Como deseñar pezas para mecanizado CNC
Nesta guía completa para deseñar para mecanizado CNC, recompilamos prácticas e consellos de deseño básicos e avanzados para axudarche a conseguir os mellores resultados para as túas pezas personalizadas.
Hai uns cantos pasos sinxelos que podes seguir para optimizar os teus deseños para o mecanizado por control numérico por computadora (CNC). Seguindo as regras de deseño para fabricación (DFM), podes sacarlle máis proveito ás amplas capacidades do mecanizado CNC. Non obstante, isto pode ser un reto, xa que non existen estándares específicos para toda a industria.
Neste artigo, ofrecemos unha guía completa das mellores prácticas de deseño para o mecanizado CNC. Para recompilar esta extensa información actualizada, solicitamos a opinión de expertos do sector e provedores de servizos de mecanizado CNC. Se estás a optimizar os custos, consulta esta guía para deseñar pezas rendibles para CNC.
Cal é o proceso de mecanizado CNC?
O mecanizado CNC é unha tecnoloxía de fabricación subtractiva. No CNC, o material elimínase dun bloque sólido mediante unha variedade de ferramentas de corte que xiran a alta velocidade (miles de RPM) para producir unha peza baseada nun modelo CAD. Tanto os metais como os plásticos pódense mecanizar con CNC.
As pezas mecanizadas por CNC teñen unha alta precisión dimensional e tolerancias axustadas. O CNC é axeitado tanto para a produción de grandes volumes como para traballos puntuais. De feito, o mecanizado CNC é actualmente a forma máis rendible de producir prototipos metálicos, mesmo en comparación coa impresión 3D.
Cales son as principais restricións do deseño CNC?
O CNC ofrece unha gran flexibilidade de deseño, pero existen algunhas restricións. Estas limitacións están relacionadas coa mecánica básica do proceso de corte e conciernen principalmente á xeometría das ferramentas e ao acceso ás mesmas.
Xeometría da ferramenta
A maioría das ferramentas de corte CNC comúns (fresas de mango e brocas) teñen unha forma cilíndrica e unha lonxitude de corte limitada.
A medida que se retira material da peza, a xeometría da ferramenta transfírese a unha peza mecanizada. Isto significa, por exemplo, que as esquinas internas dunha peza CNC sempre teñen un radio, independentemente do pequena que se utilizase a ferramenta de corte.
Acceso á ferramenta
Para retirar material, a ferramenta de corte achégase á peza directamente desde arriba. As características ás que non se pode acceder deste xeito non se poden mecanizar por CNC.
Hai unha excepción a esta regra: os recortes. Hai unha sección sobre recortes cara ao final deste artigo.
Recomendamos aliñar todas as características do modelo (buratos, cavidades, paredes verticais, etc.) a unha das seis direccións principais. Non obstante, considere esta regra como unha recomendación e non como unha restrición, xa que os sistemas CNC de 5 eixes ofrecen capacidades avanzadas de suxeición de pezas.
O acceso ás ferramentas tamén é un problema ao mecanizar elementos cunha gran relación profundidade-ancho. Para chegar ao fondo dunha cavidade profunda, por exemplo, necesítanse ferramentas con maior alcance. Isto significa un maior rango de movemento para o efector final, o que aumenta a vibración da máquina e reduce a precisión alcanzable.
Simplificará a produción se deseñas pezas que se poidan mecanizar por CNC coa ferramenta que teña o diámetro máis grande posible e a lonxitude máis curta posible.
Directrices de deseño CNC
Un desafío que xorde con frecuencia ao deseñar unha peza para o mecanizado CNC é que non existen estándares específicos para toda a industria. Os fabricantes de máquinas e ferramentas CNC melloran continuamente as capacidades da tecnoloxía, ampliando os límites do posible. A táboa seguinte resume os valores recomendados e viables para as características máis comúns que se atopan nas pezas mecanizadas CNC.
