Hvordan designe deler for CNC-maskinering
I denne komplette veiledningen for design for CNC-maskinering har vi samlet grunnleggende og avanserte designpraksiser og tips som hjelper deg med å oppnå best mulig resultat for dine spesialtilpassede deler.
Det finnes noen enkle trinn du kan ta for å optimalisere designene dine for CNC-maskinering (computer numeric control). Ved å følge design-for-manufacturing (DFM)-regler kan du få mer ut av CNC-maskineringens brede muligheter. Dette kan imidlertid være utfordrende, ettersom det ikke finnes bransjespesifikke standarder.
I denne artikkelen tilbyr vi en omfattende veiledning til beste designpraksis for CNC-maskinering. For å samle denne omfattende og oppdaterte informasjonen har vi bedt om tilbakemeldinger fra bransjeeksperter og leverandører av CNC-maskineringstjenester. Hvis du optimaliserer for kostnader, kan du sjekke ut denne veiledningen for å designe kostnadseffektive deler for CNC.
Hva er CNC-maskineringsprosessen?
CNC-maskinering er en subtraktiv produksjonsteknologi. I CNC fjernes materiale fra en solid blokk ved hjelp av en rekke skjæreverktøy som roterer med høy hastighet – tusenvis av o/min – for å produsere en del basert på en CAD-modell. Både metaller og plast kan CNC-maskineres.
CNC-maskinerte deler har høy dimensjonsnøyaktighet og små toleranser. CNC er egnet for både storvolumsproduksjon og engangsjobber. Faktisk er CNC-maskinering for tiden den mest kostnadseffektive måten å produsere metallprototyper på, selv sammenlignet med 3D-printing.
Hva er de viktigste begrensningene ved CNC-design?
CNC tilbyr stor designfleksibilitet, men det er noen få begrensninger. Disse begrensningene er knyttet til den grunnleggende mekanikken i skjæreprosessen og gjelder hovedsakelig verktøygeometri og verktøytilgang.
Verktøygeometri
De fleste vanlige CNC-skjæreverktøy (endefreser og bor) har en sylindrisk form og en begrenset skjærelengde.
Etter hvert som materiale fjernes fra arbeidsstykket, overføres verktøyets geometri til en maskinert del. Dette betyr for eksempel at de indre hjørnene på en CNC-del alltid har en radius, uansett hvor lite skjæreverktøy som ble brukt.
Verktøytilgang
For å fjerne materiale, nærmer skjæreverktøyet seg arbeidsstykket direkte ovenfra. Funksjoner som ikke er tilgjengelige på denne måten, kan ikke CNC-maskineres.
Det finnes et unntak fra denne regelen: underskjæringer. Det er en seksjon om underskjæringer mot slutten av denne artikkelen.
Vi anbefaler at du justerer alle modellens funksjoner (hull, hulrom, vertikale vegger osv.) i en av de seks hovedretningene. Se imidlertid på denne regelen som en anbefaling og ikke en begrensning, ettersom 5-aksede CNC-systemer tilbyr avanserte arbeidsstykkeholderegenskaper.
Verktøytilgang er også et problem ved maskinering av funksjoner med et stort dybde-til-bredde-forhold. For å nå bunnen av et dypt hulrom trenger du for eksempel verktøy med utvidet rekkevidde. Dette betyr et bredere bevegelsesområde for endeeffektoren, noe som øker maskinvibrasjonen og reduserer den oppnåelige nøyaktigheten.
Det vil forenkle produksjonen hvis du designer deler som kan CNC-maskineres med verktøyet som har størst mulig diameter og kortest mulig lengde.
Retningslinjer for CNC-design
En utfordring som ofte oppstår når man designer en del for CNC-maskinering, er at det ikke finnes noen spesifikke standarder for hele bransjen. Produsenter av CNC-maskiner og -verktøy forbedrer kontinuerlig teknologiens muligheter og utvider grensene for hva som er mulig. Tabellen nedenfor oppsummerer anbefalte og gjennomførbare verdier for de vanligste funksjonene i CNC-maskinerte deler.
