Проектирование деталей для изготовления на станке с ЧПУ

• Каким должен быть материал?
• Какие формы и размеры должна иметь заготовка?
• Подготовки черного припуска
• Какой жесткости должны быть допуски?
• Глубина резания и радиус углов
• Какие делать отверстия - сквозные или глубокие?
• Какой должна быть резьба?
• Радиус дна углублений меньше радиуса закругления стенки
• Сколько должно быть установов? 
• Что делать, если у вас несколько установов?
• Требования к инструментам
• Проектирование с учетом требования сборки (ПТС)
• Посадка болтов
• Что насчет неполных отверстий?
• Как правильно сверлить?
• Расположение пазов
• Касательно гладких кромок
• Обработка длинных тонких деталей
• Расположение наружных краев
• Расположение внутренних краев
• Внутренние скругления и фаски
• Допуски и посадки
• Врезание в деталь
• Уплотнение вместо плоских поверхностей
• Про глухие отверстия с плоским дном
• Каким должен быть радиус карманов?

Проектирование деталей для ЧПУ обработки с учетом технологических возможностей

Что, если бы можно было бы изменить проектирование детали таким образом, чтобы сделать производство данной детали значительно проще, не уменьшая при этом ее полезность? Существует целая система приемов на данную тему, которые описаны ниже.

Материал

Тип материала. Тип материала детали значительно повлияет на технологичность. Пластик, алюминий и латунь очень просты в применении по сравнению, например, с титаном и сплавами из твердой стали. 

Если деталь все же должна быть стальной, используйте низкоуглеродистую горячекатаную сталь вместо холоднокатаной. Она более стабильна, а холоднокатаная сталь будет деформироваться и вам потребуется обрабатывать ее не единожды.

Подберите материалы, физические свойства которых соответствуют (но не излишне) потребностям вашей детали.
Затем выберите материалы, которые соответствуют этим потребностям при минимальных затратах на материал и на механическую обработку. 

Иногда приходится использовать более дорогой материал, но вы сэкономите больше времени на уменьшении затрат на механическую обработку при помощи материала, который легче обрабатывать.
Например, отдайте предпочтение 303 нержавеющей стали вместо 304, потому что она обрабатывается лучше, чем 304. 
Или же вы можете использовать более жесткий алюминиевый сплав, например 7076, вместо некоторых марок стали. Не смотря на то, что алюминий стоит дороже, он обрабатывается намного быстрее, чем сталь, на большинстве станков с ЧПУ.  

Твердость материала. Зачастую более твердые материалы труднее обрабатывать. Изучите различные степени твердости разных материалов и их сплавов и состояния. Примером состояния материала является, различная степень твердости.


Обычный прибор для измерения твердости (твердомер)

Форма и размеры заготовки

Размер заготовки. При определении размеров детали представьте их соотношение с размерами чернового припуска. Вам нужен припуск для механической обработки, не требующий слишком большого наращивания в черновом припуске, дабы вы не тратили время и деньги, чтобы превратить этот запаса в шлам.

Подготовки черного припуска

Самая дешевая форма удаления материала часто приходится на стадию подготовки чернового припуска (сырья). Например, если вы можете приступить к обработке на заготовке которую можно вырезать гидроабразивом, вам может понадобиться только один проход, а не большое количество черновых фрезерных проходов перед чистовым.

Не ужесточайте допуски сверх меры!

Чем жестче допуски, тем выше производственные затраты. Не устанавливайте жесткие допуски, если они действительно не требуются. Одним из самых дорогих допусков является глубина резьбы, часто она не играет никакой роли.

Глубина резания и радиус углов

Имейте в виду радиусы углов в пазах. Жесткость инструмента изменяется с третьей степенью длины и четвертой степенью диаметра. Инструмент, длина которого вдвое больше, будет иметь лишь  1/8 от жесткости короткого. Инструмента, диаметр которого вдвое больше, будет в 16 раз жестче. Поэтому не проектируйте детали с глубокими пазами и малыми радиусами закругления. Мой совет -  поддерживать отношение глубины и диметра  3: 1 (2x радиуса закругления). Таким образом, углубление с радиусом закругления в 6 мм должно быть не более 38 мм, в противном случае вы значительно увеличите производственные затраты.

Вот еще один совет: установите радиус закругления чуть больше концевой фрезы, которая будет использоваться для выборки паза. Это уменьшит нагрузку на концевую фрезу благодаря уменьшению углов захвата инструмента, а также уменьшит ваши производственные затраты либо за счет более быстрой подачи концевой фрезы, либо за счет продления времени ее работы.

Сквозные и глубокие отверстия

По возможности делайте сквозные отверстия, поскольку они облегчают удаление стружки. Особенно это относится к отверстиям, которые будут рассверлены или нарезаны резьбой.

Глубокие отверстия обходятся намного дороже. Для достижения максимальной эффективности постарайтесь сохранить отношение длины к диаметру менее 4 (без отверстий более 4 диаметров). Любое отверстие глубиной более 10 диаметров, вероятно, будет проблемным. 

Что касается кромок

Как правило, дешевле делать фаску на кромках, чем закруглять.

Избегайте зеркальных деталей!

Избегайте тонких стенок!

А также тонких перегородок и тому подобного. Тонкие стенки и перегородки подвержены вибрации (что замедляет скорость обработки), деформации (поэтому трудно выдерживать допуски с ними), и их легче повредить при производстве.

Избегайте подрезов и всего, что требует специальной обработки

В большинстве случаев подрезы являются серьезной проблемой для CAM программ и обработки, поэтому убедитесь, что они действительно нужны, прежде чем указывать их на детали.

Обеспечьте зазор между инструментом и заготовкой при повороте! 

