12 suggerimenti per la progettazione di pezzi lavorati a CNC per ottimizzare le prestazioni

Evitare lo spessore della parete sottile nelle parti lavorate a CNC

Quando si progettano pezzi per la lavorazione CNC, è fondamentale considerare lo spessore delle pareti. Le pareti sottili possono comportare il rischio di piegatura e rottura durante il processo di lavorazione. Ricerche approfondite hanno dimostrato che le pareti sottili tendono a deformarsi, con la parte superiore che si piega più di quella inferiore.

Diversi fattori entrano in gioco nel determinare l’entità della flessione, tra cui lo spessore, l’altezza e la lunghezza del muro, nonché la resistenza del materiale stesso. Dal punto di vista della lavorazione CNC, fattori quali la quantità di materiale rimosso dall'utensile da taglio e la velocità con cui si muove lungo la parete influiscono anche sulle forze coinvolte e sul costo delle parti.

Per garantire prestazioni ottimali, in genere si consiglia di mantenere uno spessore della parete superiore a 0.8 mm per la maggior parte dei metalli e 1.5 mm per la maggior parte delle plastiche. Inoltre, si consiglia di mantenere un rapporto altezza-spessore inferiore a 10:1. Tuttavia, è importante notare che queste sono linee guida generali e potrebbero esserci delle eccezioni.

Ad esempio, nel Lavorazione CNC processo, una parte in acciaio inossidabile potrebbe avere uno spessore della parete di 0.5 mm ma essere alta solo 1 mm, mentre una parte in alluminio con una parete spessa 1 mm e un'altezza di 12 mm potrebbe subire una deformazione significativa.

Considerando queste raccomandazioni e tenendo conto dei requisiti specifici del tuo progetto, puoi ottimizzare le prestazioni e la durata dei pezzi lavorati a CNC.

Evitare sottosquadri non lavorabili

I sottosquadri nella lavorazione CNC si riferiscono ad aree di un componente o parte che presentano caratteristiche incassate o dentellate difficilmente accessibili o lavorabili con utensili da taglio standard. Gestire i sottosquadri durante il processo di lavorazione CNC può essere impegnativo e richiede tecniche e strumenti specializzati per ottenere la forma desiderata.

Per superare i sottosquadri, gli operatori CNC utilizzano vari metodi come l'utilizzo di utensili da taglio angolati, la lavorazione multiasse, l'utilizzo di Lavorazione di scariche elettriche (EDM)o effettuare ulteriori impostazioni o modifiche allo strumento.

Nei processi di fresatura CNC, un modo comune per gestire i sottosquadri è utilizzare una fresa per scanalature, un utensile da taglio a coda di rondine o una fresa per lecca-lecca. Tuttavia, in genere si consiglia di evitare, se possibile, di progettare sottosquadri, poiché possono aumentare i tempi di consegna e i costi. Gli utensili standard hanno limitazioni sulla profondità di taglio, tipicamente con un rapporto di 2:1 tra il diametro di taglio e il diametro dell'albero. Pertanto, se l'apertura di una cavità è inferiore a quattro volte la profondità del sottosquadro, gli utensili di lavorazione avranno difficoltà a creare la caratteristica del sottosquadro. Per i sottosquadri non standard, le officine meccaniche CNC potrebbero dover creare utensili personalizzati, il che aumenta ulteriormente sia i tempi di consegna che i costi.

Nei processi di tornitura CNC, l'approccio più comune per gestire i sottosquadri è l'utilizzo di un utensile per scanalatura interna, noto anche come fresa per scanalature. Si consiglia di mantenere la profondità del sottosquadro inferiore a 1/4 del diametro del foro aperto, per ragioni simili a quelle della fresatura dei sottosquadri.

Per garantire un processo di produzione regolare ed efficiente, è fondamentale evitare progetti con sottosquadri non lavorabili. Se è assolutamente necessario un sottosquadro, è consigliabile mantenerne la profondità al minimo. Seguendo queste linee guida di progettazione, è possibile ottimizzare la producibilità delle parti lavorate a CNC riducendo al minimo le complessità e le potenziali limitazioni associate ai sottosquadri.

Evitare fori profondi nella lavorazione

I fori profondi, definiti come quelli con una profondità superiore a 10 volte il diametro, presentano diverse sfide nei processi di lavorazione. Queste sfide includono il runout dell'utensile, problemi di "camminamento", evacuazione dei trucioli e raffreddamento.

L'eccentricità dell'utensile si riferisce all'orbita della punta della punta attorno all'asse di rotazione, che diventa più pronunciata con punte più lunghe e può portare ad un aumento del diametro del foro.

