Как проектировать детали для обработки на станке с ЧПУ
В этом подробном руководстве по проектированию для обработки на станках с ЧПУ мы собрали основные и продвинутые методы и советы по проектированию, которые помогут вам добиться наилучших результатов при изготовлении деталей на заказ.
Существует несколько простых шагов, которые можно предпринять для оптимизации ваших проектов для обработки на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Следуя правилам проектирования с учетом технологичности производства (DFM), вы можете получить больше отдачи от широких возможностей обработки на станках с ЧПУ. Однако это может быть непросто, поскольку общеотраслевых стандартов не существует.
В этой статье мы предлагаем исчерпывающее руководство по лучшим практикам проектирования для обработки на станках с ЧПУ. Для составления этой обширной и актуальной информации мы запросили отзывы у отраслевых экспертов и поставщиков услуг по обработке на станках с ЧПУ. Если вы оптимизируете затраты, ознакомьтесь с этим руководством по проектированию экономически эффективных деталей для станков с ЧПУ.
Что представляет собой процесс обработки на станке с ЧПУ?
Обработка на станках с ЧПУ — это технология субтрактивного производства. При обработке на станках с ЧПУ материал удаляется из цельного блока с помощью различных режущих инструментов, вращающихся с высокой скоростью — тысячи оборотов в минуту — для изготовления детали на основе CAD-модели. Обработка на станках с ЧПУ может производиться как из металла, так и из пластика.
Детали, изготовленные на станках с ЧПУ, обладают высокой точностью размеров и жесткими допусками. ЧПУ подходит как для крупносерийного производства, так и для единичных заказов. Фактически, в настоящее время обработка на станках с ЧПУ является наиболее экономически эффективным способом изготовления металлических прототипов, даже по сравнению с 3D-печатью.
Каковы основные ограничения проектирования с использованием станков с ЧПУ?
ЧПУ предлагает большую гибкость проектирования, но есть несколько ограничений. Эти ограничения относятся к базовой механике процесса резания и в основном касаются геометрии инструмента и доступа к нему.
Геометрия инструмента
Наиболее распространенные режущие инструменты с ЧПУ (концевые фрезы и сверла) имеют цилиндрическую форму и ограниченную длину резания.
По мере удаления материала с заготовки геометрия инструмента переносится на обрабатываемую деталь. Это означает, например, что внутренние углы детали с ЧПУ всегда имеют радиус, независимо от того, насколько малый режущий инструмент использовался.
Доступ к инструментам
Для удаления материала режущий инструмент приближается к заготовке непосредственно сверху. Элементы, к которым невозможно получить доступ таким образом, не могут быть обработаны на станке с ЧПУ.
Из этого правила есть исключение: подрезки. В конце этой статьи есть раздел, посвященный подрезам.
Мы рекомендуем выравнивать все элементы вашей модели (отверстия, полости, вертикальные стенки и т. д.) по одному из шести основных направлений. Однако рассматривайте это правило как рекомендацию, а не как ограничение, поскольку 5-осевые системы ЧПУ предлагают расширенные возможности фиксации заготовки.
Доступ к инструменту также является проблемой при обработке деталей с большим соотношением глубины к ширине. Например, чтобы добраться до дна глубокой полости, вам потребуются инструменты с увеличенным радиусом действия. Это означает более широкий диапазон движений рабочего органа, что увеличивает вибрацию машины и снижает достижимую точность.
Производство упростится, если вы спроектируете детали, которые можно будет обработать на станке с ЧПУ инструментом максимально возможного диаметра и минимально возможной длины.
Рекомендации по проектированию ЧПУ
Одной из частых проблем при проектировании деталей для обработки на станках с ЧПУ является отсутствие общеотраслевых стандартов. Производители станков и инструментов с ЧПУ постоянно совершенствуют возможности технологии, расширяя границы возможного. В таблице ниже приведены рекомендуемые и допустимые значения для наиболее распространенных характеристик деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ.
Полости и карманы
Рекомендуемая глубина полости: в 4 раза больше ширины полости.
