Como projetar peças para usinagem CNC
Neste guia completo de projeto para usinagem CNC, compilamos práticas e dicas de projeto básicas e avançadas para ajudá-lo a obter os melhores resultados para suas peças personalizadas.
Existem algumas etapas simples que você pode seguir para otimizar seus projetos para usinagem CNC (Controle Numérico Computadorizado). Seguindo as regras de projeto para manufatura (DFM), você pode aproveitar melhor as amplas capacidades da usinagem CNC. No entanto, isso pode ser um desafio, já que não existem padrões específicos para toda a indústria.
Neste artigo, oferecemos um guia completo sobre as melhores práticas de projeto para usinagem CNC. Para reunir essas informações abrangentes e atualizadas, solicitamos feedback de especialistas do setor e fornecedores de serviços de usinagem CNC. Se você busca otimizar custos, confira este guia para projetar peças econômicas para CNC.
Qual é o processo de usinagem CNC?
A usinagem CNC é uma tecnologia de fabricação subtrativa. Nesse processo, o material é removido de um bloco sólido utilizando uma variedade de ferramentas de corte que giram em alta velocidade — milhares de RPM — para produzir uma peça com base em um modelo CAD. Tanto metais quanto plásticos podem ser usinados por CNC.
As peças usinadas por CNC possuem alta precisão dimensional e tolerâncias rigorosas. O CNC é adequado tanto para produção em larga escala quanto para peças únicas. De fato, a usinagem CNC é atualmente a maneira mais econômica de produzir protótipos de metal, mesmo em comparação com a impressão 3D.
Quais são as principais restrições do projeto CNC?
O CNC oferece grande flexibilidade de projeto, mas existem algumas restrições. Estas limitações estão relacionadas à mecânica básica do processo de corte e dizem principalmente respeito à geometria da ferramenta e ao acesso à ferramenta.
Geometria da ferramenta
As ferramentas de corte CNC mais comuns (ferramentas de topo e brocas) têm formato cilíndrico e comprimento de corte limitado.
À medida que o material é removido da peça, a geometria da ferramenta é transferida para uma peça usinada. Isso significa, por exemplo, que os cantos internos de uma peça CNC sempre têm um raio, não importa o tamanho da ferramenta de corte utilizada.
Acesso à ferramenta
Para remover material, a ferramenta de corte se aproxima da peça diretamente por cima. Recursos que não podem ser acessados desta forma não podem ser usinados em CNC.
Há uma exceção a essa regra: os cortes undercut. Há uma seção sobre undercut no final deste artigo.
Recomendamos alinhar todos os elementos do seu modelo (furos, cavidades, paredes verticais, etc.) a uma das seis direções principais. No entanto, considere esta regra como uma recomendação e não como uma restrição, visto que os sistemas CNC de 5 eixos oferecem recursos avançados de fixação de peças.
O acesso à ferramenta também é um problema ao usinar recursos com uma grande relação profundidade/largura. Para chegar ao fundo de uma cavidade profunda, por exemplo, são necessárias ferramentas com alcance estendido. Isso significa uma amplitude de movimento mais ampla para o atuador final, o que aumenta a vibração da máquina e diminui a precisão alcançável.
A produção será simplificada se você projetar peças que possam ser usinadas CNC com a ferramenta que tenha o maior diâmetro e o menor comprimento possíveis.
diretrizes de projeto CNC
Um desafio frequente no projeto de peças para usinagem CNC é a ausência de padrões específicos em toda a indústria. Os fabricantes de máquinas e ferramentas CNC aprimoram continuamente as capacidades da tecnologia, expandindo os limites do que é possível. A tabela abaixo resume os valores recomendados e viáveis para as características mais comuns encontradas em peças usinadas por CNC.
Cavidades e bolsos
Profundidade recomendada da cavidade: 4 vezes a largura da cavidade
As fresas de topo têm um comprimento de corte limitado (normalmente 3 a 4 vezes o seu diâmetro). A deflexão da ferramenta, a evacuação de cavacos e as vibrações tornam-se mais acentuadas quando as cavidades têm uma relação profundidade/largura menor.
