Cách thiết kế các bộ phận cho gia công CNC
Trong hướng dẫn toàn diện về thiết kế cho gia công CNC này, chúng tôi đã tổng hợp các phương pháp và lời khuyên thiết kế cơ bản và nâng cao để giúp bạn đạt được kết quả tốt nhất cho các chi tiết tùy chỉnh của mình.
Có một vài bước đơn giản bạn có thể thực hiện để tối ưu hóa thiết kế của mình cho gia công điều khiển số bằng máy tính (CNC). Bằng cách tuân theo các nguyên tắc thiết kế cho sản xuất (DFM), bạn có thể tận dụng tối đa khả năng rộng lớn của gia công CNC. Tuy nhiên, điều này có thể khó khăn vì không có tiêu chuẩn cụ thể nào áp dụng chung cho toàn ngành.
Trong bài viết này, chúng tôi cung cấp hướng dẫn toàn diện về các phương pháp thiết kế tốt nhất cho gia công CNC. Để biên soạn thông tin cập nhật và đầy đủ này, chúng tôi đã thu thập phản hồi từ các chuyên gia trong ngành và các nhà cung cấp dịch vụ gia công CNC. Nếu bạn đang tối ưu hóa chi phí, hãy tham khảo hướng dẫn này về thiết kế các bộ phận tiết kiệm chi phí cho gia công CNC.
Quy trình gia công CNC là gì?
Gia công CNC là một công nghệ sản xuất bóc tách vật liệu. Trong gia công CNC, vật liệu được loại bỏ khỏi một khối rắn bằng cách sử dụng nhiều loại dụng cụ cắt quay với tốc độ cao—hàng nghìn vòng/phút—để tạo ra một chi tiết dựa trên mô hình CAD. Cả kim loại và nhựa đều có thể được gia công CNC.
Các chi tiết được gia công bằng máy CNC có độ chính xác kích thước cao và dung sai chặt chẽ. Gia công CNC phù hợp cho cả sản xuất hàng loạt và các đơn hàng lẻ. Trên thực tế, gia công CNC hiện là phương pháp tiết kiệm chi phí nhất để sản xuất các nguyên mẫu kim loại, ngay cả khi so sánh với in 3D.
Những hạn chế chính của thiết kế CNC là gì?
CNC mang lại sự linh hoạt trong thiết kế tuyệt vời, nhưng có một số hạn chế. Những hạn chế này liên quan đến cơ chế cơ bản của quá trình cắt và chủ yếu liên quan đến hình dạng dao và khả năng tiếp cận dao.
Hình dạng công cụ
Hầu hết các dụng cụ cắt CNC phổ biến (dụng cụ phay cuối và máy khoan) đều có dạng hình trụ và chiều dài cắt hạn chế.
Khi vật liệu được lấy ra khỏi phôi, hình dạng của dụng cụ sẽ được chuyển sang bộ phận được gia công. Ví dụ, điều này có nghĩa là các góc bên trong của bộ phận CNC luôn có bán kính, cho dù sử dụng dụng cụ cắt nhỏ đến đâu.
Truy cập công cụ
Để loại bỏ vật liệu, dụng cụ cắt tiếp cận trực tiếp phôi từ phía trên. Các tính năng không thể truy cập theo cách này thì không thể gia công bằng máy CNC.
Tuy nhiên, có một ngoại lệ cho quy tắc này: các đường cắt lõm. Có một phần về các đường cắt lõm ở cuối bài viết này.
Chúng tôi khuyên bạn nên căn chỉnh tất cả các chi tiết của mô hình (lỗ, hốc, vách đứng, v.v.) theo một trong sáu hướng chính. Tuy nhiên, hãy xem quy tắc này như một khuyến nghị chứ không phải là một hạn chế, vì hệ thống CNC 5 trục cung cấp khả năng giữ phôi tiên tiến.
