Spezialwerkzeugen ist ein Verhältnis von Werkzeugdurchmesser zu Kavitätentiefe von bis zu 30:1 möglich (maximale Tiefe: 35 cm mit einem 1-Zoll-Schaftfräser).
Hohlräume und Taschen
Vertikaler Eckradius
Empfohlen: ⅓-fache Hohlraumtiefe (oder größer)
Die Verwendung des empfohlenen Wertes für innere Eckradien gewährleistet, dass ein Werkzeug mit geeignetem Durchmesser verwendet werden kann und mit den Richtlinien für die empfohlene Hohlraumtiefe übereinstimmt.
Durch eine leichte Vergrößerung des Eckradius über den empfohlenen Wert hinaus (z. B. um 1 mm) kann das Werkzeug eine kreisförmige Schnittbahn anstelle eines 90°-Winkels beschreiben. Dies ist vorteilhaft, da es zu einer höheren Oberflächenqualität führt. Sind scharfe 90°-Innenecken erforderlich, empfiehlt sich anstelle einer Verringerung des Eckradius ein T-förmiger Hinterschnitt.
Bodenradius
Empfohlen: 0.5 mm, 1 mm oder kein Radius
Möglich: beliebiger Radius
Schaftfräser besitzen eine flache oder leicht abgerundete untere Schneide. Andere Radien lassen sich mit Kugelkopffräsern bearbeiten. Es empfiehlt sich, die empfohlenen Werte zu verwenden, da dies von den Zerspanungsmechanikern bevorzugt wird.
Dünne Wände
Mindestwandstärke
Empfohlen: 0.8 mm (Metalle), 1.5 mm (Kunststoffe)
Machbar: 0.5 mm (Metalle), 1.0 mm (Kunststoffe)
Eine Verringerung der Wandstärke reduziert die Steifigkeit des Materials, was zu verstärkten Vibrationen während der Bearbeitung und einer geringeren erreichbaren Genauigkeit führt. Kunststoffe neigen zu Verzug (aufgrund von Eigenspannungen) und Erweichung (aufgrund von Temperaturerhöhungen), weshalb eine größere Mindestwandstärke empfohlen wird. Die oben genannten Werte sollten im Einzelfall geprüft werden.
Bohrungen
Durchmesser
Empfohlen: Standardbohrer
Machbar: jeder Durchmesser größer als 1 mm
Bohrungen werden entweder mit einem Bohrer oder einem Schaftfräser bearbeitet. Die Größe der Bohrer ist genormt (in metrischen und zölligen Einheiten). Reibahlen und Ausdrehwerkzeuge werden für Bohrungen mit engen Toleranzen verwendet. Für hochpräzise Bohrungen mit einem Durchmesser unter 20 mm wird die Verwendung eines Standarddurchmessers empfohlen.
Maximale Tiefe
Empfohlen: 4-facher Nenndurchmesser
Typisch: 10-facher Nenndurchmesser
Möglich: 40-facher Nenndurchmesser
Bohrungen mit nicht standardmäßigem Durchmesser müssen mit einem Schaftfräser bearbeitet werden. Dabei gelten die Beschränkungen der maximalen Bohrungstiefe, und der empfohlene Maximalwert sollte eingehalten werden. Bohrungen, die tiefer als der übliche Wert sind, werden mit Spezialbohrern (mit einem Mindestdurchmesser von 3 mm) gefräst. Sacklöcher, die mit einem Bohrer gefräst werden, haben einen konischen Boden (135°-Winkel), während Bohrungen, die mit einem Schaftfräser gefräst werden, plan sind.
Bei der CNC-Bearbeitung gibt es keine besondere Präferenz zwischen Durchgangslöchern und Sacklöchern.
Threads
Gewindegröße
Minimum: M1 (und in manchen Fällen auch tiefer)
Empfohlen: M6 oder größer
Gewinde werden mit Gewindebohrern und Außengewinde mit Schneideisen geschnitten. Mit Gewindebohrern und Schneideisen lassen sich Gewinde bis zur Größe M2 schneiden. CNC-Gewindeschneidwerkzeuge sind weit verbreitet und werden von Zerspanungsmechanikern bevorzugt, da sie das Risiko eines Gewindebohrerbruchs minimieren. Mit CNC-Gewindeschneidwerkzeugen können Gewinde bis zur Größe M6 geschnitten werden.
Gewindelänge
Minimum: 1.5-facher Nenndurchmesser
Empfohlen: 3-facher Nenndurchmesser
Der Großteil der auf ein Gewinde wirkenden Last wird von den ersten Zähnen (bis zum 1.5-fachen des Nenndurchmessers) aufgenommen. Gewinde, die länger als das Dreifache des Nenndurchmessers sind, sind daher unnötig.
