Zredukuj koszty frezowania CNC dzięki inteligentnemu projektowaniu części

STRESZCZENIE

Optymalizacja projektu części w celu obniżenia kosztów obróbki opiera się na zasadach projektowania pod kątem łatwości obrabiania (DFM). Obejmuje to upraszczanie geometrii części, dodawanie dużych promieni zaokrąglenia w narożnikach wewnętrznych, stosowanie standardowych wymiarów otworów i gwintów oraz określanie możliwie luźnych tolerancji. Wybór tanich i łatwych do obróbki materiałów jest również kluczowym rozwiązaniem minimalizującym czas pracy maszyny, złożoność i ogólne koszty.

Podstawowe zasady projektowania pod kątem łatwości obrabiania (DFM)

Przed przejściem do konkretnych zmian projektowych, kluczowe jest zrozumienie podstawowej strategii redukcji kosztów: projektowanie pod kątem obrabialności (DFM). DFM to proces celowego projektowania komponentów w taki sposób, aby można je było wytworzyć najbardziej efektywnie i najprościej. Celem jest nie tylko skrócenie czasu spędzonych na maszynie CNC, ale także minimalizacja złożoności całego procesu produkcyjnego – od początkowego przygotowania po końcowe wykończenie. Każda decyzja podejmowana na etapie projektowania ma bezpośredni i często znaczący wpływ na końcowy koszt.

Główne zasady DFM opierają się na dwóch kluczowych celach: skróceniu czasu obróbki i minimalizacji liczby operacji. Czas obróbki jest często głównym czynnikiem wpływającym na koszt, dlatego projekty pozwalające na szybsze prędkości cięcia i mniejszą liczbę przejść będą zawsze tańsze. Można tego dokonać poprzez wybór materiałów o wysokiej obrabialności lub poprzez projektowanie elementów, które mogą być tworzone większymi, bardziej odpornymi narzędziami. Jak szczegółowo omówiono w przewodniku z Protolabs Network , nawet niewielkie modyfikacje, takie jak zwiększenie promienia zaokrąglenia narożnika, mogą pozwolić maszynie na szybszą i bardziej efektywną pracę.

Jednakowo ważnym aspektem jest minimalizacja liczby ustawień maszyny. Ustawienie oznacza każdorazowe ręczne przepozycjonowanie lub ponowne zamocowanie elementu w celu uzyskania dostępu do różnych powierzchni. Każde ustawienie zwiększa koszty pracy ręcznej i wprowadza możliwość błędu. Złożony detal z cechami po wszystkich sześciu stronach może wymagać sześciu oddzielnych ustawień, co dramatycznie zwiększa jego koszt w porównaniu z prostszym detalem, którego wszystkie cechy można wykonać z jednego kierunku. Kluczową strategią DFM jest zatem projektowanie detali, które można wykonać przy jak najmniejszej liczbie ustawień, najlepiej tylko jednym.

Kluczowe optymalizacje geometryczne obniżające koszty

Geometria części jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na koszt jej obróbki. Złożone kształty, głębokie wnęki oraz delikatne elementy wymagają więcej czasu, specjalistycznego narzędziowania i ostrożnego postępowania, co podnosi cenę. Dzięki strategicznym optymalizacjom geometrii części inżynierowie mogą osiągnąć znaczne oszczędności bez kompromitowania funkcjonalności.

