Hur man designar delar för CNC-bearbetning
I den här kompletta guiden till design för CNC-bearbetning har vi sammanställt grundläggande och avancerade designmetoder och tips som hjälper dig att uppnå bästa möjliga resultat för dina specialbearbetningar.
Det finns några enkla steg du kan vidta för att optimera dina konstruktioner för CNC-bearbetning (computer numerical control). Genom att följa design-for-manufacturing (DFM)-regler kan du få ut mer av CNC-bearbetningens breda möjligheter. Detta kan dock vara utmanande eftersom det inte finns några branschspecifika standarder.
I den här artikeln erbjuder vi en omfattande guide till bästa designpraxis för CNC-bearbetning. För att sammanställa denna omfattande och aktuella information bad vi om feedback från branschexperter och leverantörer av CNC-bearbetningstjänster. Om du optimerar kostnader kan du kolla in den här guiden för att designa kostnadseffektiva delar för CNC.
Vad är CNC-bearbetningsprocessen?
CNC-bearbetning är en subtraktiv tillverkningsteknik. I CNC avlägsnas material från ett massivt block med hjälp av en mängd olika skärverktyg som roterar med hög hastighet – tusentals varv/min – för att producera en del baserad på en CAD-modell. Både metaller och plaster kan CNC-bearbetas.
CNC-frästa delar har hög dimensionsnoggrannhet och snäva toleranser. CNC är lämplig för både storskalig produktion och engångsjobb. Faktum är att CNC-bearbetning för närvarande är det mest kostnadseffektiva sättet att producera metallprototyper, även jämfört med 3D-utskrift.
Vilka är de största begränsningarna för CNC-design?
CNC erbjuder stor designflexibilitet, men det finns några begränsningar. Dessa begränsningar avser den grundläggande mekaniken i skärprocessen och rör främst verktygsgeometri och verktygsåtkomst.
Verktygsgeometri
De flesta vanliga CNC-skärverktyg (pinnfräsar och borrar) har en cylindrisk form och en begränsad skärlängd.
När material avlägsnas från arbetsstycket överförs verktygets geometri till en bearbetad del. Det betyder till exempel att de inre hörnen på en CNC-del alltid har en radie, oavsett hur litet skärverktyg som användes.
Tillgång till verktyg
För att ta bort material närmar sig skärverktyget arbetsstycket direkt uppifrån. Funktioner som inte kan nås på detta sätt kan inte CNC-frästas.
Det finns ett undantag från denna regel: underskärningar. Det finns ett avsnitt om underskärningar mot slutet av den här artikeln.
Vi rekommenderar att du riktar in alla din modells funktioner (hål, hålrum, vertikala väggar etc.) mot en av de sex huvudriktningarna. Se dock denna regel som en rekommendation och inte en begränsning, eftersom 5-axliga CNC-system erbjuder avancerade funktioner för att hålla arbetsstycket.
Verktygsåtkomst är också ett problem vid bearbetning av detaljer med ett stort djup-till-bredd-förhållande. För att nå botten av en djup kavitet behöver man till exempel verktyg med längre räckvidd. Detta innebär ett bredare rörelseomfång för ändeffektorn, vilket ökar maskinvibrationen och sänker den uppnåeliga noggrannheten.
Det kommer att förenkla produktionen om du konstruerar delar som kan CNC-frästas med det verktyg som har största möjliga diameter och kortast möjliga längd.
CNC-designriktlinjer
En utmaning som ofta uppstår vid design av en detalj för CNC-bearbetning är att det inte finns några branschspecifika standarder. Tillverkare av CNC-maskiner och verktyg förbättrar kontinuerligt teknikens möjligheter och utökar gränserna för vad som är möjligt. Tabellen nedan sammanfattar rekommenderade och genomförbara värden för de vanligaste egenskaperna hos CNC-bearbetade detaljer.
