Come progettare parti per la lavorazione CNC
In questa guida completa alla progettazione per la lavorazione CNC, abbiamo raccolto pratiche e suggerimenti di progettazione di base e avanzati per aiutarti a ottenere i migliori risultati per i tuoi componenti personalizzati.
Esistono alcuni semplici passaggi per ottimizzare i progetti per la lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC). Seguendo le regole del Design-For-Manufacturing (DFM), è possibile sfruttare al meglio le ampie potenzialità della lavorazione CNC. Questo può tuttavia rivelarsi impegnativo, poiché non esistono standard specifici per il settore.
In questo articolo, offriamo una guida completa alle migliori pratiche di progettazione per la lavorazione CNC. Per raccogliere queste informazioni complete e aggiornate, abbiamo chiesto il feedback di esperti del settore e fornitori di servizi di lavorazione CNC. Se state ottimizzando i costi, consultate questa guida alla progettazione di componenti CNC convenienti.
Qual è il processo di lavorazione CNC?
La lavorazione CNC è una tecnologia di produzione sottrattiva. Nella lavorazione CNC, il materiale viene rimosso da un blocco solido utilizzando una varietà di utensili da taglio che ruotano ad alta velocità – migliaia di giri al minuto – per produrre un componente basato su un modello CAD. Sia i metalli che le materie plastiche possono essere lavorati con macchine CNC.
I pezzi lavorati a CNC presentano un'elevata precisione dimensionale e tolleranze ristrette. La lavorazione CNC è adatta sia alla produzione di grandi volumi che a lavori singoli. Infatti, la lavorazione CNC è attualmente il metodo più conveniente per produrre prototipi in metallo, anche rispetto alla stampa 3D.
Quali sono le principali limitazioni della progettazione CNC?
Il CNC offre una grande flessibilità di progettazione, ma presenta alcune limitazioni. Queste limitazioni riguardano la meccanica di base del processo di taglio e riguardano principalmente la geometria e l'accesso all'utensile.
Geometria dell'utensile
Gli utensili da taglio CNC più comuni (frese e punte) hanno una forma cilindrica e una lunghezza di taglio limitata.
Quando il materiale viene rimosso dal pezzo, la geometria dell'utensile viene trasferita su una parte lavorata. Ciò significa, ad esempio, che gli angoli interni di una parte CNC hanno sempre un raggio, indipendentemente dalle dimensioni dell'utensile da taglio utilizzato.
Accesso agli strumenti
Per rimuovere il materiale, l'utensile da taglio si avvicina al pezzo direttamente dall'alto. Le caratteristiche a cui non è possibile accedere in questo modo non possono essere lavorate con CNC.
C'è un'eccezione a questa regola: i tagli sottosquadro. Troverete una sezione sui tagli sottosquadro verso la fine di questo articolo.
Consigliamo di allineare tutte le caratteristiche del modello (fori, cavità, pareti verticali, ecc.) a una delle sei direzioni principali. Tuttavia, considerate questa regola come una raccomandazione e non una restrizione, poiché i sistemi CNC a 5 assi offrono funzionalità avanzate di bloccaggio del pezzo.
Anche l’accesso agli utensili rappresenta un problema durante la lavorazione di elementi con un elevato rapporto profondità/larghezza. Per raggiungere il fondo di una cavità profonda, ad esempio, sono necessari strumenti con portata estesa. Ciò significa una gamma più ampia di movimento per l'effettore finale, che aumenta le vibrazioni della macchina e riduce la precisione ottenibile.
Semplificherà la produzione se si progettano parti che possono essere lavorate a CNC con l'utensile che ha il diametro maggiore possibile e la lunghezza minore possibile.
Linee guida per la progettazione CNC
Una sfida frequente nella progettazione di un componente per la lavorazione CNC è l'assenza di standard specifici per il settore. I produttori di macchine e utensili CNC migliorano costantemente le capacità della tecnologia, ampliando i limiti del possibile. La tabella seguente riassume i valori consigliati e realizzabili per le caratteristiche più comuni riscontrate nei componenti lavorati CNC.
