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Design für CNC-Bearbeitung
In diesem Artikel lernen Sie das gesamte Wissen kennen, das zur Optimierung des Designs für CNC-Bearbeitungsteile erforderlich ist: von den Konstruktionsregeln für die Zerspanbarkeit bis hin zu Techniken zur Kostenreduzierung, von Richtlinien zur Materialauswahl bis hin zu Vorschlägen zur Oberflächenbehandlung. Zunächst einmal gibt es einige Einschränkungen bei der CNC-Bearbeitung. Lassen Sie uns zunächst die Faktoren verstehen, die die CNC-Bearbeitung einschränken. Die Begrenzung der CNC-Bearbeitung ist das natürliche Ergebnis des Schneidprozesses, der sich hauptsächlich in folgenden Aspekten manifestiert:
1. Werkzeuggeometrie
Die meisten CNC-Bearbeitungswerkzeuge haben die Eigenschaften einer zylindrischen Form mit flachen oder kugelförmigen Enden, was die Geometrie der herstellbaren Teile einschränkt. Unabhängig davon, wie klein ein Schneidwerkzeug verwendet wird, hat der innere vertikale Winkel eines CNC-Teils beispielsweise immer einen Radius, der nicht geändert werden kann, da die Merkmale des Werkzeugs begrenzt sind und die Toleranz nur so gering wie möglich reduziert werden kann möglich.
2. Versteckte Geometrie
Beim CNC-Fräsen, wo die Schneidwerkzeuge nicht hinkommen, führt kein Weg zur CNC-Bearbeitung. Beispielsweise ist bei einigen sehr komplexen Prototypteilen eine gewisse Geometrie im inneren Hohlraum verborgen. Es gibt keine Möglichkeit für das Schneidwerkzeug, die Position zu erreichen, und es gibt keine Möglichkeit zur Bearbeitung, die die Hilfe anderer Hilfswerkzeuge erfordert. Dies kann nicht nur durch CNC-Schneiden erreicht werden, sondern kann einige Kosten erhöhen.
3 Werkstücksteifigkeit
Aufgrund der Schnittkraft und der bei der Bearbeitung entstehenden hohen Temperatur kann sich das Werkstück verformen oder vibrieren. Dies begrenzt beispielsweise die minimale Wandstärke, die ein CNC-Teil haben kann, und das maximale Seitenverhältnis eines High-Features.
Im Allgemeinen maximale Teilegröße beim CNC-Fräsen: 400 x 250 x 150 mm
CNC-Drehen: Φ 500 mm x 1000 mm
Die supergroße CNC-Werkzeugmaschine kann Teile mit einer maximalen Größe von 2000 x 800 x 1000 mm (78 “x 32” x 40 “) produzieren.
Das 5-Achsen-CNC-Bearbeitungssystem hat normalerweise ein kleines Volumen.
4 Steifigkeit des Schneidwerkzeugs
In ähnlicher Weise wird das Schneidwerkzeug während des Bearbeitungsprozesses abgelenkt oder vibriert, und die Temperatur ist ebenfalls sehr hoch. Dies führt zu Toleranzen und sogar zu Werkzeugschäden. Wenn das Längen-Durchmesser-Verhältnis des Schneidwerkzeugs zunimmt, wird der Effekt signifikanter, weshalb tiefe Kavitäten nicht einfach CNC-bearbeitet werden können.
5 Arbeitsbereich
Die Geometrie des Teils bestimmt, wie es auf der CNC-Werkzeugmaschine befestigt wird und wie viele Einstellungen erforderlich sind. Dies wirkt sich auf die Kosten, aber auch auf die Genauigkeit des Teils aus. Beispielsweise führt eine manuelle Neupositionierung zu einem kleinen, aber nicht vernachlässigbaren Positionsfehler. Im Allgemeinen muss das Werkstück nach einmaliger Einstellung der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung nicht manuell neu positioniert werden. Dies ist der Hauptvorteil der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung gegenüber der 3-Achsen-CNC-Bearbeitung.
Konstruktionsregeln der CNC-Bearbeitung
Um die CNC-Bearbeitungsfunktion voll nutzen zu können, müssen Konstrukteure einige „Fertigungsdesign“-Regeln befolgen. Dies kann jedoch eine Herausforderung darstellen, da es keine spezifischen Industriestandards gibt. In diesem Dokument übernehmen wir die beste Konstruktionspraxis der CNC-Bearbeitung und stellen den umfassenden Leitfaden zusammen. Wir bitten Branchenexperten und CNC-Bearbeitungsdienstleister um Feedback, um eine Vielzahl aktueller Informationen zusammenzustellen.