Limitar a profundidade da cavidade a quatro vezes a sua largura garante bons resultados.
Se forem necessárias profundidades maiores, considere projetar peças com profundidade de cavidade variável.
Fresamento de cavidades profundas: Cavidades com profundidade superior a seis vezes o diâmetro da ferramenta são consideradas profundas. Uma relação entre o diâmetro da ferramenta e a profundidade da cavidade de até 30:1 é possível utilizando ferramentas especializadas (profundidade máxima: 35 cm com uma fresa de topo de 1 polegada de diâmetro).
Cavidades e bolsos
raio do canto vertical
Recomendado: ⅓ da profundidade da cavidade (ou maior)
Utilizar o valor recomendado para os raios dos cantos internos garante que uma ferramenta com diâmetro adequado possa ser usada e está em conformidade com as diretrizes para a profundidade de cavidade recomendada.
Aumentar ligeiramente o raio dos cantos acima do valor recomendado (por exemplo, em 1 mm) permite que a ferramenta corte seguindo uma trajetória circular em vez de um ângulo de 90 graus. Isso é preferível, pois resulta em um acabamento superficial de maior qualidade. Se forem necessários cantos internos agudos de 90 graus, considere adicionar um rebaixo em forma de T em vez de reduzir o raio do canto.
raio do piso
Recomendado: 0.5 mm, 1 mm ou sem raio
Viável: qualquer raio
As fresas de topo possuem uma aresta de corte inferior plana ou ligeiramente arredondada. Outros raios de curvatura podem ser usinados utilizando fresas de topo esféricas. É uma boa prática de projeto utilizar os valores recomendados, pois são os preferidos pelos operadores de máquinas.
Paredes finas
Espessura mínima de parede
Recomendado: 0.8 mm (metais), 1.5 mm (plásticos)
Viável: 0.5 mm (metais), 1.0 mm (plásticos)
A redução da espessura da parede diminui a rigidez do material, o que aumenta as vibrações durante a usinagem e reduz a precisão alcançável. Os plásticos são propensos a deformações (devido a tensões residuais) e amolecimento (devido ao aumento da temperatura), portanto, recomenda-se uma espessura mínima de parede maior. Os valores viáveis mencionados acima devem ser analisados caso a caso.
Buracos
diâmetro
Recomendação: broca padrão
Viável: qualquer diâmetro maior que 1 mm
Os furos são usinados utilizando uma broca ou uma fresa de topo. O tamanho das brocas é padronizado (em unidades métricas e imperiais). Alargadores e ferramentas de mandrilamento são usados para o acabamento de furos que exigem tolerâncias rigorosas. Para furos de alta precisão com diâmetro inferior a 20 mm, recomenda-se o uso de um diâmetro padrão.
Profundidade máxima
Recomendado: 4 vezes o diâmetro nominal
Típica: 10 vezes o diâmetro nominal
Viável: 40 vezes o diâmetro nominal
Furos com diâmetro não padrão devem ser usinados com uma fresa de topo. Nesse caso, aplicam-se as restrições de profundidade máxima da cavidade e deve-se utilizar o valor de profundidade máxima recomendado. Furos com profundidade superior ao valor típico são usinados utilizando brocas especiais (com diâmetro mínimo de 3 mm). Furos cegos usinados com broca têm fundo cônico (ângulo de 135 graus), enquanto furos usinados com fresa de topo são planos.
Na usinagem CNC, não há preferência específica entre furos passantes ou furos cegos.
Threads
Tamanho da rosca
Mínimo: M1 (e inferiores, em alguns casos)
Recomendado: M6 ou maior
Roscas são abertas com machos e roscas externas com cossinetes. Machos e cossinetes podem ser usados para abrir roscas até M2. Ferramentas de rosqueamento CNC são comuns e preferidas pelos operadores de máquinas, pois limitam o risco de quebra do macho. Ferramentas de rosqueamento CNC podem ser usadas para abrir roscas até M6.
