Hoe ontwerp je onderdelen voor CNC-bewerking?
In deze complete handleiding voor het ontwerpen voor CNC-bewerking hebben we basis- en geavanceerde ontwerppraktijken en tips verzameld om u te helpen de beste resultaten te behalen voor uw op maat gemaakte onderdelen.
Er zijn een paar eenvoudige stappen die u kunt nemen om uw ontwerpen te optimaliseren voor CNC-bewerking (Computer Numerical Control). Door de regels van Design for Manufacturing (DFM) te volgen, kunt u meer halen uit de brede mogelijkheden van CNC-bewerking. Dit kan echter een uitdaging zijn, omdat er geen branchebrede standaarden bestaan.
In dit artikel bieden we een uitgebreide handleiding voor de beste ontwerppraktijken voor CNC-bewerking. Om deze uitgebreide en actuele informatie samen te stellen, hebben we feedback gevraagd aan experts uit de branche en aanbieders van CNC-bewerkingsdiensten. Als u kosten wilt besparen, bekijk dan deze handleiding voor het ontwerpen van kosteneffectieve onderdelen voor CNC-bewerking.
Wat is het CNC-bewerkingsproces?
CNC-bewerking is een subtractieve productietechnologie. Bij CNC-bewerking wordt materiaal verwijderd uit een massief blok met behulp van verschillende snijgereedschappen die met hoge snelheid – duizenden toeren per minuut – roteren om een onderdeel te produceren op basis van een CAD-model. Zowel metalen als kunststoffen kunnen met CNC-bewerking worden bewerkt.
CNC-gefreesde onderdelen hebben een hoge maatnauwkeurigheid en nauwe toleranties. CNC is geschikt voor zowel massaproductie als enkelstuksopdrachten. Sterker nog, CNC-bewerking is momenteel de meest kosteneffectieve manier om metalen prototypes te produceren, zelfs in vergelijking met 3D-printen.
Wat zijn de belangrijkste beperkingen van CNC-ontwerp?
CNC biedt grote ontwerpvrijheid, maar er zijn wel een paar beperkingen. Deze beperkingen hebben betrekking op de basismechanismen van het snijproces en betreffen voornamelijk de gereedschapsgeometrie en de toegankelijkheid van het gereedschap.
Geometrie van het gereedschap
De meest voorkomende CNC-snijgereedschappen (freesgereedschappen en boren) hebben een cilindrische vorm en een beperkte snijlengte.
Naarmate er materiaal van het werkstuk wordt verwijderd, wordt de geometrie van het gereedschap overgedragen op het bewerkte onderdeel. Dit betekent bijvoorbeeld dat de binnenhoeken van een CNC-onderdeel altijd een radius hebben, ongeacht hoe klein het gebruikte snijgereedschap is.
Toegang tot gereedschap
Om materiaal te verwijderen, nadert het snijgereedschap het werkstuk rechtstreeks van bovenaf. Onderdelen die op deze manier niet bereikbaar zijn, kunnen niet met een CNC-machine worden bewerkt.
Er is een uitzondering op deze regel: ondersnijdingen. Aan het einde van dit artikel vind je een hoofdstuk over ondersnijdingen.
We raden aan om alle kenmerken van uw model (gaten, holtes, verticale wanden, enz.) uit te lijnen met een van de zes hoofdrichtingen. Beschouw deze regel echter als een aanbeveling en niet als een beperking, aangezien 5-assige CNC-systemen geavanceerde mogelijkheden bieden voor het vastzetten van werkstukken.
Toegang tot gereedschap is ook een probleem bij het bewerken van onderdelen met een grote diepte-breedteverhouding. Om bijvoorbeeld de bodem van een diepe holte te bereiken, heb je gereedschap met een groter bereik nodig. Dit betekent een grotere bewegingsvrijheid voor de eindeffector, wat de trillingen van de machine vergroot en de haalbare nauwkeurigheid verlaagt.
Het vereenvoudigt de productie als je onderdelen ontwerpt die CNC-gefreesd kunnen worden met het gereedschap dat de grootst mogelijke diameter en de kortst mogelijke lengte heeft.
CNC-ontwerprichtlijnen
Een veelvoorkomende uitdaging bij het ontwerpen van onderdelen voor CNC-bewerking is het ontbreken van branchebrede standaarden. Fabrikanten van CNC-machines en -gereedschappen verbeteren de mogelijkheden van de technologie voortdurend, waardoor de grenzen van wat mogelijk is steeds verder worden verlegd. De onderstaande tabel geeft een overzicht van aanbevolen en haalbare waarden voor de meest voorkomende kenmerken van CNC-bewerkte onderdelen.
