Як проектувати деталі для обробки з ЧПК
У цьому повному посібнику з проектування для обробки на верстатах з ЧПК ми зібрали основні та передові методи проектування й поради, які допоможуть вам досягти найкращих результатів для ваших замовних деталей.
Існує кілька простих кроків, які ви можете зробити, щоб оптимізувати свої проекти для обробки на верстатах з числовим програмним керуванням (ЧПК). Дотримуючись правил проектування для виробництва (DFM), ви можете отримати більше від широких можливостей обробки на верстатах з ЧПК. Однак це може бути складно, оскільки загальногалузевих стандартів не існує.
У цій статті ми пропонуємо вичерпний посібник із найкращих практик проектування для обробки на верстатах з ЧПК. Щоб зібрати цю вичерпну та актуальну інформацію, ми звернулися до галузевих експертів та постачальників послуг з обробки на верстатах з ЧПК за відгуками. Якщо ви оптимізуєте витрати, ознайомтеся з цим посібником із проектування економічно ефективних деталей для верстатів з ЧПК.
Що таке процес обробки на верстаті з ЧПУ?
Обробка на верстатах з ЧПК – це субтрактивна технологія виробництва. У верстатах з ЧПК матеріал видаляється з твердого блоку за допомогою різноманітних різальних інструментів, що обертаються з високою швидкістю – тисячі обертів за хвилину – для створення деталі на основі моделі CAD. Обробці на верстатах з ЧПК підлягають як метали, так і пластмаси.
Деталі, оброблені на верстатах з ЧПК, мають високу точність розмірів та жорсткі допуски. ЧПК підходить як для великосерійного виробництва, так і для одиничних робіт. Фактично, обробка на верстатах з ЧПК наразі є найекономічнішим способом виробництва металевих прототипів, навіть порівняно з 3D-друком.
Які основні обмеження проектування ЧПК?
ЧПК пропонує велику гнучкість проектування, але є кілька обмежень. Ці обмеження стосуються основної механіки процесу різання і в основному стосуються геометрії інструменту та доступу до інструменту.
Геометрія інструменту
Більшість поширених різальних інструментів з ЧПК (кінцеві фрези та свердла) мають циліндричну форму та обмежену довжину різу.
Коли матеріал видаляється із заготовки, геометрія інструменту переноситься на оброблену деталь. Це означає, наприклад, що внутрішні кути деталі з ЧПК завжди мають радіус, незалежно від того, наскільки малий ріжучий інструмент використовувався.
Доступ до інструментів
Для видалення матеріалу ріжучий інструмент наближається до заготовки безпосередньо зверху. Функції, до яких неможливо отримати доступ таким чином, не можуть бути оброблені з ЧПУ.
З цього правила є виняток: підрізи. Розділ про підрізи є ближче до кінця цієї статті.
Ми рекомендуємо вирівняти всі елементи вашої моделі (отвори, порожнини, вертикальні стінки тощо) по одному з шести основних напрямків. Однак, це правило слід розглядати як рекомендацію, а не як обмеження, оскільки 5-осьові системи ЧПК пропонують розширені можливості кріплення заготовок.
Доступ до інструменту також є проблемою при обробці деталей із великим співвідношенням глибини до ширини. Щоб досягти дна глибокої порожнини, наприклад, потрібні інструменти з розширеним охопленням. Це означає ширший діапазон руху кінцевого ефектора, що збільшує шум машини та знижує досяжну точність.
Це спростить виробництво, якщо ви розробите деталі, які можна обробляти з ЧПК за допомогою інструменту, який має найбільший діаметр і найменшу довжину.
Керівні принципи проектування ЧПК
Проблема, яка часто виникає під час проектування деталі для обробки на верстатах з ЧПК, полягає в тому, що не існує специфічних галузевих стандартів. Виробники верстатів та інструментів з ЧПК постійно вдосконалюють можливості технології, розширюючи межі можливого. У таблиці нижче наведено рекомендовані та доцільні значення для найпоширеніших характеристик деталей, оброблених на верстатах з ЧПК.