Khả năng tiếp cận dụng cụ cũng là một vấn đề khi gia công các tính năng có tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng lớn. Ví dụ, để chạm tới đáy của một khoang sâu, bạn cần các công cụ có phạm vi tiếp cận mở rộng. Điều này có nghĩa là phạm vi chuyển động rộng hơn cho bộ phận tác động cuối, làm tăng tiếng ồn của máy và giảm độ chính xác có thể đạt được.
Sẽ đơn giản hóa việc sản xuất nếu bạn thiết kế các bộ phận có thể được gia công CNC bằng công cụ có đường kính lớn nhất có thể và chiều dài ngắn nhất có thể.
Hướng dẫn thiết kế CNC
Một thách thức thường gặp khi thiết kế chi tiết cho gia công CNC là không có tiêu chuẩn cụ thể nào được áp dụng rộng rãi trong ngành. Các nhà sản xuất máy móc và dụng cụ CNC liên tục cải tiến khả năng của công nghệ, mở rộng giới hạn của những gì có thể thực hiện được. Bảng dưới đây tóm tắt các giá trị được khuyến nghị và khả thi cho các đặc điểm phổ biến nhất thường gặp trong các chi tiết gia công CNC.
Sâu răng và túi
Độ sâu khoang trám khuyến nghị: gấp 4 lần chiều rộng khoang trám.
Dao phay ngón có chiều dài cắt hạn chế (thường gấp 3-4 lần đường kính). Độ lệch dao, việc thoát phoi và độ rung trở nên rõ rệt hơn khi các hốc có tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng nhỏ hơn.
Việc giới hạn độ sâu của khoang trám ở mức gấp bốn lần chiều rộng sẽ đảm bảo kết quả tốt.
Nếu cần độ sâu lớn hơn, hãy cân nhắc thiết kế các bộ phận có độ sâu khoang thay đổi được.
Gia công hốc sâu: Các hốc có độ sâu lớn hơn sáu lần đường kính dụng cụ được coi là hốc sâu. Tỷ lệ đường kính dụng cụ so với độ sâu hốc có thể lên đến 30:1 khi sử dụng dụng cụ chuyên dụng (độ sâu tối đa: 35 cm với dụng cụ phay ngón đường kính 1 inch).
Sâu răng và túi
bán kính góc dọc
Khuyến nghị: Gấp ⅓ độ sâu của khoang (hoặc lớn hơn)
Việc sử dụng giá trị khuyến nghị cho bán kính góc trong đảm bảo có thể sử dụng dụng cụ có đường kính phù hợp và tuân thủ các hướng dẫn về độ sâu khoang được khuyến nghị.
Tăng nhẹ bán kính góc so với giá trị khuyến nghị (ví dụ: thêm 1 mm) cho phép dụng cụ cắt theo đường tròn thay vì góc 90 độ. Điều này được ưu tiên vì nó tạo ra bề mặt hoàn thiện chất lượng cao hơn. Nếu cần các góc trong 90 độ sắc nét, hãy cân nhắc thêm đường cắt hình chữ T thay vì giảm bán kính góc.
Bán kính sàn
Đề nghị: Bán kính 0.5 mm, 1 mm hoặc không có bán kính
Khả thi: bất kỳ bán kính nào
Dao phay ngón có cạnh cắt dưới phẳng hoặc hơi tròn. Các bán kính mặt sàn khác có thể được gia công bằng dao phay đầu cầu. Nên sử dụng các giá trị được khuyến nghị, vì đó là điều được các thợ gia công ưa thích.
tường mỏng
Độ dày thành tối thiểu
Độ dày khuyến nghị: 0.8 mm (kim loại), 1.5 mm (nhựa)
Khả thi: 0.5 mm (kim loại), 1.0 mm (nhựa)
Việc giảm độ dày thành sẽ làm giảm độ cứng của vật liệu, dẫn đến tăng độ rung trong quá trình gia công và làm giảm độ chính xác đạt được. Nhựa dễ bị biến dạng (do ứng suất dư) và mềm đi (do tăng nhiệt độ), vì vậy nên chọn độ dày thành tối thiểu lớn hơn. Các giá trị khả thi nêu trên cần được xem xét tùy từng trường hợp cụ thể.