Hulrom og lommer
Anbefalt hulromsdybde: 4 ganger hulromsbredden
Endefreseverktøy har en begrenset skjærelengde (vanligvis 3–4 ganger diameteren). Verktøynedbøyning, sponavgang og vibrasjoner blir mer fremtredende når hulrom har et mindre dybde-til-bredde-forhold.
Å begrense hulrommets dybde til fire ganger bredden sikrer gode resultater.
Hvis større dybder er nødvendig, bør du vurdere å designe deler med variabel hulromsdybde.
Dyp kavitetsfresing: Kaviteter med dybde større enn seks ganger verktøydiameteren regnes som dype. Et forhold mellom verktøydiameter og kavitetsdybde på opptil 30:1 er mulig ved bruk av spesialverktøy (maksimal dybde: 35 cm med et 1-tommers diameter endefresverktøy).
Hulrom og lommer
Vertikal hjørneradius
Anbefalt: ⅓ ganger hulromdybden (eller større)
Bruk av anbefalt verdi for innvendige hjørneradier sikrer at et verktøy med passende diameter kan brukes, og at det samsvarer med retningslinjene for anbefalt hulromsdybde.
Hvis du øker hjørneradiene litt over anbefalt verdi (f.eks. med 1 mm), kan verktøyet skjære i en sirkulær bane i stedet for en 90-graders vinkel. Dette er å foretrekke, da det resulterer i en overflatefinish av høyere kvalitet. Hvis det kreves skarpe 90-graders innvendige hjørner, bør du vurdere å legge til et T-bens underskjær i stedet for å redusere hjørneradien.
Gulvradius
Anbefalt: 0.5 mm, 1 mm eller ingen radius
Gjennomførbart: hvilken som helst radius
Endefreseverktøy har en flat eller lett avrundet nedre skjærekant. Andre gulvradier kan maskineres med kuleverktøy. Det er god designpraksis å bruke de anbefalte verdiene, da det foretrekkes av maskinistene.
Tynne vegger
Minimum veggtykkelse
Anbefalt: 0.8 mm (metall), 1.5 mm (plast)
Mulig: 0.5 mm (metall), 1.0 mm (plast)
Redusering av veggtykkelsen reduserer materialets stivhet, noe som øker vibrasjoner under maskinering og senker den oppnåelige nøyaktigheten. Plast er utsatt for vridning (på grunn av restspenninger) og mykgjøring (på grunn av temperaturøkning), så en større minimumsveggtykkelse anbefales. De gjennomførbare verdiene som er angitt ovenfor, bør vurderes fra tilfelle til tilfelle.
Holes
Diameter
Anbefalt: standard borekrone
Mulig: enhver diameter større enn 1 mm
Hull maskineres enten med et bor eller en endefres. Størrelsen på borekronene er standardisert (i metriske og britiske enheter). Opprimmere og boreverktøy brukes til å fullføre hull som krever små toleranser. For hull med høy nøyaktighet og en diameter mindre enn 20 mm anbefales det å bruke en standarddiameter.
Maksimal dybde
Anbefalt: 4 ganger nominell diameter
Typisk: 10 ganger nominell diameter
Gjennomførbart: 40 ganger nominell diameter
Hull med en ikke-standard diameter må maskineres med et endefresverktøy. I dette tilfellet gjelder begrensningene for maksimal hulromdybde, og den anbefalte maksimale dybdeverdien bør brukes. Hull dypere enn den typiske verdien maskineres med spesialbor (med en minimumsdiameter på 3 mm). Blindhull maskinert med et bor har en konisk bunn (135-graders vinkel), mens hull maskinert med et endefresverktøy er flate.
Det er ingen spesiell preferanse mellom gjennomgående hull eller blindhull i CNC-maskinering.
Tråder
Trådstørrelse
Minimum: M1 (og lavere, i noen tilfeller)
Anbefalt: M6 eller større
Gjenger kuttes med gjenger og utvendige gjenger med matriser. Gjenger og matriser kan brukes til å kutte gjenger ned til M2. CNC-gjengeverktøy er vanlige og foretrekkes av maskinister, da de begrenser risikoen for brudd i gjengene. CNC-gjengeverktøy kan brukes til å kutte gjenger ned til M6.