Каріозні порожнини та кишені
Рекомендована глибина порожнини: 4 рази більше ширини порожнини
Кінцеві фрези мають обмежену довжину різання (зазвичай у 3–4 рази перевищує їхній діаметр). Відхилення інструменту, видалення стружки та вібрації стають більш помітними, коли порожнини мають менше співвідношення глибини до ширини.
Обмеження глибини порожнини до чотирьох разів більше її ширини забезпечує хороші результати.
Якщо потрібна більша глибина, розгляньте можливість проектування деталей зі змінною глибиною порожнини.
Фрезерування глибоких порожнин: Порожнини глибиною понад шість разів перевищують діаметр інструмента, вважаються глибокими. Співвідношення діаметра інструмента до глибини порожнини до 30:1 можливе за допомогою спеціалізованого інструменту (максимальна глибина: 35 см з кінцевою фрезою діаметром 1 дюйм).
Каріозні порожнини та кишені
Вертикальний радіус кута
Рекомендовано: ⅓ глибини порожнини (або більше)
Використання рекомендованого значення для радіусів внутрішніх кутів гарантує, що можна використовувати інструмент відповідного діаметра та він відповідає інструкціям щодо рекомендованої глибини порожнини.
Збільшення радіусів кутів трохи вище рекомендованого значення (наприклад, на 1 мм) дозволяє інструменту різати по колу, а не під кутом 90 градусів. Це бажано, оскільки призводить до вищої якості обробки поверхні. Якщо потрібні гострі внутрішні кути під кутом 90 градусів, подумайте про додавання Т-подібного підрізу замість зменшення радіуса кута.
Радіус підлоги
Рекомендується: 0.5 мм, 1 мм або без радіуса
Можливо: будь-який радіус
Кінцеві фрези мають плоску або злегка закруглену нижню ріжучу кромку. Інші радіуси дна можна обробити за допомогою кульових різців. Рекомендовані значення є гарною практикою проектування, оскільки саме цьому віддають перевагу машинобудівники.
Тонкі стіни
Мінімальна товщина стінки
Рекомендовано: 0.8 мм (метали), 1.5 мм (пластики)
Можливо: 0.5 мм (метали), 1.0 мм (пластики)
Зменшення товщини стінки зменшує жорсткість матеріалу, що збільшує вібрації під час обробки та знижує досяжну точність. Пластмаси схильні до деформації (через залишкові напруження) та розм'якшення (через підвищення температури), тому рекомендується більша мінімальна товщина стінки. Зазначені вище доцільні значення слід розглядати в кожному конкретному випадку.
Отвори
діаметр
Рекомендовано: стандартне свердло
Можливо: будь-який діаметр більше 1 мм
Отвори обробляються за допомогою свердла або кінцевої фрези. Розмір свердел стандартизований (у метричних та імперських одиницях). Розгортки та розточувальні інструменти використовуються для обробки отворів, які потребують жорстких допусків. Для високоточних отворів діаметром менше 20 мм рекомендується використовувати стандартний діаметр.
Максимальна глибина
Рекомендується: 4-кратний номінальний діаметр
Типовий: 10-кратний номінальний діаметр
Можливо: 40-кратний номінальний діаметр
Отвори нестандартного діаметра необхідно обробляти кінцевою фрезою. У цьому випадку застосовуються обмеження щодо максимальної глибини порожнини, і слід використовувати рекомендоване максимальне значення глибини. Отвори глибші за типове значення обробляються спеціалізованими свердлами (мінімального діаметра 3 мм). Глухі отвори, оброблені свердлом, мають конічне дно (кут 135 градусів), тоді як отвори, оброблені кінцевою фрезою, є плоскими.
У обробці на верстатах з ЧПК немає особливих переваг між наскрізними або глухими отворами.
Threads
Розмір листа
мінімум: M1 (і нижче, в деяких випадках)
Рекомендується: M6 або більше
Різьбу нарізають мітчиками, а зовнішню різьбу — плашками. Мітчики та плашки можна використовувати для нарізання різьби до розміру M2. Різьбонарізні інструменти з ЧПК є поширеними та використовуються виробниками, оскільки вони обмежують ризик поломки мітчика. Різьбонарізні інструменти з ЧПК можна використовувати для нарізання різьби до розміру M6.
