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Conception pour l'usinage CNC
Dans cet article, vous apprendrez toutes les connaissances nécessaires pour optimiser la conception des pièces d'usinage CNC : des règles de conception d'usinabilité aux techniques de réduction des coûts, des directives de sélection des matériaux aux suggestions de traitement de surface. Tout d'abord, il existe certaines limitations dans l'usinage CNC. Commençons par comprendre les facteurs qui limitent l'usinage CNC. La limitation de l'usinage CNC est le résultat naturel du processus de coupe, qui se manifeste principalement dans les aspects suivants :
1. Géométrie de l'outil
La plupart des outils d'usinage CNC ont les caractéristiques de forme cylindrique avec des extrémités plates ou sphériques, ce qui limite la géométrie des pièces pouvant être produites. Par exemple, quelle que soit la taille d'un outil de coupe utilisé, l'angle vertical interne d'une pièce CNC aura toujours un rayon, qui ne peut pas être modifié, car les caractéristiques de l'outil sont limitées et la tolérance ne peut être réduite qu'aussi petit que possible.
2. Géométrie cachée
Dans le processus de fraisage CNC, où les outils de coupe ne peuvent pas atteindre, il n'y a aucun moyen d'usinage CNC. Par exemple, dans certaines pièces prototypes très complexes, certaines géométries sont cachées dans la cavité interne. Il n'y a aucun moyen pour l'outil de coupe d'atteindre la position, et il n'y a aucun moyen de traiter, ce qui nécessite l'aide d'autres outils auxiliaires. Ce n'est pas seulement la découpe CNC qui peut être réalisée, cela peut augmenter certains coûts.
3 rigidité de la pièce
En raison de la force de coupe et de la température élevée produite pendant le traitement, la pièce peut se déformer ou vibrer. Par exemple, cela limite l'épaisseur de paroi minimale qu'une pièce CNC peut avoir et le rapport d'aspect maximal d'une fonctionnalité élevée.
En général, taille maximale de la pièce de fraisage CNC : 400 x 250 x 150 mm
Tournage CNC : Φ 500 mm x 1000 mm
La super grande machine-outil CNC peut produire des pièces d'une taille maximale de 2000 x 800 x 1000 mm (78″ x 32″ x 40″).
Le système d'usinage CNC à 5 axes est généralement de petit volume.
4 rigidité de l'outil de coupe
De même, l'outil de coupe fléchira ou vibrera pendant le processus d'usinage, et la température est également très élevée. Cela entraînera une tolérance et même des dommages à l'outil. Lorsque le rapport longueur-diamètre de l'outil de coupe augmente, l'effet sera plus important, raison pour laquelle la cavité profonde ne peut pas être facilement usinée par CNC.
5 espace de travail
La géométrie de la pièce détermine comment elle est fixée sur la machine-outil à commande numérique et le nombre de réglages nécessaires. Cela affecte le coût, mais cela affecte également la précision de la pièce. Par exemple, le repositionnement manuel introduit une erreur de position faible mais non négligeable. Généralement, une fois l'usinage CNC 5 axes réglé une fois, la pièce n'a pas besoin d'être repositionnée manuellement. C'est le principal avantage de l'usinage CNC 5 axes par rapport à l'usinage CNC 3 axes.
Règles de conception de l'usinage CNC
Afin de tirer pleinement parti de la fonction d'usinage CNC, les concepteurs doivent suivre certaines règles de "conception de fabrication". Cependant, cela peut être difficile car il n'existe pas de normes spécifiques à l'industrie. Dans cet article, nous adoptons les meilleures pratiques de conception de l'usinage CNC et compilons le guide complet. Nous demandons aux experts de l'industrie et aux fournisseurs de services de traitement CNC de fournir des commentaires pour compiler un grand nombre d'informations à jour.
1 profondeur de cavité: diamètre de fraise recommandé 4 *
La profondeur de coupe d'une fraise est limitée (généralement 3 à 4 fois son diamètre). Lorsque le rapport entre la profondeur et la largeur de fraisage est important, l'outil se déforme, l'élimination des copeaux est difficile et les vibrations deviennent évidentes. Lorsque la profondeur de la cavité est limitée à 4 fois sa largeur, de bons résultats seront obtenus. Lorsqu'une plus grande profondeur est nécessaire, des outils spéciaux doivent être envisagés. Généralement, une cavité dont la profondeur est supérieure à 6 fois le diamètre de la fraise est considérée comme un fraisage à cavité profonde. Le fraisage de cavités profondes nécessite l'utilisation de fraises spéciales, qui peuvent être utilisées pour traiter des cavités avec un rapport profondeur/diamètre de fraisage de 30:1.