Cavità e tasche
Profondità della cavità consigliata: 4 volte la larghezza della cavità
Le frese a candela hanno una lunghezza di taglio limitata (in genere 3-4 volte il loro diametro). La flessione dell'utensile, l'evacuazione del truciolo e le vibrazioni diventano più evidenti quando le cavità hanno un rapporto profondità/larghezza inferiore.
Limitare la profondità della cavità a quattro volte la sua larghezza garantisce buoni risultati.
Se sono necessarie profondità maggiori, prendere in considerazione la progettazione di parti con una profondità della cavità variabile.
Fresatura di cavità profonde: le cavità con profondità superiore a sei volte il diametro dell'utensile sono considerate profonde. Utilizzando utensili specializzati, è possibile ottenere un rapporto tra diametro dell'utensile e profondità della cavità fino a 30:1 (profondità massima: 35 cm con una fresa a candela da 1 pollice di diametro).
Cavità e tasche
Raggio d'angolo verticale
Consigliato: ⅓ volte la profondità della cavità (o più grande)
Utilizzando il valore consigliato per i raggi degli angoli interni si garantisce l'utilizzo di un utensile dal diametro adatto e in linea con le linee guida per la profondità della cavità consigliata.
Aumentando leggermente i raggi degli angoli rispetto al valore consigliato (ad esempio di 1 mm), l'utensile può tagliare seguendo un percorso circolare anziché un angolo di 90°. Questa soluzione è preferibile in quanto garantisce una finitura superficiale di qualità superiore. Se sono necessari angoli interni a 90°, si consiglia di aggiungere un sottosquadro a T anziché ridurre il raggio degli angoli.
Raggio del pavimento
Consigliato: 0.5 mm, 1 mm o nessun raggio
Fattibile: qualsiasi raggio
Le frese a candela hanno un tagliente inferiore piatto o leggermente arrotondato. Altri raggi di base possono essere lavorati utilizzando utensili a testa sferica. È buona norma di progettazione utilizzare i valori consigliati, poiché sono preferiti dagli operatori.
Pareti sottili
Spessore minimo della parete
Consigliato: 0.8 mm (metalli), 1.5 mm (plastiche)
Fattibile: 0.5 mm (metalli), 1.0 mm (plastica)
Ridurre lo spessore della parete riduce la rigidità del materiale, aumentando le vibrazioni durante la lavorazione e riducendo la precisione ottenibile. Le materie plastiche sono soggette a deformazioni (a causa di tensioni residue) e rammollimenti (a causa dell'aumento di temperatura), pertanto si raccomanda uno spessore minimo della parete maggiore. I valori fattibili sopra indicati devono essere valutati caso per caso.
Fori
Diametro
Consigliato: punta da trapano standard
Fattibile: qualsiasi diametro maggiore di 1 mm
I fori vengono realizzati utilizzando una punta da trapano o una fresa a candela. La dimensione delle punte da trapano è standardizzata (in unità metriche e imperiali). Per la finitura dei fori che richiedono tolleranze ristrette, si utilizzano alesatori e utensili per la barenatura. Per fori ad alta precisione con diametro inferiore a 20 mm, si consiglia di utilizzare un diametro standard.
Profondità massima
Consigliato: 4 volte il diametro nominale
Tipico: 10 volte il diametro nominale
Fattibile: 40 volte il diametro nominale
I fori con diametro non standard devono essere lavorati con una fresa a candela. In questo caso, si applicano le restrizioni relative alla profondità massima della cavità e si deve utilizzare il valore di profondità massima raccomandato. I fori più profondi del valore tipico vengono lavorati utilizzando punte da trapano specifiche (con un diametro minimo di 3 mm). I fori ciechi lavorati con una punta da trapano hanno un fondo conico (angolo di 135 gradi), mentre i fori lavorati con una fresa a candela sono piatti.
Nella lavorazione CNC non esiste una preferenza particolare tra fori passanti o fori ciechi.
Discussioni
Dimensioni del filo
Minimo: M1 (e inferiore, in alcuni casi)
Consigliato: M6 o più grande
Le filettature vengono eseguite con maschi e le filettature esterne con filiere. Maschi e filiere possono essere utilizzati per filettare fino a M2. Gli utensili per filettatura CNC sono comuni e preferiti dagli operatori, poiché limitano il rischio di rottura del maschio. Gli utensili per filettatura CNC possono essere utilizzati per filettare fino a M6.