Довжина нитки
мінімум: 1.5-кратний номінальний діаметр
Рекомендується: 3-кратний номінальний діаметр
Більшість навантаження, що прикладається до різьби, сприймається кількома першими зубцями (до 1.5 номінального діаметра). Тому різьба, довша за 3 номінальні діаметри, не потрібна.
Для різьби в глухих отворах, нарізаної мітчиками (тобто всі різьби менше M6), додайте довжину без різьби, що дорівнює 1.5 номінальному діаметру на дні отвору. Якщо можна використовувати різьбонарізний інструмент з ЧПК (тобто різьба більше M6), отвір можна нарізати по всій його довжині.
Дрібні особливості
Мінімальний діаметр отвору
Рекомендується: 2.5 мм (0.1 дюйма).
Можливо: 0.05 мм (0.005 дюйма).
Більшість механічних майстерень можуть точно обробити порожнини та отвори, використовуючи інструменти діаметром до 2.5 мм (0.1 дюйма). Все, що нижче цієї межі, вважається мікрообробкою. Для обробки таких елементів потрібні спеціальні інструменти (мікросвердла) та експертні знання, оскільки фізика процесу різання змінюється з цим масштабом. Тому рекомендується уникати їх, якщо в цьому немає абсолютної необхідності.
Допуски
Типовий: +-0.1 мм
Можливо: +-0.02 мм
Наші допуски – середні або дрібні марки сталі 2768. Якщо допуски не вказані, виробничі партнери використовуватимуть вибрану марку сталі 2768.
Допуски визначають межі прийнятного розміру. Досяжні допуски залежать від базового розміру та геометрії деталі. Наведені вище значення є прийнятними орієнтовними.
Текст і написи
Рекомендовано: розмір шрифту 20 (або більше), гравіювання 5 мм
Гравірований текст є кращим над рельєфним текстом, оскільки видаляється менше матеріалу. Рекомендується використовувати мінімальний розмір шрифту -20 без зарубок (наприклад, Arial або Verdana). Багато верстатів з ЧПК мають попередньо запрограмовані процедури для цих шрифтів.
Налаштування верстатів з ЧПУ та орієнтація деталей
Схема деталі, яка потребує кількох налаштувань
Доступ до інструментів є одним з основних обмежень проектування в обробці на верстатах з ЧПК. Щоб дістатися до всіх поверхонь моделі, заготовку необхідно обертати кілька разів.
Щоразу, коли заготовка обертається, верстат необхідно повторно калібрувати та визначити нову систему координат.
Під час проектування важливо враховувати налаштування машини з двох причин:
Загальна кількість налаштувань верстата впливає на вартість. Поворот та вирівнювання деталі вимагає ручної роботи та збільшує загальний час обробки. Це часто прийнятно, якщо деталь потрібно повернути до трьох або чотирьох разів, але все, що перевищує цю межу, є надмірним.
Щоб досягти максимальної відносної точності положення, два елементи необхідно обробити в одному й тому ж установці. Це пояснюється тим, що новий крок калібрування вносить невелику (але значну) похибку.
Що таке 5-осьова обробка з ЧПУ?
5-осьовий верстат з ЧПК переміщує ріжучі інструменти або деталі вздовж п'яти осей одночасно. Багатоосьові верстати з ЧПК можуть виготовляти деталі зі складною геометрією, оскільки вони пропонують дві додаткові осі обертання. Ці верстати усувають необхідність у кількох налаштуваннях верстатів.
Які переваги та обмеження 5-осьової обробки на верстатах з ЧПК?
П'ятиосьова обробка на верстатах з ЧПК дозволяє інструменту постійно залишатися тангенціальним до поверхні різання. Траєкторії руху інструменту можуть бути складнішими та ефективнішими, що призводить до отримання деталей з кращою якістю поверхні та скороченням часу обробки.