Фрезы концевого типа имеют ограниченную длину резания (обычно в 3–4 раза превышающую их диаметр). Отклонение инструмента, удаление стружки и вибрации становятся более выраженными, когда глубина полости уменьшается.
Ограничение глубины полости до четырехкратного размера ее ширины гарантирует хорошие результаты.
Если требуется большая глубина, рассмотрите возможность проектирования деталей с переменной глубиной полости.
Фрезерование глубоких полостей: полости глубиной более чем в шесть раз превышающей диаметр инструмента считаются глубокими. При использовании специализированного инструмента возможно соотношение диаметра инструмента к глубине полости до 30:1 (максимальная глубина: 35 см при использовании концевой фрезы диаметром 1 дюйм).
Полости и карманы
Вертикальный радиус скругления углов
Рекомендуемая глубина: в ⅓ раза больше глубины полости (или больше).
Использование рекомендуемого значения радиуса внутренних углов гарантирует возможность применения инструмента подходящего диаметра и соответствие рекомендациям по рекомендуемой глубине полости.
Небольшое увеличение радиуса закругления углов сверх рекомендуемого значения (например, на 1 мм) позволяет инструменту резать по круговой траектории, а не под углом 90 градусов. Это предпочтительно, поскольку обеспечивает более высокое качество обработки поверхности. Если требуются острые внутренние углы в 90 градусов, рассмотрите возможность добавления Т-образного подреза вместо уменьшения радиуса закругления.
Радиус пола
Рекомендуется: 0.5 мм, 1 мм или без радиуса
реализуемое: любой радиус
Фрезы концевого типа имеют плоскую или слегка закругленную нижнюю режущую кромку. Другие радиусы закругления можно обрабатывать с помощью шаровых фрез. Рекомендуется использовать значения, указанные в инструкции, поскольку это предпочтительный вариант для токарей.
Тонкие стены
Минимальная толщина стенки
Рекомендуемая толщина: 0.8 мм (металлы), 1.5 мм (пластик).
Возможные значения: 0.5 мм (металлы), 1.0 мм (пластик)
Уменьшение толщины стенки снижает жесткость материала, что увеличивает вибрации во время обработки и снижает достижимую точность. Пластмассы склонны к деформации (из-за остаточных напряжений) и размягчению (из-за повышения температуры), поэтому рекомендуется большая минимальная толщина стенки. Указанные выше допустимые значения следует рассматривать в каждом конкретном случае.
Отверстия
Диаметр
Рекомендуется: стандартное сверло
Возможно: любой диаметр более 1 мм.
Отверстия обрабатываются либо сверлом, либо концевой фрезой. Размер сверл стандартизирован (в метрических и дюймовых единицах). Для чистовой обработки отверстий, требующих высокой точности, используются развертки и расточные инструменты. Для высокоточных отверстий диаметром менее 20 мм рекомендуется использовать стандартный диаметр.
Максимальная глубина
Рекомендуется: 4-кратный номинальный диаметр
Типичный: 10-кратный номинальный диаметр
реализуемое: 40-кратный номинальный диаметр
Отверстия нестандартного диаметра необходимо обрабатывать концевой фрезой. В этом случае действуют ограничения по максимальной глубине полости, и следует использовать рекомендуемое значение максимальной глубины. Отверстия большей глубины обрабатываются с помощью специальных сверл (минимальный диаметр 3 мм). Глухие отверстия, обработанные сверлом, имеют коническое дно (угол 135 градусов), тогда как отверстия, обработанные концевой фрезой, имеют плоскую поверхность.
При обработке на станках с ЧПУ нет особых предпочтений между сквозными и глухими отверстиями.
Threads
Размер резьбы
Минимум: М1 (а в некоторых случаях и ниже)
Рекомендуется: М6 или больше
Резьба нарезается метчиками, а наружная резьба — плашками. Метчики и плашки могут использоваться для нарезания резьбы до M2. Резьбонарезные станки с ЧПУ широко распространены и предпочтительны для токарей, поскольку они снижают риск поломки метчика. Резьбонарезные станки с ЧПУ могут использоваться для нарезания резьбы до M6.
