Cómo diseñar piezas para mecanizado CNC
En esta guía completa de diseño para mecanizado CNC, hemos recopilado prácticas y consejos de diseño básicos y avanzados para ayudarlo a lograr los mejores resultados para sus piezas personalizadas.
Existen algunos pasos sencillos que puede seguir para optimizar sus diseños para el mecanizado por control numérico computarizado (CNC). Siguiendo las reglas de diseño para fabricación (DFM), puede aprovechar al máximo las amplias capacidades del mecanizado CNC. Sin embargo, esto puede ser un desafío, ya que no existen estándares específicos para toda la industria.
En este artículo, ofrecemos una guía completa sobre las mejores prácticas de diseño para el mecanizado CNC. Para recopilar esta información exhaustiva y actualizada, solicitamos la opinión de expertos del sector y proveedores de servicios de mecanizado CNC. Si busca optimizar sus costes, consulte esta guía para diseñar piezas rentables para CNC.
¿Qué es el proceso de mecanizado CNC?
El mecanizado CNC es una tecnología de fabricación sustractiva. En el CNC, se extrae material de un bloque sólido mediante diversas herramientas de corte que giran a alta velocidad (miles de RPM) para producir una pieza basada en un modelo CAD. Tanto metales como plásticos pueden mecanizarse mediante CNC.
Las piezas mecanizadas por CNC ofrecen una alta precisión dimensional y tolerancias ajustadas. El CNC es adecuado tanto para producciones de gran volumen como para trabajos únicos. De hecho, el mecanizado CNC es actualmente la forma más rentable de producir prototipos metálicos, incluso en comparación con la impresión 3D.
¿Cuáles son las principales restricciones del diseño CNC?
El CNC ofrece una gran flexibilidad de diseño, pero existen algunas restricciones. Estas limitaciones se relacionan con la mecánica básica del proceso de corte y se refieren principalmente a la geometría y el acceso a la herramienta.
Herramienta de geometría
Las herramientas de corte CNC más comunes (fresas y brocas) tienen forma cilíndrica y una longitud de corte limitada.
A medida que se retira material de la pieza de trabajo, la geometría de la herramienta se transfiere a una pieza mecanizada. Esto significa, por ejemplo, que las esquinas internas de una pieza CNC siempre tienen un radio, sin importar cuán pequeña sea la herramienta de corte utilizada.
Acceso a herramientas
Para eliminar material, la herramienta de corte se acerca a la pieza directamente desde arriba. Las funciones a las que no se puede acceder de esta manera no se pueden mecanizar mediante CNC.
Hay una excepción a esta regla: los cortes inferiores. Encontrarás una sección sobre cortes inferiores hacia el final de este artículo.
Recomendamos alinear todas las características del modelo (orificios, cavidades, paredes verticales, etc.) con una de las seis direcciones principales. Sin embargo, considere esta regla como una recomendación y no como una restricción, ya que los sistemas CNC de 5 ejes ofrecen capacidades avanzadas de sujeción de piezas.
El acceso a las herramientas también es un problema cuando se mecanizan características con una gran relación de profundidad a ancho. Para llegar al fondo de una cavidad profunda, por ejemplo, se necesitan herramientas con mayor alcance. Esto significa un rango de movimiento más amplio para el efector final, lo que aumenta la vibración de la máquina y reduce la precisión alcanzable.
Simplificará la producción si diseña piezas que puedan mecanizarse mediante CNC con la herramienta que tenga el mayor diámetro posible y la menor longitud posible.
Directrices de diseño de CNC
Un desafío frecuente al diseñar una pieza para mecanizado CNC es la falta de estándares específicos para toda la industria. Los fabricantes de máquinas y herramientas CNC mejoran continuamente las capacidades de la tecnología, ampliando los límites de lo posible. La siguiente tabla resume los valores recomendados y factibles para las características más comunes en piezas mecanizadas CNC.
