Знижуйте витрати на CNC-обробку за рахунок раціонального проектування деталей

Коротко

Оптимізація конструкції деталей для зниження вартості обробки базується на застосуванні принципів проектування для оброблюваності (DFM). Це передбачає спрощення геометрії деталей, додавання достатніх радіусів у внутрішні кути, використання стандартних розмірів отворів і різьби та встановлення максимально допустимих допусків. Вибір економічних матеріалів із високою оброблюваністю також є важливою стратегією для мінімізації часу роботи верстатів, складності та загальних витрат.

Основні принципи проектування для оброблюваності (DFM)

Перш ніж переходити до конкретних змін у конструкції, важливо зрозуміти основну стратегію зниження вартості: проектування з урахуванням оброблюваності (DFM). DFM — це процес свідомого проектування компонентів таким чином, щоб їх можна було виготовляти найбільш ефективним і простим способом. Мета полягає в тому, щоб зменшити не лише час обробки деталі на верстаті з ЧПК, але й складність усього виробничого процесу — від початкової підготовки до остаточної обробки. Кожне рішення, прийняте на етапі проектування, безпосередньо впливає на кінцеву вартість, і цей вплив часто є суттєвим.

Основні принципи DFM обертаються навколо двох ключових цілей: скорочення часу обробки та мінімізація кількості операцій. Час обробки часто є головним чинником вартості, тому конструкції, які дозволяють швидші режими різання та меншу кількість проходів, завжди будуть дешевшими. Цього можна досягти, вибравши матеріали з високою оброблюваністю або спроектувавши елементи, які можна виготовити за допомогою більших і надійніших інструментів. Як детально описано в посібнику від Protolabs Network навіть невеликі коригування, наприклад збільшення радіуса кута, можуть дозволити верстату працювати швидше та ефективніше.

Однаково важливим є мінімізація кількості установок верстата. Під установкою мається на увазі кожне ручне переpositionування або переобладнання деталі для обробки різних граней. Кожна установка збільшує витрати на робочу силу та створює потенційні похибки. Складна деталь із елементами на всіх шести гранях може вимагати шість окремих установок, що значно збільшує її вартість порівняно з простішою деталлю, всі елементи якої можна обробити з одного боку. Тому ключовим принципом проектування для обробки (DFM) є створення деталей, які можна виготовити за мінімальну кількість установок, бажано лише за одну.

Ключові геометричні оптимізації для зниження вартості

Геометрія деталі є одним із найважливіших чинників, що впливають на вартість її обробки. Складні форми, глибокі поглиблення та делікатні елементи потребують більше часу, спеціалізованого інструменту та обережного поводження, що збільшує вартість. Шляхом стратегічних оптимізацій геометрії деталі інженери можуть досягти значної економії без компромісу функціональності.

• Додайте достатні радіуси до внутрішніх кутів. Усі інструменти для фрезерування ЧПК є круглими, тобто природно залишають радіус у будь-якому внутрішньому куті. Спроба створити гострий або дуже малий радіус вимагає інструменту з малим діаметром, який має рухатися повільно та виконувати кілька проходів, збільшуючи час роботи верстата. Просте правило — проектувати внутрішні радіуси кутів не менше ніж одна третина глибини порожнини. Як Пояснює Protocase , використання максимально можливих радіусів покращує якість поверхні й знижує вартість, дозволяючи використовувати більші та стабільніші різальні інструменти.
• Обмежте глибину порожнин та поглиблень. Обробка глибоких пазів непропорційно дорога. Стандартні різальні інструменти мають обмежену довжину різання, як правило, ефективну до глибини приблизно в 2-3 рази більшої за їх діаметр. Хоча можливі й глибші розрізи, для них потрібні спеціалізовані, довші інструменти, які менш жорсткі та повинні працювати на нижчих швидкостях, щоб уникнути вібрації та поломки. Fictiv рекомендує зберігати глибину різання в межах п’яти діаметрів інструменту для торцевих фрез, щоб забезпечити якісну обробку поверхні та знизити вартість.
• Уникайте тонких стінок. Стінки товщиною менше 0,8 мм для металу або 1,5 мм для пластику схильні до вібрації, деформації та поломки під час обробки. Для точного створення таких елементів токар повинен виконувати кілька повільних проходів із невеликою глибиною різання. Якщо це не є абсолютно необхідним для функціонування деталі, проектування товстіших, більш жорстких стінок зробить деталь стабільнішою та значно дешевшою у виробництві.
• Спрощуйте та об'єднуйте елементи. Складність конструкції безпосередньо впливає на вартість. Симетричні деталі простіше обробляти, а зменшення загальної кількості унікальних елементів мінімізує необхідність зміни інструментів. Якщо деталь має складні елементи, такі як пази або отвори на декількох гранях, варто розглянути можливість розділення конструкції на кілька простіших компонентів, які можна легко обробити, а потім зібрати. Цей підхід часто виявляється економічно вигіднішим, ніж обробка однієї надзвичайно складної деталі, що вимагає 5-вісного верстата та спеціальних пристосувань.

Розумні стратегії для допусків, різьби та отворів

Хоча великі геометричні елементи очевидно впливають на вартість, дрібні деталі, такі як допуски, різьба та отвори, можуть несподівано суттєво впливати на кінцеву ціну. Ці елементи часто вимагають високої точності, спеціалізованого інструменту або додаткових операцій на верстаті. Застосування розумних конструкторських рішень стосовно цих елементів є важливим кроком для оптимізації деталі з метою економічно ефективного виробництва.