Cavidades e bolsas
Profundidade da cavidade recomendada: 4 veces o ancho da cavidade
As fresas de mango teñen unha lonxitude de corte limitada (normalmente de 3 a 4 veces o seu diámetro). A deflexión da ferramenta, a evacuación da viruta e as vibracións fanse máis prominentes cando as cavidades teñen unha relación profundidade-ancho menor.
Limitar a profundidade da cavidade a catro veces a súa anchura garante bos resultados.
Se se requiren profundidades maiores, considere deseñar pezas cunha profundidade de cavidade variable.
Fresado de cavidades profundas: as cavidades con profundidades superiores a seis veces o diámetro da ferramenta considéranse profundas. É posible obter unha relación diámetro da ferramenta-profundidade da cavidade de ata 30:1 usando ferramentas especializadas (profundidade máxima: 35 cm cunha fresa de 1 polgada de diámetro).
Cavidades e bolsas
Radio da esquina vertical
Recomendado: ⅓ veces a profundidade da cavidade (ou maior)
Empregar o valor recomendado para os raios das esquinas internas garante que se poida usar unha ferramenta de diámetro axeitado e que se aliñe coas directrices para a profundidade de cavidade recomendada.
Aumentar os raios das esquinas lixeiramente por riba do valor recomendado (por exemplo, en 1 mm) permite que a ferramenta corte seguindo unha traxectoria circular en lugar dun ángulo de 90 graos. Isto é o preferible xa que resulta nun acabado superficial de maior calidade. Se se requiren esquinas internas afiadas de 90 graos, considere engadir un rebaixe en T en lugar de reducir o raio da esquina.
Radio do chan
Recomendado: 0.5 mm, 1 mm ou sen radio
Factible: calquera radio
As fresas de corte teñen un filo de corte inferior plano ou lixeiramente redondeado. Outros raios de base pódense mecanizar con ferramentas de extremo esférico. É unha boa práctica de deseño usar os valores recomendados, xa que é o preferido polos maquinistas.
Paredes finas
Espesor mínimo de parede
Recomendado: 0.8 mm (metais), 1.5 mm (plásticos)
Factible: 0.5 mm (metais), 1.0 mm (plásticos)
Ao diminuír o grosor da parede, redúcese a rixidez do material, o que aumenta as vibracións durante o mecanizado e reduce a precisión alcanzable. Os plásticos son propensos á deformación (debido ás tensións residuais) e ao abrandamento (debido ao aumento da temperatura), polo que se recomenda un grosor mínimo de parede maior. Os valores factibles indicados anteriormente deben examinarse caso por caso.
Buratos
diámetro
Recomendado: broca estándar
Factible: calquera diámetro maior de 1 mm
Os orificios mecanízanse cunha broca ou cunha fresa de mandrinar. O tamaño das brocas está estandarizado (en unidades métricas e imperiais). Os escariadores e as ferramentas de mandrinado utilízanse para rematar orificios que requiren tolerancias axustadas. Para orificios de alta precisión cun diámetro inferior a 20 mm, recoméndase usar un diámetro estándar.
Profundidade máxima
Recomendado: 4 veces o diámetro nominal
Típico: 10 veces o diámetro nominal
Factible: 40 veces o diámetro nominal
Os buratos cun diámetro non estándar deben mecanizarse cunha fresa. Neste caso, aplícanse as restricións de profundidade máxima da cavidade e débese usar o valor de profundidade máxima recomendado. Os buratos máis profundos que o valor típico mecanízanse con brocas especializadas (cun diámetro mínimo de 3 mm). Os buratos cegos mecanizados cunha broca teñen un chan cónico (ángulo de 135 graos), mentres que os buratos mecanizados cunha fresa son planos.
No mecanizado CNC non hai unha preferencia particular entre orificios pasantes ou orificios cegos.
Temas
Tamaño do fío
Mínimo: M1 (e inferior, nalgúns casos)
Recomendado: M6 ou maior
As roscas córtanse con machos e as roscas externas con matrices. Os machos e as matrices pódense usar para cortar roscas ata M2. As ferramentas de roscado CNC son comúns e as preferidas polos maquinistas, xa que limitan o risco de rotura do macho. As ferramentas de roscado CNC pódense usar para cortar roscas ata M6.