Holten en zakken
Aanbevolen caviteitsdiepte: 4 keer de breedte van de caviteit
Vingerfrezen hebben een beperkte snijlengte (doorgaans 3-4 keer hun diameter). Gereedschapsafbuiging, spaanafvoer en trillingen worden prominenter wanneer de verhouding tussen diepte en breedte van de holtes kleiner is.
Door de diepte van de holte te beperken tot vier keer de breedte, worden goede resultaten gegarandeerd.
Als grotere dieptes vereist zijn, overweeg dan om onderdelen te ontwerpen met een variabele holtediepte.
Diepfrezen: Holtes met een diepte groter dan zes keer de diameter van het gereedschap worden als diep beschouwd. Met speciaal gereedschap is een verhouding tussen gereedschapsdiameter en holtediepte van maximaal 30:1 mogelijk (maximale diepte: 35 cm met een vingerfrees met een diameter van 1 inch).
Holten en zakken
Verticale hoekradius
Aanbevolen: ⅓ keer de caviteitsdiepte (of groter)
Door de aanbevolen waarde voor de interne hoekradius te gebruiken, wordt ervoor gezorgd dat een gereedschap met de juiste diameter kan worden gebruikt en dat de richtlijnen voor de aanbevolen holtediepte worden nageleefd.
Door de hoekradius iets boven de aanbevolen waarde te vergroten (bijvoorbeeld met 1 mm), kan het gereedschap een cirkelvormig pad volgen in plaats van een hoek van 90 graden. Dit heeft de voorkeur omdat het een betere oppervlakteafwerking oplevert. Als scherpe binnenhoeken van 90 graden vereist zijn, overweeg dan een T-vormige ondersnijding toe te voegen in plaats van de hoekradius te verkleinen.
Vloerradius
Aanbevolen: 0.5 mm, 1 mm of geen straal
Haalbaar: elke straal
Vingerfrezen hebben een vlakke of licht afgeronde ondersnijkant. Andere vloerradii kunnen worden gefreesd met kogelvormige frezen. Het is goede ontwerppraktijk om de aanbevolen waarden te gebruiken, aangezien machinisten daar de voorkeur aan geven.
Dunne muren
Minimale wanddikte
Aanbevolen dikte: 0.8 mm (metalen), 1.5 mm (kunststoffen)
Haalbaar: 0.5 mm (metalen), 1.0 mm (kunststoffen)
Een kleinere wanddikte vermindert de stijfheid van het materiaal, wat leidt tot meer trillingen tijdens de bewerking en een lagere nauwkeurigheid. Kunststoffen zijn gevoelig voor vervorming (door restspanningen) en verzachting (door temperatuurstijging), daarom wordt een grotere minimale wanddikte aanbevolen. De hierboven genoemde haalbare waarden dienen per geval te worden beoordeeld.
Gaten
Diameter
Aanbevolen: standaard boor
Mogelijk: elke diameter groter dan 1 mm
Gaten worden gefreesd met een boor of een vingerfrees. De diameter van de boren is gestandaardiseerd (in metrische en imperiale eenheden). Ruimers en kottergereedschappen worden gebruikt om gaten met nauwe toleranties af te werken. Voor zeer nauwkeurige gaten met een diameter kleiner dan 20 mm wordt het gebruik van een standaarddiameter aanbevolen.
Maximale diepte
Aanbevolen: 4 keer de nominale diameter
Typisch: 10 keer de nominale diameter
Haalbaar: 40 keer de nominale diameter
Gaten met een niet-standaard diameter moeten worden gefreesd met een vingerfrees. In dit geval gelden de maximale dieptebeperkingen en moet de aanbevolen maximale diepte worden aangehouden. Gaten die dieper zijn dan de gebruikelijke waarde worden gefreesd met speciale boren (met een minimale diameter van 3 mm). Blinde gaten die met een boor worden gefreesd, hebben een conische bodem (hoek van 135 graden), terwijl gaten die met een vingerfrees worden gefreesd vlak zijn.
Bij CNC-bewerking bestaat er geen specifieke voorkeur voor doorlopende gaten of blinde gaten.
Discussies
Draadgrootte
Minimum: M1 (en in sommige gevallen lager)
Aanbevolen: M6 of groter
Schroefdraad wordt gesneden met tappen en uitwendige schroefdraad met snijplaten. Met tappen en snijplaten kan schroefdraad tot M2 worden gesneden. CNC-draadsnijgereedschap is gangbaar en heeft de voorkeur van machinisten, omdat het de kans op tapbreuk beperkt. Met CNC-draadsnijgereedschap kan schroefdraad tot M6 worden gesneden.
