Jak projektować części do obróbki CNC
W tym kompletnym przewodniku projektowania pod kątem obróbki CNC zebraliśmy podstawowe i zaawansowane praktyki projektowe oraz wskazówki, które pomogą Ci uzyskać najlepsze rezultaty w przypadku Twoich niestandardowych części.
Istnieje kilka prostych kroków, które można podjąć, aby zoptymalizować projekty pod kątem obróbki CNC. Przestrzegając zasad projektowania pod kątem produkcji (DFM), można w pełni wykorzystać szeroki zakres możliwości obróbki CNC. Może to jednak stanowić wyzwanie, ponieważ nie istnieją branżowe standardy.
W tym artykule oferujemy kompleksowy przewodnik po najlepszych praktykach projektowania dla obróbki CNC. Aby zebrać te obszerne i aktualne informacje, poprosiliśmy o opinie ekspertów branżowych i dostawców usług obróbki CNC. Jeśli optymalizujesz koszty, zapoznaj się z tym przewodnikiem dotyczącym projektowania opłacalnych części dla obróbki CNC.
Na czym polega proces obróbki CNC?
Obróbka CNC to technologia produkcji subtraktywnej. W CNC materiał jest usuwany z bloku za pomocą różnorodnych narzędzi skrawających, obracających się z dużą prędkością – tysiące obr./min – w celu wytworzenia części na podstawie modelu CAD. Obróbce CNC można poddawać zarówno metale, jak i tworzywa sztuczne.
Części obrabiane CNC charakteryzują się wysoką dokładnością wymiarową i ścisłymi tolerancjami. CNC nadaje się zarówno do produkcji wielkoseryjnej, jak i do zadań jednostkowych. W rzeczywistości obróbka CNC jest obecnie najbardziej opłacalną metodą wytwarzania prototypów metalowych, nawet w porównaniu z drukiem 3D.
Jakie są główne ograniczenia projektowania CNC?
CNC oferuje dużą elastyczność projektowania, ale istnieje kilka ograniczeń. Ograniczenia te dotyczą podstawowej mechaniki procesu skrawania i dotyczą głównie geometrii narzędzia oraz dostępu do niego.
Geometria narzędzia
Większość powszechnie stosowanych narzędzi skrawających CNC (frezy walcowo-czołowe i wiertła) ma kształt cylindryczny i ograniczoną długość skrawania.
W miarę usuwania materiału z przedmiotu obrabianego geometria narzędzia jest przenoszona na obrabiany element. Oznacza to na przykład, że wewnętrzne naroża elementu CNC zawsze mają promień, niezależnie od tego, jak małe narzędzie skrawające zostało użyte.
Dostęp do narzędzi
Aby usunąć materiał, narzędzie skrawające zbliża się do przedmiotu obrabianego bezpośrednio od góry. Elementy, do których nie można dotrzeć w ten sposób, nie mogą być obrabiane CNC.
Istnieje wyjątek od tej reguły: podcięcia. Sekcja poświęcona podcięciom znajduje się na końcu artykułu.
Zalecamy wyrównanie wszystkich elementów modelu (otworów, wnęk, ścianek pionowych itp.) do jednego z sześciu głównych kierunków. Należy jednak traktować tę zasadę jako zalecenie, a nie ograniczenie, ponieważ 5-osiowe systemy CNC oferują zaawansowane możliwości mocowania detalu.
Dostęp do narzędzi stanowi również problem podczas obróbki elementów o dużym stosunku głębokości do szerokości. Na przykład, aby dotrzeć do dna głębokiego wgłębienia, potrzebne są narzędzia o większym zasięgu. Oznacza to szerszy zakres ruchu efektora końcowego, co zwiększa drgania maszyny i obniża osiągalną dokładność.
Uprościsz produkcję, jeśli zaprojektujesz części, które można obrabiać metodą CNC przy użyciu narzędzia o jak największej średnicy i jak najkrótszej długości.
Wytyczne dotyczące projektowania CNC
Częstym wyzwaniem podczas projektowania części do obróbki CNC jest brak branżowych standardów. Producenci maszyn i narzędzi CNC stale udoskonalają możliwości tej technologii, poszerzając granice możliwości. Poniższa tabela podsumowuje zalecane i wykonalne wartości dla najczęściej spotykanych cech części obrabianych CNC.
Wgłębienia i kieszenie
Zalecana głębokość wnęki: 4 razy szerokość wnęki
Frezy trzpieniowe mają ograniczoną długość skrawania (zwykle 3–4 razy większą od średnicy). Ugięcie narzędzia, odprowadzanie wiórów i wibracje stają się bardziej widoczne, gdy wnęki mają mniejszy stosunek głębokości do szerokości.
