Om de mogelijkheden van CNC-bewerking volledig te benutten, moeten ontwerpers ontwerpen volgens specifieke productieregels. Dit kan echter een uitdaging zijn omdat er geen specifieke industriestandaarden bestaan. In dit artikel hebben we een uitgebreide gids samengesteld met de beste ontwerppraktijken voor CNC-bewerkingen. We hebben ons geconcentreerd op het beschrijven van de haalbaarheid van moderne CNC-systemen en hebben de bijbehorende kosten buiten beschouwing gelaten. Raadpleeg dit artikel voor een handleiding voor het kosteneffectief ontwerpen van onderdelen voor CNC.
CNC-bewerking
CNC-bewerking is een subtractieve productietechniek. Bij CNC worden verschillende snijgereedschappen gebruikt die met hoge snelheden (duizenden RPM) roteren om materiaal uit een massief blok te verwijderen om zo een onderdeel te creëren op basis van een CAD-model. Zowel metalen als kunststoffen kunnen met CNC worden bewerkt.
CNC-bewerking biedt een hoge maatnauwkeurigheid en nauwe toleranties, geschikt voor zowel productie van grote volumes als eenmalige opdrachten. In feite is het momenteel de meest kosteneffectieve methode voor het produceren van metalen prototypes, zelfs in vergelijking met 3D-printen.
Beperkingen van het CNC-hoofdontwerp
CNC biedt grote ontwerpflexibiliteit, maar er zijn bepaalde ontwerpbeperkingen. Deze beperkingen houden verband met de basismechanica van het snijproces, voornamelijk met de gereedschapsgeometrie en de toegang tot het gereedschap.
1. Gereedschapsvorm
De meest voorkomende CNC-gereedschappen, zoals vingerfrezen en boren, zijn cilindrisch en hebben een beperkte snijlengte. Terwijl materiaal van het werkstuk wordt verwijderd, wordt de vorm van het gereedschap op het bewerkte onderdeel gerepliceerd.
Dit betekent bijvoorbeeld dat interne hoeken van een CNC-onderdeel altijd een radius zullen hebben, ongeacht de grootte van het gebruikte gereedschap.
2. Gereedschapsoproep
Bij het verwijderen van materiaal nadert het gereedschap het werkstuk direct van bovenaf. Dit kan niet worden gedaan met CNC-bewerking, behalve voor ondersnijdingen, die we later zullen bespreken.
Het is een goede ontwerppraktijk om alle kenmerken van een model, zoals gaten, holtes en verticale wanden, uit te lijnen met een van de zes hoofdrichtingen. Dit is meer een suggestie dan een beperking, vooral omdat 5-assige CNC-systemen geavanceerde mogelijkheden voor het vasthouden van werk bieden.
Gereedschappen zijn een punt van zorg bij het bewerken van onderdelen met kenmerken met een grote aspectverhouding. Voor het bereiken van de bodem van een diepe holte is bijvoorbeeld een gespecialiseerd gereedschap met een lange schacht nodig, wat de stijfheid van de eindeffector kan verminderen, de trillingen kan verhogen en de haalbare nauwkeurigheid kan verminderen.
Regels voor CNC-procesontwerp
Bij het ontwerpen van onderdelen voor CNC-bewerking is een van de uitdagingen het ontbreken van specifieke industriestandaarden. Dit komt doordat fabrikanten van CNC-machines en -gereedschappen voortdurend hun technische mogelijkheden verbeteren, waardoor het bereik van wat kan worden bereikt, wordt vergroot. Hieronder hebben we een tabel gegeven met een samenvatting van de aanbevolen en haalbare waarden voor de meest voorkomende kenmerken van CNC-gefreesde onderdelen.
1. Zakken en uitsparingen
Onthoud de volgende tekst: “Aanbevolen zakdiepte: 4 maal zakbreedte. Vingerfrezen hebben een beperkte snijlengte, meestal 3-4 keer hun diameter. Wanneer de diepte-breedteverhouding klein is, worden zaken als gereedschapsdoorbuiging, spaanafvoer en trillingen prominenter. Om goede resultaten te garanderen, moet u de diepte van een caviteit beperken tot vier keer de breedte.”
