Aby w pełni wykorzystać możliwości obróbki CNC, projektanci muszą przestrzegać określonych zasad wytwarzania.Ale może to być wyzwaniem, ponieważ nie ma określonego standardu branżowego.W tym artykule opracowaliśmy obszerny przewodnik z najlepszymi praktykami projektowymi dotyczącymi obróbki CNC.
Skupiamy się na opisaniu wykonalności nowoczesnych systemów CNC, ignorując związane z tym koszty.Aby uzyskać wskazówki dotyczące projektowania opłacalnych części do CNC, zapoznaj się z tym artykułem.
Obróbka CNC
Obróbka CNC to subtraktywna technologia obróbki.W CNC różne narzędzia obrotowe o dużej prędkości (tysiące obrotów na minutę) są używane do usuwania materiałów z pełnych bloków w celu produkcji części zgodnie z modelami CAD.Metal i plastik mogą być obrabiane przez CNC.
Części do obróbki CNC mają wysoką dokładność wymiarową i ścisłą tolerancję.CNC nadaje się do masowej produkcji i jednorazowej pracy.W rzeczywistości obróbka CNC jest obecnie najbardziej opłacalnym sposobem wytwarzania metalowych prototypów, nawet w porównaniu z drukowaniem 3D.
Główne ograniczenia konstrukcyjne CNC
CNC zapewnia dużą elastyczność projektowania, ale istnieją pewne ograniczenia projektowe.Ograniczenia te dotyczą podstawowej mechaniki procesu skrawania, głównie związanej z geometrią narzędzia i dostępem do narzędzia.
1. Geometria narzędzia
Najczęściej spotykane narzędzia CNC (frezy palcowe i wiertła) są cylindryczne z ograniczoną długością skrawania.
Gdy materiał jest usuwany z przedmiotu obrabianego, geometria narzędzia jest przenoszona na obrabianą część.Oznacza to, że na przykład bez względu na to, jak małe jest używane narzędzie, kąt wewnętrzny części CNC zawsze ma promień.
2. Dostęp do narzędzia
W celu usunięcia materiału narzędzie zbliża się do przedmiotu obrabianego bezpośrednio od góry.Funkcje, do których nie można uzyskać dostępu w ten sposób, nie mogą być przetwarzane CNC.
Od tej reguły jest jeden wyjątek: podcięcie.W następnym rozdziale dowiemy się, jak wykorzystać podcięcia w projektowaniu.
Dobrą praktyką projektową jest dopasowanie wszystkich cech modelu (otwory, wgłębienia, ściany pionowe itp.) do jednego z sześciu głównych kierunków.Ta zasada jest uważana za zalecenie, a nie ograniczenie, ponieważ 5-osiowy system CNC zapewnia zaawansowane możliwości mocowania obrabianego przedmiotu.
Dostęp do narzędzia jest również problemem podczas obróbki elementów o dużych proporcjach.Na przykład, aby dotrzeć do dna głębokiej wnęki, wymagane jest specjalne narzędzie z długą osią.Zmniejsza to sztywność efektora końcowego, zwiększa wibracje i zmniejsza osiągalną dokładność.
Eksperci CNC zalecają projektowanie części, które można obrabiać narzędziami o maksymalnej możliwej średnicy i możliwie najkrótszej długości.
Zasady projektowania CNC
Jednym z wyzwań często napotykanych przy projektowaniu części do obróbki CNC jest brak określonego standardu branżowego: producenci obrabiarek i narzędzi CNC stale poprawiają swoje możliwości techniczne i poszerzają wachlarz możliwości.
W poniższej tabeli podsumowujemy zalecane i możliwe wartości najczęstszych cech spotykanych w częściach do obróbki CNC.
1. Wnęka i rowek
Zalecana głębokość wnęki: 4 razy szerokość wnęki
Długość cięcia frezu palcowego jest ograniczona (zwykle 3-4 razy jego średnica).Gdy stosunek głębokości do szerokości jest mały, ugięcie narzędzia, odprowadzanie wiórów i wibracje stają się bardziej widoczne.Ograniczenie głębokości ubytku do czterokrotności jego szerokości zapewnia dobre wyniki.