Тим не менш, 5-осьовий ЧПК має свої обмеження. Основні обмеження щодо геометрії інструменту та доступу до нього все ще застосовуються (наприклад, деталі з внутрішньою геометрією неможливо обробити). Крім того, вартість використання таких систем вища.
ЧПУ обробка виточок
Виточки — це деталі, які неможливо обробити за допомогою стандартних ріжучих інструментів, оскільки деякі їх поверхні недоступні безпосередньо зверху.
Існує два основних типи підрізів: Т-подібні прорізи та ластівчин хвіст. Підрізи можуть бути одно- або двосторонніми і обробляються спеціальними інструментами.
Ріжучі інструменти з T-подібними пазами складаються з горизонтального ріжучого леза, закріпленого на вертикальному валу. Ширина підрізу може коливатися від 3 до 40 мм. Ми рекомендуємо використовувати стандартні розміри для ширини (тобто з кроком цілий міліметр або часткою стандартного дюйма), оскільки більш імовірно, що відповідний інструмент уже доступний.
Для ріжучих інструментів типу «ластівчин хвіст» кут є визначальним розміром. Інструменти з кутом ластівчин хвіст 45 і 60 градусів вважаються стандартними. Інструменти з кутом 5, 10 і до 120 градусів (із кроком 10 градусів) також існують, але використовуються рідше.
Т-подібний паз (ліворуч), підрізання «ластівчин хвіст» (посередині) та одностороннє підрізання на внутрішній стінці (праворуч).
Конструкція підрізу для обробки з ЧПУ
Під час проектування деталей з піднутреннями на внутрішніх стінках пам’ятайте про необхідність додавання достатнього зазору для інструменту. Гарним емпіричним правилом є додавання простору, що дорівнює щонайменше чотирикратній глибині піднутрення між обробленою стінкою та будь-якою іншою внутрішньою стінкою.
Для стандартних інструментів типове співвідношення між діаметром різання та діаметром вала становить 2:1, що обмежує глибину різання. Коли потрібне нестандартне підрізання, механічні майстерні зазвичай виготовляють власні інструменти для підрізання на замовлення. Це може збільшити час виконання та витрати, тому по можливості цього слід уникати.
Складання технічного креслення
Технічні креслення іноді використовуються інженерами, щоб донести до машиніста конкретні виробничі вимоги.
Завантаження технічного креслення з вашою ціновою пропозицією
Зазвичай ми не вимагаємо технічного креслення для замовлень на нашій платформі, але в деяких випадках воно може додати цінний контекст до запиту на цінову пропозицію. Певні конструктивні характеристики не можна включити до файлу STEP або IGES. Наприклад, вам доведеться додати 2D-технічне креслення, якщо ваша модель містить різьбові отвори або вали та/або розміри з допусками, меншими за вибрану марку сталі 2768.
Якщо ви додаєте технічне креслення, переконайтеся, що воно відповідає специфікаціям завантажених файлів. Якщо технічні креслення не відповідають завантаженим файлам або специфікаціям кошторису:
Специфікації кошторису вважаються орієнтиром для технології, матеріалу та обробки поверхонь.
Технічні креслення вважаються точкою відліку для специфікацій різьби, специфікацій допусків, деталей обробки поверхні, запитів на маркування деталей та специфікацій термічної обробки.
Файл CAD вважається точкою відліку для конструкції деталі, геометрії, розмірів та розташування елементів.
Які найкращі практики для обробки на верстатах з ЧПК?
Проектуйте деталі, які можна обробити інструментом з максимально можливим діаметром.
Додайте великі заокруглення (принаймні на ⅓ глибини порожнини) до всіх внутрішніх вертикальних кутів.
Обмежте глибину порожнин до 4-кратного перевищення їхньої ширини.
Узгодьте основні риси вашого проекту з одним із шести основних напрямків. Якщо це неможливо, можна скористатися 5-осьовою обробкою на верстаті з ЧПК.
Надішліть технічне креслення разом із вашим кресленням, якщо ваш проект містить різьбу, допуски, специфікації щодо обробки поверхні або інші примітки для оператора верстата.
Потрібна обробка деталей на верстаті з ЧПК? Зверніться до нашої команди Gazfull.