Um die Möglichkeiten der CNC-Bearbeitung voll auszuschöpfen, müssen Konstrukteure nach spezifischen Fertigungsregeln konstruieren. Dies kann jedoch eine Herausforderung darstellen, da es keine spezifischen Industriestandards gibt. In diesem Artikel haben wir einen umfassenden Leitfaden zu den besten Designpraktiken für die CNC-Bearbeitung zusammengestellt. Wir haben uns auf die Beschreibung der Machbarkeit moderner CNC-Systeme konzentriert und die damit verbundenen Kosten außer Acht gelassen. Eine Anleitung zur kostengünstigen Konstruktion von Teilen für CNC finden Sie in diesem Artikel.
CNC-Bearbeitung
Die CNC-Bearbeitung ist eine subtraktive Fertigungstechnik. In der CNC werden verschiedene Schneidwerkzeuge verwendet, die mit hoher Geschwindigkeit (Tausende Umdrehungen pro Minute) rotieren, um Material aus einem massiven Block zu entfernen und ein Teil auf der Grundlage eines CAD-Modells zu erstellen. Sowohl Metalle als auch Kunststoffe können mit CNC bearbeitet werden.
Die CNC-Bearbeitung bietet eine hohe Maßgenauigkeit und enge Toleranzen, die sowohl für die Massenproduktion als auch für Einzelanfertigungen geeignet sind. Tatsächlich ist es derzeit die kostengünstigste Methode zur Herstellung von Metallprototypen, selbst im Vergleich zum 3D-Druck.
Haupteinschränkungen des CNC-Designs
CNC bietet große Designflexibilität, es gibt jedoch bestimmte Designeinschränkungen. Diese Einschränkungen hängen mit der grundlegenden Mechanik des Schneidprozesses zusammen, hauptsächlich mit der Werkzeuggeometrie und dem Werkzeugzugang.
1. Werkzeugform
Die gängigsten CNC-Werkzeuge wie Schaftfräser und Bohrer sind zylindrisch und haben begrenzte Schnittlängen. Wenn Material vom Werkstück entfernt wird, wird die Form des Werkzeugs auf dem bearbeiteten Teil nachgebildet.
Dies bedeutet beispielsweise, dass Innenecken eines CNC-Teils immer einen Radius haben, unabhängig von der Größe des verwendeten Werkzeugs.
2. Werkzeugaufruf
Beim Materialabtrag fährt das Werkzeug direkt von oben an das Werkstück heran. Dies ist mit der CNC-Bearbeitung nicht möglich, mit Ausnahme von Hinterschnitten, auf die wir später noch eingehen werden.
Es ist eine gute Designpraxis, alle Merkmale eines Modells, wie Löcher, Hohlräume und vertikale Wände, an einer der sechs Himmelsrichtungen auszurichten. Dies ist eher ein Vorschlag als eine Einschränkung, insbesondere da 5-Achsen-CNC-Systeme erweiterte Werkstückhaltefunktionen bieten.
Bei der Bearbeitung von Teilen mit Merkmalen, die ein großes Seitenverhältnis aufweisen, ist die Werkzeugbestückung ein Problem. Um beispielsweise den Boden einer tiefen Kavität zu erreichen, ist ein Spezialwerkzeug mit langem Schaft erforderlich, was die Steifigkeit des Endeffektors verringern, die Vibration erhöhen und die erreichbare Genauigkeit verringern kann.
Regeln für das CNC-Prozessdesign
Eine der Herausforderungen bei der Konstruktion von Teilen für die CNC-Bearbeitung ist das Fehlen spezifischer Industriestandards. Denn Hersteller von CNC-Maschinen und -Werkzeugen verbessern ihre technischen Möglichkeiten kontinuierlich und erweitern so das Leistungsspektrum. Nachfolgend haben wir eine Tabelle bereitgestellt, in der die empfohlenen und realisierbaren Werte für die häufigsten Merkmale von CNC-bearbeiteten Teilen zusammengefasst sind.