Comprimento de linha
Mínimo: 1.5 vezes o diâmetro nominal
Recomendado: 3 vezes o diâmetro nominal
A maior parte da carga aplicada a uma rosca é suportada pelos primeiros dentes (até 1.5 vezes o diâmetro nominal). Roscas com mais de 3 vezes o diâmetro nominal são, portanto, desnecessárias.
Para roscas em furos cegos abertos com machos (ou seja, todas as roscas menores que M6), adicione um comprimento sem rosca igual a 1.5 vezes o diâmetro nominal no fundo do furo. Quando uma ferramenta de rosqueamento CNC puder ser usada (ou seja, roscas maiores que M6), o furo pode ser roscado em toda a sua extensão.
Pequenos recursos
Diâmetro mínimo do furo
Recomendado: 2.5 mm (0.1 polegadas).
Viável: 0.05 mm (0.005 polegadas).
A maioria das oficinas mecânicas consegue usinar cavidades e furos com precisão usando ferramentas de até 2.5 mm (0.1 polegadas) de diâmetro. Qualquer coisa abaixo desse limite é considerada microusinagem. Ferramentas especiais (microbrocas) e conhecimento especializado são necessários para usinar tais detalhes, pois a física do processo de corte muda nessa escala. A menos que seja absolutamente necessário, a recomendação é, portanto, evitá-las.
Tolerâncias:
Típica: +-0.1 mm
Viável: +-0.02 mm
Nossas tolerâncias são 2768 médias ou finas. Caso as tolerâncias não sejam especificadas, os parceiros de fabricação utilizarão a classe 2768 selecionada.
As tolerâncias definem os limites para uma dimensão aceitável. As tolerâncias alcançáveis variam de acordo com a dimensão base e a geometria da peça. Os valores acima são diretrizes razoáveis.
Texto e letras
Recomendado: tamanho da fonte 20 (ou maior), 5 mm de largura gravada.
O texto gravado é preferível ao texto em relevo, pois menos material é removido. Recomenda-se usar um tamanho mínimo de fonte sem serifa -20 (por exemplo, Arial ou Verdana). Muitas máquinas CNC possuem rotinas pré-programadas para essas fontes.
Configurações de máquinas CNC e orientação de peças
Esquema de uma peça que requer múltiplas configurações.
O acesso da ferramenta é uma das principais limitações de projeto na usinagem CNC. Para alcançar todas as superfícies do modelo, a peça precisa ser girada várias vezes.
Sempre que a peça de trabalho é girada, a máquina precisa ser recalibrada e um novo sistema de coordenadas precisa ser definido.
Durante o projeto, é importante considerar as configurações da máquina por dois motivos:
O número total de configurações da máquina afeta o custo. Girar e realinhar a peça requer trabalho manual e aumenta o tempo total de usinagem. Isso geralmente é aceitável se a peça precisar ser girada até três ou quatro vezes, mas qualquer número acima desse limite é excessivo.
Para obter a máxima precisão posicional relativa, duas características devem ser usinadas na mesma configuração. Isso ocorre porque a nova etapa de calibração introduz um erro pequeno (mas não desprezível).
O que é usinagem CNC de 5 eixos?
Uma máquina CNC de 5 eixos movimenta ferramentas de corte ou peças ao longo de cinco eixos simultaneamente. As máquinas CNC multieixos podem fabricar peças com geometrias complexas, pois oferecem dois eixos de rotação adicionais. Essas máquinas eliminam a necessidade de múltiplas configurações de máquina.
Quais são as vantagens e limitações da usinagem CNC de 5 eixos?
A usinagem CNC de cinco eixos permite que a ferramenta permaneça constantemente tangencial à superfície de corte. Os percursos da ferramenta podem ser mais complexos e eficientes, resultando em peças com melhor acabamento superficial e tempos de usinagem reduzidos.
Dito isso, o CNC de 5 eixos tem suas limitações. Limitações básicas de geometria e acesso às ferramentas ainda se aplicam (por exemplo, peças com geometrias internas não podem ser usinadas). Além disso, o custo de utilização desses sistemas é mais elevado.