• Dodaj duże promienie zaokrąglenia do naroży wewnętrznych. Wszystkie frezy stosowane w tokarkach CNC mają kształt okrągły, co oznacza, że naturalnie pozostawiają promień w każdym wewnętrznym narożu. Próba stworzenia ostrego lub bardzo małego promienia wymaga użycia narzędzia o małym średnicy, które musi poruszać się powoli i wykonywać wiele przejść, zwiększając tym samym czas pracy maszyny. Prostą zasadą jest projektowanie promieni naroży wewnętrznych o wartości co najmniej jednej trzeciej głębokości wnęki. Jak Wyjaśnia Protocase , stosowanie możliwie największych promieni poprawia jakość powierzchni i redukuje koszty dzięki możliwości użycia większych i bardziej stabilnych narzędzi tnących.
• Ogranicz głębokość wnęk i kieszonek. Frezowanie głębokich kieszeni jest nieproporcjonalnie kosztowne. Standardowe narzędzia skrawające mają ograniczoną długość cięcia, zazwyczaj skuteczną do głębokości około 2–3 razy większej niż ich średnica. Choć możliwe są głębsze cięcia, wymagają one specjalistycznych, dłuższych narzędzi, które są mniej sztywne i muszą pracować wolniej, aby uniknąć drgań i pęknięć. Fictiv zaleca utrzymywanie głębokości cięcia w granicach pięciokrotnej średnicy narzędzia dla frezów końcowych, aby zapewnić dobrą jakość wykończenia i niższy koszt.
• Unikaj cienkich ścianek. Ścianki cieńsze niż 0,8 mm dla metalu lub 1,5 mm dla tworzyw sztucznych są narażone na drgania, odkształcenia i pęknięcia podczas obróbki. Aby dokładnie wykonać takie elementy, operator musi wykonać wiele powolnych przejść przy małej głębokości skrawania. Chyba że grubość ta jest absolutnie konieczna dla funkcji detalu, projektowanie grubszych, bardziej sztywnych ścianek uczyni detal stabilniejszym i znacznie tańszym w produkcji.
• Uprość i połącz elementy. Złożoność projektu ma bezpośredni wpływ na koszt. Części symetryczne są łatwiejsze do obróbki, a zmniejszenie całkowitej liczby unikalnych cech minimalizuje konieczność zmiany narzędzi. Jeśli część posiada złożone elementy, takie jak wycięcia pod strzałką lub otwory na wielu powierzchniach, rozważ, czy projekt można podzielić na kilka prostszych komponentów, które będą łatwo dostępne do obróbki i następnie mogą zostać zmontowane. Takie podejście często okazuje się bardziej opłacalne niż obróbka jednej wysoce skomplikowanej części wymagającej maszyny 5-osiowej i specjalnych uchwytów.

Inteligentne strategie dotyczące tolerancji, gwintów i otworów

Choć duże cechy geometryczne są oczywistymi czynnikami wpływającymi na koszt, drobne szczegóły, takie jak tolerancje, gwinty i otwory, mogą mieć nieoczekiwanie duży wpływ na końcową cenę. Cechy te często wymagają precyzji, specjalistycznych narzędzi lub dodatkowych operacji maszynowych. Zastosowanie inteligentnych strategii projektowych do tych elementów jest kluczowym krokiem w optymalizacji części pod kątem opłacalnej produkcji.

Tolerancje określają dopuszczalne odchylenie dla konkretnego wymiaru. Chociaż bardzo dokładne tolerancje są czasem niezbędne dla krytycznych połączeń, należy je stosować oszczędnie. Im ciaśniejsza tolerancja, tym więcej czasu, staranności i kontroli jest wymagane, co wykładniczo zwiększa koszty. Jak wyjaśnia MakerVerse , nadmiernie ścisłe tolerancje mogą prowadzić do większego zużycia narzędzi, dłuższych czasów cyklu oraz wyższego współczynnika odpadów. W przypadku cech niemieszących się do kategorii krytycznych wystarczające i znacznie bardziej opłacalne jest poleganie na standardowej dokładności maszyny (zwykle ±0,125 mm).

Podobnie otwory i gwinty powinny być projektowane z myślą o standaryzacji. Użycie standardowych średnic wierteł do otworów jest znacznie tańsze niż określenie niestandardowej średnicy, która wymagałaby powolnego wykonywania otworu frezem końcowym. W przypadku gwintów ich długość powinna być ograniczona. Współczynnik wkręcenia gwintu przekraczający 1,5-krotność średnicy otworu niewiele zwiększa wytrzymałość, ale znacznie podnosi koszt. W przypadku otworów ślepych ważne jest również zaprojektowanie niegwintowanego odcinka na dnie, zapewniającego luz narzędziowemu narzędziu gwintowniczemu i zmniejszającego ryzyko jego pęknięcia.

Wybór materiałów i powierzchni pod kątem opłacalności

Wybór materiału oraz wymaganej jakości powierzchni to ostatnie, kluczowe zagadnienie przy zarządzaniu kosztami obróbki. Te decyzje wpływają zarówno na koszt surowca, jak i na czas potrzebny do obróbki detalu. Materiał tani w zakupie, ale trudny w obróbce, może ostatecznie okazać się droższy niż droższy, lecz łatwiejszy w obróbce materiał alternatywny.