Jeśli wymagana jest większa głębokość, należy rozważyć zaprojektowanie części ze zmienną głębokością gniazda (przykład patrz rysunek powyżej).
Frezowanie głębokiego wgłębienia: wgłębienie o głębokości większej niż 6-krotność średnicy narzędzia jest uważane za głębokie wgłębienie.Stosunek średnicy narzędzia do głębokości wgłębienia może wynosić 30:1 przy użyciu specjalnych narzędzi (przy użyciu frezów palcowych o średnicy 1 cala maksymalna głębokość wynosi 30 cm).
2. Wewnętrzna krawędź
Pionowy promień naroża: zalecana ⅓ x głębokość wnęki (lub większa)
Użycie zalecanej wartości wewnętrznego promienia naroża zapewnia, że narzędzie o odpowiedniej średnicy może być użyte i ustawione zgodnie z wytycznymi dotyczącymi zalecanej głębokości wgłębienia.Zwiększenie promienia naroża nieco powyżej zalecanej wartości (np. o 1 mm) pozwala narzędziu ciąć po torze kołowym zamiast pod kątem 90 °.Jest to preferowane, ponieważ umożliwia uzyskanie wyższej jakości wykończenia powierzchni.Jeśli wymagany jest kąt wewnętrzny 90 °, rozważ dodanie podcięcia w kształcie litery T zamiast zmniejszania promienia kąta.
Zalecany promień dolnej płyty wynosi 0,5 mm, 1 mm lub bez promienia;Każdy promień jest możliwy!
Dolna krawędź frezu palcowego jest płaską krawędzią lub lekko zaokrągloną krawędzią.Inne promienie podłogi można obrabiać za pomocą narzędzi z głowicą kulową.Dobrą praktyką projektową jest stosowanie zalecanej wartości, ponieważ jest to pierwszy wybór operatora.
3. Cienka ściana
Zalecana minimalna grubość ścianki: 0,8 mm (metal) i 1,5 mm (plastik);Możliwe są 0,5 mm (metal) i 1,0 mm (plastik)
Zmniejszenie grubości ścianki zmniejszy sztywność materiału, zwiększając tym samym drgania w procesie obróbki i zmniejszając osiągalną dokładność.Tworzywa sztuczne mają tendencję do wypaczania się (z powodu naprężeń szczątkowych) i mięknienia (z powodu wzrostu temperatury), dlatego zaleca się stosowanie większej minimalnej grubości ścianki.
4. Dziura
Zalecana średnica standardowego wiertła;Dopuszczalna jest każda średnica większa niż 1 mm
Użyj wiertła lub frezu palcowego do obróbki otworów.Standaryzacja rozmiaru wiertła (jednostki metryczne i angielskie).Rozwiertaki i wytaczadła służą do wykańczania otworów wymagających ścisłych tolerancji.W przypadku rozmiarów mniejszych niż ▽ 20 mm zalecane są standardowe średnice.
Zalecana maksymalna głębokość 4 x średnica nominalna;Zazwyczaj 10 x średnica nominalna;40 x średnica nominalna, jeśli to możliwe
Otwory o niestandardowych średnicach należy obrabiać frezami walcowo-czołowymi.W takim przypadku obowiązuje limit maksymalnej głębokości wnęki i należy zastosować zalecaną maksymalną wartość głębokości.Użyj specjalnego wiertła (minimalna średnica 3 mm) do obróbki otworów o głębokości przekraczającej typową wartość.Obrobiony przez wiertło otwór nieprzelotowy ma stożkową płytę dolną (kąt 135°), natomiast otwór obrobiony frezem palcowym jest płaski.W obróbce CNC nie ma specjalnych preferencji między otworami przelotowymi a otworami nieprzelotowymi.
5. Wątek
Minimalny rozmiar nici to m2;Zalecany M6 lub większy
Gwint wewnętrzny wycinany jest kranikiem, a gwint zewnętrzny wykrojnikiem.Gwintowniki i narzynki mogą służyć do nacinania gwintów do m2.