Bei Gewinden in Sacklöchern, die mit Gewindebohrern geschnitten wurden (d. h. alle Gewinde kleiner als M6), ist am Lochgrund eine gewindefreie Länge von 1.5-fachem Nenndurchmesser hinzuzufügen. Bei Gewinden größer als M6, die mit einem CNC-Gewindeschneidwerkzeug bearbeitet werden können, kann das Loch über seine gesamte Länge mit einem Gewinde versehen werden.
Kleine Features
Minimaler Lochdurchmesser
Empfohlen: 2.5 mm (0.1 Zoll.)
Möglich: 0.05 mm (0.005 Zoll.)
Die meisten Werkstätten können Hohlräume und Bohrungen mit Werkzeugen bis zu einem Durchmesser von 2.5 mm (0.1 Zoll) präzise bearbeiten. Alles darunter gilt als Mikrobearbeitung. Für die Bearbeitung solcher Merkmale sind Spezialwerkzeuge (Mikrobohrer) und Expertenwissen erforderlich, da sich die physikalischen Gesetze des Zerspanungsprozesses in diesem Maßstab ändern. Daher wird empfohlen, diese Bearbeitungsmethode nach Möglichkeit zu vermeiden.
Toleranzen
Typisch: + -0.1 mm
Möglich: + -0.02 mm
Unsere Toleranzen entsprechen entweder 2768 mittel oder fein. Falls keine Toleranzen angegeben sind, verwenden unsere Fertigungspartner die gewählte Güteklasse 2768.
Toleranzen definieren die Grenzen für ein zulässiges Maß. Die erreichbaren Toleranzen variieren je nach Basismaß und Geometrie des Bauteils. Die oben genannten Werte sind sinnvolle Richtwerte.
Text und Schrift
Empfohlen: Schriftgröße 20 (oder größer), 5 mm Gravur
Gravierter Text ist geprägtem Text vorzuziehen, da weniger Material entfernt wird. Es wird empfohlen, eine serifenlose Schriftart mit einer Mindestgröße von -20 (z. B. Arial oder Verdana) zu verwenden. Viele CNC-Maschinen haben vorprogrammierte Routinen für diese Schriftarten.
CNC-Maschinen-Setups und Teileausrichtung
Schematische Darstellung eines Bauteils, das mehrere Aufspannungen erfordert
Die Werkzeugzugänglichkeit ist eine der größten konstruktionsbedingten Einschränkungen bei der CNC-Bearbeitung. Um alle Oberflächen des Modells zu erreichen, muss das Werkstück mehrfach gedreht werden.
Bei jeder Drehung des Werkstücks muss die Maschine neu kalibriert und ein neues Koordinatensystem definiert werden.
Bei der Konstruktion ist es aus zwei Gründen wichtig, die Maschineneinstellungen zu berücksichtigen:
Die Gesamtzahl der Maschineneinrichtungen beeinflusst die Kosten. Das Drehen und Neuausrichten des Werkstücks erfordert manuelle Arbeit und verlängert die Bearbeitungszeit. Dies ist oft akzeptabel, wenn das Werkstück bis zu drei- oder viermal gedreht werden muss; alles darüber hinaus ist jedoch übermäßig.
Um eine maximale relative Positionsgenauigkeit zu erreichen, müssen zwei Merkmale in derselben Aufspannung bearbeitet werden. Dies liegt daran, dass der neue Kalibrierungsschritt einen kleinen (aber nicht zu vernachlässigenden) Fehler verursacht.
Was ist 5-Achsen-CNC-Bearbeitung?
Eine 5-Achs-CNC-Maschine bewegt Schneidwerkzeuge oder Werkstücke gleichzeitig entlang fünf Achsen. Mehrachsige CNC-Maschinen können Werkstücke mit komplexen Geometrien fertigen, da sie zwei zusätzliche Drehachsen bieten. Dadurch entfällt die Notwendigkeit mehrerer Maschineneinrichtungen.
Was sind die Vorteile und Grenzen der 5-Achs-CNC-Bearbeitung?
Die Fünf-Achs-CNC-Bearbeitung ermöglicht es, dass das Werkzeug stets tangential zur Schnittfläche verläuft. Die Werkzeugwege können komplexer und effizienter gestaltet werden, was zu Bauteilen mit besserer Oberflächengüte und kürzeren Bearbeitungszeiten führt.
Allerdings hat die 5-Achs-CNC-Bearbeitung ihre Grenzen. Einschränkungen hinsichtlich der Werkzeuggeometrie und des Werkzeugzugangs bestehen weiterhin (beispielsweise können Teile mit Innengeometrien nicht bearbeitet werden). Darüber hinaus sind die Kosten für den Einsatz solcher Systeme höher.
CNC-Bearbeitung von Hinterschneidungen
Hinterschnitte sind Merkmale, die mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen nicht bearbeitet werden können, da einige ihrer Oberflächen von oben nicht direkt zugänglich sind.