Ocena obrabialności materiału opisuje, jak łatwo można go przecinać. Miększe materiały, takie jak aluminium 6061 i tworzywa sztuczne, np. POM (Delrin), charakteryzują się doskonałą obrabialnością, umożliwiając szybkie cięcie i skrócenie czasu cyklu. W przeciwieństwie do nich, twarde materiały, takie jak stal nierdzewna czy tytan, są trudniejsze do cięcia, wymagają niższych prędkości, a także powodują większy zużycie narzędzi, co podwaja lub potraja czas obróbki. Dlatego też, chyba że konieczne są specyficzne właściwości stopu o wysokiej wytrzymałości, wybór materiału łatwiejszego do obróbki jest bardzo skuteczną strategią obniżania kosztów.

Kolejzym obszarem optymalizacji jest rozważenie procesu wytwarzania samego przedmiotu wyjściowego. Użycie półproduktu bliskiego kształtu końcowemu, wykonanego w procesie takim jak kucie, może znacząco zmniejszyć ilość materiału, który należy usunąć poprzez obróbkę skrawaniem, oszczędzając czas i redukując odpady. Dla specjalistów z branży motoryzacyjnej, na przykład, warto zbadać możliwości oferowane przez ekspertów działających na tym polu. W celu uzyskania trwałych i niezawodnych komponentów motoryzacyjnych, można przeanalizować ofertę usługi kucia na zamówienie od Shaoyi Metal Technology , które specjalizuje się w wysokiej jakości kuciu gorącym dla tej branży.

Wreszcie należy starannie rozważyć specyfikacje wykończenia powierzchni. Standardowe wykończenie „jak obrabiane” jest najbardziej opłacalną opcją. Wymaganie gładniejszych powierzchni wymaga dodatkowych przejść skrawania lub operacji wtórnych, takich jak piaskowanie kulkowe lub polerowanie, co zwiększa koszt. Określenie różnych wykończeń na różnych powierzchniach tego samego elementu jest jeszcze droższe, ponieważ wiąże się z maskowaniem i wieloma procesami. Zastosowanie konkretnego wykończenia tylko tam, gdzie jest funkcjonalnie konieczne, to prosty, a zarazem skuteczny sposób obniżenia kosztów.

Często zadawane pytania

1. Jak zmniejszyć koszt frezowania CNC?

Zmniejszenie kosztów frezowania CNC wiąże się z optymalizacją projektu, doborem materiału oraz uproszczeniem procesu. Kluczowe strategie obejmują:

• Uprość geometrię: Unikaj złożonych krzywych, głębokich wycięć i cienkich ścianek.
• Dodaj promienie zaokrągleń narożników: Stosuj możliwie największe promienie w narożnikach wewnętrznych, aby umożliwić szybszą obróbkę.
• Korzystaj ze standardowych elementów: Projektuj otwory i gwinty w standardowych rozmiarach, aby uniknąć potrzeby stosowania specjalistycznego narzędzi.
• Zwiększenie luzów: Określaj ciasne tolerancje tylko dla istotnych cech, gdzie funkcjonalność od nich zależy.
• Wybieraj materiały łatwo obrabialne: Wybieraj materiały takie jak aluminium 6061, które można szybko przetwarzać.
• Minimalizuj operacje montażowe: Projektuj części tak, aby wszystkie cechy były dostępne przy minimalnej liczbie ustawień maszyny.

2. Jakie są aspekty projektowe związane z konstrukcją części tokarskich i frezarskich?

Główne kwestie projektowe dotyczące części tokarskich skupiają się na zapewnieniu możliwości produkcji i opłacalności. Obejmuje to ocenę geometrii detalu pod kątem prostoty oraz dostępności dla narzędzi skrawających. Projektanci muszą brać pod uwagę ograniczenia procesu obróbki, takie jak niemożność wykonania idealnie ostrych naroży wewnętrznych. Inne kluczowe aspekty to wybór materiału uwzględniający zarówno wymagania funkcjonalne, jak i łatwość obrabialności, odpowiednie stosowanie tolerancji oraz projektowanie elementów, takich jak otwory i gwinty, zgodnie ze standardowymi specyfikacjami. Na koniec projektanci powinni dążyć do minimalizacji liczby ustawień maszyny niezbędnych do wykonania detalu.