Il "camminare" si verifica quando la punta della punta incontra una superficie non perpendicolare, provocando lo spostamento della punta e potenzialmente dando luogo a fori disallineati o angolati. Ciò può verificarsi anche con superfici con finitura grezza o grezza, causando potenzialmente la rottura della punta.

Nei fori profondi, i trucioli prodotti durante la foratura tendono ad avvolgersi attorno alle scanalature della punta e ad accumularsi, provocando un maggiore attrito contro le pareti del foro. Ciò aumenta la temperatura e alla fine può causare il grippaggio o la rottura del trapano.

Il raffreddamento rappresenta una sfida nella foratura profonda, poiché diventa difficile fornire in modo efficace il fluido da taglio sul fondo del foro. Il conseguente aumento della temperatura della punta della punta può danneggiare il pezzo da lavorare o addirittura causare la saldatura della punta su di esso.

Le sfide dell'alesatura di fori profondi nella tornitura CNC sono simili, con la lunghezza della sporgenza dell'utensile di alesatura che ne influenza la frequenza naturale e potenzialmente innesca segni di risonanza e vibrazioni sulle parti. La lunga sporgenza può anche portare alla flessione dell'utensile e causare fori conici, soprattutto quando si tratta di materiali difficili da lavorare come acciaio inossidabile, titanio e acciaio duro.

Evitare cavità troppo profonde

Sia nella perforazione che nella fresatura di fori profondi, il rapporto profondità/larghezza gioca un ruolo significativo nelle sfide affrontate. Le cavità profonde richiedono utensili di fresatura a lunga sporgenza, che provocano vibrazioni dell'utensile e leggera flessione, rendendo difficile ottenere un'elevata precisione. Allo stesso modo, la creazione di piccole caratteristiche sul fondo di cavità profonde presenta sfide nel soddisfare tolleranze elevate.

Come linea guida generale, i rapporti lunghezza/diametro dell'utensile da 2xD a 5xD sono generalmente gestibili senza problemi significativi. Rapporti da 5xD a 10xD spesso richiedono strumenti personalizzati che possono essere costosi e impegnativi per ottenere la precisione. Per rapporti superiori a 10xD, gli strumenti e le macchine tradizionali potrebbero non essere sufficienti, rendendo necessari strumenti e tecniche specializzati che possono essere costosi e impegnativi.

Evitare di progettare funzionalità a cui non è possibile accedere dagli strumenti

Quando si creano progetti, è importante evitare di incorporare caratteristiche che non possono essere raggiunte dagli strumenti di lavorazione. Come dimostrato nella figura a sinistra, la sezione centrale del disegno è inaccessibile agli strumenti, rendendone impossibile la lavorazione utilizzando una fresatrice CNC. Al contrario, la figura a destra mostra un design che è molto più facilmente realizzabile. Il punto chiave qui è considerare sempre come verranno utilizzati gli strumenti per dare vita alle funzionalità desiderate.

Evitare finiture superficiali multiple su una singola parte

Si consiglia di evitare di incorporarne più di uno finitura superficiale per una sola parte. Abbiamo riscontrato casi in cui le parti in alluminio richiedevano sia passivazione che anodizzazione o addirittura anodizzazione bicolore. Sebbene non sia impossibile, il raggiungimento di tali requisiti pone sfide significative. La seconda parte del trattamento superficiale richiede spesso la mascheratura manuale, con conseguenti costi più elevati. Inoltre, molteplici trattamenti superficiali aumentano la probabilità di guasti alla produzione. Pertanto, si consiglia di ridurre al minimo la necessità di finiture superficiali multiple, ove possibile.

Migliora gli angoli interni aggiungendo un raggio

Migliora la funzionalità degli angoli interni acuti aggiungendo un raggio. Questi angoli impegnativi sono difficili da raggiungere per gli strumenti di taglio circolare. Ecco uno sguardo più attento:

Poiché gli utensili da taglio richiedono la rotazione per funzionare, ottenere un angolo interno affilato diventa poco pratico. In molti casi, una soluzione semplice è incorporare un raggio nell'angolo. Questa è in genere un'opzione fattibile a meno che non vi siano vincoli specifici che impediscono l'uso di un raggio standard. L'aggiunta di un raggio d'angolo interno è vantaggiosa. In alternativa, se un raggio all'interno non è adatto, valutate di applicarlo all'esterno.

