Para utilizar plenamente las capacidades del mecanizado CNC, los diseñadores deben diseñar de acuerdo con reglas de fabricación específicas. Sin embargo, esto puede resultar un desafío porque no existen estándares industriales específicos. En este artículo, hemos compilado una guía completa de las mejores prácticas de diseño para el mecanizado CNC. Nos hemos centrado en describir la viabilidad de los sistemas CNC modernos y no hemos tenido en cuenta los costes asociados. Para obtener una guía sobre cómo diseñar piezas para CNC de forma rentable, consulte este artículo.
Mecanizado CNC
El mecanizado CNC es una técnica de fabricación sustractiva. En CNC se utilizan diferentes herramientas de corte que giran a altas velocidades (miles de RPM) para eliminar material de un bloque sólido con el fin de crear una pieza basada en un modelo CAD. Tanto metales como plásticos se pueden mecanizar mediante CNC.
El mecanizado CNC ofrece una alta precisión dimensional y tolerancias estrictas adecuadas tanto para producción de gran volumen como para trabajos únicos. De hecho, actualmente es el método más rentable para producir prototipos metálicos, incluso en comparación con la impresión 3D.
Limitaciones principales del diseño del CNC
El CNC ofrece una gran flexibilidad de diseño, pero existen ciertas limitaciones de diseño. Estas limitaciones están relacionadas con la mecánica básica del proceso de corte, principalmente con la geometría de la herramienta y el acceso a la misma.
1. Forma de la herramienta
Las herramientas CNC más comunes, como fresas y brocas, son cilíndricas y tienen longitudes de corte limitadas. A medida que se retira material de la pieza de trabajo, la forma de la herramienta se replica en la pieza mecanizada.
Por ejemplo, esto significa que las esquinas internas de una pieza CNC siempre tendrán un radio, independientemente del tamaño de la herramienta utilizada.
2. Llamada de herramientas
Al retirar material, la herramienta se acerca a la pieza directamente desde arriba. Esto no se puede hacer con el mecanizado CNC, excepto los cortes, que discutiremos más adelante.
Es una buena práctica de diseño alinear todas las características de un modelo, como agujeros, cavidades y paredes verticales, con una de las seis direcciones cardinales. Esto es más una sugerencia que una restricción, especialmente porque los sistemas CNC de 5 ejes ofrecen capacidades avanzadas de retención de piezas.
Las herramientas son una preocupación cuando se mecanizan piezas con características que tienen una relación de aspecto grande. Por ejemplo, llegar al fondo de una cavidad profunda requiere una herramienta especializada con un eje largo, que puede reducir la rigidez del efector final, aumentar la vibración y reducir la precisión alcanzable.
Reglas de diseño de procesos CNC
Al diseñar piezas para mecanizado CNC, uno de los desafíos es la ausencia de estándares industriales específicos. Esto se debe a que los fabricantes de máquinas y herramientas CNC mejoran continuamente sus capacidades técnicas, ampliando así el alcance de lo que se puede lograr. A continuación, proporcionamos una tabla que resume los valores recomendados y factibles para las características más comunes que se encuentran en las piezas mecanizadas por CNC.
1. Bolsillos y huecos
Recuerde el siguiente texto: “Profundidad de bolsillo recomendada: 4 veces el ancho de bolsillo. Las fresas tienen una longitud de corte limitada, normalmente de 3 a 4 veces su diámetro. Cuando la relación profundidad-ancho es pequeña, problemas como la desviación de la herramienta, la evacuación de virutas y la vibración se vuelven más prominentes. Para garantizar buenos resultados, limite la profundidad de una cavidad a 4 veces su ancho”.
Si necesita más profundidad, es posible que desee pensar en diseñar una pieza con profundidad de cavidad variable (consulte la imagen de arriba para ver un ejemplo). Cuando se trata de fresado de cavidades profundas, una cavidad se clasifica como profunda si su profundidad es superior a seis veces el diámetro de la herramienta que se utiliza. Las herramientas especiales permiten una profundidad máxima de 30 cm con una fresa de extremo de 1 pulgada de diámetro, lo que equivale a una relación entre el diámetro de la herramienta y la profundidad de la cavidad de 30:1.
2. Borde interior
Radio de esquina vertical: ⅓ x profundidad de la cavidad (o mayor) recomendado
Es importante utilizar los valores de radio de esquina interior sugeridos para seleccionar el tamaño de herramienta correcto y cumplir con las pautas de profundidad de cavidad recomendadas. Aumentar ligeramente el radio de la esquina por encima del valor recomendado (por ejemplo, en 1 mm) permite que la herramienta corte a lo largo de una trayectoria circular en lugar de en un ángulo de 90°, lo que da como resultado un mejor acabado de la superficie. Si se necesita una esquina interior afilada de 90°, considere agregar un corte socavado en forma de T en lugar de reducir el radio de la esquina. Para el radio del piso, los valores recomendados son 0,5 mm, 1 mm o ningún radio; sin embargo, cualquier radio es aceptable. El borde inferior de la fresa es plano o ligeramente redondeado. Se pueden mecanizar otros radios de suelo con herramientas de punta esférica. Cumplir con los valores recomendados es una buena práctica, ya que es la opción preferida de los maquinistas.
