CNC-koneistuksen osien suunnittelu
Tässä CNC-koneistuksen suunnittelun kattavassa oppaassa olemme koonneet perus- ja edistyneitä suunnittelukäytäntöjä ja vinkkejä, jotka auttavat sinua saavuttamaan parhaat tulokset räätälöityjen osiesi kanssa.
Voit optimoida suunnitelmasi tietokoneohjattua koneistusta (CNC) varten muutamalla helpolla vaiheella. Noudattamalla valmistusta varten suunnitellun suunnittelun (DFM) sääntöjä voit saada enemmän irti CNC-koneistuksen laajoista ominaisuuksista. Tämä voi kuitenkin olla haastavaa, koska koko toimialaa koskevia erityisstandardeja ei ole olemassa.
Tässä artikkelissa tarjoamme kattavan oppaan CNC-koneistuksen parhaista suunnittelukäytännöistä. Näiden kattavien ja ajantasaisten tietojen kokoamiseksi pyysimme palautetta alan asiantuntijoilta ja CNC-koneistuspalveluntarjoajilta. Jos optimoit kustannuksia, tutustu tähän oppaaseen kustannustehokkaiden CNC-osien suunnittelusta.
Mikä on CNC-työstöprosessi?
CNC-koneistus on subtraktiivinen valmistustekniikka. CNC:ssä materiaali poistetaan kiinteästä kappaleesta käyttämällä erilaisia leikkaustyökaluja, jotka pyörivät suurella nopeudella – tuhansia kierroksia minuutissa – CAD-mallin pohjalta valmistetun osan valmistamiseksi. Sekä metalleja että muoveja voidaan CNC-koneistaa.
CNC-koneistetuilla osilla on korkea mittatarkkuus ja tiukat toleranssit. CNC soveltuu sekä suurtuotantoon että yksittäiskappaleisiin töihin. Itse asiassa CNC-työstö on tällä hetkellä kustannustehokkain tapa tuottaa metalliprototyyppejä, jopa verrattuna 3D-tulostukseen.
Mitkä ovat CNC-suunnittelun tärkeimmät rajoitukset?
CNC tarjoaa paljon suunnittelun joustavuutta, mutta siihen liittyy muutamia rajoituksia. Nämä rajoitukset liittyvät leikkausprosessin perusmekaniikkaan ja koskevat pääasiassa työkalun geometriaa ja työkalun saatavuutta.
Työkalun geometria
Yleisimmillä CNC-leikkaustyökaluilla (jyrsintyökalut ja porat) on lieriömäinen muoto ja rajoitettu leikkauspituus.
Kun työkappaleesta poistetaan materiaalia, työkalun geometria siirtyy koneistettuun osaan. Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että CNC-osan sisäkulmilla on aina säde riippumatta siitä, kuinka pientä leikkaustyökalua on käytetty.
Työkalujen käyttöoikeus
Materiaalin poistamiseksi leikkaustyökalu lähestyy työkappaletta suoraan ylhäältä päin. Ominaisuuksia, joihin ei päästä käsiksi tällä tavalla, ei voida CNC-koneistaa.
Tähän sääntöön on poikkeus: alileikkaukset. Artikkelin loppupuolella on alileikkauksia käsittelevä osio.
Suosittelemme, että kohdistat kaikki mallisi ominaisuudet (reiät, ontelot, pystysuorat seinät jne.) johonkin kuudesta pääsuunnasta. Pidä tätä sääntöä kuitenkin suosituksena, ei rajoituksena, sillä 5-akseliset CNC-järjestelmät tarjoavat edistyneitä työkappaleiden kiinnitysominaisuuksia.
Työkalun saatavuus on myös ongelma työstettäessä ominaisuuksia, joilla on suuri syvyys-leveyssuhde. Esimerkiksi syvän ontelon pohjan saavuttamiseksi tarvitaan työkaluja, joilla on pidennetty ulottuvuus. Tämä tarkoittaa laajempaa liikealuetta efektorille, mikä lisää koneen tärinää ja heikentää saavutettavaa tarkkuutta.