Cavidades y bolsas
Profundidad de cavidad recomendada: 4 veces el ancho de la cavidad
Las fresas de extremo tienen una longitud de corte limitada (normalmente de 3 a 4 veces su diámetro). La deflexión de la herramienta, la evacuación de viruta y las vibraciones se acentúan cuando las cavidades tienen una relación profundidad-anchura menor.
Limitar la profundidad de la cavidad a cuatro veces su ancho garantiza buenos resultados.
Si se requieren profundidades mayores, considere diseñar piezas con una profundidad de cavidad variable.
Fresado de cavidades profundas: Las cavidades con profundidades superiores a seis veces el diámetro de la herramienta se consideran profundas. Se puede lograr una relación diámetro de la herramienta/profundidad de la cavidad de hasta 30:1 utilizando herramientas especializadas (profundidad máxima: 35 cm con una fresa de 1 pulgada de diámetro).
Cavidades y bolsas
Radio de esquina vertical
Recomendado: ⅓ veces la profundidad de la cavidad (o más grande)
El uso del valor recomendado para los radios de las esquinas internas garantiza que se pueda utilizar una herramienta con un diámetro adecuado y se alinea con las pautas para la profundidad de cavidad recomendada.
Aumentar el radio de las esquinas ligeramente por encima del valor recomendado (p. ej., 1 mm) permite que la herramienta corte siguiendo una trayectoria circular en lugar de un ángulo de 90°. Esto es preferible, ya que resulta en un acabado superficial de mayor calidad. Si se requieren esquinas internas agudas de 90°, considere añadir un corte en T en lugar de reducir el radio de las esquinas.
Radio del piso
Recomendado: 0.5 mm, 1 mm o sin radio
Factible: cualquier radio
Las fresas de extremo tienen un filo inferior plano o ligeramente redondeado. Se pueden mecanizar otros radios de base utilizando herramientas de punta esférica. Es recomendable usar los valores recomendados, ya que son los preferidos por los operarios.
paredes delgadas
Espesor mínimo de pared
Recomendado: 0.8 mm (metales), 1.5 mm (plásticos)
Factible: 0.5 mm (metales), 1.0 mm (plásticos)
Disminuir el espesor de pared reduce la rigidez del material, lo que aumenta las vibraciones durante el mecanizado y disminuye la precisión alcanzable. Los plásticos son propensos a deformarse (debido a tensiones residuales) y a reblandecerse (debido al aumento de temperatura), por lo que se recomienda un espesor de pared mínimo mayor. Los valores factibles indicados anteriormente deben examinarse caso por caso.
Agujeros
Diámetro
Recomendado: broca estándar
Factible: cualquier diámetro mayor a 1 mm
Los agujeros se mecanizan con una broca o una fresa de extremo. El tamaño de las brocas está estandarizado (en unidades métricas e imperiales). Se utilizan escariadores y mandrinadores para el acabado de agujeros que requieren tolerancias ajustadas. Para agujeros de alta precisión con un diámetro inferior a 20 mm, se recomienda utilizar un diámetro estándar.
Profundidad máxima
Recomendado: 4 veces el diámetro nominal
Típico: 10 veces el diámetro nominal
Factible: 40 veces el diámetro nominal
Los agujeros con un diámetro no estándar deben mecanizarse con una fresa. En este caso, se aplican las restricciones de profundidad máxima de la cavidad y se debe utilizar el valor de profundidad máximo recomendado. Los agujeros con una profundidad superior al valor típico se mecanizan con brocas especializadas (con un diámetro mínimo de 3 mm). Los agujeros ciegos mecanizados con broca tienen una base cónica (ángulo de 135 grados), mientras que los agujeros mecanizados con una fresa son planos.
No existe una preferencia particular entre agujeros pasantes o agujeros ciegos en el mecanizado CNC.
Threads
Tamaño de hilo
Mínimo: M1 (y menores, en algunos casos)
Recomendado: M6 o mayor
Las roscas se cortan con machos de roscar y las roscas externas con matrices. Los machos de roscar y las matrices permiten cortar roscas hasta M2. Las herramientas de roscado CNC son comunes y las preferidas por los operarios, ya que reducen el riesgo de rotura del macho. Las herramientas de roscado CNC permiten cortar roscas hasta M6.