Gjengelengde
Minimum: 1.5 ganger nominell diameter
Anbefalt: 3 ganger nominell diameter
Størstedelen av belastningen som påføres en gjenge tas av de få første tennene (opptil 1.5 ganger den nominelle diameteren). Gjenger som er lengre enn 3 ganger den nominelle diameteren er derfor unødvendige.
For gjenger i blindhull kuttet med gjenger (dvs. alle gjenger mindre enn M6), legg til en ugjenget lengde lik 1.5 ganger den nominelle diameteren i bunnen av hullet. Når et CNC-gjengeverktøy kan brukes (dvs. gjenger større enn M6), kan hullet gjenges i hele lengden.
Små funksjoner
Minimum hulldiameter
Anbefalt: 2.5 mm (0.1 tommer).
Gjennomførbart: 0.05 mm (0.005 tommer).
De fleste maskinverksteder kan maskinere hulrom og hull nøyaktig med verktøy ned til 2.5 mm (0.1 tommer) i diameter. Alt under denne grensen regnes som mikromaskinering. Spesialverktøy (mikrobor) og ekspertkunnskap er nødvendig for å maskinere slike funksjoner fordi fysikken i skjæreprosessen endrer seg med denne skalaen. Med mindre det er absolutt nødvendig, er anbefalingen derfor å unngå dem.
Toleranser
Typisk: +-0.1 mm
Gjennomførbart: +-0.02 mm
Våre toleranser er enten 2768 medium eller fine. Hvis toleranser ikke er spesifisert, vil produksjonspartnere bruke den valgte 2768-kvaliteten.
Toleranser definerer grensene for en akseptabel dimensjon. De oppnåelige toleransene varierer i henhold til basisdimensjonen og delens geometri. Verdiene ovenfor er rimelige retningslinjer.
Tekst og bokstaver
Anbefalt: skriftstørrelse 20 (eller større), 5 mm gravert
Gravert tekst er å foretrekke fremfor preget tekst, ettersom mindre materiale fjernes. Det anbefales å bruke en minimumsstørrelse på -20 sans-serif-skrift (f.eks. Arial eller Verdana). Mange CNC-maskiner har forhåndsprogrammerte rutiner for disse skrifttypene.
CNC-maskinoppsett og deleorientering
Skjematisk fremstilling av en del som krever flere oppsett
Verktøytilgang er en av de viktigste designbegrensningene i CNC-maskinering. For å nå alle overflater av modellen må arbeidsstykket roteres flere ganger.
Hver gang arbeidsstykket roteres, må maskinen kalibreres på nytt, og et nytt koordinatsystem må defineres.
Under design er det viktig å vurdere maskinoppsett av to grunner:
Det totale antallet maskinoppsett påvirker kostnaden. Rotering og omjustering av delen krever manuelt arbeid og øker den totale maskineringstiden. Dette er ofte akseptabelt hvis delen må roteres opptil tre eller fire ganger, men alt over denne grensen er for mye.
For å oppnå maksimal relativ posisjonsnøyaktighet må to funksjoner maskineres i samme oppsett. Dette er fordi det nye kalibreringstrinnet introduserer en liten (men ikke ubetydelig) feil.
Hva er 5-akset CNC-bearbeiding?
En 5-akset CNC-maskin beveger skjæreverktøy eller deler langs fem akser samtidig. Fleraksede CNC-maskiner kan produsere deler med komplekse geometrier, ettersom de tilbyr to ekstra rotasjonsakser. Disse maskinene eliminerer behovet for flere maskinoppsett.
Hva er fordelene og begrensningene med 5-akset CNC-maskinering?
Femakset CNC-maskinering gjør at verktøyet forblir konstant tangensielt til skjæreflaten. Verktøybanene kan være mer intrikate og effektive, noe som resulterer i deler med bedre overflatefinish og kortere maskineringstider.
Når det er sagt, har 5-akset CNC sine begrensninger. Grunnleggende verktøygeometri og begrensninger for verktøytilgang gjelder fortsatt (for eksempel kan ikke deler med interne geometrier maskineres). Dessuten er kostnadene ved å bruke slike systemer høyere.