Tuotantoa yksinkertaistaa, jos suunnittelet osia, jotka voidaan CNC-koneistaa mahdollisimman suurella halkaisijalla ja lyhyimmällä pituudella varustetulla työkalulla.
CNC-suunnitteluohjeet
CNC-koneistuksen osien suunnittelussa usein eteen tulee haaste, ettei koko toimialaa koskevia erityisiä standardeja ole olemassa. CNC-koneiden ja -työkalujen valmistajat parantavat jatkuvasti teknologian ominaisuuksia ja laajentavat mahdollisuuksien rajoja. Alla oleva taulukko esittää yhteenvedon CNC-koneistettujen osien yleisimpien ominaisuuksien suositelluista ja toteutettavissa olevista arvoista.
Ontelot ja taskut
Suositeltu ontelon syvyys: 4 kertaa ontelon leveys
Jyrsintyökaluilla on rajallinen lastuamispituus (tyypillisesti 3–4 kertaa niiden halkaisija). Työkalun taipuma, lastunpoisto ja värinät korostuvat, kun kolojen syvyys-leveyssuhde on pienempi.
Ontelon syvyyden rajoittaminen neljään kertaan sen leveyteen varmistaa hyvät tulokset.
Jos tarvitaan suurempia syvyyksiä, harkitse osien suunnittelua, joissa on vaihteleva ontelosyvyys.
Syvien onteloiden jyrsintä: Onteloita, joiden syvyys on yli kuusi kertaa työkalun halkaisija, pidetään syvinä. Erikoistyökaluilla voidaan saavuttaa jopa 30:1 työkalun halkaisijan ja ontelon syvyyden suhde (suurin syvyys: 35 cm halkaisijaltaan 1 tuuman varsijyrsimellä).
Ontelot ja taskut
Pystysuuntainen kulman säde
Suositus: ⅓ kertaa ontelon syvyys (tai suurempi)
Sisäkulmien säteiden suositeltujen arvojen käyttäminen varmistaa, että voidaan käyttää sopivan halkaisijan omaavaa työkalua ja että se on linjassa suositellun ontelosyvyyden ohjeiden kanssa.
Kulmasäteiden kasvattaminen hieman suositellun arvon yläpuolelle (esim. 1 mm) mahdollistaa työkalun leikkaamisen ympyränmuotoista rataa pitkin 90 asteen kulman sijaan. Tämä on suositeltavaa, koska se johtaa parempaan pinnanlaatuun. Jos tarvitaan teräviä 90 asteen sisäkulmia, harkitse T-luu-alalastuksen lisäämistä kulmasäteen pienentämisen sijaan.
Lattian säde
Suositus: 0.5 mm, 1 mm tai ei sädettä
Mahdollinen: mikä tahansa säde
Varsijyrsintyökaluissa on tasainen tai hieman pyöristetty alempi leikkaussärmä. Muita pohjasäteitä voidaan työstää kuulapäätyökaluilla. On hyvä suunnittelukäytäntö käyttää suositeltuja arvoja, koska koneistajat suosivat niitä.
Ohuet seinät
Pienin seinämän paksuus
Suositus: 0.8 mm (metallit), 1.5 mm (muovit)
Toteutettavissa: 0.5 mm (metallit), 1.0 mm (muovit)
Seinämän paksuuden pienentäminen vähentää materiaalin jäykkyyttä, mikä lisää tärinää työstön aikana ja heikentää saavutettavaa tarkkuutta. Muovit ovat alttiita vääntymiselle (jäännösjännitysten vuoksi) ja pehmenemiselle (lämpötilan nousun vuoksi), joten suositellaan suurempaa vähimmäisseinämän paksuutta. Yllä mainittuja toteutettavissa olevia arvoja tulisi tarkastella tapauskohtaisesti.