Narzędzia do gwintowania CNC są powszechne i preferowane przez operatorów maszyn, ponieważ ograniczają ryzyko złamania gwintownika.Narzędzia do gwintowania CNC mogą być używane do nacinania gwintów do M6.
Minimalna długość gwintu to 1,5 x średnica nominalna;Zalecane 3 x średnica nominalna
Większość obciążenia przyłożonego do gwintu jest przenoszona przez kilka pierwszych zębów (do 1,5 raza średnicy nominalnej).Dlatego wymagane jest nie więcej niż 3-krotność nominalnej średnicy gwintu.
W przypadku gwintów w otworach nieprzelotowych wycinanych za pomocą gwintownika (tj. wszystkich gwintów mniejszych niż M6), na dnie otworu należy dodać długość niegwintowaną równą 1,5 x średnica nominalna.
Gdy można użyć narzędzia do gwintowania CNC (tzn. gwint jest większy niż M6), otwór może przebiegać przez całą jego długość.
6. Małe cechy
Zaleca się, aby minimalna średnica otworu wynosiła 2,5 mm (0,1 cala);0,05 mm (0,005 cala) jest możliwe
Większość warsztatów mechanicznych będzie w stanie dokładnie obrabiać wnęki i otwory przy użyciu narzędzi o średnicy mniejszej niż 2,5 mm (0,1 cala).
Wszystko poniżej tego limitu jest uważane za mikroobróbkę.Do obróbki takich cech wymagane są specjalne narzędzia (mikrowiertła) i specjalistyczna wiedza (fizyczne zmiany w procesie skrawania mieszczą się w tym zakresie), dlatego zaleca się unikanie ich używania, chyba że jest to absolutnie konieczne.
7. Tolerancja
Standardowo: ± 0,125 mm (0,005 cala)
Typowo: ± 0,025 mm (0,001 cala)
Wykonalne: ± 0,0125 mm (0,0005 cala)
Tolerancje określają granice dopuszczalnych wymiarów.Osiągalne tolerancje zależą od podstawowych wymiarów i geometrii części.Powyższe wartości są rozsądnymi wytycznymi.Jeśli nie określono tolerancji, większość warsztatów mechanicznych zastosuje standardową tolerancję ± 0,125 mm (0,005 cala).
8. Słowa i litery
Zalecany rozmiar czcionki to 20 (lub większy), 5 mm liter
Znaki grawerowane są korzystnie znakami wytłaczanymi, ponieważ usuwa się mniej materiału.Zaleca się stosowanie czcionek bezszeryfowych (takich jak Arial lub Verdana) o wielkości co najmniej 20 punktów.Wiele maszyn CNC ma wstępnie zaprogramowane procedury dla tych czcionek.
Ustawienia maszyny i orientacja części
Schemat ideowy części, które należy kilkakrotnie ustawić, wygląda następująco:
Jak wspomniano wcześniej, dostęp do narzędzi jest jednym z głównych ograniczeń konstrukcyjnych obróbki CNC.Aby dotrzeć do wszystkich powierzchni modelu, obrabiany przedmiot musi zostać kilkakrotnie obrócony.
Na przykład część z powyższego obrazu musi zostać obrócona w sumie trzy razy: dwa otwory są obrabiane w dwóch głównych kierunkach, a trzeci wchodzi z tyłu części.
Za każdym razem, gdy obrabiany przedmiot się obraca, należy ponownie skalibrować maszynę i zdefiniować nowy układ współrzędnych.
Ważne jest, aby podczas projektowania uwzględnić ustawienia maszyny z dwóch powodów:
Całkowita liczba ustawień maszyny wpływa na koszty.Obracanie i wyrównywanie części wymaga obsługi ręcznej i wydłuża całkowity czas przetwarzania.Jeśli część musi zostać obrócona 3-4 razy, jest to ogólnie akceptowalne, ale przekroczenie tego limitu jest zbędne.
Aby uzyskać maksymalną względną dokładność pozycjonowania, dwie cechy muszą być obrabiane w tym samym ustawieniu.Dzieje się tak, ponieważ nowy krok wywołania wprowadza mały (ale nie pomijalny) błąd.