Ograniczenie głębokości ubytku do czterokrotności jego szerokości gwarantuje dobre rezultaty.
Jeżeli wymagane są większe głębokości, należy rozważyć zaprojektowanie elementów o zmiennej głębokości wnęki.
Frezowanie głębokich wnęk: Głębokie wnęki o głębokości większej niż sześciokrotność średnicy narzędzia są uważane za głębokie. Stosunek średnicy narzędzia do głębokości wnęki może sięgać 30:1 przy użyciu specjalistycznych narzędzi (maksymalna głębokość: 35 cm z frezem walcowo-czołowym o średnicy 1 cala).
Wgłębienia i kieszenie
Promień narożnika pionowego
Zalecane: głębokość wnęki ⅓ razy większa (lub większa)
Zastosowanie zalecanej wartości promienia narożników wewnętrznych gwarantuje, że można użyć narzędzia o odpowiedniej średnicy i będzie ono zgodne z wytycznymi dotyczącymi zalecanej głębokości wnęki.
Nieznaczne zwiększenie promienia naroży powyżej zalecanej wartości (np. o 1 mm) umożliwia narzędziu cięcie po okręgu, a nie pod kątem prostym. Jest to preferowane rozwiązanie, ponieważ zapewnia lepszą jakość wykończenia powierzchni. Jeśli wymagane są ostre, 90-stopniowe naroża wewnętrzne, należy rozważyć dodanie podcięcia w kształcie litery T zamiast zmniejszania promienia naroża.
Promień podłogi
Polecamy: 0.5 mm, 1 mm lub brak promienia
Wykonalny: dowolny promień
Frezy trzpieniowe mają płaską lub lekko zaokrągloną dolną krawędź skrawającą. Inne promienie powierzchni skrawającej można obrabiać narzędziami z końcówką kulistą. Dobrą praktyką projektową jest stosowanie zalecanych wartości, ponieważ jest to preferowane przez operatorów.
Cienkie ściany
Minimalna grubość ściany
Zalecane: 0.8 mm (metale), 1.5 mm (tworzywa sztuczne)
Wykonalne: 0.5 mm (metale), 1.0 mm (tworzywa sztuczne)
Zmniejszenie grubości ścianki zmniejsza sztywność materiału, co zwiększa drgania podczas obróbki i obniża osiągalną dokładność. Tworzywa sztuczne są podatne na odkształcanie (z powodu naprężeń szczątkowych) i mięknięcie (z powodu wzrostu temperatury), dlatego zaleca się większą minimalną grubość ścianki. Podane powyżej wartości dopuszczalne należy rozpatrywać indywidualnie.
Dziury
Średnica
Zalecane: wiertło standardowe
Możliwe: dowolna średnica większa niż 1 mm
Otwory są obrabiane wiertłem lub frezem walcowo-czołowym. Rozmiar wierteł jest znormalizowany (w jednostkach metrycznych i imperialnych). Rozwiertaki i wytaczadła służą do obróbki wykańczającej otworów wymagających ścisłych tolerancji. W przypadku otworów o wysokiej dokładności i średnicy mniejszej niż 20 mm zaleca się stosowanie średnicy standardowej.
Maksymalna głębokość
Polecamy: 4-krotność średnicy nominalnej
Typowy: 10-krotność średnicy nominalnej
Wykonalny: 40-krotność średnicy nominalnej
Otwory o niestandardowej średnicy należy obrabiać frezem walcowo-czołowym. W takim przypadku obowiązują ograniczenia maksymalnej głębokości wnęki i należy zastosować zalecaną wartość maksymalnej głębokości. Otwory głębsze niż typowa wartość są obrabiane za pomocą specjalistycznych wierteł (o minimalnej średnicy 3 mm). Otwory nieprzelotowe obrabiane wiertłem mają dno stożkowe (kąt 135 stopni), natomiast otwory obrabiane frezem walcowo-czołowym są płaskie.
W obróbce CNC nie ma szczególnych preferencji odnośnie otworów przelotowych i nieprzelotowych.
Threads
Rozmiar wątku
minimalna: M1 (i w niektórych przypadkach niższe)
Polecamy: M6 lub większy
Gwinty nacina się za pomocą gwintowników, a gwinty zewnętrzne za pomocą narzynek. Gwintowniki i narzynki można stosować do nacinania gwintów o średnicy do M2. Narzędzia do gwintowania CNC są powszechne i preferowane przez operatorów, ponieważ ograniczają ryzyko pęknięcia gwintownika. Narzędzia do gwintowania CNC można stosować do nacinania gwintów o średnicy do M6.