Hålrum och fickor
Rekommenderat hålrumsdjup: 4 gånger hålrumsbredden
Pinnfräsverktyg har en begränsad skärlängd (vanligtvis 3–4 gånger deras diameter). Verktygsnedböjning, spånavgång och vibrationer blir mer framträdande när kaviteter har ett mindre djup-till-bredd-förhållande.
Att begränsa kavitetens djup till fyra gånger dess bredd säkerställer goda resultat.
Om större djup krävs, överväg att konstruera delar med variabelt kavitetsdjup.
Djup kavitetsfräsning: Kaviteter med djup större än sex gånger verktygsdiametern anses vara djupa. Ett förhållande mellan verktygsdiameter och kavitetsdjup på upp till 30:1 är möjligt med specialverktyg (maximalt djup: 35 cm med en pinnfräs med 1-tums diameter).
Hålrum och fickor
Vertikal hörnradie
Rekommenderas: ⅓ gånger kavitetsdjupet (eller större)
Genom att använda det rekommenderade värdet för innerhörnradier säkerställer du att ett verktyg med lämplig diameter kan användas och att det överensstämmer med riktlinjerna för rekommenderat hålrumsdjup.
Genom att öka hörnradien något över det rekommenderade värdet (t.ex. med 1 mm) kan verktyget skära i en cirkulär bana istället för en 90-gradersvinkel. Detta är att föredra eftersom det resulterar i en ytfinish av högre kvalitet. Om skarpa 90-graders innerhörn krävs, överväg att lägga till en T-bensunderskärning istället för att minska hörnradien.
Golvradie
Rekommenderas: 0.5 mm, 1 mm eller ingen radie
Möjlig: vilken radie som helst
Pinnfräsverktyg har en plan eller något rundad nedre skäregg. Andra golvradier kan bearbetas med kulverktyg. Det är god konstruktionspraxis att använda de rekommenderade värdena, eftersom det föredras av maskinisterna.
Tunna väggar
Minsta väggtjocklek
Rekommenderas: 0.8 mm (metaller), 1.5 mm (plaster)
Möjligt: 0.5 mm (metaller), 1.0 mm (plast)
Att minska väggtjockleken minskar materialets styvhet, vilket ökar vibrationerna under bearbetningen och sänker den uppnåeliga noggrannheten. Plaster är benägna att deformeras (på grund av kvarvarande spänningar) och mjukna (på grund av temperaturökning), så en större minsta väggtjocklek rekommenderas. De genomförbara värdena som anges ovan bör undersökas från fall till fall.
Hål
Diameter
Rekommenderas: standardborr
Möjligt: vilken diameter som helst större än 1 mm
Hål bearbetas med antingen en borr eller en pinnfräs. Borrarnas storlek är standardiserad (i metriska och brittiska enheter). Brotschar och borrverktyg används för att finbearbeta hål som kräver snäva toleranser. För hål med hög precision och en diameter mindre än 20 mm rekommenderas att använda en standarddiameter.
Maximal djup
Rekommenderas: 4 gånger nominell diameter
Typisk: 10 gånger nominell diameter
Möjlig: 40 gånger nominell diameter
Hål med en icke-standardiserad diameter måste bearbetas med en pinnfräs. I detta fall gäller de maximala hålrumsdjupsbegränsningarna och det rekommenderade maximala djupvärdet bör användas. Hål djupare än det typiska värdet bearbetas med specialborrar (med en minsta diameter på 3 mm). Bottenhål som bearbetas med en borr har en konisk botten (135 graders vinkel), medan hål som bearbetas med en pinnfräs är plana.
Det finns ingen särskild preferens mellan genomgående hål eller bottenhål vid CNC-bearbetning.
Ämnen
Tråd storlek
Minimum: M1 (och lägre, i vissa fall)
Rekommenderas: M6 eller större
Gängor skärs med gängtappar och utvändiga gängor med gängpressar. Gängtappar och gängpressar kan användas för att skära gängor ner till M2. CNC-gängverktyg är vanliga och föredras av maskinister, eftersom de begränsar risken för gängbrott. CNC-gängverktyg kan användas för att skära gängor ner till M6.