3. Pared delgada
Recomendaciones de espesor mínimo de pared: 0,8 mm (metal), 1,5 mm (plástico); Se aceptan 0,5 mm (metal), 1,0 mm (plástico)
La reducción del espesor de la pared disminuye la rigidez del material, lo que genera mayores vibraciones durante el mecanizado y una menor precisión alcanzable. Los plásticos tienen tendencia a deformarse debido a tensiones residuales y a ablandarse debido al aumento de temperatura, por lo que se recomienda utilizar un espesor mínimo de pared mayor.
4. Agujero
Diámetro Se recomiendan tamaños de broca estándar. Es factible cualquier diámetro superior a 1 mm. La perforación se realiza con un taladro o un extremo.fresado cnc. Los tamaños de broca están estandarizados en unidades métricas e imperiales. Los escariadores y herramientas de mandrinado se utilizan para terminar agujeros que requieren tolerancias estrictas. Para diámetros inferiores a ⌀20 mm se aconseja utilizar diámetros estándar.
Profundidad máxima recomendada 4 x diámetro nominal; típico 10 x diámetro nominal; factible 40 x diámetro nominal
Los agujeros de diámetro no estándar se deben mecanizar utilizando una fresa de extremo. En este escenario, se aplica el límite máximo de profundidad de la cavidad y se recomienda utilizar el valor máximo de profundidad. Si necesita mecanizar agujeros más profundos que el valor típico, utilice una broca especial con un diámetro mínimo de 3 mm. Los agujeros ciegos mecanizados con un taladro tienen una base cónica con un ángulo de 135°, mientras que los agujeros mecanizados con una fresa son planos. En el mecanizado CNC no existe una preferencia específica entre agujeros pasantes y agujeros ciegos.
5. Hilos
El tamaño mínimo de rosca es M2. Se recomienda utilizar roscas M6 o mayores. Las roscas internas se crean mediante machos, mientras que las roscas externas se crean mediante matrices. Se pueden utilizar machos y matrices para crear roscas M2. Las herramientas de roscado CNC son ampliamente utilizadas y preferidas por los maquinistas porque reducen el riesgo de rotura del macho. Se pueden utilizar herramientas de roscado CNC para crear roscas M6.
Longitud de rosca mínima 1,5 x diámetro nominal; Se recomienda 3 x diámetro nominal
Los primeros dientes soportan la mayor parte de la carga sobre la rosca (hasta 1,5 veces el diámetro nominal). Por tanto, no son necesarias roscas mayores que tres veces el diámetro nominal. Para roscas en orificios ciegos hechos con un macho (es decir, todas las roscas más pequeñas que M6), agregue una longitud sin rosca igual a 1,5 veces el diámetro nominal hasta el fondo del orificio.
Cuando se pueden utilizar herramientas de roscado CNC (es decir, roscas mayores que M6), el orificio se puede roscar en toda su longitud.
6. Pequeñas funciones
El diámetro mínimo recomendado del orificio es de 2,5 mm (0,1 pulg.); También es aceptable un mínimo de 0,05 mm (0,005 pulgadas). La mayoría de los talleres mecánicos pueden mecanizar con precisión pequeñas cavidades y agujeros.
Todo lo que esté por debajo de este límite se considera micromecanizado.Fresado de precisión CNCTales características (cuando la variación física del proceso de corte está dentro de este rango) requieren herramientas especializadas (microtaladros) y conocimiento experto, por lo que se recomienda evitarlas a menos que sea absolutamente necesario.
7. Tolerancias
Estándar: ±0,125 mm (0,005 pulgadas)
Típico: ±0,025 mm (0,001 pulg.)
Rendimiento: ±0,0125 mm (0,0005 pulgadas)
Las tolerancias establecen los límites aceptables para las dimensiones. Las tolerancias alcanzables dependen de las dimensiones básicas y la geometría de la pieza. Los valores proporcionados son pautas prácticas. En ausencia de tolerancias especificadas, la mayoría de los talleres mecánicos utilizarán una tolerancia estándar de ±0,125 mm (0,005 pulgadas).
8. Texto y letras
El tamaño de fuente recomendado es 20 (o mayor) y letras de 5 mm.
El texto grabado es preferible al texto en relieve porque elimina menos material. Se recomienda utilizar una fuente sans-serif, como Microsoft YaHei o Verdana, con un tamaño de fuente de al menos 20 puntos. Muchas máquinas CNC tienen rutinas preprogramadas para estas fuentes.