Als u meer diepte nodig heeft, kunt u overwegen een onderdeel met variabele spouwdiepte te ontwerpen (zie de afbeelding hierboven voor een voorbeeld). Als het gaat om het frezen van diepe holtes, wordt een holte als diep geclassificeerd als de diepte meer dan zes keer de diameter van het gebruikte gereedschap bedraagt. Speciaal gereedschap maakt een maximale diepte van 30 cm mogelijk met een vingerfrees met een diameter van 1 inch, wat overeenkomt met een verhouding tussen gereedschapsdiameter en holtediepte van 30:1.
2. Binnenrand
Verticale hoekradius: ⅓ x spouwdiepte (of groter) aanbevolen
Het is belangrijk om de voorgestelde waarden voor de binnenhoekradius te gebruiken bij het selecteren van het juiste formaat gereedschap en om u te houden aan de aanbevolen richtlijnen voor de caviteitsdiepte. Door de hoekradius iets te vergroten boven de aanbevolen waarde (bijvoorbeeld met 1 mm) kan het gereedschap langs een cirkelvormig pad snijden in plaats van onder een hoek van 90°, wat resulteert in een betere oppervlakteafwerking. Als een scherpe binnenhoek van 90° nodig is, overweeg dan om een T-vormige ondersnijding toe te voegen in plaats van de hoekradius te verkleinen. Voor de vloerradius zijn de aanbevolen waarden 0,5 mm, 1 mm of geen radius; elke straal is echter acceptabel. De onderrand van de vingerfrees is vlak of licht afgerond. Andere vloerradii kunnen met kogelgereedschappen worden bewerkt. Het naleven van de aanbevolen waarden is een goede praktijk, omdat machinisten hier de voorkeur aan geven.
3. Dunne muur
Aanbevelingen voor minimale wanddikte: 0,8 mm (metaal), 1,5 mm (kunststof); 0,5 mm (metaal), 1,0 mm (kunststof) zijn acceptabel
Het verminderen van de wanddikte vermindert de stijfheid van het materiaal, wat leidt tot verhoogde trillingen tijdens de bewerking en een verminderde haalbare nauwkeurigheid. Kunststoffen hebben de neiging te kromtrekken als gevolg van restspanningen en zacht te worden als gevolg van hogere temperaturen. Daarom wordt aanbevolen een grotere minimale wanddikte te gebruiken.
4. Gat
Diameter Standaard boormaten worden aanbevolen. Elke diameter groter dan 1 mm is mogelijk. Het maken van gaten gebeurt met een boor of een uiteindecnc-gefreesd. Boormaten zijn gestandaardiseerd in metrische en imperiale eenheden. Ruimers en kottergereedschappen worden gebruikt om gaten af te werken die nauwe toleranties vereisen. Voor diameters kleiner dan ⌀20 mm is het raadzaam standaard diameters te gebruiken.
Aanbevolen maximale diepte 4 x nominale diameter; typisch 10 x nominale diameter; haalbaar 40 x nominale diameter
Gaten met een niet-standaard diameter moeten worden bewerkt met een vingerfrees. In dit scenario is de maximale holtedieptelimiet van toepassing en wordt aanbevolen om de maximale dieptewaarde te gebruiken. Als u gaten dieper moet bewerken dan de gebruikelijke waarde, gebruik dan een speciale boor met een minimale diameter van 3 mm. Blinde gaten die met een boor zijn bewerkt, hebben een taps toelopende basis met een hoek van 135°, terwijl gaten die met een vingerfrees zijn bewerkt vlak zijn. Bij CNC-bewerkingen bestaat er geen specifieke voorkeur tussen doorlopende gaten en blinde gaten.
5. Draden
De minimale schroefdraadmaat is M2. Het wordt aanbevolen om M6 of grotere schroefdraad te gebruiken. Interne schroefdraad wordt gemaakt met behulp van tappen, terwijl externe schroefdraad wordt gemaakt met behulp van matrijzen. Tappen en matrijzen kunnen beide worden gebruikt om M2-schroefdraad te maken. CNC-draadsnijgereedschappen worden veel gebruikt en hebben de voorkeur van machinisten, omdat ze het risico op tapbreuk verminderen. Voor het maken van M6-schroefdraad kunnen CNC-draadsnijgereedschappen worden gebruikt.