Trådlängd
Minimum: 1.5 gånger nominell diameter
Rekommenderas: 3 gånger nominell diameter
Merparten av belastningen som appliceras på en gänga tas upp av de få första tänderna (upp till 1.5 gånger den nominella diametern). Gängor längre än 3 gånger den nominella diametern är därför onödiga.
För gängor i bottenhål som skärs med gängtappar (dvs. alla gängor mindre än M6), lägg till en ogängad längd lika med 1.5 gånger den nominella diametern i botten av hålet. När ett CNC-gängverktyg kan användas (dvs. gängor större än M6) kan hålet gängas längs hela sin längd.
Små funktioner
Minsta håldiameter
Rekommenderas: 2.5 mm (0.1 tum).
Möjlig: 0.05 mm (0.005 tum).
De flesta verkstäder kan bearbeta hål och kaviteter noggrant med verktyg ner till 2.5 mm (0.1 tum) i diameter. Allt under denna gräns betraktas som mikrobearbetning. Specialverktyg (mikroborrar) och expertkunskap krävs för att bearbeta sådana funktioner eftersom fysiken i skärprocessen förändras med denna skala. Om det inte är absolut nödvändigt är rekommendationen därför att undvika dem.
Toleranser
Typisk: +-0.1 mm
Möjlig: +-0.02 mm
Våra toleranser är antingen 2768 medium eller fin. Om toleranser inte anges kommer tillverkningspartners att använda den valda sorten 2768.
Toleranser definierar gränserna för en acceptabel dimension. De uppnåeliga toleranserna varierar beroende på basdimensionen och detaljens geometri. Värdena ovan är rimliga riktlinjer.
Text och bokstäver
Rekommenderas: teckenstorlek 20 (eller större), 5 mm graverad
Graverad text är att föredra framför präglad text, eftersom mindre material tas bort. Det rekommenderas att använda ett sans-serif-teckensnitt på minst -20 (t.ex. Arial eller Verdana). Många CNC-maskiner har förprogrammerade rutiner för dessa teckensnitt.
CNC-maskininställningar och orientering av delar
Schematisk bild av en del som kräver flera inställningar
Verktygsåtkomst är en av de största konstruktionsbegränsningarna vid CNC-bearbetning. För att nå alla ytor på modellen måste arbetsstycket roteras flera gånger.
Varje gång arbetsstycket roteras måste maskinen kalibreras om och ett nytt koordinatsystem definieras.
Vid design är det viktigt att beakta maskininställningar av två skäl:
Det totala antalet maskinuppställningar påverkar kostnaden. Att rotera och justera detaljen kräver manuellt arbete och ökar den totala bearbetningstiden. Detta är ofta acceptabelt om detaljen behöver roteras upp till tre eller fyra gånger, men allt över denna gräns är för mycket.
För att uppnå maximal relativ positionsnoggrannhet måste två funktioner bearbetas i samma uppställning. Detta beror på att det nya kalibreringssteget introducerar ett litet (men inte försumbart) fel.
Vad är 5-axlig CNC-bearbetning?
En 5-axlig CNC-maskin flyttar skärverktyg eller delar längs fem axlar samtidigt. Fleraxliga CNC-maskiner kan tillverka delar med komplexa geometrier, eftersom de erbjuder två ytterligare rotationsaxlar. Dessa maskiner eliminerar behovet av flera maskinuppställningar.
Vilka är fördelarna och begränsningarna med 5-axlig CNC-bearbetning?
Femaxlig CNC-bearbetning gör att verktyget konstant kan förbli tangentiellt till skärytan. Verktygsbanorna kan vara mer invecklade och effektiva, vilket resulterar i delar med bättre ytfinish och kortare bearbetningstider.
Med det sagt har 5-axlig CNC sina begränsningar. Grundläggande verktygsgeometri och begränsningar för verktygsåtkomst gäller fortfarande (till exempel kan delar med interna geometrier inte bearbetas). Dessutom är kostnaden för att använda sådana system högre.
