12 lezioni chiave apprese nella lavorazione CNC

Per sfruttare appieno le capacità della lavorazione CNC, i progettisti devono progettare secondo regole di produzione specifiche. Tuttavia, questo può essere difficile perché non esistono standard di settore specifici. In questo articolo, abbiamo compilato una guida completa alle migliori pratiche di progettazione per la lavorazione CNC. Ci siamo concentrati sulla descrizione della fattibilità dei moderni sistemi CNC e abbiamo trascurato i costi associati. Per una guida alla progettazione economica di parti per CNC, fare riferimento a questo articolo.

Lavorazione CNC

La lavorazione CNC è una tecnica di produzione sottrattiva. Nel CNC, diversi utensili da taglio che ruotano ad alta velocità (migliaia di giri al minuto) vengono utilizzati per eliminare materiale da un blocco solido al fine di creare una parte basata su un modello CAD. Sia i metalli che la plastica possono essere lavorati utilizzando il CNC.

La lavorazione CNC offre un'elevata precisione dimensionale e tolleranze strette adatte sia per la produzione in grandi volumi che per lavori una tantum. Infatti, è attualmente il metodo più conveniente per produrre prototipi in metallo, anche se paragonato alla stampa 3D.

Limitazioni principali della progettazione CNC

Il CNC offre una grande flessibilità di progettazione, ma esistono alcune limitazioni di progettazione. Queste limitazioni sono legate alla meccanica di base del processo di taglio, principalmente alla geometria dell'utensile e all'accesso all'utensile.

1. Forma dell'utensile

Gli utensili CNC più comuni, come frese e punte, sono cilindrici e hanno lunghezze di taglio limitate. Man mano che il materiale viene rimosso dal pezzo, la forma dell'utensile viene replicata sulla parte lavorata.
Ciò significa, ad esempio, che gli angoli interni di una parte CNC avranno sempre un raggio, indipendentemente dalla dimensione dell'utensile utilizzato.

2. Chiamata dello strumento
Durante la rimozione del materiale l'utensile si avvicina al pezzo direttamente dall'alto. Questo non può essere fatto con la lavorazione CNC, ad eccezione dei sottosquadri, di cui parleremo più avanti.

È buona pratica di progettazione allineare tutte le caratteristiche di un modello, come fori, cavità e pareti verticali, con una delle sei direzioni cardinali. Questo è più un suggerimento che una restrizione, soprattutto perché i sistemi CNC a 5 assi offrono capacità avanzate di mantenimento del pezzo.

L'attrezzatura è un problema quando si lavorano parti con caratteristiche che hanno proporzioni elevate. Ad esempio, per raggiungere il fondo di una cavità profonda è necessario uno strumento specializzato con un lungo albero, che può ridurre la rigidità dell'effettore finale, aumentare le vibrazioni e ridurre la precisione ottenibile.

Regole di progettazione del processo CNC

Quando si progettano parti per la lavorazione CNC, una delle sfide è l’assenza di standard di settore specifici. Questo perché i produttori di macchine e utensili CNC migliorano continuamente le loro capacità tecniche, ampliando così la gamma di ciò che è possibile ottenere. Di seguito, abbiamo fornito una tabella che riassume i valori consigliati e fattibili per le caratteristiche più comuni presenti nei pezzi lavorati a CNC.

1. Tasche e rientranze

Ricordare il testo seguente: “Profondità tasca consigliata: 4 volte la larghezza della tasca. Le frese hanno una lunghezza di taglio limitata, solitamente 3-4 volte il loro diametro. Quando il rapporto profondità/larghezza è ridotto, problemi quali la deflessione dell'utensile, l'evacuazione dei trucioli e le vibrazioni diventano più importanti. Per garantire buoni risultati, limitare la profondità di una cavità a 4 volte la sua larghezza.

Se hai bisogno di più profondità, potresti pensare di progettare una parte con profondità di cavità variabile (vedi l'immagine sopra per un esempio). Quando si parla di fresatura di cavità profonde, una cavità è classificata come profonda se la sua profondità è superiore a sei volte il diametro dell'utensile utilizzato. L'attrezzatura speciale consente una profondità massima di 30 cm con una fresa a candela da 1 pollice di diametro, che equivale a un rapporto tra diametro dell'utensile e profondità della cavità di 30:1.

2. Bordo interno
Raggio dell'angolo verticale: consigliato ⅓ x profondità della cavità (o superiore).

È importante utilizzare i valori del raggio dell'angolo interno suggeriti per selezionare lo strumento della giusta dimensione e aderire alle linee guida sulla profondità della cavità consigliate. Aumentando leggermente il raggio dell'angolo al di sopra del valore consigliato (ad esempio, di 1 mm) si consente all'utensile di tagliare lungo un percorso circolare anziché con un angolo di 90°, il che si traduce in una migliore finitura superficiale. Se è necessario un angolo interno acuto di 90°, prendere in considerazione l'aggiunta di un sottosquadro a forma di T anziché ridurre il raggio dell'angolo. Per il raggio del pavimento, i valori consigliati sono 0,5 mm, 1 mm o nessun raggio; tuttavia, qualsiasi raggio è accettabile. Il bordo inferiore della fresa è piatto o leggermente arrotondato. Altri raggi del pavimento possono essere lavorati utilizzando utensili con estremità sferica. Attenersi ai valori consigliati è una buona pratica in quanto è la scelta preferita dagli operatori di macchina.