Lengte draad
Minimum: 1.5 keer de nominale diameter
Aanbevolen: 3 keer de nominale diameter
Het grootste deel van de belasting op een schroefdraad wordt opgevangen door de eerste paar tanden (tot 1.5 keer de nominale diameter). Schroefdraad met een lengte van meer dan 3 keer de nominale diameter is daarom overbodig.
Voor schroefdraad in blinde gaten die met een tap zijn gesneden (dus alle schroefdraad kleiner dan M6), moet een ongeschroefde lengte gelijk aan 1.5 keer de nominale diameter aan de onderkant van het gat worden toegevoegd. Wanneer een CNC-schroefdraadfrees kan worden gebruikt (dus schroefdraad groter dan M6), kan het gat over de gehele lengte van schroefdraad worden voorzien.
Kleine kenmerken
Minimale gatdiameter
Aanbevolen: 2.5 mm (0.1 inch).
Haalbaar: 0.05 mm (0.005 inch).
De meeste machinefabrieken kunnen nauwkeurig holtes en gaten frezen met gereedschap tot een diameter van 2.5 mm (0.1 inch). Alles onder deze limiet wordt beschouwd als microbewerking. Speciaal gereedschap (microboren) en specialistische kennis zijn vereist om dergelijke onderdelen te bewerken, omdat de natuurkundige principes van het snijproces veranderen met deze schaal. Tenzij absoluut noodzakelijk, is het daarom aan te raden ze te vermijden.
Toleranties
Typisch: +-0.1mm
Haalbaar: +-0.02mm
Onze toleranties zijn ofwel 2768 medium of fijn. Indien geen toleranties zijn gespecificeerd, zullen onze productiepartners de geselecteerde 2768-kwaliteit gebruiken.
Toleranties definiëren de grenzen voor een acceptabele afmeting. De haalbare toleranties variëren afhankelijk van de basisafmeting en de geometrie van het onderdeel. De bovenstaande waarden zijn redelijke richtlijnen.
Tekst en belettering
Aanbevolen: lettergrootte 20 (of groter), 5 mm gegraveerd
Gegraveerde tekst heeft de voorkeur boven reliëftekst, omdat er minder materiaal wordt verwijderd. Het gebruik van een schreefloos lettertype met een minimale grootte van -20 (bijvoorbeeld Arial of Verdana) wordt aanbevolen. Veel CNC-machines hebben voorgeprogrammeerde routines voor deze lettertypen.
CNC-machine-instellingen en werkstukoriëntatie
Schematische weergave van een onderdeel dat meerdere instellingen vereist.
Toegang tot het gereedschap is een van de belangrijkste ontwerpbeperkingen bij CNC-bewerking. Om alle oppervlakken van het model te bereiken, moet het werkstuk meerdere keren worden gedraaid.
Telkens wanneer het werkstuk wordt gedraaid, moet de machine opnieuw worden gekalibreerd en moet een nieuw coördinatensysteem worden gedefinieerd.
Bij het ontwerpen is het belangrijk om rekening te houden met de machine-instellingen, om twee redenen:
Het totale aantal machine-instellingen is van invloed op de kosten. Het roteren en opnieuw uitlijnen van het onderdeel vereist handwerk en verlengt de totale bewerkingstijd. Dit is vaak acceptabel als het onderdeel maximaal drie of vier keer geroteerd moet worden, maar alles daarboven is overbodig.
Om een maximale relatieve positioneringsnauwkeurigheid te bereiken, moeten twee onderdelen in dezelfde opstelling worden bewerkt. Dit komt doordat de nieuwe kalibratiestap een kleine (maar niet te verwaarlozen) fout introduceert.
Wat is 5-assige CNC-bewerking?
Een 5-assige CNC-machine beweegt snijgereedschappen of werkstukken gelijktijdig langs vijf assen. Meerassige CNC-machines kunnen onderdelen met complexe geometrieën produceren, omdat ze twee extra rotatieassen bieden. Deze machines maken meerdere machine-instellingen overbodig.
Wat zijn de voordelen en beperkingen van 5-assige CNC-bewerking?
Met vijfassige CNC-bewerking blijft het gereedschap constant tangentieel aan het snijoppervlak. De gereedschapspaden kunnen complexer en efficiënter zijn, wat resulteert in onderdelen met een betere oppervlakteafwerking en kortere bewerkingstijden.
Desondanks kent 5-assige CNC-bewerking ook beperkingen. Basisbeperkingen op het gebied van gereedschapsgeometrie en gereedschapstoegang blijven van kracht (onderdelen met interne geometrie kunnen bijvoorbeeld niet worden bewerkt). Bovendien zijn de gebruikskosten van dergelijke systemen hoger.