Długość gwintu
minimalna: 1.5-krotność średnicy nominalnej
Polecamy: 3-krotność średnicy nominalnej
Większość obciążenia gwintu jest przejmowana przez kilka pierwszych zębów (do 1.5-krotności średnicy nominalnej). Gwinty dłuższe niż 3-krotność średnicy nominalnej są zatem zbędne.
W przypadku gwintów w otworach nieprzelotowych wycinanych gwintownikami (tj. wszystkich gwintów mniejszych niż M6), należy dodać długość bez gwintu równą 1.5-krotności średnicy nominalnej na dnie otworu. Jeśli możliwe jest użycie narzędzia do gwintowania CNC (tj. gwintów większych niż M6), otwór można nagwintować na całej jego długości.
Małe funkcje
Minimalna średnica otworu
Polecamy: 2.5 mm (0.1 cala”)
Wykonalny: 0.05 mm (0.005 cala”)
Większość warsztatów obróbczych może precyzyjnie obrabiać wnęki i otwory za pomocą narzędzi o średnicy do 2.5 mm (0.1 cala). Obróbka poniżej tej granicy jest uważana za mikroobróbkę. Do obróbki takich detali wymagane są specjalistyczne narzędzia (mikrowiertła) i specjalistyczna wiedza, ponieważ fizyka procesu skrawania zmienia się wraz ze skalą. Dlatego zaleca się unikanie ich, chyba że jest to absolutnie konieczne.
Tolerancje
Typowy: +-0.1 mm
Wykonalny: +-0.02 mm
Nasze tolerancje to średnia lub drobna klasa 2768. Jeśli tolerancje nie zostaną określone, partnerzy produkcyjni zastosują wybraną klasę 2768.
Tolerancje określają granice akceptowalnego wymiaru. Osiągalne tolerancje różnią się w zależności od wymiaru bazowego i geometrii części. Powyższe wartości stanowią rozsądne wytyczne.
Tekst i napis
Zalecane: rozmiar czcionki 20 (lub większy), grawerunek 5 mm
Tekst grawerowany jest preferowany w porównaniu z tekstem tłoczonym, ponieważ usuwa mniej materiału. Zaleca się stosowanie czcionki bezszeryfowej o minimalnym rozmiarze -20 (np. Arial lub Verdana). Wiele maszyn CNC ma wstępnie zaprogramowane procedury dla tych czcionek.
Ustawienia maszyn CNC i orientacja części
Schemat części wymagającej wielu konfiguracji
Dostęp do narzędzi to jedno z głównych ograniczeń konstrukcyjnych w obróbce CNC. Aby dotrzeć do wszystkich powierzchni modelu, obrabiany przedmiot musi być wielokrotnie obracany.
Za każdym razem, gdy obrabiany przedmiot zostaje obrócony, maszynę należy ponownie skalibrować i zdefiniować nowy układ współrzędnych.
Podczas projektowania ważne jest uwzględnienie konfiguracji maszyny z dwóch powodów:
Całkowita liczba ustawień maszyny wpływa na koszt. Obrót i ponowne ustawienie części wymaga pracy ręcznej i wydłuża całkowity czas obróbki. Często jest to akceptowalne, jeśli część musi zostać obrócona nawet trzy lub cztery razy, ale powyżej tego limitu jest to przesadne.
Aby osiągnąć maksymalną dokładność względnego położenia, dwa elementy muszą być obrabiane w tym samym ustawieniu. Wynika to z faktu, że nowy etap kalibracji wprowadza niewielki (ale nie pomijalny) błąd.
Co to jest 5-osiowa obróbka CNC?
Pięcioosiowa maszyna CNC przesuwa narzędzia skrawające lub detale wzdłuż pięciu osi jednocześnie. Wieloosiowe maszyny CNC mogą wytwarzać detale o złożonej geometrii, ponieważ oferują dwie dodatkowe osie obrotowe. Eliminują one potrzebę stosowania wielu konfiguracji maszyny.
Jakie są zalety i ograniczenia obróbki CNC 5-osiowej?
Pięcioosiowa obróbka CNC pozwala narzędziu zachować stałą styczność z powierzchnią skrawającą. Ścieżki narzędzia mogą być bardziej skomplikowane i wydajne, co przekłada się na lepszą jakość powierzchni detali i krótszy czas obróbki.
Mimo to, 5-osiowe CNC ma swoje ograniczenia. Nadal obowiązują podstawowe ograniczenia geometrii i dostępu do narzędzi (na przykład, części o geometrii wewnętrznej nie mogą być obrabiane). Ponadto, koszt korzystania z takich systemów jest wyższy.