Holes
Halkaisija
Suositeltu: vakioporanterä
Toteutettavissa: mikä tahansa halkaisija, joka on suurempi kuin 1 mm
Reiät koneistetaan joko poranterällä tai jyrsimellä. Poranterien koko on standardoitu (metrisissä ja tuumaisissa yksiköissä). Avartimia ja avarrintyökaluja käytetään tarkkoja toleransseja vaativien reikien viimeistelyyn. Alle 20 mm:n halkaisijaltaan oleville tarkoille rei'ille suositellaan standardihalkaisijan käyttöä.
Suurin syvyys
Suositus: 4 kertaa nimellishalkaisija
Tyypillinen: 10 kertaa nimellishalkaisija
Mahdollinen: 40 kertaa nimellishalkaisija
Epästandardin mukaisen halkaisijan omaavat reiät on työstettävä jyrsimellä. Tässä tapauksessa sovelletaan ontelon enimmäissyvyyden rajoituksia ja tulisi käyttää suositeltua enimmäissyvyyden arvoa. Tyypillistä arvoa syvemmät reiät työstetään erikoisporanterillä (vähimmäishalkaisija 3 mm). Porakoneilla työstetyillä pohjarei'illä on kartiomainen pohja (135 asteen kulma), kun taas jyrsimellä työstetyillä rei'illä on tasainen pohja.
CNC-koneistuksessa ei ole erityistä mieltymystä läpireikien ja pohjareikien välillä.
Langat
Kierteen koko
Minimi: M1 (ja joissakin tapauksissa alempi)
Suositus: M6 tai suurempi
Kierteet leikataan kierretapeilla ja ulkokierteet leimasimilla. Kierretappeja ja leimasimia voidaan käyttää kierteiden leikkaamiseen kokoon M2 asti. CNC-kierretyökalut ovat yleisiä ja koneistajien suosimia, koska ne vähentävät kierretapin rikkoutumisriskiä. CNC-kierretyökaluilla voidaan leikata kierteitä kokoon M6 asti.
Kierteen pituus
Minimi: 1.5 kertaa nimellishalkaisija
Suositus: 3 kertaa nimellishalkaisija
Suurin osa kierteeseen kohdistuvasta kuormituksesta kohdistuu muutamaan ensimmäiseen hampaaseen (jopa 1.5 kertaa nimellishalkaisija). Yli kolminkertainen nimellishalkaisija kierteisiin nähden on siis tarpeeton.
Kierretapeilla leikattujen pohjareikien kierteisiin (eli kaikki kierteet, jotka ovat pienempiä kuin M6), lisää kierteetön pituus, joka on 1.5 kertaa reiän pohjan nimellishalkaisija. Kun voidaan käyttää CNC-kierteitystyökalua (eli kierteet, jotka ovat suurempia kuin M6), reikään voidaan tehdä kierteet koko pituudeltaan.
Pienet ominaisuudet
Reiän vähimmäishalkaisija
Suositus: 2.5 mm (0.1 tuumaa.)
Mahdollinen: 0.05 mm (0.005 tuumaa.)
Useimmat konepajat pystyvät työstämään tarkasti onteloita ja reikiä jopa 2.5 mm:n (0.1 tuuman) halkaisijan omaavilla työkaluilla. Kaikki tätä rajaa pienemmät halkaisijat katsotaan mikrotyöstöksi. Tällaisten ominaisuuksien työstämiseen tarvitaan erikoistyökaluja (mikroporia) ja asiantuntijaosaamista, koska leikkausprosessin fysiikka muuttuu tämän mittakaavan mukana. Ellei ehdottoman välttämätöntä, niitä suositellaan siksi välttämään.
Toleranssit
Tyypillinen: +-0.1 mm
Mahdollinen: +-0.02 mm
Toleranssimme ovat joko 2768 keskikova tai hieno. Jos toleransseja ei ole määritelty, valmistuskumppanit käyttävät valittua 2768-laatua.