При плечевом соединении в 90 градусов зазор между инструментами будет меньше, чем при конусовидном плечевом соединении, следовательно, вы столкнетесь с большими проблемами. Кроме того, если вы убавляете область, чтобы достичь допуска, а перпендикулярные плечевые соединения граничат с областью, более чем вероятно, что вы столкнетесь с неровностями.

Резьба и нарезание резьбы

 
Существует много способов свести к минимуму расходы, связанные с резьбой и нарезанием резьбы, например:

• Минимизируйте длину резьбовой части в отверстии. Наружный диаметр в 1.5x обеспечивает достаточную прочность.
• По возможности избегайте глухих отверстий. Если вам необходимо нарезать резьбу в глухом отверстии, сделайте допущение в нижней части отверстия на наружный диаметр на 1/2 больше, чем резьба.
• Не переусердствуйте с относительной рабочей высотой профиля резьбы в процентах. 75% резьба дает 95% прочности 100% резьбы, но для нее необходимо только 1/3 крутящего момента – вероятность повредить выпускное отверстие становится гораздо меньше. 
• Избегайте жестких допусков глубины резьбы, использовать их будет слишком дорого.

Радиус дна углублений меньше радиуса закругления стенки

Можно модель в САПР, в которой радиус дот дна до края стенки будет таким же, как и радиус закругления, но это обойдется дороже, так как, вероятно, потребуется, чтобы сферическая реза сделала радиус дна, что повлечет за собой дополнительный проход с дополнительным инструментом. Установите радиус дна, который под силу выполнить сферической концевой фрезе. Ее можно будет сразу использовать для полной обработки кармана.

Минимизируйте кол-во установов! 

В особенности избегайте перезакрепления деталей при обработке поверхностей, которые должны быть концентричны.

Проектирование в случае нескольких установов

Если вам необходимо использовать несколько установов, следуйте методикам проектирования, которые уменьшают затраты.

Если деталь требует нескольких установок, проектируйте специальные крепления и сами детали таким образом, чтобы вариант неправильной вставки детали в крепление был невозможным. Это может подразумевать добавление спец. пазов или симметричных элементов в ложементах

Невозможность неправильно вставить деталь в крепление облегчит работу.

Еще лучше сделать каждую часть симметричной, чтобы независимо от того, в какую сторону она направлена в креплении, она обрабатывалась правильно.

Минимизируйте требования к инструментам!

Учтите, что у станка ограниченное количество лотков у устройства для смены инструмента. 

Попробуйте спроектировать деталь так, чтобы использовать как можно меньше различных инструментов. 

Например, вы можете использовать центровое сверло для зенковки плоскоголовых винтов  с головкой под ключ. Возможно, вам удастся уменьшить число необходимых диаметров сверла с помощью использования концевой фрезы и фрезеровкой отверстий. 

Если вы работаете с очень дорогой сложносборной конструкцией, в которой море резьбовых отверстий, подумайте о резьбофрезеровании вместо нарезания - если резьбовая фреза сломается, она не будет застрянет в отверстии.

Каждая из этих идей имеет свои плюсы и минусы, которые следует оценить, дабы определить, какой же из них действительно уменьшит стоимость производства.

Проектирование с учетом требования сборки (ПТС)

Идея состоит в том, чтобы изменить проект таким образом, чтобы упростить сборку деталей. Существует много методов, например, вот эти два:

• Не ужесточайте допуски на болтовых отверстиях.
• Используйте меньше креплений. 

Болты в основном используются для фиксации и определенным образом для выравнивания. Задайте технические характеристики деталей, которые обеспечивают выравнивание без болтов.

И еще некоторые не менее важные советы, которые помогут вам в проектировании деталей:

Задайте посадку с большим зазором для болтов! Обеспечьте как можно больший зазор в отверстиях, которые фиксируют болты. Это обеспечит более широкий интервал ошибки, если что-то пойдет не так. Этого можно достигнуть, используя отверстия большего размера, или же используя пазы вместо отверстий. Помните: вы не можете перемещать резьбовые отверстия! Если что-то пойдет не так, лучшим вариантом будет больший зазор в отверстиях без резьбы.

Используйте сверление перпендикулярно поверхности! При сверлении изогнутой поверхности кончик может изгибаться. Чтобы избежать этого, вам потребуется перед сверлением фрезеровать мелкое углубление. Это удорожает сверление отверстия.

Избегайте глубоких и близко расположенных пазов! Придерживайтесь конечной глубины паза менее 15-и диаметров концевой фрезы для мягких материалов (дерево или пластик), 10x для алюминия и 5x для стали. Более длинные инструменты подвергаются сильной деформации и вибрации, что приводит к плохой обработке поверхности, меньшему сроку службы и низким допускам.

Избегайте гладких круглых кромок! Закругленные края на чертеже могут визуально сделать деталь лучше, но это также удорожит ее обработку. Просто укажите «затупить все кромки» и позвольте подрядчику самому выбрать экономичный способ сделать это. Снятие фаски предпочтительнее округления. Если же вам необходимо обязательно закруглить края, по крайней мере, закруглите их одинаково, дабы не использовать несколько инструментов.

Избегайте длинных тонких деталей при токарной обработке! Вам может понадобиться упорная бабка, или люнет.

Располагайте наружные края прямо и параллельно. При прямых параллельных краях будет проще закрепить заготовку.

Располагайте внутренние края прямо. Если стенки углубления не вертикальны, их обработка обойдется дороже.

Внутренние скругления и фаски. Внутренние фаски забирают много времени, так как их сложно выполнить. Внутренние скругления легче сделать, так как при этом можно использовать круглые концевые фрезы.

Обозначение допусков и посадок. Во многих случаях использование системы допусков и посадок работает лучше по сравнению с допусками +/-.