Longitud de la rosca
Mínimo: 1.5 veces el diámetro nominal
Recomendado: 3 veces el diámetro nominal
La mayor parte de la carga aplicada a una rosca recae sobre los primeros dientes (hasta 1.5 veces el diámetro nominal). Por lo tanto, las roscas con una longitud superior al triple del diámetro nominal son innecesarias.
Para roscas en agujeros ciegos cortados con machos de roscar (es decir, todas las roscas menores de M6), añada una longitud sin roscar igual a 1.5 veces el diámetro nominal en el fondo del agujero. Si se puede utilizar una herramienta de roscado CNC (es decir, roscas mayores de M6), el agujero se puede roscar en toda su longitud.
Pequeñas características
Diámetro mínimo del agujero
Recomendado: 2.5 mm (0.1 pulgadas”).
Factible: 0.05 mm (0.005 pulgadas”).
La mayoría de los talleres de mecanizado pueden mecanizar cavidades y agujeros con precisión utilizando herramientas de hasta 2.5 mm (0.1 pulgadas) de diámetro. Cualquier diámetro inferior a este límite se considera micromecanizado. Se requieren herramientas especializadas (microbrocas) y conocimientos especializados para mecanizar estas características, ya que la física del proceso de corte cambia con esta escala. Por lo tanto, se recomienda evitarlas, salvo que sea absolutamente necesario.
Tolerancias
Típico: + -0.1 mm
Factible: + -0.02 mm
Nuestras tolerancias son 2768 medias o finas. Si no se especifican tolerancias, los fabricantes utilizarán el grado 2768 seleccionado.
Las tolerancias definen los límites de una dimensión aceptable. Las tolerancias alcanzables varían según la dimensión base y la geometría de la pieza. Los valores anteriores son orientativos.
Texto y letras
Recomendado: tamaño de fuente 20 (o mayor), grabado de 5 mm
Se prefiere el texto grabado al texto en relieve, ya que se elimina menos material. Se recomienda utilizar un tamaño mínimo de fuente sans -serif -20 (por ejemplo, Arial o Verdana). Muchas máquinas CNC tienen rutinas preprogramadas para estas fuentes.
Configuraciones de máquinas CNC y orientación de piezas.
Esquema de una pieza que requiere múltiples configuraciones
El acceso a las herramientas es una de las principales limitaciones de diseño en el mecanizado CNC. Para alcanzar todas las superficies del modelo, es necesario girar la pieza varias veces.
Cada vez que se gira la pieza de trabajo, es necesario recalibrar la máquina y definir un nuevo sistema de coordenadas.
Al diseñar, es importante tener en cuenta las configuraciones de la máquina por dos razones:
El número total de configuraciones de la máquina afecta el costo. Rotar y realinear la pieza requiere trabajo manual y aumenta el tiempo total de mecanizado. Esto suele ser aceptable si la pieza necesita rotarse hasta tres o cuatro veces, pero cualquier valor superior a este límite es excesivo.
Para lograr la máxima precisión posicional relativa, es necesario mecanizar dos elementos con la misma configuración. Esto se debe a que el nuevo paso de calibración introduce un pequeño error (pero no despreciable).
¿Qué es el mecanizado CNC de 5 ejes?
Una máquina CNC de 5 ejes mueve herramientas o piezas de corte a lo largo de cinco ejes simultáneamente. Las máquinas CNC multieje pueden fabricar piezas con geometrías complejas, ya que ofrecen dos ejes de rotación adicionales. Estas máquinas eliminan la necesidad de múltiples configuraciones.
¿Cuáles son las ventajas y limitaciones del mecanizado CNC de 5 ejes?
El mecanizado CNC de cinco ejes permite que la herramienta permanezca constantemente tangencial a la superficie de corte. Las trayectorias de la herramienta pueden ser más intrincadas y eficientes, lo que resulta en piezas con mejor acabado superficial y tiempos de mecanizado más cortos.