Es gibt zwei Hauptarten von Hinterschneidungen: T-Nuten und Schwalbenschwänze. Hinterschneidungen können einseitig oder doppelseitig sein und werden mit Spezialwerkzeugen bearbeitet.
T-Nuten-Schneidwerkzeuge bestehen aus einem horizontalen Schneidblatt, das an einer vertikalen Welle befestigt ist. Die Breite eines Unterschnitts kann zwischen 3 mm und 40 mm variieren. Wir empfehlen, Standardgrößen für die Breite zu verwenden (also ganze Millimeter-Schritte oder Standard-Zoll-Bruchteile), da es wahrscheinlicher ist, dass bereits ein entsprechendes Werkzeug vorhanden ist.
Bei Schwalbenschwanz-Schneidwerkzeugen ist der Winkel die entscheidende Merkmalsgröße. Sowohl 45- als auch 60-Grad-Schwalbenschwanzwerkzeuge gelten als Standard. Es gibt auch Werkzeuge mit einem Winkel von 5, 10 und bis zu 120 Grad (in 10-Grad-Schritten), die jedoch weniger häufig verwendet werden.
Eine T-Nut (links), eine Schwalbenschwanz-Hinterschnittverbindung (Mitte) und ein einseitiger Hinterschnitt an einer Innenwand (rechts).
Hinterschnittdesign für die CNC-Bearbeitung
Beim Konstruieren von Bauteilen mit Hinterschneidungen an Innenwänden ist ausreichend Freiraum für das Werkzeug einzuplanen. Als Faustregel gilt: Zwischen der bearbeiteten Wand und jeder anderen Innenwand sollte mindestens das Vierfache der Tiefe der Hinterschneidung eingehalten werden.
Bei Standardwerkzeugen beträgt das typische Verhältnis zwischen Schneiddurchmesser und Schaftdurchmesser 2:1, wodurch die Schnitttiefe begrenzt wird. Wenn eine nicht standardmäßige Hinterschneidung erforderlich ist, fertigen Maschinenbaubetriebe üblicherweise eigene Hinterschneidungswerkzeuge an. Dies kann die Lieferzeit und die Kosten erhöhen, daher sollte es nach Möglichkeit vermieden werden.
Erstellen einer technischen Zeichnung
Technische Zeichnungen werden manchmal von Ingenieuren verwendet, um dem Maschinisten spezifische Fertigungsanforderungen mitzuteilen.
Hochladen einer technischen Zeichnung mit Ihrem Angebot
Für Bestellungen über unsere Plattform benötigen wir in der Regel keine technischen Zeichnungen. In manchen Fällen können diese jedoch wertvolle Informationen für eine Angebotsanfrage liefern. Bestimmte Konstruktionsspezifikationen können nicht in einer STEP- oder IGES-Datei enthalten sein. Beispielsweise benötigen Sie eine 2D-Zeichnung, wenn Ihr Modell Gewindebohrungen oder Wellen und/oder Maße mit engeren Toleranzen als der gewählten Güteklasse 2768 enthält.
Wenn Sie eine technische Zeichnung hinzufügen, stellen Sie bitte sicher, dass diese den Spezifikationen der hochgeladenen Dateien entspricht. Falls die technischen Zeichnungen nicht mit den hochgeladenen Dateien oder den Angebotsspezifikationen übereinstimmen:
Die Angebotsspezifikationen gelten als Referenzpunkt für Technologie, Material und Oberflächenbeschaffenheit.
Die technischen Zeichnungen gelten als Referenzpunkt für die Gewindespezifikationen, Toleranzvorgaben, Details zur Oberflächenbeschaffenheit, Anforderungen an die Teilekennzeichnung und Wärmebehandlungsspezifikationen.
Die CAD-Datei gilt als Referenzpunkt für die Teilekonstruktion, Geometrie, Bemaßung und Position der Merkmale.
Was sind die besten Vorgehensweisen für die CNC-Bearbeitung?
Teile konstruieren, die mit dem Werkzeug mit dem größtmöglichen Durchmesser bearbeitet werden können.
Fügen Sie an allen inneren vertikalen Ecken große Abrundungen (mindestens ⅓ der Hohlraumtiefe) hinzu.
Die Tiefe der Hohlräume sollte auf das Vierfache ihrer Breite begrenzt werden.
Richten Sie die Hauptmerkmale Ihres Designs an einer der sechs Hauptrichtungen aus. Falls dies nicht möglich ist, bietet sich die 5-Achs-CNC-Bearbeitung an.
Reichen Sie zusammen mit Ihrer Zeichnung eine technische Zeichnung ein, wenn Ihre Konstruktion Gewinde, Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheitsspezifikationen oder andere Hinweise für den Maschinenbediener enthält.
Haben Sie Teile, die CNC-bearbeitet werden müssen? Dann kontaktieren Sie bitte unser Gazfull-Team.