Sänk CNC-fräsningens kostnader med smart delkonstruktion

TL;DR

Att optimera delkonstruktion för att minska bearbetningskostnader bygger på att tillämpa principer för konstruktion för bearbetbarhet (DFM). Detta innebär att förenkla delgeometrin, lägga till generösa radier i inre hörn, använda standardstorlekar för hål och gängor samt ange lösa toleranser där det är möjligt. Att välja kostnadseffektiva och lättbearbetade material är också en avgörande strategi för att minimera maskintid, komplexitet och total kostnad.

De grundläggande principerna för konstruktion för bearbetbarhet (DFM)

Innan vi går in på specifika designförändringar är det viktigt att förstå den grundläggande strategin bakom kostnadsminskning: Design for Machinability (DFM). DFM är processen att medvetet utforma komponenter så att de kan tillverkas på det mest effektiva och enkla sätt möjligt. Målet är att minimera inte bara den tid en del tillbringar i en CNC-maskin, utan även komplexiteten i hela produktionsprocessen, från initial inställning till slutlig avslutning. Varje beslut som tas under designfasen har en direkt och ofta betydande påverkan på den slutgiltiga kostnaden.

De centrala principerna i DFM kretsar kring två nyckelmål: att minska maskintid och att minimera antalet operationer. Maskintid är ofta den främsta kostnadsdrivaren, så konstruktioner som möjliggör snabbare svarv- och fräshastigheter samt färre passeringar blir alltid billigare. Detta kan uppnås genom att välja material med hög bearbetbarhet eller genom att utforma detaljer som kan tillverkas med större och mer robusta verktyg. Som beskrivs i en guide från Protolabs Network , även små justeringar, som att öka en hörnradien, kan tillåta att en maskin kör snabbare och effektivare.

Likaså viktigt är att minimera antalet maskinuppsättningar. En uppsättning avser varje tillfälle då en del måste manuellt ompositioneras eller omfixtureras för att komma åt olika ytor. Varje uppsättning lägger till arbetskostnader och introducerar möjlighet till fel. En komplex del med detaljer på alla sex sidor kan kräva sex separata uppsättningar, vilket drastiskt ökar dess kostnad jämfört med en enklare del där alla detaljer kan bearbetas från en enda riktning. En central DFM-strategi är därför att utforma delar som kan slutföras i så få uppsättningar som möjligt, helst endast en.

Nyckelgeometriska optimeringar för att sänka kostnader

Geometrin hos en del är en av de viktigaste faktorerna som påverkar dess bearbetningskostnad. Komplexa former, djupa hålrum och fina detaljer kräver alla mer tid, specialiserad verktyg och försiktig hantering, vilket driver upp priset. Genom att göra strategiska optimeringar av delens geometri kan ingenjörer uppnå betydande kostnadsbesparingar utan att kompromissa med funktionaliteten.

• Lägg till generösa radier i inre hörn. Alla CNC-fräsverktyg är runda, vilket innebär att de naturligt lämnar en radie i varje inre hörn. Att försöka skapa ett skarpt eller mycket litet hörn kräver ett verktyg med liten diameter, vilket måste röra sig långsamt och ta flera gånger, vilket ökar maskintiden. En enkel regel är att utforma inre hörnradier så att de är minst en tredjedel av hålrummets djup. Som Protocase förklarar , förbättrar användning av så stora radier som möjligt ytfinishen och minskar kostnaderna genom att tillåta användning av större och mer stabila skärverktyg.
• Begränsa djupet på hålrum och fickor. Bearbetning av djupa fickor är orimligt dyr. Standardverktyg har en begränsad skärningslängd och är vanligtvis effektiva upp till en djup på cirka 2–3 gånger sin diameter. Även om djupare skärningar är möjliga krävs specialanpassade, längre verktyg som är mindre styva och måste köras i lägre hastigheter för att undvika vibrationer och brott. Fictiv rekommenderar att hålla skärningsdjupet inom fem gånger verktygets diameter för slutfräsar för att säkerställa god ytfinish och lägre kostnad.
• Undvik tunna väggar. Väggar som är tunnare än 0,8 mm för metall eller 1,5 mm för plast är benägna att vibrera, vrida sig eller gå sönder under bearbetning. För att tillverka dessa detaljer exakt måste en maskinist använda flera långsamma pass med litet skärningsdjup. Om inte absolut nödvändigt för delens funktion, kommer konstruktion med tjockare, mer styva väggar göra delen mer stabil och avsevärt billigare att producera.
• Förenkla och konsolidera funktioner. Komplexiteten i en design påverkar direkt kostnaden. Symmetriska delar är lättare att bearbeta, och att minska det totala antalet unika funktioner minimerar behovet av verktygsbyten. Om en del har komplexa funktioner som underkut eller hål på flera ytor, överväg om designen kan delas upp i flera enklare komponenter som kan bearbetas lätt och sedan monteras. Denna metod visar sig ofta vara mer kostnadseffektiv än att bearbeta en mycket komplex del som kräver en 5-axlig maskin och specialfixturer.

Smarta strategier för toleranser, gängor och hål

Medan stora geometriska funktioner tydligt påverkar kostnaden kan små detaljer som toleranser, gängor och hål ha en oväntat stor inverkan på det slutgiltiga priset. Dessa funktioner kräver ofta hög precision, specialverktyg eller ytterligare maskinoperationer. Att tillämpa smarta designstrategier på dessa element är ett avgörande steg för att optimera en del för kostnadseffektiv tillverkning.