Lunghezza del filo
Minimo: 1.5 volte il diametro nominale
Consigliato: 3 volte il diametro nominale
La maggior parte del carico applicato a una filettatura è assorbito dai primi denti (fino a 1.5 volte il diametro nominale). Le filettature più lunghe di 3 volte il diametro nominale sono quindi superflue.
Per le filettature in fori ciechi eseguiti con maschi (ovvero tutte le filettature inferiori a M6), aggiungere una lunghezza non filettata pari a 1.5 volte il diametro nominale alla base del foro. Quando è possibile utilizzare un utensile per filettatura CNC (ovvero filettature superiori a M6), il foro può essere filettato per tutta la sua lunghezza.
Piccole caratteristiche
Diametro minimo del foro
Consigliato: 2.5 mm (0.1 pollici.”)
Fattibile: 0.05 mm (0.005 pollici.”)
La maggior parte delle officine meccaniche è in grado di lavorare con precisione cavità e fori utilizzando utensili fino a 2.5 mm (0.1 pollici) di diametro. Qualsiasi lavorazione al di sotto di questo limite è considerata microlavorazione. Per lavorare tali caratteristiche sono necessari utensili speciali (micro-trapani) e competenze specialistiche, poiché la fisica del processo di taglio cambia con questa scala. A meno che non sia assolutamente necessario, si raccomanda quindi di evitarle.
Tolleranze
Tipico: + -0.1 mm
Fattibile: + -0.02 mm
Le nostre tolleranze sono 2768 medie o fini. Se le tolleranze non sono specificate, i partner di produzione utilizzeranno il grado 2768 selezionato.
Le tolleranze definiscono i limiti di una dimensione accettabile. Le tolleranze ottenibili variano a seconda della dimensione di base e della geometria del pezzo. I valori sopra indicati sono linee guida ragionevoli.
Testo e scritte
Consigliato: dimensione carattere 20 (o superiore), incisione 5 mm
Il testo inciso è preferibile rispetto al testo in rilievo, poiché viene rimosso meno materiale. Si consiglia di utilizzare una dimensione minima di -20 caratteri sans -serif (ad esempio Arial o Verdana). Molte macchine CNC dispongono di routine preprogrammate per questi font.
Configurazioni di macchine CNC e orientamento delle parti
Schema di una parte che richiede più configurazioni
L'accesso agli utensili è uno dei principali limiti progettuali nella lavorazione CNC. Per raggiungere tutte le superfici del modello, il pezzo deve essere ruotato più volte.
Ogni volta che il pezzo viene ruotato, la macchina deve essere ricalibrata e deve essere definito un nuovo sistema di coordinate.
Durante la progettazione, è importante considerare le configurazioni delle macchine per due motivi:
Il numero totale di configurazioni macchina incide sul costo. Ruotare e riallineare il pezzo richiede lavoro manuale e aumenta il tempo di lavorazione totale. Questo è spesso accettabile se il pezzo deve essere ruotato fino a tre o quattro volte, ma qualsiasi operazione superiore a questo limite è considerata eccessiva.
Per ottenere la massima precisione di posizionamento relativa, due caratteristiche devono essere lavorate con la stessa configurazione. Questo perché la nuova fase di calibrazione introduce un errore piccolo (ma non trascurabile).
Cos'è la lavorazione CNC a 5 assi?
Una macchina CNC a 5 assi muove utensili da taglio o pezzi lungo cinque assi contemporaneamente. Le macchine CNC multiasse possono produrre pezzi con geometrie complesse, poiché offrono due assi di rotazione aggiuntivi. Queste macchine eliminano la necessità di configurazioni multiple.
Quali sono i vantaggi e i limiti della lavorazione CNC a 5 assi?
La lavorazione CNC a cinque assi consente all'utensile di rimanere costantemente tangenziale alla superficie di taglio. I percorsi utensile possono essere più complessi ed efficienti, ottenendo pezzi con una migliore finitura superficiale e tempi di lavorazione ridotti.
Detto questo, il CNC a 5 assi ha i suoi limiti. Esistono ancora limitazioni nella geometria di base degli utensili e nell'accesso agli stessi (ad esempio, non è possibile lavorare pezzi con geometrie interne). Inoltre, il costo di utilizzo di tali sistemi è più elevato.