3. Parete sottile

Consigli per lo spessore minimo della parete: 0,8 mm (metallo), 1,5 mm (plastica); Sono accettabili 0,5 mm (metallo), 1,0 mm (plastica).

La riduzione dello spessore della parete diminuisce la rigidità del materiale, con conseguente aumento delle vibrazioni durante la lavorazione e riduzione della precisione ottenibile. Le materie plastiche hanno la tendenza a deformarsi a causa delle tensioni residue e ad ammorbidirsi a causa dell'aumento della temperatura, pertanto si consiglia di utilizzare uno spessore minimo della parete maggiore.

4. Buco
Diametro Si consigliano punte di dimensioni standard. È possibile qualsiasi diametro superiore a 1 mm. La realizzazione dei fori viene eseguita con un trapano o un'estremitàfresato a controllo numerico. Le dimensioni delle punte sono standardizzate in unità metriche e imperiali. Alesatori e utensili noiosi vengono utilizzati per rifinire fori che richiedono tolleranze strette. Per diametri inferiori a ⌀20 mm è consigliabile utilizzare diametri standard.

Profondità massima consigliata 4 x diametro nominale; tipico 10 x diametro nominale; realizzabile 40 x diametro nominale
I fori con diametro non standard devono essere lavorati utilizzando una fresa. In questo scenario, è applicabile il limite massimo di profondità della cavità e si consiglia di utilizzare il valore di profondità massima. Se è necessario eseguire fori più profondi del valore tipico, utilizzare una punta speciale con un diametro minimo di 3 mm. I fori ciechi realizzati con trapano hanno la base conica con angolo di 135°, mentre i fori realizzati con fresa sono piani. Nella lavorazione CNC non esiste una preferenza specifica tra fori passanti e fori ciechi.

5. Discussioni
La dimensione minima della filettatura è M2. Si consiglia di utilizzare filettature M6 o più grandi. Le filettature interne vengono create utilizzando i maschi, mentre le filettature esterne vengono create utilizzando le matrici. Sia i maschi che le matrici possono essere utilizzati per creare filettature M2. Gli utensili di filettatura CNC sono ampiamente utilizzati e preferiti dai macchinisti perché riducono il rischio di rottura del maschio. Gli strumenti di filettatura CNC possono essere utilizzati per creare filettature M6.

Lunghezza filettatura minima 1,5 x diametro nominale; Consigliato 3 x diametro nominale

I primi denti sopportano la maggior parte del carico sulla filettatura (fino a 1,5 volte il diametro nominale). Pertanto, non sono necessarie filettature più grandi di tre volte il diametro nominale. Per filettature in fori ciechi realizzati con maschio (cioè tutte le filettature inferiori a M6), aggiungere al fondo del foro una lunghezza non filettata pari a 1,5 volte il diametro nominale.

Quando è possibile utilizzare utensili di filettatura CNC (cioè filettature più grandi di M6), il foro può essere filettato per tutta la sua lunghezza.

6. Piccole funzionalità
Il diametro minimo consigliato del foro è 2,5 mm (0,1 pollici); è accettabile anche un minimo di 0,05 mm (0,005 pollici). La maggior parte delle officine meccaniche è in grado di lavorare con precisione piccole cavità e fori.

Tutto ciò che è al di sotto di questo limite è considerato microlavorazione.Fresatura di precisione CNCtali caratteristiche (dove la variazione fisica del processo di taglio rientra in questo intervallo) richiedono strumenti specializzati (micro trapani) e conoscenze specialistiche, quindi si consiglia di evitarli a meno che non siano assolutamente necessari.

7. Tolleranze
Standard: ±0,125 mm (0,005 pollici)
Tipico: ±0,025 mm (0,001 pollici)
Prestazioni: ±0,0125 mm (0,0005 pollici)

Le tolleranze stabiliscono i limiti accettabili per le dimensioni. Le tolleranze ottenibili dipendono dalle dimensioni e dalla geometria di base del pezzo. I valori forniti sono linee guida pratiche. In assenza di tolleranze specificate, la maggior parte delle officine meccaniche utilizzerà una tolleranza standard di ±0,125 mm (0,005 pollici).

8. Testo e caratteri
La dimensione del carattere consigliata è 20 (o superiore) e caratteri di 5 mm

Il testo inciso è preferibile al testo in rilievo perché rimuove meno materiale. Si consiglia di utilizzare un carattere sans-serif, come Microsoft YaHei o Verdana, con una dimensione del carattere di almeno 20 punti. Molte macchine CNC dispongono di routine preprogrammate per questi font.