1 Kavitätentiefe: empfohlen 4 * Fräserdurchmesser
Die Schnitttiefe eines Fräsers ist begrenzt (normalerweise das 3-4-fache seines Durchmessers). Wenn das Verhältnis zwischen Frästiefe und -breite groß ist, wird das Werkzeug verformt, die Spanabfuhr ist schwierig und Vibrationen treten auf. Wenn die Tiefe des Hohlraums auf das Vierfache seiner Breite begrenzt ist, werden gute Ergebnisse erzielt. Wenn eine größere Tiefe erforderlich ist, müssen Spezialwerkzeuge in Betracht gezogen werden. Im Allgemeinen gilt eine Kavität mit einer Tiefe von mehr als dem 4-fachen des Durchmessers des Fräsers als Tieffräsen. Das Fräsen tiefer Kavitäten erfordert den Einsatz spezieller Fräser, mit denen Kavitäten mit einem Verhältnis von Tiefe zu Fräsdurchmesser von 6:30 bearbeitet werden können.
2. Vertikaler Eckenradius der Innenkante: empfohlene Hohlraumtiefe x (oder größer)
Der vertikale Eckenradius der Innenkante beträgt ⅓ x Kavitätstiefe (oder größer), wodurch sichergestellt wird, dass ein Werkzeug mit geeignetem Durchmesser verwendet wird und den empfohlenen Richtlinien für die Kavitätstiefe entspricht. Wenn Sie den Eckenradius leicht über den empfohlenen Wert erhöhen (z. B. um 1 mm), kann das Werkzeug entlang einer kreisförmigen Bahn statt einer 90-Grad-Ecke schneiden. Dies ist eine Priorität, da dies zu einer hochwertigeren Oberflächenbeschaffenheit führt. Wenn Sie einen scharfen 90-Grad-Innenwinkel benötigen, sollten Sie einen T-Schnitt hinzufügen, anstatt den Eckenradius zu verringern.
Bodenradius:
Empfohlen: 0.5 mm, 1 mm oder kein Radius
Die untere Schneide des Fräsers ist eben oder leicht rund. Jeder andere Bodenradius kann mit dem Kugelkopfwerkzeug bearbeitet werden. Es ist eine gute Konstruktionspraxis, den empfohlenen Wert zu verwenden, der die erste Wahl von Maschinisten ist.
3 Mindestwandstärke:
Empfehlung: 0.8 mm (Metall), 1.5 mm (Kunststoff)
Machbar: 0.5 mm (Metall), 1.0 mm (Kunststoff)
Durch die Reduzierung der Wandstärke wird die Steifigkeit des Materials verringert, wodurch die Vibration im Bearbeitungsprozess erhöht und die erreichbare Genauigkeit verringert wird.
Kunststoff neigt zum Verziehen (durch Eigenspannung) und Erweichen (durch Temperaturanstieg), daher wird eine größere Mindestwandstärke empfohlen.
4 Loch Durchmesser:
Empfohlen: Standard-Bitgröße
Machbar: Jeder Durchmesser größer 1 mm Der Bohrer oder Fräser kann Löcher bearbeiten. Die Größe des Bits ist standardisiert (metrisch und imperial). Reibahlen und Bohrwerkzeuge werden verwendet, um Löcher mit engen Toleranzen fertigzustellen. Der Standarddurchmesser wird für hochpräzise Bohrungen unter 20 mm empfohlen.
Maximale Tiefe:
Empfohlen: 4 x Nenndurchmesser
Typisch: 10 x Nenndurchmesser
Machbar: 40 x Nennweite
Löcher mit nicht standardmäßigem Durchmesser müssen mit Schaftfräsern bearbeitet werden. In diesem Fall wird die maximale Kavitätstiefengrenze angewendet und der empfohlene maximale Tiefenwert sollte verwendet werden. Verwenden Sie einen Spezialbohrer (Mindestdurchmesser 3 mm), um Löcher tiefer als üblich zu bearbeiten. Das Sackloch wird mit einem Bit mit konischem Boden (135-Winkel) bearbeitet, und das Werkzeug zum Bearbeiten des Loch- und Schaftfräsers ist flach. Bei der CNC-Bearbeitung gibt es keine besondere Präferenz zwischen Durchgangslöchern oder Sacklöchern.