2. Rayon d'angle vertical du bord interne : profondeur de cavité recommandée x (ou plus)
Le rayon d'angle vertical du bord intérieur est de ⅓ x la profondeur de la cavité (ou plus), ce qui garantit qu'un outil de diamètre approprié est utilisé et est conforme aux directives de profondeur de cavité recommandées. L'augmentation du rayon du coin légèrement au-dessus de la valeur recommandée (par exemple, de 1 mm) permet à l'outil de couper le long d'une trajectoire circulaire au lieu d'un coin à 90°. Il s'agit d'une priorité car cela se traduit par une finition de surface de meilleure qualité. Si vous avez besoin d'un angle intérieur net de 90 degrés, envisagez d'ajouter une coupe en T au lieu de réduire le rayon du coin.
Rayon du sol :
Recommandé : 0.5 mm, 1 mm ou aucun rayon
Le tranchant inférieur de la fraise est régulier ou légèrement rond. Tout autre rayon de plancher peut être usiné à l'aide de l'outil à bout sphérique. C'est une bonne pratique de conception d'utiliser la valeur recommandée, qui est le premier choix des machinistes.
3 épaisseur de paroi minimale :
Recommandation : 0.8 mm (métal), 1.5 mm (plastique)
Réalisable : 0.5 mm (métal), 1.0 mm (plastique)
La réduction de l'épaisseur de paroi réduira la rigidité du matériau, augmentant ainsi la vibration dans le processus d'usinage et réduisant la précision atteignable.
Le plastique est sujet au gauchissement (en raison des contraintes résiduelles) et au ramollissement (en raison de l'augmentation de la température), une épaisseur de paroi minimale plus importante est donc recommandée.
Diamètre 4 trous :
Recommandé : taille de bit standard
Réalisable : tout diamètre supérieur à 1 mmLa perceuse ou la fraise peut usiner des trous. La taille du foret est normalisée (métrique et impériale). Les alésoirs et les outils d'alésage sont utilisés pour finir les trous avec des tolérances strictes. Le diamètre standard est recommandé pour les trous de haute précision inférieurs à 20 mm.
Profondeur maximale :
Recommandé : 4 x diamètre nominal
Typique : 10 x diamètre nominal
Réalisable : 40 x diamètre nominal
Les trous de diamètre non standard doivent être usinés avec des fraises en bout. Dans ce cas, la limite maximale de profondeur de cavité sera appliquée et la valeur de profondeur maximale recommandée doit être utilisée. Utilisez un foret spécial (diamètre minimum 3 mm) pour usiner des trous plus profonds que d'habitude. Le trou borgne est traité avec un foret à fond conique (angle de 135), et l'outil de traitement du trou et de la fraise en bout sera plat. Dans l'usinage CNC, il n'y a pas de préférence particulière entre les trous débouchants ou les trous borgnes.
5 tailles de fil :
Minimum : M2
Recommandé : M6 ou supérieur
Le filetage intérieur est coupé avec un taraud et le filetage extérieur est coupé avec une matrice. Des tarauds et des filières peuvent être utilisés pour couper des filets au m2.
Les outils de filetage CNC sont courants et appréciés des machinistes car ils limitent le risque de rupture de taraud. L'outil de filetage CNC peut être utilisé pour couper le filetage à M6.
Longueur du filetage:
Minimum : 1.5 x diamètre nominal
Recommandé : 3 x diamètre nominal
La majeure partie de la charge appliquée au filetage est supportée par quelques premières dents (max. 1.5 x diamètre nominal). Par conséquent, des filetages supérieurs à 3 x le diamètre nominal ne sont pas nécessaires.
Pour les filetages dans les trous borgnes coupés au taraud (c'est-à-dire tous les filetages inférieurs à M6), ajouter une longueur non filetée égale à 1.5 x diamètre nominal au fond du trou.
Lorsqu'un outil de filetage CNC (c'est-à-dire un filetage supérieur à M6) peut être utilisé, le traitement du filetage peut être effectué sur toute la longueur du trou.
6 ouverture minimale :
Recommandation : 2.5 mm (0.1 pouce)
Réalisable : 0.05 mm (0.005 pouce)
La plupart des ateliers d'usinage seront en mesure d'usiner avec précision des cavités et des trous à l'aide d'outils de moins de 2.5 mm (0.1 po) de diamètre. Toute valeur inférieure à cette limite est considérée comme un micro-usinage. L'usinage de telles caractéristiques nécessite des outils spéciaux (micro-perceuses) et une expertise (la nature physique du processus de coupe varie dans cette plage), il est donc recommandé d'éviter de les utiliser sauf en cas d'absolue nécessité.
7 tolérance
Norme : ± 0.125 mm (0.005 pouce)
Valeur typique : ± 0.025 mm (0.001 pouce)
Réalisable : ± 0.0125 mm (0.0005 pouce)
Les tolérances définissent les limites des dimensions acceptables. Les tolérances pouvant être atteintes dépendent des dimensions de base et de la géométrie de la pièce. Les valeurs ci-dessus sont des critères raisonnables.
Si aucune tolérance n'est spécifiée, la tolérance standard de ± 0.125 mm (0.005 in) sera utilisée dans la plupart des ateliers d'usinage.