1. Taschen und Aussparungen
Denken Sie an den folgenden Text: „Empfohlene Taschentiefe: 4-fache Taschenbreite.“ Schaftfräser haben eine begrenzte Schnittlänge, normalerweise das 3- bis 4-fache ihres Durchmessers. Wenn das Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis klein ist, treten Probleme wie Werkzeugablenkung, Spanabfuhr und Vibrationen stärker in den Vordergrund. Um gute Ergebnisse zu erzielen, begrenzen Sie die Tiefe einer Kavität auf das Vierfache ihrer Breite.“
Wenn Sie mehr Tiefe benötigen, sollten Sie darüber nachdenken, ein Teil mit variabler Kavitätstiefe zu konstruieren (siehe Abbildung oben als Beispiel). Beim Tieffräsen wird eine Kavität als tief eingestuft, wenn ihre Tiefe mehr als das Sechsfache des Durchmessers des verwendeten Werkzeugs beträgt. Spezielle Werkzeuge ermöglichen eine maximale Tiefe von 30 cm mit einem Schaftfräser mit 1 Zoll Durchmesser, was einem Verhältnis von Werkzeugdurchmesser zu Hohlraumtiefe von 30:1 entspricht.
2. Innenkante
Vertikaler Eckenradius: ⅓ x Hohlraumtiefe (oder mehr) empfohlen
Es ist wichtig, die empfohlenen Inneneckenradiuswerte für die Auswahl der richtigen Werkzeuggröße zu verwenden und die empfohlenen Hohlraumtiefenrichtlinien einzuhalten. Durch eine geringfügige Erhöhung des Eckenradius über den empfohlenen Wert hinaus (z. B. um 1 mm) kann das Werkzeug auf einer kreisförmigen Bahn statt im 90°-Winkel schneiden, was zu einer besseren Oberflächengüte führt. Wenn eine scharfe 90°-Innenecke benötigt wird, sollten Sie in Erwägung ziehen, einen T-förmigen Hinterschnitt hinzuzufügen, anstatt den Eckenradius zu reduzieren. Für den Bodenradius betragen die empfohlenen Werte 0,5 mm, 1 mm oder kein Radius; jedoch ist jeder Radius akzeptabel. Die Unterkante des Schaftfräsers ist flach oder leicht abgerundet. Andere Bodenradien können mit Kugelkopfwerkzeugen bearbeitet werden. Die Einhaltung der empfohlenen Werte ist eine gute Praxis, da sie von Maschinisten bevorzugt wird.
3. Dünne Wand
Empfehlungen zur Mindestwandstärke: 0,8 mm (Metall), 1,5 mm (Kunststoff); 0,5 mm (Metall), 1,0 mm (Kunststoff) sind akzeptabel
Eine Verringerung der Wandstärke verringert die Steifigkeit des Materials, was zu erhöhten Vibrationen während der Bearbeitung und einer verringerten erreichbaren Genauigkeit führt. Kunststoffe neigen dazu, sich aufgrund von Eigenspannungen zu verziehen und bei erhöhter Temperatur zu erweichen. Daher wird empfohlen, eine größere Mindestwandstärke zu verwenden.
4. Loch
Durchmesser Standardbohrergrößen werden empfohlen. Jeder Durchmesser größer als 1 mm ist machbar. Das Bohren von Löchern erfolgt mit einem Bohrer oder einem BohrerCNC gefräst. Bohrergrößen sind in metrischen und imperialen Einheiten standardisiert. Reibahlen und Bohrwerkzeuge werden zum Fertigstellen von Löchern verwendet, die enge Toleranzen erfordern. Bei Durchmessern unter ⌀20 mm empfiehlt sich die Verwendung von Standarddurchmessern.
Empfohlene maximale Tiefe 4 x Nenndurchmesser; typisch 10 x Nenndurchmesser; machbar 40 x Nenndurchmesser
Löcher mit nicht standardmäßigem Durchmesser sollten mit einem Schaftfräser bearbeitet werden. In diesem Szenario gilt die maximale Grenze für die Hohlraumtiefe und es wird empfohlen, den maximalen Tiefenwert zu verwenden. Wenn Sie Löcher bohren müssen, die tiefer als der typische Wert sind, verwenden Sie einen Spezialbohrer mit einem Mindestdurchmesser von 3 mm. Mit einem Bohrer bearbeitete Sacklöcher haben eine konische Basis mit einem Winkel von 135°, während mit einem Schaftfräser bearbeitete Löcher flach sind. Bei der CNC-Bearbeitung gibt es keine besondere Bevorzugung zwischen Durchgangslöchern und Sacklöchern.
5. Themen
Die Mindestgewindegröße beträgt M2. Es wird empfohlen, Gewinde M6 oder größer zu verwenden. Innengewinde werden mit Gewindebohrern erstellt, während Außengewinde mit Matrizen erstellt werden. Zur Herstellung von M2-Gewinden können sowohl Gewindebohrer als auch Schneideisen verwendet werden. CNC-Gewindewerkzeuge werden häufig verwendet und von Maschinenbauern bevorzugt, da sie das Risiko eines Gewindebohrerbruchs verringern. Mit CNC-Gewindewerkzeugen können M6-Gewinde erstellt werden.