Toleranssit määrittelevät hyväksyttävän mitan rajat. Saavutettavissa olevat toleranssit vaihtelevat perusmitan ja osan geometrian mukaan. Yllä olevat arvot ovat kohtuullisia ohjeita.
Teksti ja kirjaimet
Suositus: kirjasinkoko 20 (tai suurempi), kaiverrus 5 mm
Kaiverrettu teksti on parempi vaihtoehto kuin kohokuvioitu teksti, koska siitä poistetaan vähemmän materiaalia. On suositeltavaa käyttää vähintään -20 sans-serif-fonttia (esim. Arial tai Verdana). Monissa CNC-koneissa on esiohjelmoidut rutiinit näille fonteille.
CNC-koneiden asetukset ja osien suuntaus
Kaaviokuva osasta, joka vaatii useita asetuksia
Työkalun saatavuus on yksi CNC-koneistuksen tärkeimmistä suunnittelurajoituksista. Jotta kaikkiin mallin pintoihin päästään käsiksi, työkappaletta on pyöritettävä useita kertoja.
Aina kun työkappaletta pyöritetään, kone on kalibroitava uudelleen ja määriteltävä uusi koordinaatisto.
Suunnittelussa on tärkeää ottaa huomioon koneen asetukset kahdesta syystä:
Koneen asetusten kokonaismäärä vaikuttaa kustannuksiin. Kappaleen kiertäminen ja uudelleenkohdistaminen vaatii manuaalista työtä ja pidentää kokonaiskoneistusaikaa. Tämä on usein hyväksyttävää, jos kappaletta on kierrettävä jopa kolme tai neljä kertaa, mutta tämän rajan ylittävä määrä on liiallista.
Maksimaalisen suhteellisen sijaintitarkkuuden saavuttamiseksi kaksi ominaisuutta on työstettävä samassa asetelmassa. Tämä johtuu siitä, että uusi kalibrointivaihe aiheuttaa pienen (mutta ei merkityksettömän) virheen.
Mitä on 5-akselinen CNC-työstö?
Viisiakselinen CNC-kone liikuttaa leikkaustyökaluja tai osia samanaikaisesti viiden akselin suuntaisesti. Moniakseliset CNC-koneet voivat valmistaa monimutkaisen geometrian omaavia osia, koska niissä on kaksi ylimääräistä pyörivää akselia. Nämä koneet poistavat useiden konekokoonpanojen tarpeen.
Mitkä ovat 5-akselisen CNC-koneistuksen edut ja rajoitukset?
Viisiaksiaalinen CNC-työstö mahdollistaa työkalun pysymisen jatkuvasti tangentiaalisesti leikkauspintaan nähden. Työstöradat voivat olla monimutkaisempia ja tehokkaampia, mikä johtaa osien parempaan pinnanlaatuun ja lyhyempiin työstöaikoihin.
5-akselisella CNC-koneistuksella on kuitenkin rajoituksensa. Perustyökalugeometriaan ja työkalujen käyttöön liittyvät rajoitukset ovat edelleen voimassa (esimerkiksi sisägeometrioilla varustettuja osia ei voida koneistaa). Lisäksi tällaisten järjestelmien käyttökustannukset ovat korkeammat.
CNC-työstöjen alaleikkaukset
Alasleikkaukset ovat ominaisuuksia, joita ei voida työstää tavallisilla leikkaustyökaluilla, koska joihinkin niiden pintoihin ei pääse suoraan ylhäältä päin.
Alasleikkauksia on kahdenlaisia: T-urat ja lohenpyrstöt. Alasleikkaukset voivat olla yksi- tai kaksipuolisia, ja ne koneistetaan erikoistyökaluilla.
T-uran leikkaustyökalut valmistetaan vaakasuorasta leikkausterästä, joka on kiinnitetty pystysuoraan akseliin. Alasleikkauksen leveys voi vaihdella 3 mm:n ja 40 mm:n välillä. Suosittelemme leveyden vakiokokojen käyttöä (eli kokonaisten millimetrien välein tai standardituumien murto-osina), koska on todennäköisempää, että sopiva työkalu on jo saatavilla.