Допуски визначають прийнятне відхилення для певного розміру. Хоча жорсткі допуски іноді необхідні для критичних з'єднань, їх слід вказувати економно. Чим жорсткіший допуск, тим більше часу, уваги та контролю потрібно, що експоненційно збільшує вартість. Як пояснює MakerVerse , надто жорсткі допуски можуть призводити до збільшення зносу інструменту, подовження циклів виробництва та більшої частки браку. Для некритичних елементів достатньо та значно економніше використовувати стандартний машинний допуск (зазвичай ±0,125 мм).

Аналогічно, отвори та різьблення слід проектувати з урахуванням стандартизації. Використання стандартних розмірів свердел для отворів значно дешевше, ніж вказування нестандартного діаметра, який потрібно повільно виготовляти за допомогою кінцевої фрези. Щодо різьби, її довжина має бути обмеженою. Довжина зачеплення різьби понад 1,5 діаметра отвору забезпечує незначний додатковий запас міцності, але суттєво збільшує вартість. Для глухих отворів важливо також передбачити нерізьбову ділянку на дні, щоб забезпечити простір для очищення інструменту та зменшити ризик його поломки.

Вибір матеріалів та покриттів з метою економії

Вибір матеріалу та необхідної поверхневої обробки — це остаточні, але вкрай важливі аспекти контролю вартості обробки. Ці рішення впливають як на вартість сировини, так і на час, необхідний для обробки деталі. Матеріал, який дешевий у придбанні, але важко обробляється, може виявитися дорожчим, ніж більш коштовний, але легший у механічній обробці альтернативний варіант.

Оцінка оброблюваності матеріалу описує, наскільки легко його можна різати. М'якші матеріали, такі як алюміній 6061 та пластики, наприклад POM (Delrin), мають відмінну оброблюваність, що дозволяє здійснювати швидке різання та скорочує тривалість циклів. Навпаки, твердіші матеріали, такі як нержавіюча сталь або титан, важче обробляти, вимагають нижчих швидкостей і призводять до більшого зносу інструменту, що подвоює або потроює час обробки. Тому, якщо не потрібні специфічні властивості високоміцного сплаву, вибір матеріалу з кращою оброблюваністю є дуже ефективною стратегією зниження витрат.

Іншою областю для оптимізації є розгляд виробничого процесу заготовки матеріалу. Використання заготовки, близької до кінцевої форми, отриманої, наприклад, шляхом кування, може значно зменшити обсяг матеріалу, який потрібно вилучити при механічній обробці, економлячи час і зменшуючи відходи. Для тих, хто працює в автомобільній галузі, вивчення пропозицій від спеціалістів у цій сфері може бути вигідним. Для міцних і надійних автомобільних компонентів ви можете дослідити послуги з виготовлення нестандартних кованих деталей від Shaoyi Metal Technology , яка спеціалізується на високоякісному гарячому куванні для промисловості.

Нарешті, слід ретельно продумати вимоги до обробки поверхні. Стандартна обробка «як оброблено» є найбільш економічно вигідним варіантом. Вимога щодо більш гладкої поверхні потребує додаткових проходів обробки або вторинних операцій, таких як дробоструминне очищення чи полірування, що збільшує вартість. Зазначення різних видів обробки на різних поверхнях однієї деталі ще більше підвищує вартість через необхідність маскування та використання кількох процесів. Застосування певного типу обробки лише там, де це функціонально необхідно, — простий і ефективний спосіб зниження витрат.

Поширені запитання

1. Як знизити вартість обробки на CNC?

Зниження вартості обробки на CNC передбачає поєднання оптимізації конструкції, вибору матеріалу та спрощення процесу. Основні стратегії включають:

• Спрощення геометрії: Уникайте складних кривих, глибоких пазів і тонких стінок.
• Додавання радіусів у кутах: Використовуйте максимально можливі радіуси на внутрішніх кутах, щоб забезпечити швидшу обробку.
• Використання стандартних елементів: Проектуйте отвори та різьбу стандартних розмірів, щоб уникнути необхідності використання спеціального інструменту.
• Послабте допуски: Вказуйте тільки жорсткі допуски для критичних елементів, де функціональність залежить від цього.
• Обирайте оброблювані матеріали: Використовуйте матеріали, такі як алюміній 6061, які можна швидко обробляти різанням.
• Мінімізуйте налагодження: Конструюйте деталі таким чином, щоб усі елементи можна було обробити за мінімальної кількості переорієнтацій на верстаті.

2. Які аспекти слід враховувати при проектуванні оброблюваних деталей?

Основними аспектами проектування оброблюваних деталей є забезпечення можливості виготовлення та економічної доцільності. Це включає оцінку геометрії деталі з точки зору простоти та доступності для різальних інструментів. Конструктори мають враховувати обмеження процесу механічної обробки, наприклад, неможливість створення абсолютно гострих внутрішніх кутів. Інші важливі аспекти включають вибір матеріалу з урахуванням функціональних вимог і здатності до обробки, правильне призначення допусків, а також проектування таких елементів, як отвори та різьби, відповідно до стандартних специфікацій. Нарешті, конструктори мають прагнути мінімізувати кількість установок на верстаті, необхідних для завершення обробки деталі.