Gewindelänge mindestens 1,5 x Nenndurchmesser; 3 x Nenndurchmesser empfohlen
Die ersten Zähne tragen die größte Belastung des Gewindes (bis zum 1,5-fachen des Nenndurchmessers). Somit sind Gewinde größer als das Dreifache des Nenndurchmessers nicht erforderlich. Für Gewinde in Sacklöchern, die mit einem Gewindebohrer hergestellt wurden (dh alle Gewinde kleiner als M6), addieren Sie zum Lochgrund eine Länge ohne Gewinde hinzu, die dem 1,5-fachen des Nenndurchmessers entspricht.
Wenn CNC-Gewindewerkzeuge verwendet werden können (dh Gewinde größer als M6), kann das Loch über die gesamte Länge mit einem Gewinde versehen werden.
6. Kleine Funktionen
Der empfohlene Mindestlochdurchmesser beträgt 2,5 mm (0,1 Zoll); ein Minimum von 0,05 mm (0,005 Zoll) ist ebenfalls akzeptabel. Die meisten Maschinenwerkstätten können kleine Hohlräume und Löcher präzise bearbeiten.
Alles unterhalb dieser Grenze gilt als Mikrobearbeitung.CNC-PräzisionsfräsenSolche Merkmale (bei denen die physikalische Variation des Schneidvorgangs innerhalb dieses Bereichs liegt) erfordern spezielle Werkzeuge (Mikrobohrer) und Fachwissen. Daher wird empfohlen, sie zu vermeiden, sofern dies nicht unbedingt erforderlich ist.
7. Toleranzen
Standard: ±0,125 mm (0,005 Zoll)
Typisch: ±0,025 mm (0,001 Zoll)
Leistung: ±0,0125 mm (0,0005 Zoll)
Toleranzen legen die akzeptablen Grenzen für Abmessungen fest. Die erreichbaren Toleranzen hängen von den Grundabmessungen und der Geometrie des Teils ab. Bei den angegebenen Werten handelt es sich um praktische Richtwerte. Wenn keine spezifizierten Toleranzen vorliegen, verwenden die meisten Maschinenwerkstätten eine Standardtoleranz von ±0,125 mm (0,005 Zoll).
8. Text und Beschriftung
Die empfohlene Schriftgröße beträgt 20 (oder größer) und die Schriftgröße beträgt 5 mm
Gravierter Text ist geprägtem Text vorzuziehen, da dadurch weniger Material entfernt wird. Es wird empfohlen, eine serifenlose Schriftart wie Microsoft YaHei oder Verdana mit einer Schriftgröße von mindestens 20 Punkt zu verwenden. Viele CNC-Maschinen verfügen über vorprogrammierte Routinen für diese Schriftarten.
Maschineneinrichtung und Teileausrichtung
Unten ist ein schematisches Diagramm eines Teils dargestellt, das mehrere Setups erfordert:
Der Werkzeugzugriff ist eine wesentliche Einschränkung bei der Gestaltung der CNC-Bearbeitung. Um alle Oberflächen eines Modells zu erreichen, muss das Werkstück mehrmals gedreht werden. Beispielsweise muss das im Bild oben gezeigte Teil dreimal gedreht werden: zweimal, um die Löcher in den beiden Hauptrichtungen zu bearbeiten, und ein drittes Mal, um an die Rückseite des Teils zu gelangen. Bei jeder Drehung des Werkstücks muss die Maschine neu kalibriert und ein neues Koordinatensystem definiert werden.
Berücksichtigen Sie beim Entwerfen Maschinenkonfigurationen aus zwei Hauptgründen:
1. Die Gesamtzahl der Maschineneinstellungen wirkt sich auf die Kosten aus. Das Drehen und Neuausrichten des Teils erfordert manuellen Aufwand und erhöht die Gesamtbearbeitungszeit. Wenn ein Teil drei- bis viermal gedreht werden muss, ist das normalerweise akzeptabel, aber alles, was darüber hinausgeht, ist übertrieben.
2. Um eine maximale relative Positionsgenauigkeit zu erreichen, müssen beide Merkmale in derselben Aufspannung bearbeitet werden. Dies liegt daran, dass der neue Aufrufschritt einen kleinen (aber nicht zu vernachlässigenden) Fehler mit sich bringt.