Rebaixos de usinagem CNC
Rebaixos são recursos que não podem ser usinados com ferramentas de corte padrão, pois algumas de suas superfícies não são acessíveis diretamente de cima.
Existem dois tipos principais de cortes inferiores: ranhuras em T e encaixes em cauda de andorinha. Os cortes inferiores podem ser unilaterais ou bilaterais e são usinados com ferramentas especiais.
As ferramentas de corte com ranhura em T são feitas de uma lâmina de corte horizontal presa a um eixo vertical. A largura de um corte inferior pode variar entre 3 mm e 40 mm. Recomendamos o uso de tamanhos padrão para a largura (ou seja, incrementos inteiros em milímetros ou frações padrão em polegadas), pois é mais provável que uma ferramenta apropriada já esteja disponível.
Para ferramentas de corte em cauda de andorinha, o ângulo é o tamanho do recurso definidor. As ferramentas em cauda de andorinha de 45 e 60 graus são consideradas padrão. Ferramentas com ângulos de 5, 10 e até 120 graus (em incrementos de 10 graus) também existem, mas são menos comumente usadas.
Uma ranhura em T (esquerda), um encaixe em cauda de andorinha (centro) e um encaixe unilateral em uma parede interna (direita).
Projeto de rebaixo para usinagem CNC
Ao projetar peças com rebaixos em paredes internas, lembre-se de adicionar folga suficiente para a ferramenta. Uma boa regra prática é adicionar um espaço equivalente a pelo menos quatro vezes a profundidade do rebaixo entre a parede usinada e qualquer outra parede interna.
Para ferramentas padrão, a proporção típica entre o diâmetro de corte e o diâmetro da haste é de 2:1, limitando assim a profundidade de corte. Quando é necessário um rebaixo não padrão, é prática comum as oficinas mecânicas fabricarem suas próprias ferramentas de rebaixo personalizadas. Isso pode aumentar o prazo de entrega e o custo, portanto, evite essa prática sempre que possível.
Elaboração de um desenho técnico
Os desenhos técnicos às vezes são usados por engenheiros para comunicar requisitos específicos de fabricação ao maquinista.
Envie um desenho técnico junto com seu orçamento.
Normalmente, não exigimos um desenho técnico para pedidos em nossa plataforma, mas, em alguns casos, ele pode agregar informações valiosas à solicitação de orçamento. Certas especificações de projeto não podem ser incluídas em um arquivo STEP ou IGES. Por exemplo, você precisará incluir um desenho técnico 2D se o seu modelo contiver furos ou eixos roscados e/ou dimensões com tolerâncias mais restritas do que a classe 2768 selecionada.
Ao adicionar um desenho técnico, certifique-se de que ele corresponda às especificações dos arquivos enviados. Caso os desenhos técnicos não correspondam aos arquivos enviados ou às especificações do orçamento:
As especificações do orçamento são consideradas o ponto de referência para a tecnologia, os materiais e os acabamentos de superfície.
Os desenhos técnicos são considerados o ponto de referência para as especificações de rosca, especificações de tolerância, detalhes de acabamento superficial, solicitações de marcação de peças e especificações de tratamento térmico.
O arquivo CAD é considerado o ponto de referência para o projeto da peça, geometria, dimensões e localização dos elementos.
Quais são as melhores práticas para usinagem CNC?
Projete peças que possam ser usinadas usando a ferramenta com o maior diâmetro possível.
Adicione os filetes grandes (com pelo menos ⅓ da profundidade da cavidade) em todos os cantos verticais internos.
Limite a profundidade das cavidades a 4 vezes a sua largura.
Alinhe as principais características do seu projeto com uma das seis direções principais. Se isso não for possível, a usinagem CNC de 5 eixos é uma opção.
Envie um desenho técnico junto com seu projeto se ele incluir roscas, tolerâncias, especificações de acabamento superficial ou outras observações para o operador da máquina.
Precisa de peças usinadas por CNC? Entre em contato com a nossa equipe da Gazfull.