Sottosquadri di lavorazione CNC
I sottosquadri sono elementi che non possono essere lavorati utilizzando utensili da taglio standard, poiché alcune delle loro superfici non sono accessibili direttamente dall'alto.
Esistono due tipi principali di sottosquadri: scanalature a T e code di rondine. I sottosquadri possono essere unilaterali o bilaterali e vengono lavorati utilizzando utensili speciali.
Gli utensili da taglio con scanalatura a T sono costituiti da una lama da taglio orizzontale fissata ad un albero verticale. La larghezza di un sottosquadro può variare tra 3 mm e 40 mm. Si consiglia di utilizzare dimensioni standard per la larghezza (ad esempio incrementi di millimetri interi o frazioni di pollici standard), poiché è più probabile che sia già disponibile uno strumento appropriato.
Per gli utensili da taglio a coda di rondine, l'angolo è la dimensione dell'elemento che definisce. Entrambi gli utensili a coda di rondine da 45 e 60 gradi sono considerati standard. Esistono anche strumenti con un angolo di 5, 10 e fino a 120 gradi (con incrementi di 10 gradi), ma sono meno comunemente utilizzati.
Una scanalatura a T (sinistra), un sottosquadro a coda di rondine (centro) e un sottosquadro monolaterale su una parete interna (destra).
Progettazione del sottosquadro per la lavorazione CNC
Quando si progettano componenti con sottosquadri sulle pareti interne, ricordarsi di lasciare spazio sufficiente per l'utensile. Una buona regola pratica è quella di aggiungere uno spazio pari ad almeno quattro volte la profondità del sottosquadro tra la parete lavorata e qualsiasi altra parete interna.
Per gli utensili standard, il rapporto tipico tra il diametro di taglio e il diametro dell'albero è di 2:1, limitando così la profondità di taglio. Quando è richiesto un sottosquadro non standard, è prassi comune per le officine meccaniche realizzare in proprio utensili con sottosquadro personalizzati. Questo può aumentare i tempi di consegna e i costi, quindi è consigliabile evitarlo se possibile.
Redazione di un disegno tecnico
I disegni tecnici vengono talvolta utilizzati dagli ingegneri per comunicare al macchinista requisiti di produzione specifici.
Caricamento di un disegno tecnico con il preventivo
Di solito non richiediamo un disegno tecnico per gli ordini sulla nostra piattaforma, ma in alcuni casi può aggiungere un contesto prezioso a una richiesta di preventivo. Alcune specifiche di progettazione non possono essere incluse in un file STEP o IGES. Ad esempio, sarà necessario includere un disegno tecnico 2D se il modello include fori o alberi filettati e/o dimensioni con tolleranze più strette rispetto al grado 2768 selezionato.
Se aggiungi un disegno tecnico, assicurati che corrisponda alle specifiche dei file caricati. Se i disegni tecnici non corrispondono ai file caricati o alle specifiche del preventivo:
Le specifiche del preventivo sono considerate il punto di riferimento per la tecnologia, i materiali e le finiture superficiali.
I disegni tecnici sono considerati il punto di riferimento per le specifiche delle filettature, le specifiche delle tolleranze, i dettagli della finitura superficiale, le richieste di marcatura dei pezzi e le specifiche del trattamento termico.
Il file CAD è considerato il punto di riferimento per la progettazione della parte, la geometria, le dimensioni e le posizioni delle caratteristiche.
Quali sono le migliori pratiche per la lavorazione CNC?
Progettare parti che possano essere lavorate utilizzando l'utensile con il diametro più grande possibile.
Aggiungere i filetti grandi (almeno ⅓ volte la profondità della cavità) a tutti gli angoli verticali interni.
Limitare la profondità delle cavità a 4 volte la loro larghezza.
Allineare le caratteristiche principali del progetto con una delle sei direzioni principali. Se ciò non fosse possibile, la lavorazione CNC a 5 assi è un'opzione.
Allegare al disegno anche un disegno tecnico se il progetto include filettature, tolleranze, specifiche di finitura superficiale o altre note per l'operatore della macchina.
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