Длина резьбы
Минимум: 1.5-кратный номинальный диаметр
Рекомендуется: 3-кратный номинальный диаметр
Основная нагрузка на резьбу приходится на несколько первых зубьев (до 1.5 номинальных диаметров). Таким образом, резьба длиннее, чем в 3 раза превышающая номинальный диаметр, не требуется.
Для резьбы в глухих отверстиях, нарезанных метчиками (т.е. для всей резьбы меньше M6), добавьте длину нерезьбового участка, равную 1.5 номинальным диаметрам в нижней части отверстия. Если можно использовать станок для нарезания резьбы с ЧПУ (т.е. для резьбы больше M6), резьбу можно нарезать по всей длине отверстия.
Мелкие функции
Минимальный диаметр отверстия
Рекомендуется: 2.5 мм (0.1 дюйма)
реализуемое: 0.05 мм (0.005 дюйма)
В большинстве механических цехов можно точно обрабатывать полости и отверстия инструментами диаметром до 2.5 мм (0.1 дюйма). Все, что меньше этого предела, считается микрообработкой. Для обработки таких элементов требуются специальные инструменты (микросверла) и экспертные знания, поскольку физика процесса резания меняется с увеличением масштаба. Поэтому рекомендуется избегать использования таких инструментов, если это не является абсолютно необходимым.
Допуски
Типичный: + -0.1 мм
реализуемое: + -0.02 мм
Наши допуски составляют либо средний, либо высокий уровень по стандарту 2768. Если допуски не указаны, наши партнеры по производству будут использовать выбранный стандарт 2768.
Допуски определяют границы допустимого размера. Достижимые допуски варьируются в зависимости от базового размера и геометрии детали. Приведенные выше значения являются разумными ориентирами.
Текст и надписи
Рекомендуемый размер шрифта: 20 (или больше), гравировка 5 мм.
Гравированный текст предпочтительнее тисненого, поскольку удаляется меньше материала. Рекомендуется использовать шрифт без засечек размером -20 (например, Arial или Verdana). Многие станки с ЧПУ имеют предварительно запрограммированные процедуры для этих шрифтов.
Настройка станков с ЧПУ и ориентация деталей
Схема детали, требующей нескольких настроек.
Доступ к инструменту является одним из основных конструктивных ограничений при обработке на станках с ЧПУ. Для доступа ко всем поверхностям модели заготовку необходимо поворачивать несколько раз.
При каждом повороте заготовки необходимо проводить повторную калибровку станка и определять новую систему координат.
При проектировании важно учитывать конфигурацию оборудования по двум причинам:
Общее количество настроек станка влияет на стоимость. Вращение и выравнивание детали требуют ручной работы и увеличивают общее время обработки. Это часто приемлемо, если деталь необходимо повернуть до трех-четырех раз, но любое превышение этого предела является излишним.
Для достижения максимальной относительной точности позиционирования необходимо обработать две детали за один цикл обработки. Это связано с тем, что новый этап калибровки вносит небольшую (но существенную) погрешность.
Что такое 5-осевая обработка с ЧПУ?
Пятиосевой станок с ЧПУ перемещает режущие инструменты или детали одновременно по пяти осям. Многоосевые станки с ЧПУ позволяют изготавливать детали сложной геометрии, поскольку имеют две дополнительные оси вращения. Такие станки исключают необходимость многократной переналадки оборудования.
Каковы преимущества и ограничения 5-осевой обработки на станках с ЧПУ?
Пятиосевая обработка на станках с ЧПУ позволяет инструменту постоянно оставаться касательным к режущей поверхности. Траектории движения инструмента могут быть более сложными и эффективными, что приводит к получению деталей с лучшим качеством поверхности и сокращению времени обработки.