Configuración de la máquina y orientación de la pieza
A continuación se muestra un diagrama esquemático de una pieza que requiere múltiples configuraciones:
El acceso a las herramientas es una limitación importante en el diseño del mecanizado CNC. Para llegar a todas las superficies de un modelo, la pieza de trabajo debe girarse varias veces. Por ejemplo, la pieza que se muestra en la imagen de arriba debe girarse tres veces: dos veces para mecanizar los orificios en las dos direcciones principales y una tercera vez para acceder a la parte posterior de la pieza. Cada vez que se gira la pieza de trabajo, es necesario recalibrar la máquina y definir un nuevo sistema de coordenadas.
Considere las configuraciones de la máquina al diseñar por dos razones principales:
1. El número total de configuraciones de la máquina afecta el costo. Girar y realinear la pieza requiere esfuerzo manual y aumenta el tiempo total de mecanizado. Si es necesario girar una pieza de 3 a 4 veces, generalmente es aceptable, pero cualquier cosa que supere este límite es excesiva.
2. Para lograr la máxima precisión de posición relativa, ambas características deben mecanizarse en la misma configuración. Esto se debe a que el nuevo paso de llamada introduce un pequeño (pero no insignificante) error.
Mecanizado CNC de cinco ejes
Cuando se utiliza mecanizado CNC de 5 ejes, se puede eliminar la necesidad de múltiples configuraciones de máquina. El mecanizado CNC multieje puede fabricar piezas con geometrías complejas porque ofrece dos ejes de rotación adicionales.
El mecanizado CNC de cinco ejes permite que la herramienta sea siempre tangencial a la superficie de corte. Esto permite seguir trayectorias de herramientas más complejas y eficientes, lo que da como resultado piezas con mejores acabados superficiales y tiempos de mecanizado más cortos.
Sin embargo,mecanizado cnc de 5 ejestambién tiene sus limitaciones. La geometría básica de la herramienta y las restricciones de acceso a la herramienta aún se aplican; por ejemplo, las piezas con geometría interna no se pueden mecanizar. Además, el coste de utilizar dichos sistemas es mayor.
Diseño de socavados
Los socavados son características que no se pueden mecanizar con herramientas de corte estándar porque algunas de sus superficies no son directamente accesibles desde arriba. Hay dos tipos principales de socavados: ranuras en T y colas de milano. Los cortes pueden ser de una o dos caras y se mecanizan con herramientas especializadas.
Las herramientas de corte con ranura en T se fabrican básicamente con un inserto de corte horizontal unido a un eje vertical. El ancho de un corte puede variar entre 3 mm y 40 mm. Se recomienda utilizar dimensiones estándar (es decir, incrementos de milímetros enteros o fracciones estándar de pulgadas) para el ancho porque es más probable que las herramientas ya estén disponibles.
Para herramientas de cola de milano, el ángulo es la dimensión característica definitoria. Las herramientas de cola de milano de 45° y 60° se consideran estándar.
Al diseñar una pieza con socavaduras en las paredes interiores, recuerde dejar suficiente espacio para la herramienta. Una buena regla general es agregar un espacio igual a al menos cuatro veces la profundidad del corte entre la pared mecanizada y cualquier otra pared interior.
Para herramientas estándar, la relación típica entre el diámetro de corte y el diámetro del eje es 2:1, lo que limita la profundidad de corte. Cuando se requiere un corte no estándar, los talleres mecánicos suelen fabricar sus propias herramientas de corte personalizadas. Esto aumenta el tiempo de entrega y el costo y debe evitarse siempre que sea posible.
Ranura en T en la pared interior (izquierda), corte en cola de milano (centro) y corte en un lado (derecha)
Redacción de dibujos técnicos.
Tenga en cuenta que algunas especificaciones de diseño no se pueden incluir en archivos STEP o IGES. Se requieren dibujos técnicos 2D si su modelo incluye uno o más de los siguientes:
Agujeros o ejes roscados
Dimensiones toleradas
Requisitos específicos de acabado superficial
Notas para operadores de máquinas CNC
Reglas generales
1. Diseñar la pieza a mecanizar con la herramienta de mayor diámetro.
2. Agregue filetes grandes (al menos ⅓ x profundidad de la cavidad) a todas las esquinas verticales internas.
3. Limite la profundidad de una cavidad a 4 veces su ancho.
4. Alinee las características principales de su diseño según una de las seis direcciones cardinales. Si esto no es posible, opte porServicios de mecanizado CNC de 5 ejes..
5. Envíe dibujos técnicos junto con su diseño cuando su diseño incluya roscas, tolerancias, especificaciones de acabado superficial u otros comentarios para los operadores de la máquina.
Si desea saber más o realizar alguna consulta, no dude en contactarnos info@anebon.com.
Hora de publicación: 13 de junio de 2024