Holes
đường kính
Khuyến nghị: mũi khoan tiêu chuẩn
Có thể thực hiện được: bất kỳ đường kính nào lớn hơn 1 mm
Các lỗ được gia công bằng mũi khoan hoặc dao phay. Kích thước của mũi khoan được tiêu chuẩn hóa (theo đơn vị hệ mét và hệ inch). Dao doa và dao khoét lỗ được sử dụng để hoàn thiện các lỗ yêu cầu dung sai chặt chẽ. Đối với các lỗ có độ chính xác cao với đường kính nhỏ hơn 20 mm, nên sử dụng đường kính tiêu chuẩn.
Độ sâu tối đa
Đề nghị: 4 lần đường kính danh nghĩa
Điển hình: 10 lần đường kính danh nghĩa
Khả thi: 40 lần đường kính danh nghĩa
Các lỗ có đường kính không tiêu chuẩn phải được gia công bằng dao phay ngón. Trong trường hợp này, các hạn chế về độ sâu tối đa của khoang được áp dụng và nên sử dụng giá trị độ sâu tối đa được khuyến nghị. Các lỗ sâu hơn giá trị thông thường được gia công bằng mũi khoan chuyên dụng (với đường kính tối thiểu 3mm). Các lỗ mù được gia công bằng mũi khoan có đáy hình nón (góc 135 độ), trong khi các lỗ được gia công bằng dao phay ngón có đáy phẳng.
Trong gia công CNC, không có sự ưu tiên đặc biệt nào giữa lỗ xuyên suốt và lỗ mù.
Chủ đề
Kích thước chủ đề
Tối thiểu: M1 (và thấp hơn trong một số trường hợp)
Đề nghị: M6 hoặc lớn hơn
Ren trong được cắt bằng mũi taro, còn ren ngoài được cắt bằng khuôn ren. Mũi taro và khuôn ren có thể được sử dụng để cắt ren đến cỡ M2. Dụng cụ cắt ren CNC rất phổ biến và được các thợ máy ưa chuộng vì chúng hạn chế nguy cơ gãy mũi taro. Dụng cụ cắt ren CNC có thể được sử dụng để cắt ren đến cỡ M6.
Độ dài chỉ
Tối thiểu: 1.5 lần đường kính danh nghĩa
Đề nghị: 3 lần đường kính danh nghĩa
Phần lớn tải trọng tác dụng lên ren được chịu bởi một vài răng đầu tiên (lên đến 1.5 lần đường kính danh nghĩa). Do đó, ren dài hơn 3 lần đường kính danh nghĩa là không cần thiết.
Đối với ren trong lỗ kín được cắt bằng mũi taro (tức là tất cả các ren nhỏ hơn M6), hãy thêm một chiều dài không ren bằng 1.5 lần đường kính danh nghĩa ở đáy lỗ. Khi có thể sử dụng dụng cụ tạo ren CNC (tức là ren lớn hơn M6), lỗ có thể được tạo ren dọc theo toàn bộ chiều dài của nó.
Các tính năng nhỏ
Đường kính lỗ tối thiểu
Đề nghị: 2.5 mm (0.1 inch).
Khả thi: 0.05 mm (0.005 inch).
Hầu hết các xưởng gia công cơ khí có thể gia công chính xác các hốc và lỗ bằng các dụng cụ có đường kính nhỏ đến 2.5 mm (0.1 inch). Bất cứ thứ gì nhỏ hơn giới hạn này đều được coi là gia công siêu nhỏ. Cần có các dụng cụ chuyên dụng (mũi khoan siêu nhỏ) và kiến thức chuyên môn để gia công các chi tiết như vậy vì các quy luật vật lý của quá trình cắt gọt thay đổi theo kích thước này. Do đó, trừ khi thực sự cần thiết, khuyến nghị là nên tránh gia công các chi tiết này.
Dung sai
Điển hình: +-0.1mm
Khả thi: +-0.02mm
Dung sai của chúng tôi là loại 2768 trung bình hoặc mịn. Nếu không chỉ định dung sai, các đối tác sản xuất sẽ sử dụng loại thép 2768 đã chọn.