CNC-maskinering av underskjæringer
Underskjæringer er funksjoner som ikke kan bearbeides med standard skjæreverktøy, ettersom noen av overflatene ikke er tilgjengelige direkte ovenfra.
Det finnes to hovedtyper underskjæringer: T-spor og svalehaler. Underskjæringer kan være ensidige eller tosidige og maskineres med spesialverktøy.
T-sporskjæreverktøy er laget av et horisontalt skjæreblad festet til en vertikal skaft. Bredden på et underskjær kan variere mellom 3 mm og 40 mm. Vi anbefaler å bruke standardstørrelser for bredden (dvs. hele millimeterintervaller eller standard tommebrøker), da det er mer sannsynlig at et passende verktøy allerede er tilgjengelig.
For svalehaleverktøy er vinkelen den definerende størrelsen. Både 45- og 60-graders svalehaleverktøy regnes som standard. Verktøy med en vinkel på 5, 10 og opptil 120 grader (i trinn på 10 grader) finnes også, men er mindre vanlige.
Et T-spor (venstre), en svalehaleunderskjæring (midten) og en ensidig underskjæring på en innvendig vegg (høyre).
Underskjæringsdesign for CNC-maskinering
Når du designer deler med underskjæringer på innervegger, husk å legge til nok klaring for verktøyet. En god tommelfingerregel er å legge til en plass som tilsvarer minst fire ganger dybden på underskjæringen mellom den maskinerte veggen og enhver annen innervegg.
For standardverktøy er det typiske forholdet mellom skjærediameteren og diameteren på skaftet 2:1, noe som begrenser skjæredybden. Når det kreves en ikke-standard underskjæring, er det vanlig praksis for maskinverksteder å produsere sine egne spesialtilpassede underskjæringsverktøy. Dette kan øke ledetiden og kostnadene, så unngå det hvis mulig.
Utarbeide en teknisk tegning
Tekniske tegninger brukes noen ganger av ingeniører for å kommunisere spesifikke produksjonskrav til maskinisten.
Last opp en teknisk tegning med tilbudet ditt
Vi krever vanligvis ikke en teknisk tegning for bestillinger på plattformen vår, men i noen tilfeller kan de gi verdifull kontekst til en tilbudsforespørsel. Enkelte designspesifikasjoner kan ikke inkluderes i en STEP- eller IGES-fil. For eksempel må du inkludere en 2D-teknisk tegning hvis modellen din inkluderer gjengede hull eller aksler og/eller dimensjoner med toleranser som er strengere enn den valgte 2768-kvaliteten.
Hvis du legger til en teknisk tegning, må du sørge for at den samsvarer med spesifikasjonene i filene som er lastet opp. Hvis de tekniske tegningene ikke samsvarer med filene som er lastet opp eller tilbudsspesifikasjonene:
Tilbudsspesifikasjonene anses som referansepunktet for teknologi, materiale og overflatebehandlinger.
De tekniske tegningene anses som referansepunktet for gjengespesifikasjoner, toleransespesifikasjoner, overflatefinishdetaljer, forespørsler om delmerking og spesifikasjoner for varmebehandling.
CAD-filen regnes som referansepunktet for deldesign, geometri, dimensjon og plassering av funksjoner.
Hva er de beste fremgangsmåtene for CNC-maskinering?
Design deler som kan maskineres med verktøyet med størst mulig diameter.
Legg de store filetene (minst ⅓ ganger hulrommets dybde) til alle innvendige vertikale hjørner.
Begrens dybden på hulrommene til 4 ganger bredden.
Juster hovedtrekkene i designet ditt med en av de seks hovedretningene. Hvis det ikke er mulig, er 5-akset CNC-maskinering et alternativ.
Send inn en teknisk tegning med tegningen din hvis designet ditt inkluderer gjenger, toleranser, spesifikasjoner for overflatefinish eller andre merknader til maskinoperatøren.
Har du deler du trenger CNC-maskinert? Ta kontakt med Gazfull-teamet vårt.