Lohenpyrstöliitoksissa kulma on määrittävä ominaisuuskoko. Sekä 45 että 60 asteen lohenpyrstöliitoksia pidetään vakioina. Saatavilla on myös työkaluja, joiden kulma on 5, 10 ja jopa 120 astetta (10 asteen välein), mutta niitä käytetään harvemmin.
T-ura (vasemmalla), lohenpyrstöliitos (keskellä) ja yksipuolinen altisahaus sisäseinässä (oikealla).
CNC-koneistuksen alaleikkauksen suunnittelu
Kun suunnittelet osia, joissa on sisäseinissä uurteita, muista lisätä riittävästi tilaa työkalulle. Hyvä nyrkkisääntö on lisätä koneistetun seinämän ja minkä tahansa muun sisäseinän väliin tilaa, joka on vähintään neljä kertaa uurteen syvyys.
Vakiotyökaluilla tyypillinen leikkaushalkaisijan ja akselin halkaisijan suhde on 2:1, mikä rajoittaa leikkaussyvyyttä. Kun tarvitaan epästandardia alileikkausta, konepajoilla on yleinen käytäntö valmistaa omat räätälöidyt alileikkaavat työkalunsa. Tämä voi lisätä toimitusaikaa ja kustannuksia, joten sitä kannattaa välttää, jos mahdollista.
Teknisen piirustuksen laatiminen
Insinöörit käyttävät joskus teknisiä piirustuksia viestiäkseen koneistajalle erityisiä valmistusvaatimuksia.
Teknisen piirustuksen lataaminen tarjouksen kera
Emme yleensä vaadi teknistä piirustusta alustamme tilauksiin, mutta joissakin tapauksissa ne voivat antaa arvokasta kontekstia tarjouspyyntöön. Tiettyjä suunnittelutietoja ei voida sisällyttää STEP- tai IGES-tiedostoon. Sinun on esimerkiksi sisällytettävä 2D-tekninen piirustus, jos mallissasi on kierteitettyjä reikiä tai akseleita ja/tai mittoja, joiden toleranssit ovat tiukemmat kuin valitun 2768-luokan toleranssit.
Jos lisäät teknisen piirustuksen, varmista, että se vastaa ladattujen tiedostojen tietoja. Jos tekniset piirustukset eivät vastaa ladattuja tiedostoja tai tarjouksen tietoja:
Tarjouserittelyjä pidetään teknologian, materiaalien ja pintakäsittelyjen viitekohtana.
Teknisiä piirustuksia pidetään kierteiden spesifikaatioiden, toleranssien spesifikaatioiden, pinnan viimeistelytietojen, osien merkintäpyyntöjen ja lämpökäsittelyspesifikaatioiden viitekehyksenä.
CAD-tiedostoa pidetään osan suunnittelun, geometrian, mittojen ja ominaisuuksien sijainnin viitepisteenä.
Mitkä ovat CNC-koneistuksen parhaat käytännöt?
Suunnittele osat, jotka voidaan työstää mahdollisimman suurella halkaisijalla varustetulla työkalulla.
Lisää suuret pyöristeet (vähintään ⅓ kertaa ontelon syvyys) kaikkiin sisäisiin pystysuoriin kulmiin.
Rajoita onteloiden syvyys neljään kertaan niiden leveyteen nähden.
Kohdista suunnittelusi pääpiirteet yhteen kuudesta pääsuunnasta. Jos se ei ole mahdollista, 5-akselinen CNC-koneistus on yksi vaihtoehto.
Lähetä tekninen piirustus piirustuksesi mukana, jos suunnitelmasi sisältää kierteitä, toleransseja, pinnanlaatumäärityksiä tai muita koneenkäyttäjälle tarkoitettuja huomautuksia.
Tarvitsetko CNC-koneistettuja osia? Ota yhteyttä Gazfull-tiimiimme.