Lonxitude do fío
Mínimo: 1.5 veces o diámetro nominal
Recomendado: 3 veces o diámetro nominal
A maior parte da carga aplicada a unha rosca é soportada polos primeiros dentes (ata 1.5 veces o diámetro nominal). Polo tanto, as roscas de máis de 3 veces o diámetro nominal son innecesarias.
Para roscas en buratos cegos cortados con machos (é dicir, todas as roscas menores que M6), engádese unha lonxitude sen roscar igual a 1.5 veces o diámetro nominal na parte inferior do burato. Cando se pode usar unha ferramenta de roscar CNC (é dicir, roscas maiores que M6), o burato pódese roscar en toda a súa lonxitude.
Características pequenas
Diámetro mínimo do orificio
Recomendado: 2.5 mm (0.1 polgadas).
Factible: 0.05 mm (0.005 polgadas).
A maioría dos talleres mecánicos poden mecanizar con precisión cavidades e buratos usando ferramentas de ata 2.5 mm (0.1 polgadas) de diámetro. Calquera cousa por debaixo deste límite considérase micromecanizado. Requírense ferramentas especiais (microbrocas) e coñecementos especializados para mecanizar tales características porque a física do proceso de corte cambia con esta escala. Polo tanto, a menos que sexa absolutamente necesario, recoméndase evitalas.
Tolerancias
Típico: +-0.1 milímetros
Factible: +-0.02 milímetros
As nosas tolerancias son 2768 medias ou finas. Se non se especifican tolerancias, os socios fabricantes usarán a calidade 2768 seleccionada.
As tolerancias definen os límites dunha dimensión aceptable. As tolerancias alcanzables varían segundo a dimensión base e a xeometría da peza. Os valores anteriores son directrices razoables.
Texto e letras
Recomendado: tamaño de letra 20 (ou maior), gravado de 5 mm
Prefírese o texto gravado ao texto en relevo, xa que se elimina menos material. Recoméndase usar un tamaño mínimo de -20 tipo de letra sans serif (por exemplo, Arial ou Verdana). Moitas máquinas CNC teñen rutinas preprogramadas para estes tipos de letra.
Configuración de máquinas CNC e orientación de pezas
Esquema dunha peza que require varias configuracións
O acceso ás ferramentas é unha das principais limitacións de deseño no mecanizado CNC. Para alcanzar todas as superficies do modelo, a peza debe xirarse varias veces.
Sempre que se xira a peza, é necesario recalibrar a máquina e definir un novo sistema de coordenadas.
Ao deseñar, é importante ter en conta a configuración da máquina por dúas razóns:
O número total de configuracións da máquina afecta o custo. A rotación e realineación da peza require traballo manual e aumenta o tempo total de mecanizado. Isto adoita ser aceptable se a peza necesita ser rotada ata tres ou catro veces, pero calquera valor superior a este límite é excesivo.
Para acadar a máxima precisión posicional relativa, débense mecanizar dúas características na mesma configuración. Isto débese a que o novo paso de calibración introduce un erro pequeno (pero non desprezable).
Que é o mecanizado CNC de 5 eixes?
Unha máquina CNC de 5 eixes move ferramentas de corte ou pezas ao longo de cinco eixes ao mesmo tempo. As máquinas CNC multieixe poden fabricar pezas con xeometrías complexas, xa que ofrecen dous eixes de rotación adicionais. Estas máquinas eliminan a necesidade de varias configuracións de máquina.
Cales son as vantaxes e limitacións do mecanizado CNC de 5 eixes?
O mecanizado CNC de cinco eixes permite que a ferramenta permaneza constantemente tanxencial á superficie de corte. As traxectorias da ferramenta poden ser máis complexas e eficientes, o que resulta en pezas con mellor acabado superficial e tempos de mecanizado máis curtos.
Dito isto, o CNC de 5 eixes ten as súas limitacións. As limitacións básicas de xeometría e acceso ás ferramentas seguen a aplicarse (por exemplo, as pezas con xeometrías internas non se poden mecanizar). Ademais, o custo de usar estes sistemas é maior.