Toleranser definierar den acceptabla avvikelsen för en specifik dimension. Även om strama toleranser ibland är nödvändiga för kritiska gränssnitt bör de anges sparsamt. Ju stramare toleransen, desto mer tid, omsorg och kontroll krävs, vilket ökar kostnaden exponentiellt. Enligt MakerVerse kan alltför strama toleranser leda till ökad verktygsslitage, längre cykeltider och en högre spillfrekvens. För icke-kritiska detaljer räcker det att förlita sig på standardmaskintoleransen (vanligtvis ±0,125 mm), vilket är långt mer ekonomiskt.

På samma sätt bör hål och gängor dimensioneras med standardisering i åtanke. Att använda standardborrstorlekar för hål är mycket billigare än att ange en icke-standardiserad diameter, vilket skulle kräva en nedsvarvning för att långsamt skapa hålet. När det gäller gängor bör deras längd begränsas. En gängförlängning som överstiger 1,5 gånger hålets diameter ger knappt någon ytterligare styrka men ökar kostnaden avsevärt. För blinda hål är det också viktigt att utforma ett område utan gänga i botten, vilket ger gängtapen fripassage och minskar risken för brott.

Att välja material och ytor för kostnadseffektivitet

Valet av material och erforderlig ytfinish är slutgiltiga, avgörande överväganden för att hantera bearbetningskostnader. Dessa beslut påverkar både råmaterialkostnaden och den tid som krävs för att bearbeta delen. Ett material som är billigt att köpa men svårt att bearbeta kan till slut bli dyrare än ett dyrare men lättare bearbetat alternativ.

Ett materials bearbetbarhetsvärde beskriver hur lätt det kan skäras. Mjukare material som aluminium 6061 och plaster som POM (Delrin) har utmärkt bearbetbarhet, vilket möjliggör snabb skärning och kortare cykeltider. I motsats till detta är hårdare material som rostfritt stål eller titan svårare att skära, kräver långsammare hastigheter och orsakar större verktygsslitage, vilket kan fördubbla eller tredubbla bearbetningstiden. Därför är valet av ett mer bearbetningsvänligt material en mycket effektiv kostnadsreducerande strategi, såvida inte de specifika egenskaperna hos en höghållfast legering är nödvändiga.

Ett annat område för optimering är att ta hänsyn till tillverkningsprocessen för materialets blank själv. Genom att använda en nästan färdigformad blank, framställd genom en process som smidning, kan mängden material som behöver avlägsnas genom bearbetning minskas avsevärt, vilket sparar tid och minskar avfall. För dem inom fordonssektorn kan det vara fördelaktigt att utforska alternativ från specialister inom detta område. För robusta och pålitliga fordonskomponenter kan du undersöka specialtillverkade smides­tjänster från Shaoyi Metal Technology , som är specialiserat på högkvalitativ varmsmidning för industrin.

Slutligen bör specifikationer för ytbehandling noga övervägas. Den standardmässiga "as machined"-ytan är det mest kostnadseffektiva alternativet. Att begära slätare ytor kräver ytterligare maskinbearbetningspass eller sekundära operationer som kulsandstrålning eller polering, vilket var och en ökar kostnaden. Att ange olika ytor på olika delar av samma komponent blir ännu dyrare, eftersom det innebär maskering och flera processer. Att använda en specifik ytbehandling endast där den är funktionellt nödvändig är ett enkelt men effektivt sätt att hålla kostnaderna nere.

Vanliga frågor

1. Hur minskar man CNC-maskinkostnader?

Att minska CNC-maskinkostnader innebär en kombination av designoptimering, materialval och förenkling av processer. Viktiga strategier inkluderar:

• Förenkla geometrin: Undvik komplexa kurvor, djupa fickor och tunna väggar.
• Lägg till hörnradien: Använd så stora radien som möjligt i inre hörn för att möjliggöra snabbare bearbetning.
• Använd standardfunktioner: Designa hål och gängor i standardstorlekar för att undvika behovet av specialverktyg.
• Lösa toleranser: Ange strama toleranser endast för kritiska funktioner där funktionaliteten är beroende av det.
• Välj bearbetningsvänliga material: Välj material som aluminium 6061 som kan skäras snabbt.
• Minimera installationer: Utforma delar så att alla funktioner kan nås i så få maskinorienteringar som möjligt.

2. Vilka är designövervägandena för konstruktion av maskinbearbetade delar?

De främsta konstruktionsskälen för bearbetade delar är att säkerställa tillverkningskapacitet och kostnadseffektivitet. Detta inkluderar att utvärdera delens geometri för enkelhet och tillgänglighet med skärverktyg. Konstruktionärerna måste ta hänsyn till maskinprocessens begränsningar, till exempel oförmågan att skapa perfekt skarpa inre hörn. Andra viktiga överväganden är materialval baserat på både funktionella krav och bearbetningsförmåga, lämplig tillämpning av toleranser och utformning av funktioner som hål och trådar enligt standardspecifikationer. Slutligen bör konstruktionstjänstemännen sträva efter att minimera antalet maskininställningar som krävs för att slutföra delen.