Dicho esto, el CNC de 5 ejes tiene sus limitaciones. Siguen existiendo limitaciones en la geometría básica de la herramienta y en el acceso a ella (por ejemplo, no se pueden mecanizar piezas con geometrías internas). Además, el coste de usar estos sistemas es mayor.
Rebajes de mecanizado CNC
Los socavados son características que no se pueden mecanizar con herramientas de corte estándar, ya que algunas de sus superficies no son accesibles directamente desde arriba.
Hay dos tipos principales de socavados: ranuras en T y colas de milano. Los cortes pueden ser de una o dos caras y se mecanizan con herramientas especiales.
Las herramientas de corte con ranura en T están hechas de una hoja de corte horizontal unida a un eje vertical. El ancho de un corte puede variar entre 3 mm y 40 mm. Recomendamos utilizar tamaños estándar para el ancho (es decir, incrementos de milímetros enteros o fracciones de pulgadas estándar), ya que es más probable que ya esté disponible una herramienta adecuada.
Para las herramientas de corte de cola de milano, el ángulo es el tamaño de la característica definitoria. Tanto las herramientas de cola de milano de 45 como las de 60 grados se consideran estándar. También existen herramientas con un ángulo de 5, 10 y hasta 120 grados (en incrementos de 10 grados), pero se utilizan con menos frecuencia.
Una ranura en T (izquierda), un corte de cola de milano (medio) y un corte de un solo lado en una pared interna (derecha).
Diseño de socavado para mecanizado CNC
Al diseñar piezas con rebajes en las paredes internas, recuerde dejar suficiente espacio libre para la herramienta. Como regla general, se debe dejar un espacio equivalente al menos a cuatro veces la profundidad del rebaje entre la pared mecanizada y cualquier otra pared interna.
Para herramientas estándar, la relación típica entre el diámetro de corte y el diámetro del eje es de 2:1, lo que limita la profundidad de corte. Cuando se requiere un corte no estándar, es común que los talleres de mecanizado fabriquen sus propias herramientas de corte a medida. Esto puede aumentar el tiempo de entrega y el costo, por lo que se recomienda evitarlo en la medida de lo posible.
Redacción de un dibujo técnico.
A veces, los ingenieros utilizan dibujos técnicos para comunicar requisitos de fabricación específicos al maquinista.
Subir un dibujo técnico con su cotización
Normalmente no solicitamos planos técnicos para los pedidos en nuestra plataforma, pero en algunos casos, estos pueden aportar información valiosa a una solicitud de presupuesto. Ciertas especificaciones de diseño no se pueden incluir en un archivo STEP o IGES. Por ejemplo, deberá incluir un plano técnico 2D si su modelo incluye orificios o ejes roscados o dimensiones con tolerancias superiores a la del grado 2768 seleccionado.
Si agrega un plano técnico, asegúrese de que coincida con las especificaciones de los archivos cargados. Si los planos técnicos no coinciden con los archivos cargados o con las especificaciones del presupuesto:
Las especificaciones de cotización se consideran el punto de referencia para la tecnología, el material y los acabados superficiales.
Los dibujos técnicos se consideran el punto de referencia para las especificaciones de rosca, especificaciones de tolerancia, detalles de acabado superficial, solicitudes de marcado de piezas y especificaciones de tratamiento térmico.
El archivo CAD se considera el punto de referencia para el diseño de la pieza, la geometría, la dimensión y la ubicación de las características.
¿Cuáles son las mejores prácticas para el mecanizado CNC?
Diseñar piezas que puedan mecanizarse utilizando la herramienta con el mayor diámetro posible.
Agregue los filetes grandes (al menos ⅓ veces la profundidad de la cavidad) a todas las esquinas verticales internas.
Limite la profundidad de las cavidades a 4 veces su ancho.
Alinee las características principales de su diseño con una de las seis direcciones principales. Si esto no es posible, el mecanizado CNC de 5 ejes es una opción.
Envíe un dibujo técnico junto con su diseño si incluye roscas, tolerancias, especificaciones de acabado de superficie u otras notas para el operador de la máquina.
¿Necesita piezas mecanizadas por CNC? Contacte con nuestro equipo de Gazfull.