Socavados de mecanizado CNC
Os rebaixes son características que non se poden mecanizar con ferramentas de corte estándar, xa que algunhas das súas superficies non son accesibles directamente desde arriba.
Hai dous tipos principais de entalladuras: as ranuras en T e as en cola de milano. As entalladuras poden ser dun ou dous lados e mecanízanse con ferramentas especiais.
As ferramentas de corte con ranura en T están feitas dunha lámina de corte horizontal unida a un eixe vertical. A anchura dun corte socavado pode variar entre 3 mm e 40 mm. Recomendamos usar tamaños estándar para a anchura (é dicir, incrementos de milímetros enteiros ou fraccións de polgadas estándar), xa que é máis probable que xa haxa dispoñible unha ferramenta axeitada.
Para as ferramentas de corte de cola de milano, o ángulo é o tamaño que define a característica. As ferramentas de cola de milano de 45 e 60 graos considéranse estándar. Tamén existen ferramentas cun ángulo de 5, 10 e ata 120 graos (en incrementos de 10 graos), pero úsanse con menos frecuencia.
Unha ranura en T (esquerda), un rebaixe en cola de milano (no centro) e un rebaixe nun só lado nunha parede interna (dereita).
Deseño de rebaixe para mecanizado CNC
Ao deseñar pezas con rebaixes nas paredes internas, lembre de engadir espazo suficiente para a ferramenta. Unha boa regra xeral é engadir un espazo igual a polo menos catro veces a profundidade do rebaixe entre a parede mecanizada e calquera outra parede interna.
Para ferramentas estándar, a proporción típica entre o diámetro de corte e o diámetro do eixe é de 2:1, o que limita a profundidade de corte. Cando se require un rebaixe non estándar, é práctica común que os talleres fabriquen as súas propias ferramentas de rebaixe personalizadas. Isto pode aumentar o tempo de entrega e o custo, polo que se debe evitar se é posible.
Elaboración dun debuxo técnico
Ás veces, os enxeñeiros empregan debuxos técnicos para comunicar requisitos específicos de fabricación ao maquinista.
Cargando un debuxo técnico coa túa cotización
Normalmente non esiximos un debuxo técnico para os pedidos na nosa plataforma, pero nalgúns casos, poden engadir un contexto valioso a unha solicitude de orzamento. Certas especificacións de deseño non se poden incluír nun ficheiro STEP ou IGES. Por exemplo, terás que incluír un debuxo técnico en 2D se o teu modelo inclúe orificios ou eixes roscados e/ou dimensións con tolerancias máis axustadas que a calidade 2768 seleccionada.
Se engades un debuxo técnico, asegúrate de que coincida coas especificacións dos ficheiros cargados. Se os debuxos técnicos non coinciden cos ficheiros cargados ou coas especificacións do orzamento:
As especificacións do orzamento considéranse o punto de referencia para a tecnoloxía, os materiais e os acabados superficiais.
Os debuxos técnicos considéranse o punto de referencia para as especificacións de roscas, as especificacións de tolerancia, os detalles do acabado superficial, as solicitudes de marcado de pezas e as especificacións de tratamento térmico.
O ficheiro CAD considérase o punto de referencia para o deseño da peza, a xeometría, as dimensións e as localizacións das características.
Cales son as mellores prácticas para o mecanizado CNC?
Deseña pezas que se poidan mecanizar coa ferramenta co maior diámetro posible.
Engade os filetes grandes (polo menos ⅓ de veces a profundidade da cavidade) a todas as esquinas verticais internas.
Limitar a profundidade das cavidades a 4 veces a súa anchura.
Aliña as características principais do teu deseño cunha das seis direccións principais. Se iso non é posible, o mecanizado CNC de 5 eixes é unha opción.
Envía un debuxo técnico co teu debuxo se o teu deseño inclúe roscas, tolerancias, especificacións de acabado superficial ou outras notas para o operador da máquina.
Tes pezas que necesitas mecanizar con CNC? Ponte en contacto co noso equipo de Gazfull.