CNC-bearbetningsunderskärningar
Underskärningar är detaljer som inte kan bearbetas med vanliga skärverktyg, eftersom vissa av deras ytor inte är åtkomliga direkt uppifrån.
Det finns två huvudtyper av underskärningar: T-spår och laxstjärtar. Underskärningar kan vara ensidiga eller dubbelsidiga och bearbetas med specialverktyg.
T-spårsverktyg är gjorda av ett horisontellt skärblad fäst vid en vertikal axel. Bredden på en underskärning kan variera mellan 3 mm och 40 mm. Vi rekommenderar att använda standardstorlekar för bredden (dvs. hela millimetersteg eller standardtumbråkdelar), eftersom det är mer troligt att ett lämpligt verktyg redan finns tillgängligt.
För laxstjärtskärverktyg är vinkeln den definierande egenskapsstorleken. Både 45- och 60-graders laxstjärtsverktyg anses vara standard. Verktyg med en vinkel på 5, 10 och upp till 120 grader (i steg om 10 grader) finns också men används mindre vanligt.
Ett T-spår (vänster), en laxstjärtformad underskärning (mitten) och en ensidig underskärning på en innervägg (höger).
Underskärningsdesign för CNC-bearbetning
När du konstruerar detaljer med underskärningar på innerväggar, kom ihåg att lägga till tillräckligt med utrymme för verktyget. En bra tumregel är att lägga till ett utrymme som motsvarar minst fyra gånger djupet på underskärningen mellan den bearbetade väggen och eventuella andra innerväggar.
För standardverktyg är det typiska förhållandet mellan skärdiametern och axelns diameter 2:1, vilket begränsar skärdjupet. När en icke-standardiserad underskärning krävs är det vanligt att maskinverkstäder tillverkar sina egna specialanpassade underskärningsverktyg. Detta kan öka ledtiden och kostnaden, så undvik det om möjligt.
Att utarbeta en teknisk ritning
Tekniska ritningar används ibland av ingenjörer för att kommunicera specifika tillverkningskrav till maskinisten.
Ladda upp en teknisk ritning med din offert
Vi kräver vanligtvis inte en teknisk ritning för beställningar på vår plattform, men i vissa fall kan de ge värdefull kontext till en offertförfrågan. Vissa designspecifikationer kan inte inkluderas i en STEP- eller IGES-fil. Till exempel måste du inkludera en 2D-teknisk ritning om din modell innehåller gängade hål eller axlar och/eller dimensioner med toleranser som är snävare än den valda sorten 2768.
Om du lägger till en teknisk ritning, se till att den matchar specifikationerna för de uppladdade filerna. Om de tekniska ritningarna inte matchar de uppladdade filerna eller offertspecifikationerna:
Offertspecifikationerna betraktas som referenspunkt för teknik, material och ytbehandlingar.
De tekniska ritningarna betraktas som referenspunkt för gängspecifikationer, toleransspecifikationer, ytfinishdetaljer, märkningsförfrågningar för delar och specifikationer för värmebehandling.
CAD-filen betraktas som referenspunkt för deldesign, geometri, dimensioner och funktionsplaceringar.
Vilka är de bästa metoderna för CNC-bearbetning?
Utforma delar som kan bearbetas med verktyget med största möjliga diameter.
Lägg till de stora filéerna (minst ⅓ gånger hålighetens djup) i alla inre vertikala hörn.
Begränsa djupet på håligheterna till fyra gånger deras bredd.
Anpassa huvuddragen i din design till en av de sex huvudriktningarna. Om det inte är möjligt är 5-axlig CNC-bearbetning ett alternativ.
Skicka in en teknisk ritning med din ritning om din design inkluderar gängor, toleranser, specifikationer för ytfinish eller andra anmärkningar för maskinoperatören.
Har du delar som behöver CNC-frästas? Kontakta vårt Gazfull-team.