Ondersnijdingen voor CNC-bewerking
Ondersnijdingen zijn onderdelen die niet bewerkt kunnen worden met standaard snijgereedschap, omdat sommige oppervlakken ervan niet direct van bovenaf bereikbaar zijn.
Er zijn twee hoofdsoorten ondersnijdingen: T-groeven en zwaluwstaartverbindingen. Ondersnijdingen kunnen enkelzijdig of dubbelzijdig zijn en worden bewerkt met speciaal gereedschap.
T-sleuffreesgereedschap bestaat uit een horizontaal snijblad dat aan een verticale as is bevestigd. De breedte van een ondersnijding kan variëren tussen 3 mm en 40 mm. We raden aan om standaardmaten voor de breedte te gebruiken (bijvoorbeeld hele millimeters of standaard inchfracties), omdat de kans groter is dat u al een geschikt gereedschap beschikbaar hebt.
Bij zwaluwstaartfreesgereedschap is de hoek de bepalende factor voor de afmeting. Zowel zwaluwstaartfreesgereedschap met een hoek van 45 als 60 graden wordt als standaard beschouwd. Er bestaan ook gereedschappen met een hoek van 5, 10 en zelfs 120 graden (in stappen van 10 graden), maar deze worden minder vaak gebruikt.
Een T-sleuf (links), een zwaluwstaartverbinding (midden) en een eenzijdige ondersnijding op een binnenwand (rechts).
Ondersnijdingontwerp voor CNC-bewerking
Bij het ontwerpen van onderdelen met ondersnijdingen in de binnenwanden is het belangrijk om voldoende ruimte voor het gereedschap te creëren. Een goede vuistregel is om tussen de bewerkte wand en elke andere binnenwand een ruimte te creëren die minstens vier keer zo groot is als de diepte van de ondersnijding.
Bij standaardgereedschappen is de typische verhouding tussen de snijdiameter en de diameter van de as 2:1, waardoor de snijdiepte beperkt is. Wanneer een niet-standaard ondersnijding nodig is, is het gebruikelijk dat machinefabrieken hun eigen ondersnijgereedschappen op maat maken. Dit kan de levertijd en de kosten verhogen, dus vermijd dit indien mogelijk.
Het opstellen van een technische tekening
Technische tekeningen worden soms door ingenieurs gebruikt om specifieke productie-eisen aan de machinist door te geven.
Een technische tekening uploaden bij uw offerte.
We vragen doorgaans geen technische tekening voor bestellingen op ons platform, maar in sommige gevallen kan deze waardevolle context bieden bij een offerteaanvraag. Bepaalde ontwerpspecificaties kunnen niet in een STEP- of IGES-bestand worden opgenomen. U moet bijvoorbeeld een 2D-technische tekening meesturen als uw model schroefgaten of assen bevat en/of afmetingen met nauwere toleranties dan de geselecteerde 2768-kwaliteit.
Als u een technische tekening toevoegt, zorg er dan voor dat deze overeenkomt met de specificaties van de geüploade bestanden. Als de technische tekeningen niet overeenkomen met de geüploade bestanden of de specificaties in de offerte:
De specificaties in de offerte dienen als referentiepunt voor de technologie, het materiaal en de oppervlakteafwerking.
De technische tekeningen dienen als referentiepunt voor de schroefdraadspecificaties, tolerantiespecificaties, details van de oppervlakteafwerking, eisen voor onderdeelmarkering en specificaties voor warmtebehandeling.
Het CAD-bestand wordt beschouwd als het referentiepunt voor het ontwerp, de geometrie, de afmetingen en de plaatsing van de onderdelen.
Wat zijn de beste werkwijzen voor CNC-bewerking?
Ontwerp onderdelen die bewerkt kunnen worden met het gereedschap met de grootst mogelijke diameter.
Voeg de grote afrondingen (minstens ⅓ keer de diepte van de holte) toe aan alle interne verticale hoeken.
Beperk de diepte van de holtes tot 4 keer hun breedte.
Stem de belangrijkste kenmerken van uw ontwerp af op een van de zes hoofdrichtingen. Als dat niet mogelijk is, is 5-assige CNC-bewerking een alternatief.
Lever een technische tekening aan bij uw ontwerp als dit schroefdraad, toleranties, specificaties voor de oppervlakteafwerking of andere opmerkingen voor de machineoperator bevat.
Heeft u onderdelen die CNC-gefreesd moeten worden? Neem dan contact op met ons Gazfull-team.