Dung sai xác định giới hạn cho một kích thước chấp nhận được. Dung sai có thể đạt được thay đổi tùy thuộc vào kích thước cơ bản và hình dạng hình học của chi tiết. Các giá trị nêu trên là những hướng dẫn hợp lý.
Văn bản và chữ viết
Khuyến nghị: cỡ chữ 20 (hoặc lớn hơn), khắc 5 mm
Văn bản khắc được ưa thích hơn văn bản dập nổi vì ít nội dung bị loại bỏ hơn. Nên sử dụng kích thước tối thiểu -20 phông chữ sans -serif (ví dụ: Arial hoặc Verdana). Nhiều máy CNC có các chương trình được lập trình sẵn cho các phông chữ này.
Thiết lập máy CNC và định hướng các bộ phận
Sơ đồ cấu tạo của một bộ phận cần nhiều bước thiết lập.
Khả năng tiếp cận dụng cụ là một trong những hạn chế chính trong thiết kế gia công CNC. Để tiếp cận tất cả các bề mặt của mô hình, phôi phải được xoay nhiều lần.
Mỗi khi phôi được xoay, máy phải được hiệu chỉnh lại và một hệ tọa độ mới phải được xác định.
Trong quá trình thiết kế, cần xem xét cấu hình máy móc vì hai lý do:
Tổng số lần thiết lập máy ảnh hưởng đến chi phí. Việc xoay và căn chỉnh lại chi tiết đòi hỏi thao tác thủ công và làm tăng tổng thời gian gia công. Điều này thường có thể chấp nhận được nếu chi tiết cần được xoay tối đa ba hoặc bốn lần, nhưng vượt quá giới hạn này là quá mức.
Để đạt được độ chính xác vị trí tương đối tối đa, hai chi tiết phải được gia công trong cùng một thiết lập. Điều này là do bước hiệu chuẩn mới tạo ra một sai số nhỏ (nhưng không thể bỏ qua).
Gia công CNC 5 trục là gì?
Máy CNC 5 trục di chuyển các dụng cụ cắt hoặc chi tiết dọc theo năm trục cùng một lúc. Máy CNC nhiều trục có thể sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp, vì chúng cung cấp thêm hai trục quay. Những máy này loại bỏ nhu cầu thiết lập máy nhiều lần.
Gia công CNC 5 trục có những ưu điểm và hạn chế nào?
Gia công CNC năm trục cho phép dụng cụ cắt luôn tiếp tuyến với bề mặt cắt. Các đường chạy dao có thể phức tạp và hiệu quả hơn, dẫn đến các chi tiết có bề mặt hoàn thiện tốt hơn và thời gian gia công ngắn hơn.
Tuy nhiên, máy CNC 5 trục vẫn có những hạn chế. Các hạn chế cơ bản về hình dạng dụng cụ và khả năng tiếp cận dụng cụ vẫn tồn tại (ví dụ, không thể gia công các chi tiết có hình dạng bên trong). Hơn nữa, chi phí sử dụng các hệ thống này cao hơn.
Gia công CNC
Đường cắt là các tính năng không thể gia công bằng các công cụ cắt tiêu chuẩn vì một số bề mặt của chúng không thể tiếp cận trực tiếp từ phía trên.
Có hai loại undercut chính: T-slot và dovetails. Các đường cắt có thể là một mặt hoặc hai mặt và được gia công bằng các công cụ đặc biệt.
Dụng cụ cắt rãnh chữ T được làm bằng lưỡi cắt ngang gắn với trục thẳng đứng. Chiều rộng của phần undercut có thể thay đổi từ 3mm đến 40mm. Chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng kích thước tiêu chuẩn cho chiều rộng (tức là gia số nguyên milimet hoặc phân số inch tiêu chuẩn), vì nhiều khả năng đã có sẵn công cụ thích hợp.