Configuration de la machine et orientation des pièces
Comme mentionné précédemment, l'outil de coupe est l'une des principales limites de conception de l'usinage CNC. Afin d'atteindre toutes les surfaces du prototype, la pièce doit être tournée plusieurs fois.
Par exemple, la pièce de la figure ci-dessus doit être tournée trois fois au total : deux fois pour usiner des trous dans deux directions principales et une troisième fois pour entrer à l'arrière de la pièce.
Chaque fois que la pièce est tournée, la machine doit être recalibrée et un nouveau système de coordonnées doit être défini.
Il est important de prendre en compte les paramètres de la machine lors de la conception pour deux raisons :
Le nombre total de paramètres de la machine affecte les coûts. La rotation et le réalignement des pièces nécessitent une opération manuelle et augmentent le temps de traitement total. Ceci est généralement acceptable si la pièce doit être tournée jusqu'à 3-4 fois, mais tout ce qui dépasse cette limite est redondant. Afin d'obtenir la précision de position relative maximale, deux éléments doivent être usinés dans le même réglage. En effet, la nouvelle étape de dimensionnement introduit une petite erreur (qui ne peut être ignorée).
Usinage CNC 5 axes
Lors de l'utilisation d'un usinage CNC à 5 axes, cela peut éliminer le besoin d'une variété de réglages de la machine. L'usinage CNC multi-axes permet de fabriquer des pièces à géométrie complexe, car ils fournissent deux arbres rotatifs supplémentaires.
L'usinage CNC 5 axes maintient la fraise tangente à la surface de coupe à tout moment. Une trajectoire d'outil plus complexe et plus efficace peut être suivie, de sorte que les pièces aient une meilleure finition de surface et moins de temps de traitement. Bien sûr, la CNC à cinq axes a ses limites. La géométrie de base de l'outil et les restrictions d'accès à l'outil s'appliquent toujours (par exemple, les pièces à géométrie interne ne peuvent pas être usinées). De plus, le coût d'utilisation d'un tel système est élevé.
Conception en contre-dépouille
Les contre-dépouilles sont des caractéristiques qui ne peuvent pas être usinées avec des outils de coupe standard car certaines surfaces ne sont pas accessibles directement depuis le dessus. Il existe deux principaux types de contre-dépouilles : les rainures en T et les rainures en queue d'aronde. La contre-dépouille peut être simple ou double face et usinée avec des outils spéciaux. L'outil de coupe à rainure en T est principalement constitué d'une lame de coupe horizontale installée sur un axe vertical. La largeur de la contre-dépouille peut varier de 3 mm à 40 mm. Les dimensions standard sont recommandées pour la largeur (c'est-à-dire en millimètres ou en pouces).
Pour les outils de coupe en queue d'aronde, l'angle est la dimension qui définit la fonction. Les outils à queue d'aronde à 45 degrés et 60 degrés sont considérés comme des outils standard. Des outils avec des angles de 5 o, 10 o et jusqu'à 120 o (par incréments de 10 o) peuvent également être utilisés, mais ils sont rarement utilisés. Lors de la conception de pièces avec une contre-dépouille sur la paroi intérieure, assurez-vous d'ajouter suffisamment d'espace pour l'outil. Une bonne règle empirique consiste à augmenter l'espace entre la paroi usinée et toute autre paroi d'au moins quatre fois la profondeur de contre-dépouille. Pour les outils standard, le rapport typique entre le diamètre de coupe et le diamètre de l'arbre est de 2:1, ce qui limite la profondeur de coupe. Lorsqu'une contre-dépouille non standard est nécessaire, l'usine de machines fabrique généralement ses propres outils de contre-dépouille personnalisés. Cela peut augmenter les délais et les coûts de livraison et doit être évité autant que possible.
Rédiger des dessins techniques
Même si les dessins techniques (étape ou IGES les documents sont suffisants) ne sont pas toujours nécessaires pour passer une commande, il est recommandé de soumettre également des dessins car cela améliorera la communication entre le concepteur et l'opérateur de la machine CNC. Notez que certains critères de conception ne peuvent pas être inclus dans les fichiers d'étape ou IGES. Si votre modèle comprend un ou plusieurs des éléments suivants, vous devez fournir des dessins techniques 2D :
Trou de vis ou tige.
Dimension avec tolérance.
Exigences spécifiques de finition de surface.
Précautions pour les opérateurs de machines-outils à commande numérique.
Règle d'expérience
Concevez des pièces pouvant être usinées avec l'outil de plus grand diamètre.
Ajoutez un grand congé (au moins 1x la profondeur de la cavité) à tous les coins verticaux internes.
Limitez la profondeur de la cavité à quatre fois sa largeur.
Gardez les principales caractéristiques de la conception cohérentes avec l'une des six directions principales. Si ce n'est pas possible, l'usinage CNC 5 axes peut être sélectionné.
Lorsque votre conception comprend un filetage, une tolérance, une spécification de finition de surface ou d'autres commentaires à l'opérateur de la machine, veuillez soumettre le dessin technique dans le dessin.