Снижение затрат на фрезерную обработку с ЧПУ за счёт продуманного проектирования деталей

Краткое содержание

Оптимизация конструкции детали для снижения стоимости обработки основывается на применении принципов проектирования для обрабатываемости (DFM). Это включает упрощение геометрии детали, добавление достаточных радиусов во внутренние углы, использование стандартных размеров отверстий и резьбы, а также назначение максимально допустимых допусков везде, где это возможно. Выбор экономически эффективных и легкообрабатываемых материалов также является ключевой стратегией сокращения времени работы станка, сложности и общей стоимости.

Основные принципы проектирования для обрабатываемости (DFM)

Прежде чем переходить к конкретным изменениям в конструкции, важно понять основополагающую стратегию снижения затрат: проектирование с учетом обрабатываемости (DFM). DFM — это процесс целенаправленного проектирования компонентов таким образом, чтобы их можно было изготавливать максимально эффективно и просто. Цель состоит в том, чтобы минимизировать не только время обработки детали на станке с ЧПУ, но и сложность всего производственного процесса — от начальной наладки до окончательной отделки. Каждое решение, принимаемое на этапе проектирования, напрямую и зачастую значительно влияет на конечную стоимость.

Основные принципы DFM сосредоточены вокруг двух ключевых целей: сокращение времени механической обработки и минимизация количества операций. Время обработки зачастую является основным фактором затрат, поэтому конструкции, позволяющие использовать более высокие скорости резания и меньшее количество проходов, всегда будут дешевле. Этого можно достичь, выбирая материалы с высокой обрабатываемостью или проектируя элементы, которые можно изготавливать с помощью более крупных и надежных инструментов. Как подробно описано в руководстве от Protolabs Network даже небольшие корректировки, например увеличение радиуса угла, могут позволить станку работать быстрее и эффективнее.

Не менее важно минимизировать количество установок станка. Установка — это каждый случай, когда деталь необходимо вручную переустановить или перефиксировать, чтобы получить доступ к разным сторонам. Каждая установка увеличивает затраты на рабочую силу и создает потенциальные ошибки. Сложная деталь с элементами на всех шести сторонах может потребовать шесть отдельных установок, что значительно увеличит ее стоимость по сравнению с более простой деталью, все элементы которой можно обработать с одной стороны. Таким образом, ключевой стратегией проектирования для удобства изготовления (DFM) является создание деталей, которые можно изготовить за минимальное количество установок, желательно за одну.

Ключевые геометрические оптимизации для снижения затрат

Геометрия детали является одним из наиболее значимых факторов, влияющих на стоимость ее обработки. Сложные формы, глубокие выемки и тонкие элементы требуют больше времени, специализованного инструмента и аккуратного обращения, что увеличивает цену. Путем стратегической оптимизации геометрии детали инженеры могут добиться значительной экономии без ущерба для функциональности.

• Добавьте достаточные радиусы во внутренние углы. Все фрезерные инструменты ЧПУ имеют круглую форму, что означает, что они естественным образом оставляют радиус в каждом внутреннем углу. Попытка создать острый или очень маленький радиус требует использования инструмента с малым диаметром, который должен двигаться медленно и выполнять несколько проходов, увеличивая время работы станка. Простое правило — проектировать внутренние угловые радиусы не менее одной трети от глубины полости. Как Объясняет Protocase , использование максимально возможных радиусов улучшает качество поверхности и снижает затраты, позволяя применять более крупные и устойчивые режущие инструменты.
• Ограничьте глубину полостей и выемок. Обработка глубоких карманов сопряжена с непропорционально высокой стоимостью. Стандартные режущие инструменты имеют ограниченную длину резания, как правило, эффективны на глубине до 2–3 диаметров. Хотя возможна обработка на большей глубине, для этого требуются специализированные, более длинные инструменты, которые менее жесткие и должны работать на более низких скоростях, чтобы избежать вибрации и поломки. Fictiv рекомендует ограничивать глубину резания пятью диаметрами инструмента для концевых фрез, чтобы обеспечить хорошее качество поверхности и снизить стоимость.
• Избегайте тонких стенок. Стенки тоньше 0,8 мм для металла или 1,5 мм для пластика склонны к вибрации, деформации и поломке при обработке. Для точного изготовления таких элементов мастер должен выполнять несколько медленных проходов с малой глубиной резания. Если только это абсолютно необходимо для функционирования детали, проектирование более толстых и жестких стенок сделает деталь более устойчивой и значительно удешевит производство.
• Упрощайте и объединяйте элементы. Сложность конструкции напрямую влияет на стоимость. Симметричные детали легче обрабатывать, а сокращение общего количества уникальных элементов минимизирует необходимость смены инструментов. Если деталь имеет сложные элементы, такие как выемки или отверстия на нескольких гранях, подумайте, можно ли разделить конструкцию на несколько более простых компонентов, которые легко обработать, а затем собрать. Такой подход зачастую оказывается более экономически выгодным, чем обработка одной высокосложной детали, требующей применения 5-осевого станка и специальных приспособлений.

Умные стратегии для допусков, резьб и отверстий

Хотя крупные геометрические элементы очевидно влияют на стоимость, мелкие детали, такие как допуски, резьбы и отверстия, могут неожиданно сильно повлиять на конечную цену. Эти элементы часто требуют высокой точности, специализированного инструмента или дополнительных операций на станке. Применение продуманных проектных решений к этим элементам является важнейшим шагом в оптимизации детали для экономичного производства.