5 Gewindegröße:
Mindestens: M2
Empfohlen: M6 oder größer
Das Innengewinde wird mit einem Gewindebohrer und das Außengewinde mit einer Matrize geschnitten. Gewindebohrer und Schneideisen können zum Schneiden von Gewinden auf m2 verwendet werden.
CNC-Gewindewerkzeuge sind bei Maschinisten weit verbreitet und beliebt, da sie das Risiko eines Gewindebohrerbruchs begrenzen. Mit dem CNC-Gewindewerkzeug können Gewinde auf M6 geschnitten werden.
Gewindelänge:
Minimum: 1.5 x Nenndurchmesser
Empfohlen: 3 x Nenndurchmesser
Die Hauptlast des Gewindes wird von wenigen ersten Zähnen getragen (max. 1.5 x Nenndurchmesser). Daher sind Gewinde größer als 3 x Nenndurchmesser nicht erforderlich.
Fügen Sie für Gewinde in Sacklöchern, die mit einem Gewindebohrer geschnitten wurden (dh alle Gewinde kleiner als M6), eine Länge ohne Gewinde hinzu, die dem 1.5-fachen des Nenndurchmessers zum Boden des Lochs entspricht.
Wenn ein CNC-Gewindewerkzeug (dh Gewinde größer als M6) verwendet werden kann, kann die Gewindebearbeitung auf der gesamten Länge des Lochs durchgeführt werden.
6 Mindestblende:
Empfehlung: 2.5 mm (0.1 Zoll)
Machbar: 0.05 mm (0.005 Zoll)
Die meisten Bearbeitungswerkstätten sind in der Lage, Hohlräume und Löcher mit Werkzeugen mit einem Durchmesser von weniger als 2.5 mm (0.1 Zoll) genau zu bearbeiten. Jeder Wert unterhalb dieser Grenze wird als Mikrobearbeitung betrachtet. Die Bearbeitung solcher Merkmale erfordert Spezialwerkzeuge (Mikrobohrer) und Fachwissen (die physikalische Natur des Schneidvorgangs variiert innerhalb dieses Bereichs), daher wird empfohlen, sie nicht zu verwenden, es sei denn, dies ist absolut notwendig.
7 Toleranz
Standard: ± 0.125 mm (0.005 Zoll)
Typischer Wert: ± 0.025 mm (0.001 Zoll)
Machbar: ± 0.0125 mm (0.0005 Zoll)
Toleranzen definieren die Grenzen akzeptabler Abmessungen. Die erreichbaren Toleranzen hängen von den Grundabmessungen und der Geometrie des Teils ab. Die oben genannten Werte sind vernünftige Kriterien.
Wenn keine Toleranz angegeben ist, wird in den meisten Bearbeitungswerkstätten die Standardtoleranz von ± 0.125 mm (0.005 Zoll) verwendet.
Maschineneinrichtung und Teileorientierung
Wie bereits erwähnt, ist das Schneidwerkzeug eine der wichtigsten Konstruktionseinschränkungen der CNC-Bearbeitung. Um alle Oberflächen des Prototyps zu erreichen, muss das Werkstück mehrfach gedreht werden.
Beispielsweise muss das Teil in der obigen Abbildung insgesamt dreimal gedreht werden: zweimal, um Löcher in zwei Hauptrichtungen zu bearbeiten, und ein drittes Mal, um in die Rückseite des Teils einzutreten.
Bei jeder Drehung des Werkstücks muss die Maschine neu kalibriert und ein neues Koordinatensystem definiert werden.
Es ist aus zwei Gründen wichtig, die Maschineneinstellungen bei der Konstruktion zu berücksichtigen:
Die Gesamtzahl der Maschineneinstellungen wirkt sich auf die Kosten aus. Das Drehen und Neuausrichten von Teilen erfordert einen manuellen Vorgang und erhöht die Gesamtverarbeitungszeit. Dies ist im Allgemeinen akzeptabel, wenn das Teil bis zu 3-4 Mal gedreht werden muss, aber alles darüber hinaus ist überflüssig. Um die maximale relative Positionsgenauigkeit zu erhalten, müssen zwei Merkmale in der gleichen Einstellung bearbeitet werden. Dies liegt daran, dass der neue Dimensionierungsschritt einen kleinen Fehler einführt (der nicht ignoriert werden kann).