Đối với các công cụ cắt khớp đúng, góc là kích thước đặc điểm xác định. Cả hai công cụ khớp đúng góc 45 và 60 độ đều được coi là tiêu chuẩn. Các công cụ có góc 5, 10 và lên tới 120 độ (ở mức tăng 10 độ) cũng tồn tại nhưng ít được sử dụng hơn.
Một rãnh chữ T (trái), một đường cắt mộng đuôi én (giữa) và một đường cắt một phía trên vách trong (phải).
Thiết kế rãnh lõm cho gia công CNC
Khi thiết kế các chi tiết có phần lõm ở thành trong, hãy nhớ chừa đủ khoảng trống cho dụng cụ cắt. Một nguyên tắc chung là nên chừa khoảng trống ít nhất gấp bốn lần độ sâu của phần lõm giữa thành được gia công và bất kỳ thành trong nào khác.
Đối với các dụng cụ tiêu chuẩn, tỷ lệ điển hình giữa đường kính cắt và đường kính trục là 2:1, do đó giới hạn độ sâu cắt. Khi cần khoét rãnh không tiêu chuẩn, các xưởng gia công thường tự chế tạo dụng cụ khoét rãnh tùy chỉnh. Điều này có thể làm tăng thời gian và chi phí, vì vậy hãy tránh nếu có thể.
Soạn thảo bản vẽ kỹ thuật
Bản vẽ kỹ thuật đôi khi được các kỹ sư sử dụng để truyền đạt các yêu cầu sản xuất cụ thể cho thợ máy.
Tải lên bản vẽ kỹ thuật kèm theo báo giá của bạn
Thông thường chúng tôi không yêu cầu bản vẽ kỹ thuật cho các đơn đặt hàng trên nền tảng của mình, nhưng trong một số trường hợp, chúng có thể cung cấp thêm thông tin hữu ích cho yêu cầu báo giá. Một số thông số kỹ thuật thiết kế không thể được đưa vào tệp STEP hoặc IGES. Ví dụ, bạn sẽ phải cung cấp bản vẽ kỹ thuật 2D nếu mô hình của bạn bao gồm các lỗ hoặc trục có ren và/hoặc kích thước có dung sai chặt hơn so với mác thép 2768 đã chọn.
Nếu bạn thêm bản vẽ kỹ thuật, vui lòng đảm bảo rằng nó khớp với các thông số kỹ thuật của các tệp đã tải lên. Nếu bản vẽ kỹ thuật không khớp với các tệp đã tải lên hoặc các thông số kỹ thuật trong báo giá:
Các thông số kỹ thuật trong báo giá được coi là điểm tham chiếu cho công nghệ, vật liệu và lớp hoàn thiện bề mặt.
Bản vẽ kỹ thuật được coi là tài liệu tham khảo cho các thông số kỹ thuật về ren, dung sai, chi tiết về độ hoàn thiện bề mặt, yêu cầu đánh dấu chi tiết và thông số kỹ thuật xử lý nhiệt.
Tệp CAD được coi là điểm tham chiếu cho thiết kế chi tiết, hình học, kích thước và vị trí các đặc điểm.
Những phương pháp tốt nhất trong gia công CNC là gì?
Thiết kế các chi tiết có thể gia công bằng dụng cụ có đường kính lớn nhất có thể.
Thêm các miếng bo tròn lớn (ít nhất gấp ⅓ chiều sâu khoang) vào tất cả các góc dọc bên trong.
Giới hạn độ sâu của các lỗ sâu răng ở mức gấp 4 lần chiều rộng.
Hãy căn chỉnh các đặc điểm chính của thiết kế theo một trong sáu hướng chính. Nếu điều đó không khả thi, gia công CNC 5 trục là một lựa chọn.
Nếu thiết kế của bạn bao gồm ren, dung sai, thông số kỹ thuật bề mặt hoặc các ghi chú khác dành cho người vận hành máy, hãy gửi kèm bản vẽ kỹ thuật.
Bạn có các chi tiết cần gia công CNC? Vui lòng liên hệ với đội ngũ Gazfull của chúng tôi.