Допуски определяют допустимое отклонение для конкретного размера. Хотя высокие точности иногда необходимы для критически важных соединений, их следует указывать умеренно. Чем выше точность, тем больше требуется времени, внимания и контроля, что приводит к экспоненциальному росту стоимости. Как объясняет MakerVerse , чрезмерно жесткие допуски могут привести к увеличению износа инструмента, удлинению циклов обработки и повышению процента брака. Для некритических элементов достаточно использовать стандартный станочный допуск (обычно ±0,125 мм), что является более экономичным решением.

Аналогичным образом отверстия и резьбы следует проектировать с учетом стандартизации. Использование стандартных размеров сверл для отверстий значительно дешевле, чем указание нестандартного диаметра, который потребует медленного формирования отверстия концевой фрезой. Что касается резьбы, её длина должна быть ограничена. Длина ввинчивания резьбы более чем в 1,5 раза превышающая диаметр отверстия, даёт незначительное увеличение прочности, но существенно повышает стоимость. Для глухих отверстий также важно предусмотреть ненарезанную часть на дне, обеспечивающую зазор для метчика и снижающую риск его поломки.

Выбор материалов и покрытий с учётом экономической эффективности

Выбор материала и требуемой отделки поверхности — это окончательные, но крайне важные аспекты при управлении затратами на механическую обработку. Эти решения влияют как на стоимость сырья, так и на время, необходимое для обработки детали. Материал, дешёвый при покупке, но трудно поддающийся обработке, в конечном итоге может оказаться дороже, чем более дорогой, но легко обрабатываемый аналог.

Показатель обрабатываемости материала описывает, насколько легко его можно резать. Более мягкие материалы, такие как алюминий 6061 и пластики, например POM (Делрин), обладают отличной обрабатываемостью, что позволяет выполнять резку на высокой скорости и сокращает циклы обработки. Напротив, более твёрдые материалы, такие как нержавеющая сталь или титан, сложнее резать, требуют меньших скоростей и вызывают повышенный износ инструмента, что удваивает или утраивает время обработки. Следовательно, если не требуются специфические свойства высокопрочного сплава, выбор более легкообрабатываемого материала является высокоэффективной стратегией снижения затрат.

Еще одной областью для оптимизации является рассмотрение производственного процесса заготовки материала. Использование заготовки, близкой к конечной форме, полученной, например, методом ковки, может значительно сократить объем материала, который необходимо удалить механической обработкой, что экономит время и уменьшает отходы. Для специалистов в автомобильной отрасли, например, изучение вариантов от специалистов в этой области может быть полезным. Для прочных и надежных автомобильных компонентов вы можете изучить услуги индивидуальной ковки от Shaoyi Metal Technology , которое специализируется на высококачественной горячей ковке для промышленности.

Наконец, следует тщательно продумать требования к отделке поверхности. Стандартная отделка «как обработано» является наиболее экономически выгодным вариантом. Требование более гладкой отделки требует дополнительных проходов обработки или вторичных операций, таких как дробеструйная очистка или полировка, каждая из которых увеличивает стоимость. Указание различных видов отделки на разных поверхностях одной и той же детали еще больше увеличивает расходы, поскольку требует маскировки и применения нескольких процессов. Нанесение определенной отделки только в тех местах, где это функционально необходимо, — простой, но эффективный способ снизить затраты.

Часто задаваемые вопросы

1. Как снизить стоимость фрезерования на станке с ЧПУ?

Снижение стоимости обработки на станках с ЧПУ включает сочетание оптимизации конструкции, выбора материала и упрощения процесса. Ключевые стратегии включают:

• Упрощение геометрии: Избегайте сложных кривых, глубоких карманов и тонких стенок.
• Добавляйте радиусы скругления: Используйте максимально возможные радиусы во внутренних углах, чтобы обеспечить более быструю обработку.
• Используйте стандартные элементы: Проектируйте отверстия и резьбу стандартных размеров, чтобы избежать необходимости в специальном инструменте.
• Увеличение допусков: Устанавливайте жесткие допуски только для критически важных элементов, где функциональность от них зависит.
• Выбор легкообрабатываемых материалов: Выбирайте материалы, такие как алюминий 6061, которые можно быстро обрабатывать резанием.
• Сведение к минимуму установок: Конструируйте детали таким образом, чтобы все элементы можно было обрабатывать с минимальным количеством переустановок в станке.

2. Каковы особенности проектирования обрабатываемых деталей?

Основные аспекты проектирования механически обрабатываемых деталей сосредоточены на обеспечении технологичности и экономической эффективности. Это включает оценку геометрии детали с точки зрения простоты и доступности для режущего инструмента. Конструкторы должны учитывать ограничения процесса обработки, например, невозможность создания абсолютно острых внутренних углов. Другие важные аспекты включают выбор материала на основе функциональных требований и обрабатываемости, правильное назначение допусков, а также проектирование элементов, таких как отверстия и резьбы, в соответствии со стандартными спецификациями. Наконец, конструкторы должны стремиться минимизировать количество установок станка, необходимых для изготовления детали.