Draadlengte minimaal 1,5 x nominale diameter; 3 x nominale diameter aanbevolen
De eerste paar tanden dragen het grootste deel van de belasting op de schroefdraad (tot 1,5 maal de nominale diameter). Schroefdraden groter dan driemaal de nominale diameter zijn dus niet nodig. Voor schroefdraad in blinde gaten gemaakt met een tap (dwz alle schroefdraad kleiner dan M6), voeg een lengte zonder schroefdraad gelijk aan 1,5 maal de nominale diameter toe aan de onderkant van het gat.
Wanneer CNC-draadsnijgereedschappen kunnen worden gebruikt (dat wil zeggen schroefdraad groter dan M6), kan het gat over de gehele lengte worden ingeregen.
6. Kleine functies
De minimaal aanbevolen gatdiameter is 2,5 mm (0,1 inch); een minimum van 0,05 mm (0,005 inch) is ook acceptabel. De meeste machinewerkplaatsen kunnen kleine holtes en gaten nauwkeurig bewerken.
Alles onder deze limiet wordt beschouwd als microbewerking.CNC-precisiefrezenDergelijke kenmerken (waarbij de fysieke variatie van het snijproces binnen dit bereik ligt) vereisen gespecialiseerd gereedschap (microboren) en deskundige kennis, dus het wordt aanbevolen deze te vermijden, tenzij absoluut noodzakelijk.
7. Toleranties
Standaard: ±0,125 mm (0,005 inch)
Typisch: ±0,025 mm (0,001 inch)
Prestaties: ±0,0125 mm (0,0005 inch)
Toleranties bepalen de aanvaardbare grenzen voor afmetingen. De haalbare toleranties zijn afhankelijk van de basisafmetingen en geometrie van het onderdeel. De opgegeven waarden zijn praktische richtlijnen. Bij afwezigheid van gespecificeerde toleranties zullen de meeste machinewerkplaatsen een standaardtolerantie van ±0,125 mm (0,005 inch) gebruiken.
8. Tekst en letters
De aanbevolen lettergrootte is 20 (of groter) en letters van 5 mm
Gegraveerde tekst verdient de voorkeur boven tekst in reliëf, omdat hierdoor minder materiaal wordt verwijderd. Het wordt aanbevolen om een schreefloos lettertype te gebruiken, zoals Microsoft YaHei of Verdana, met een lettergrootte van minimaal 20 punten. Veel CNC-machines hebben voorgeprogrammeerde routines voor deze lettertypen.
Machine-instellingen en onderdeeloriëntatie
Hieronder ziet u een schematisch diagram van een onderdeel dat meerdere instellingen vereist:
Toegang tot gereedschap is een belangrijke beperking bij het ontwerp van CNC-bewerkingen. Om alle oppervlakken van een model te bereiken, moet het werkstuk meerdere keren worden gedraaid. Het onderdeel in de afbeelding hierboven moet bijvoorbeeld drie keer worden gedraaid: twee keer om de gaten in de twee primaire richtingen te bewerken en een derde keer om toegang te krijgen tot de achterkant van het onderdeel. Elke keer dat het werkstuk wordt geroteerd, moet de machine opnieuw worden gekalibreerd en moet een nieuw coördinatensysteem worden gedefinieerd.
Houd bij het ontwerpen rekening met machine-instellingen om twee belangrijke redenen:
1. Het totale aantal machine-opstellingen heeft invloed op de kosten. Het roteren en opnieuw uitlijnen van het onderdeel vereist handmatige inspanning en verhoogt de totale bewerkingstijd. Als een onderdeel 3-4 keer moet worden geroteerd, is dit meestal acceptabel, maar alles boven deze limiet is buitensporig.
2. Om maximale relatieve positienauwkeurigheid te bereiken, moeten beide onderdelen in dezelfde opstelling worden bewerkt. Dit komt doordat de nieuwe aanroepstap een kleine (maar niet te verwaarlozen) fout introduceert.