Obróbka CNC w pięciu osiach
Stosując 5-osiową obróbkę CNC, można wyeliminować potrzebę wielu ustawień maszyny.Wieloosiowa obróbka CNC może wytwarzać części o złożonej geometrii, ponieważ zapewniają 2 dodatkowe osie obrotowe.
Obróbka CNC w pięciu osiach sprawia, że narzędzie jest zawsze styczne do powierzchni cięcia.Można podążać bardziej złożonymi i wydajnymi ścieżkami narzędzia, co skutkuje lepszym wykończeniem powierzchni i krótszym czasem obróbki.
Oczywiście 5-osiowe CNC ma też swoje ograniczenia.Podstawowa geometria narzędzia i ograniczenia dostępu do narzędzi nadal obowiązują (na przykład części o wewnętrznej geometrii nie mogą być obrabiane).Ponadto koszt korzystania z takich systemów jest wyższy.
Podcięcie projektu
Podcięcia to cechy, których nie można obrabiać standardowymi narzędziami skrawającymi, ponieważ do niektórych ich powierzchni nie można uzyskać bezpośredniego dostępu od góry.
Istnieją dwa główne rodzaje podcięć: T-rowki i jaskółczy ogon.Podcięcie może być jednostronne lub dwustronne i obrabiane specjalnymi narzędziami.
Narzędzie tnące do rowków T jest zasadniczo wykonane z poziomej wkładki tnącej połączonej z osią pionową.Szerokość podcięcia może wahać się od 3 mm do 40 mm.Zaleca się stosowanie standardowych wymiarów dla szerokości (tj. pełne milimetrowe przyrosty lub standardowe ułamki calowe), ponieważ istnieje większe prawdopodobieństwo dostępności narzędzi.
W przypadku narzędzi typu jaskółczy ogon kąt definiuje rozmiar elementu.Za standardowe uważane są narzędzia typu jaskółczy ogon 45° i 60°.
Projektując części z podcięciami na wewnętrznej ścianie, pamiętaj, aby dodać odpowiedni prześwit dla narzędzia.Dobrą zasadą jest dodanie co najmniej czterokrotnej głębokości podcięcia między obrobioną ścianą a dowolną inną ścianą wewnętrzną.
W przypadku narzędzi standardowych typowy stosunek średnicy skrawania do średnicy wału wynosi 2:1, co ogranicza głębokość skrawania.Gdy wymagane jest niestandardowe podcięcie, warsztat zwykle samodzielnie wykonuje niestandardowe narzędzia podcinające.Zwiększa to czas realizacji i koszty i powinno się tego unikać w jak największym stopniu.
Rowek w kształcie litery T (po lewej), podcięcie na jaskółczy ogon (w środku) i podcięcie jednostronne (po prawej) na ścianie wewnętrznej
Sporządzanie rysunków technicznych
Należy zauważyć, że niektórych kryteriów projektowych nie można uwzględnić w plikach step lub IGES.Jeśli Twój model zawiera co najmniej jeden z poniższych elementów, należy dostarczyć rysunki techniczne 2D:
Gwintowany otwór lub wałek
Wymiar tolerancji
Szczegółowe wymagania dotyczące wykończenia powierzchni
Instrukcje dla operatorów obrabiarek CNC
Praktyczna zasada
1. Zaprojektuj części, które można obrabiać za pomocą narzędzia o największej średnicy.
2. Dodaj duże zaokrąglenia (co najmniej ⅓ x głębokość wnęki) do wszystkich wewnętrznych kątów pionowych.
3. Ogranicz głębokość ubytku do 4-krotności jego szerokości.
4. Dopasuj główne funkcje projektu do jednego z sześciu głównych kierunków.Jeśli nie jest to możliwe, można wybrać 5-osiową obróbkę CNC.
5. Jeżeli projekt zawiera gwint, tolerancję, specyfikację wykończenia powierzchni lub inne uwagi operatora maszyny, prosimy o przesłanie rysunków technicznych wraz z rysunkami.