Fünf-Achsen-CNC-Bearbeitung
Bei der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung entfällt die Notwendigkeit mehrerer Maschinenaufstellungen. Durch die mehrachsige CNC-Bearbeitung können Teile mit komplexen Geometrien hergestellt werden, da sie zwei zusätzliche Rotationsachsen bietet.
Durch die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung bleibt das Werkzeug immer tangential zur Schnittfläche. Dadurch können komplexere und effizientere Werkzeugwege verfolgt werden, was zu Teilen mit besserer Oberflächengüte und kürzeren Bearbeitungszeiten führt.
Jedoch,5-Achsen-CNC-Bearbeitunghat auch seine Grenzen. Es gelten weiterhin grundlegende Einschränkungen hinsichtlich der Werkzeuggeometrie und des Werkzeugzugriffs. Beispielsweise können Teile mit Innengeometrie nicht bearbeitet werden. Darüber hinaus sind die Kosten für den Einsatz solcher Systeme höher.
Hinterschnitte entwerfen
Hinterschnitte sind Merkmale, die mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen nicht bearbeitet werden können, da einige ihrer Oberflächen von oben nicht direkt zugänglich sind. Es gibt zwei Haupttypen von Hinterschnitten: T-Nuten und Schwalbenschwänze. Hinterschnitte können einseitig oder doppelseitig sein und werden mit Spezialwerkzeugen bearbeitet.
T-Nuten-Schneidwerkzeuge bestehen grundsätzlich aus einem horizontalen Schneideinsatz, der an einer vertikalen Welle befestigt ist. Die Breite einer Hinterschneidung kann zwischen 3 mm und 40 mm variieren. Es wird empfohlen, für die Breite Standardabmessungen (d. h. ganze Millimeterschritte oder Standardbruchteile von Zoll) zu verwenden, da das Werkzeug mit größerer Wahrscheinlichkeit bereits verfügbar ist.
Bei Schwalbenschwanzwerkzeugen ist der Winkel das bestimmende Merkmalsmaß. Als Standard gelten 45°- und 60°-Schwalbenschwanzwerkzeuge.
Denken Sie beim Entwerfen eines Teils mit Hinterschnitten an den Innenwänden daran, genügend Freiraum für das Werkzeug einzuplanen. Eine gute Faustregel besteht darin, zwischen der bearbeiteten Wand und allen anderen Innenwänden einen Abstand von mindestens dem Vierfachen der Tiefe der Hinterschneidung hinzuzufügen.
Bei Standardwerkzeugen beträgt das typische Verhältnis zwischen Schneiddurchmesser und Schaftdurchmesser 2:1, wodurch die Schnitttiefe begrenzt wird. Wenn ein nicht standardmäßiger Hinterschnitt erforderlich ist, stellen Maschinenwerkstätten häufig ihre eigenen Hinterschnittwerkzeuge her. Dies erhöht die Durchlaufzeit und die Kosten und sollte nach Möglichkeit vermieden werden.
T-Nut an der Innenwand (links), Schwalbenschwanz-Hinterschnitt (Mitte) und einseitiger Hinterschnitt (rechts)
Erstellen technischer Zeichnungen
Bitte beachten Sie, dass einige Designspezifikationen nicht in STEP- oder IGES-Dateien aufgenommen werden können. Technische 2D-Zeichnungen sind erforderlich, wenn Ihr Modell eines oder mehrere der folgenden Elemente enthält:
Gewindelöcher oder Wellen
Zulässige Abmessungen
Spezifische Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit
Hinweise für CNC-Maschinenbediener
Faustregeln
1. Entwerfen Sie das zu bearbeitende Teil mit dem Werkzeug mit dem größten Durchmesser.
2. Fügen Sie an allen inneren vertikalen Ecken große Verrundungen (mindestens ⅓ x Hohlraumtiefe) hinzu.
3. Begrenzen Sie die Tiefe eines Hohlraums auf das Vierfache seiner Breite.
4. Richten Sie die Hauptmerkmale Ihres Designs entlang einer der sechs Himmelsrichtungen aus. Wenn dies nicht möglich ist, entscheiden Sie sich für5-Achsen-CNC-Bearbeitungsdienste.
5. Reichen Sie technische Zeichnungen zusammen mit Ihrem Entwurf ein, wenn Ihr Entwurf Gewinde, Toleranzen, Spezifikationen zur Oberflächenbeschaffenheit oder andere Kommentare für Maschinenbediener enthält.
Wenn Sie mehr wissen oder eine Anfrage stellen möchten, wenden Sie sich bitte an uns info@anebon.com.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13. Juni 2024