Podcięcia w obróbce CNC
Podcięcia to elementy, których nie da się wykonać przy użyciu standardowych narzędzi skrawających, gdyż do niektórych ich powierzchni nie ma bezpośredniego dostępu od góry.
Istnieją dwa główne rodzaje podcięć: rowki teowe i połączenia na jaskółczy ogon. Podcięcia mogą być jednostronne lub dwustronne i są obrabiane za pomocą specjalnych narzędzi.
Narzędzia do skrawania rowków teowych składają się z poziomego ostrza tnącego zamocowanego na pionowym wałku. Szerokość podcięcia może wahać się od 3 mm do 40 mm. Zalecamy stosowanie standardowych rozmiarów szerokości (tj. całych milimetrów lub standardowych ułamków calowych), ponieważ istnieje większe prawdopodobieństwo, że odpowiednie narzędzie jest już dostępne.
W przypadku narzędzi do połączeń na jaskółczy ogon, kąt jest decydującym parametrem. Standardowo stosuje się narzędzia do połączeń na jaskółczy ogon o kącie 45 i 60 stopni. Istnieją również narzędzia o kącie 5, 10 i do 120 stopni (z krokiem 10 stopni), ale są one rzadziej używane.
Rowek teowy (po lewej), podcięcie na jaskółczy ogon (w środku) i jednostronne podcięcie na ścianie wewnętrznej (po prawej).
Konstrukcja podcięcia do obróbki CNC
Projektując elementy z podcięciami na ściankach wewnętrznych, pamiętaj o zapewnieniu odpowiedniego prześwitu dla narzędzia. Dobrą zasadą jest dodanie przestrzeni równej co najmniej czterokrotności głębokości podcięcia między obrobioną ścianką a dowolną inną ścianką wewnętrzną.
W przypadku standardowych narzędzi, typowy stosunek średnicy skrawania do średnicy wału wynosi 2:1, co ogranicza głębokość skrawania. W przypadku konieczności wykonania niestandardowego podcięcia, powszechną praktyką wśród warsztatów obróbczych jest produkcja własnych, niestandardowych narzędzi do podcięć. Może to wydłużyć czas realizacji i zwiększyć koszty, dlatego należy tego unikać, jeśli to możliwe.
Sporządzanie rysunku technicznego
Inżynierowie czasami korzystają z rysunków technicznych, aby przekazać maszyniście konkretne wymagania produkcyjne.
Przesłanie rysunku technicznego wraz z wyceną
Zazwyczaj nie wymagamy rysunku technicznego do zamówień składanych na naszej platformie, ale w niektórych przypadkach może on wzbogacić zapytanie ofertowe o cenny kontekst. Niektórych specyfikacji projektowych nie można uwzględnić w pliku STEP ani IGES. Na przykład, należy dołączyć rysunek techniczny 2D, jeśli model zawiera otwory gwintowane lub wały i/lub wymiary o tolerancjach mniejszych niż dla wybranego gatunku stali 2768.
Jeśli dodajesz rysunek techniczny, upewnij się, że jest on zgodny ze specyfikacją przesłanych plików. Jeśli rysunki techniczne nie są zgodne z przesłanymi plikami lub specyfikacją oferty:
Specyfikacje oferty stanowią punkt odniesienia dla technologii, materiałów i wykończenia powierzchni.
Rysunki techniczne stanowią punkt odniesienia dla specyfikacji gwintów, specyfikacji tolerancji, szczegółów wykończenia powierzchni, wymagań dotyczących oznakowania części i specyfikacji obróbki cieplnej.
Plik CAD jest uważany za punkt odniesienia dla projektu części, geometrii, wymiarów i lokalizacji cech.
Jakie są najlepsze praktyki w zakresie obróbki CNC?
Projektuj części, które można obrabiać przy użyciu narzędzia o jak największej średnicy.
Dodaj większe wyokrąglenia (przynajmniej ⅓ głębokości wnęki) do wszystkich wewnętrznych narożników pionowych.
Ogranicz głębokość wnęk do czterokrotności ich szerokości.
Dopasuj główne cechy swojego projektu do jednego z sześciu głównych kierunków. Jeśli to niemożliwe, opcją jest obróbka CNC w 5 osiach.
Jeśli Twój projekt obejmuje gwinty, tolerancje, specyfikacje wykończenia powierzchni lub inne uwagi dla operatora maszyny, dołącz do niego rysunek techniczny.
Potrzebujesz obróbki CNC części? Skontaktuj się z naszym zespołem Gazfull.