Тем не менее, 5-осевые станки с ЧПУ имеют свои ограничения. Основные ограничения, связанные с геометрией инструмента и доступом к нему, по-прежнему сохраняются (например, детали с внутренней геометрией не могут быть обработаны). Кроме того, стоимость использования таких систем выше.
Обработка подрезов на станке с ЧПУ
Подрезы — это элементы, которые невозможно обработать стандартными режущими инструментами, поскольку некоторые их поверхности недоступны непосредственно сверху.
Существует два основных типа поднутрений: Т-образные пазы и «ласточкин хвост». Подрезы могут быть односторонними или двусторонними и выполняются специальным инструментом.
Режущие инструменты с Т-образными пазами состоят из горизонтального режущего лезвия, прикрепленного к вертикальному валу. Ширина подреза может варьироваться от 3 до 40 мм. Мы рекомендуем использовать стандартные размеры ширины (т. е. с шагом в целые миллиметры или стандартные доли дюйма), так как более вероятно, что подходящий инструмент уже доступен.
Для режущих инструментов типа «ласточкин хвост» угол является определяющим размером элемента. Инструменты с углом наклона «ласточкин хвост» 45 и 60 градусов считаются стандартными. Инструменты с углом 5, 10 и до 120 градусов (с шагом 10 градусов) также существуют, но используются реже.
Т-образный паз (слева), подрезка типа «ласточкин хвост» (посередине) и односторонняя подрезка на внутренней стенке (справа).
Конструкция подреза для обработки на станках с ЧПУ
При проектировании деталей с подрезами на внутренних стенках необходимо предусмотреть достаточный зазор для инструмента. Хорошее эмпирическое правило – оставлять пространство, равное как минимум четырехкратному размеру глубины подреза, между обработанной стенкой и любой другой внутренней стенкой.
Для стандартных инструментов типичное соотношение диаметра резания к диаметру вала составляет 2:1, что ограничивает глубину резания. Когда требуется нестандартная подрезка, механические цеха обычно изготавливают собственные инструменты для подрезки на заказ. Это может увеличить время выполнения заказа и стоимость, поэтому по возможности следует избегать этого метода.
Составление технического чертежа
Технические чертежи иногда используются инженерами, чтобы сообщить машинисту конкретные производственные требования.
Загрузка технического чертежа вместе с вашим предложением.
Обычно для заказов на нашей платформе нам не требуется технический чертеж, но в некоторых случаях он может добавить ценный контекст к запросу на расчет стоимости. Некоторые проектные характеристики не могут быть включены в файл STEP или IGES. Например, вам потребуется приложить 2D-технический чертеж, если ваша модель включает резьбовые отверстия или валы и/или размеры с допусками, более жесткими, чем для выбранного класса стали 2768.
Если вы добавляете технический чертеж, убедитесь, что он соответствует спецификациям загруженных файлов. Если технические чертежи не соответствуют загруженным файлам или спецификациям коммерческого предложения:
Технические условия заказа считаются отправной точкой для выбора технологии, материалов и отделки поверхности.
Технические чертежи считаются эталоном для определения параметров резьбы, допусков, качества обработки поверхности, требований к маркировке деталей и параметров термообработки.
CAD-файл считается отправной точкой для проектирования детали, определения геометрии, размеров и расположения элементов.
Каковы лучшие практики обработки на станках с ЧПУ?
Разрабатывайте детали, которые можно обрабатывать с помощью инструмента с максимально возможным диаметром.
Добавьте крупные скругления (по меньшей мере, в ⅓ раза превышающие глубину полости) ко всем внутренним вертикальным углам.
Глубину кариозных полостей следует ограничить до четырехкратного размера их ширины.
Совместите основные элементы вашей конструкции с одним из шести основных направлений. Если это невозможно, можно использовать 5-осевую обработку на станках с ЧПУ.
Если ваш проект включает в себя резьбу, допуски, спецификации качества поверхности или другие примечания для оператора станка, предоставьте вместе с чертежом технический чертеж.
Вам требуется обработка деталей на станках с ЧПУ? Свяжитесь с нашей командой Gazfull.