Configurazione della macchina e orientamento delle parti
Di seguito è mostrato un diagramma schematico di una parte che richiede più configurazioni:

L'accesso agli utensili rappresenta una limitazione significativa nella progettazione della lavorazione CNC. Per raggiungere tutte le superfici di un modello, il pezzo deve essere ruotato più volte. Ad esempio, la parte mostrata nell'immagine sopra deve essere ruotata tre volte: due volte per realizzare i fori nelle due direzioni principali e una terza volta per accedere alla parte posteriore della parte. Ogni volta che il pezzo viene ruotato, la macchina deve essere ricalibrata e deve essere definito un nuovo sistema di coordinate.

Considerare le configurazioni della macchina durante la progettazione per due motivi principali:
1. Il numero totale di configurazioni della macchina incide sui costi. La rotazione e il riallineamento della parte richiedono uno sforzo manuale e aumentano il tempo di lavorazione totale. Se una parte deve essere ruotata 3-4 volte, di solito è accettabile, ma qualsiasi cosa oltre questo limite è eccessiva.
2. Per ottenere la massima precisione della posizione relativa, entrambe le caratteristiche devono essere lavorate nella stessa configurazione. Questo perché il nuovo passaggio di chiamata introduce un errore piccolo (ma non trascurabile).

Lavorazione CNC a cinque assi

Quando si utilizza la lavorazione CNC a 5 assi, è possibile eliminare la necessità di più configurazioni della macchina. La lavorazione CNC multiasse può produrre pezzi con geometrie complesse perché offre due assi di rotazione aggiuntivi.

La lavorazione CNC a cinque assi consente all'utensile di essere sempre tangente alla superficie di taglio. Ciò consente di seguire percorsi utensile più complessi ed efficienti, ottenendo parti con finiture superficiali migliori e tempi di lavorazione più brevi.

Tuttavia,Lavorazione CNC a 5 assiha anche i suoi limiti. Si applicano ancora la geometria di base dell'utensile e le limitazioni di accesso all'utensile, ad esempio le parti con geometria interna non possono essere lavorate. Inoltre, il costo dell’utilizzo di tali sistemi è più elevato.

Progettare i sottosquadri

I sottosquadri sono elementi che non possono essere lavorati con utensili da taglio standard poiché alcune delle loro superfici non sono direttamente accessibili dall'alto. Esistono due tipi principali di sottosquadri: scanalature a T e code di rondine. I sottosquadri possono essere unilaterali o bilaterali e vengono lavorati con utensili specializzati.

Gli utensili da taglio con scanalatura a T sono fondamentalmente realizzati con un inserto da taglio orizzontale fissato ad un albero verticale. La larghezza di un sottosquadro può variare tra 3 mm e 40 mm. Si consiglia di utilizzare dimensioni standard (ovvero, incrementi di millimetri interi o frazioni standard di pollici) per la larghezza poiché è più probabile che l'attrezzatura sia già disponibile.

Per gli strumenti a coda di rondine, l'angolo è la dimensione della lavorazione che definisce. Gli utensili a coda di rondine da 45° e 60° sono considerati standard.

Quando si progetta una parte con sottosquadri sulle pareti interne, ricordarsi di aggiungere spazio sufficiente per l'utensile. Una buona regola pratica è quella di aggiungere uno spazio tra la parete lavorata e qualsiasi altra parete interna pari ad almeno quattro volte la profondità del sottosquadro.

Per gli utensili standard, il rapporto tipico tra il diametro di taglio e il diametro dell'albero è 2:1, limitando la profondità di taglio. Quando è richiesto un sottosquadro non standard, le officine meccaniche spesso realizzano i propri utensili per sottosquadro personalizzati. Ciò aumenta i tempi e i costi e dovrebbe essere evitato quando possibile.

Scanalatura a T sulla parete interna (a sinistra), sottosquadro a coda di rondine (al centro) e sottosquadro su un lato (a destra)
Redazione Disegni Tecnici

Tieni presente che alcune specifiche di progettazione non possono essere incluse nei file STEP o IGES. I disegni tecnici 2D sono necessari se il modello include uno o più dei seguenti elementi:

Fori o alberi filettati

Dimensioni tollerate

Requisiti specifici di finitura superficiale
Note per gli operatori di macchine CNC
Regole pratiche

1. Progettare la parte da lavorare con l'utensile dal diametro maggiore.

2. Aggiungere raccordi grandi (almeno ⅓ x profondità della cavità) a tutti gli angoli verticali interni.

3. Limitare la profondità di una cavità a 4 volte la sua larghezza.

4. Allinea le caratteristiche principali del tuo disegno lungo una delle sei direzioni cardinali. Se questo non è possibile, optare perServizi di lavorazione CNC a 5 assi.

5. Inviare disegni tecnici insieme al progetto quando il progetto include filettature, tolleranze, specifiche di finitura superficiale o altri commenti per gli operatori della macchina.

Se vuoi saperne di più o richiedere informazioni, non esitare a contattarci info@anebon.com.