Vijfassige CNC-bewerking
Bij het gebruik van 5-assige CNC-bewerkingen kan de noodzaak voor meerdere machine-opstellingen worden geëlimineerd. Met meerassige CNC-bewerking kunnen onderdelen met complexe geometrieën worden vervaardigd, omdat het twee extra rotatie-assen biedt.
Dankzij de vijfassige CNC-bewerking kan het gereedschap altijd tangentieel ten opzichte van het snijoppervlak zijn. Hierdoor kunnen complexere en efficiëntere gereedschapspaden worden gevolgd, wat resulteert in onderdelen met een betere oppervlakteafwerking en kortere bewerkingstijden.
Echter,5-assige CNC-bewerkingheeft ook zijn beperkingen. De basisgeometrie van het gereedschap en de beperkingen voor de toegang tot het gereedschap zijn nog steeds van toepassing. Onderdelen met een interne geometrie kunnen bijvoorbeeld niet worden bewerkt. Bovendien zijn de kosten voor het gebruik van dergelijke systemen hoger.
Ondersnijdingen ontwerpen
Ondersnijdingen zijn onderdelen die niet met standaard snijgereedschappen kunnen worden bewerkt, omdat sommige oppervlakken niet direct van bovenaf toegankelijk zijn. Er zijn twee hoofdtypen ondersnijdingen: T-gleuven en zwaluwstaartverbindingen. Ondersnijdingen kunnen enkelzijdig of dubbelzijdig zijn en worden bewerkt met gespecialiseerd gereedschap.
T-gleuf-snijgereedschappen worden in principe gemaakt met een horizontaal snij-inzetstuk bevestigd aan een verticale as. De breedte van een ondersnijding kan variëren tussen 3 mm en 40 mm. Het wordt aanbevolen om standaardafmetingen te gebruiken (dwz stappen van hele millimeters of standaardfracties van inches) voor de breedte, omdat de kans groter is dat het gereedschap al beschikbaar is.
Voor zwaluwstaartgereedschappen is de hoek de bepalende afmeting van het kenmerk. 45° en 60° zwaluwstaartgereedschappen worden als standaard beschouwd.
Wanneer u een onderdeel ontwerpt met ondersnijdingen aan de binnenwanden, vergeet dan niet voldoende ruimte voor het gereedschap te creëren. Een goede vuistregel is om een ruimte tussen de machinaal bewerkte muur en andere binnenmuren toe te voegen die gelijk is aan minimaal vier keer de diepte van de ondersnijding.
Voor standaardgereedschappen is de typische verhouding tussen de snijdiameter en de asdiameter 2:1, wat de snedediepte beperkt. Wanneer een niet-standaard ondersnijding vereist is, maken machinewerkplaatsen vaak hun eigen op maat gemaakte ondersnijdingsgereedschappen. Dit verhoogt de doorlooptijd en kosten en moet waar mogelijk worden vermeden.
T-gleuf op binnenwand (links), zwaluwstaartondersnijding (midden) en eenzijdige ondersnijding (rechts)
Opstellen van technische tekeningen
Houd er rekening mee dat sommige ontwerpspecificaties niet kunnen worden opgenomen in STEP- of IGES-bestanden. Technische 2D-tekeningen zijn vereist als uw model een of meer van de volgende onderdelen bevat:
Schroefdraadgaten of assen
Getolereerde afmetingen
Specifieke vereisten voor oppervlakteafwerking
Opmerkingen voor CNC-machinebedieners
Vuistregels
1. Ontwerp het te bewerken onderdeel met gereedschap met de grootste diameter.
2. Voeg grote afrondingen (minimaal ⅓ x spouwdiepte) toe aan alle interne verticale hoeken.
3. Beperk de diepte van een spouw tot vier keer de breedte.
4. Lijn de belangrijkste kenmerken van uw ontwerp uit langs een van de zes hoofdrichtingen. Als dit niet mogelijk is, kies dan voor5-assige CNC-bewerkingsdiensten.
5. Dien technische tekeningen in samen met uw ontwerp als uw ontwerp schroefdraad, toleranties, specificaties voor de oppervlakteafwerking of andere opmerkingen voor machinebedieners bevat.
Als u meer wilt weten of vragen heeft, neem dan gerust contact op info@anebon.com.
Posttijd: 13 juni 2024