5-Achsen-CNC-Bearbeitung
Bei Verwendung der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung können verschiedene Maschineneinstellungen entfallen. Die mehrachsige CNC-Bearbeitung kann Teile mit komplexer Geometrie herstellen, da sie zwei zusätzliche rotierende Wellen bietet.
Die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung hält den Fräser die ganze Zeit tangential zur Schnittfläche. Es können komplexere und effektivere Werkzeugwege befolgt werden, sodass die Teile eine bessere Oberflächengüte und weniger Bearbeitungszeit haben. Natürlich hat die XNUMX-Achsen-CNC ihre Grenzen. Grundlegende Werkzeuggeometrie- und Werkzeugzugriffsbeschränkungen gelten weiterhin (z. B. können Teile mit interner Geometrie nicht bearbeitet werden). Darüber hinaus sind die Kosten für die Verwendung eines solchen Systems hoch.
Hinterschnitt gestalten
Hinterschnitte sind Merkmale, die mit Standard-Schneidwerkzeugen nicht bearbeitet werden können, da einige Oberflächen nicht direkt von oben zugänglich sind. Es gibt zwei Haupttypen von Hinterschnitten: T-Nut und Schwalbenschwanznut. Der Hinterschnitt kann einseitig oder doppelseitig sein und mit Spezialwerkzeugen bearbeitet werden. Das T-Nuten-Schneidwerkzeug besteht hauptsächlich aus einer horizontalen Schneidklinge, die auf einer vertikalen Achse installiert ist. Die Breite des Hinterschnitts kann von 3 mm bis 40 mm variieren. Für die Breite werden Standardabmessungen empfohlen (dh in Millimeterschritten oder Zoll).
Bei Schwalbenschwanz-Schneidwerkzeugen ist der Winkel die Abmessung, die das Merkmal definiert. Die 45-Grad- und 60-Grad-Schwalbenschwanzwerkzeuge gelten als Standardwerkzeuge. Werkzeuge mit Winkeln von 5 o, 10 o und bis zu 120 o (in Schritten von 10 o) können ebenfalls verwendet werden, werden jedoch selten verwendet. Achten Sie bei der Konstruktion von Teilen mit Hinterschnitt an der Innenwand darauf, genügend Freiraum für hinzuzufügen das Werkzeug. Eine gute Faustregel ist, den Abstand zwischen der bearbeiteten Wand und jeder anderen Wand um mindestens das Vierfache der Hinterschnitttiefe zu vergrößern. Bei Standardwerkzeugen beträgt das typische Verhältnis zwischen dem Schneidendurchmesser und dem Schaftdurchmesser 2:1, was die Schnitttiefe. Wenn ein nicht standardmäßiger Hinterschnitt benötigt wird, stellt die Maschinenfabrik normalerweise ihre eigenen kundenspezifischen Hinterschnittwerkzeuge her. Dies kann Lieferzeiten und Kosten erhöhen und sollte so weit wie möglich vermieden werden.
Technische Zeichnungen erstellen
Auch wenn technische Zeichnungen (Stufen- bzw IGES Dokumente sind ausreichend) nicht immer erforderlich, um eine Bestellung aufzugeben, wird empfohlen, dass Sie auch Zeichnungen einreichen, da dies die Kommunikation zwischen dem Konstrukteur und dem CNC-Maschinenbediener verbessert. Beachten Sie, dass einige Konstruktionskriterien nicht in Schritt- oder IGES-Dateien aufgenommen werden können. Wenn Ihr Modell eines oder mehrere der folgenden Elemente enthält, müssen Sie technische 2D-Zeichnungen bereitstellen:
Schraubenloch oder Welle.
Maß mit Toleranz.
Spezifische Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit.
Vorsichtsmaßnahmen für Bediener von CNC-Werkzeugmaschinen.
Regel der Erfahrung
Entwerfen Sie Teile, die mit dem Werkzeug mit dem größten Durchmesser bearbeitet werden können.
Fügen Sie allen vertikalen Innenecken eine große Verrundung (mindestens 1x Hohlraumtiefe) hinzu.
Begrenzen Sie die Tiefe der Kavität auf das Vierfache der Breite.
Halten Sie die Hauptmerkmale des Designs in Übereinstimmung mit einer der sechs Hauptrichtungen. Ist dies nicht möglich, kann die 5-Achs-CNC-Bearbeitung gewählt werden.
Wenn Ihr Design Angaben zu Gewinde, Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheit oder andere Kommentare an den Maschinenbediener enthält, reichen Sie bitte die technische Zeichnung in der Zeichnung ein.