Se è assolutamente necessario uno spigolo vivo, esistono metodi per risolverlo, ma tendono ad essere costosi. Ecco un paio di approcci:

  1. Brocciatura: questa tecnica prevede l'utilizzo di una brocciatrice o di uno strumento di brocciatura rotativo su una macchina CNC. Tuttavia, questi metodi sono costosi e generalmente utilizzati per volumi di produzione maggiori. (Riferimento: Video YouTube sulla brocciatura)

  2. Wire EDM o Elettroerosione a tuffo: EDM sta per Electrical Discharge Machining, che utilizza la tensione per disintegrare il materiale anziché tagliarlo con uno strumento tradizionale. L'elettroerosione a filo utilizza un filo sottile per tagliare l'angolo, ottenendo un raggio piccolo uguale al diametro del filo (più un leggero margine per uno spinterometro). L’elettroerosione a tuffo, invece, utilizza un blocco solido di materiale come elettrodo. Uno svantaggio di questo processo è la rapida usura e sostituzione dell'elettrodo. Inoltre, l’elettroerosione a tuffo è un processo lento e costoso, soprattutto quando è richiesta un’elevata precisione.

In conclusione, è importante notare che tutti i metodi per ottenere spigoli vivi comportano costi considerevoli. Quando possibile, scegli di aggiungere un raggio all'interno o all'esterno dell'angolo per mitigare i costi.

Evitare funzionalità estremamente piccole

È consigliabile evitare di incorporare caratteristiche estremamente piccole nei processi di tornitura e fresatura CNC. Queste macchine tipicamente funzionano con un consumo energetico che varia da poche a poche decine di kilowatt. Tentare di creare elementi di dimensioni pari o inferiori a 1 mm è come ricamare con martello e scalpello. Sebbene non sia del tutto impossibile, è altamente soggetto a errori.

Ci sono diverse sfide associate al lavoro su caratteristiche così minuscole. L'utensile o la caratteristica stessa potrebbero non possedere una resistenza sufficiente per resistere alle forze esercitate durante il processo di lavorazione. Ad esempio, praticare un foro con un diametro di 0.5 mm su una fresatrice CNC è eccezionalmente difficile e richiede la massima cautela per evitare la rottura dell'utensile. La gestione di elementi così piccoli, che si tratti di fori inferiori a 1 mm o di sporgenze inferiori a 1 mm, richiede strumenti specializzati, macchine specifiche e talvolta anche competenze eccezionali. Di conseguenza, il costo coinvolto nella realizzazione di queste attività tende ad essere elevato.

Riduzione al minimo delle impostazioni della macchina per una lavorazione CNC economicamente vantaggiosa

Il costo della lavorazione CNC è direttamente influenzato dal tempo di lavorazione complessivo, che comprende sia il tempo di impostazione della macchina che il tempo di lavorazione effettivo. Maggiore è il numero di configurazioni necessarie, maggiore sarà il costo di produzione. Ciò è particolarmente significativo quando si tratta di piccoli volumi di produzione, poiché il tempo di installazione diventa una componente importante del costo totale. Pertanto, è consigliabile progettare pezzi che possano essere lavorati con il minor numero possibile di configurazioni della macchina, idealmente utilizzando una sola configurazione.

Una strategia efficace è concentrare più funzionalità in un’unica direzione. In questo modo diventa possibile completare il processo di lavorazione con un solo setup. Al contrario, i progetti che disperdono le funzionalità in direzioni diverse richiedono più configurazioni, aumentando così i costi. Consideriamo l’esempio illustrato di seguito:

I progettisti possono anche esplorare la possibilità di dividere una singola parte in due o più componenti separati e quindi collegarli tramite bulloni o saldature. Questo approccio consente una lavorazione e un assemblaggio più semplici, riducendo ulteriormente il numero di configurazioni richieste.

Riducendo al minimo le configurazioni della macchina attraverso attente considerazioni di progettazione, è possibile ottenere una lavorazione CNC più conveniente mantenendo la funzionalità desiderata delle parti.

Tolleranze strette possono essere costose nei processi di lavorazione. Il raggiungimento di tolleranze precise richiede che i macchinisti lavorino con diligenza e attenzione. Potrebbero essere necessari tentativi ed errori, tenendo conto dell'usura degli strumenti e dell'attenta selezione degli strumenti. Il monitoraggio continuo è essenziale anche per regolare le impostazioni di lavorazione quando le dimensioni deviano. In breve, le tolleranze hanno un prezzo significativo e tolleranze più strette possono essere tre volte più costose.

Le tolleranze sono costose

Il raggiungimento di tolleranze strette nella lavorazione richiede che gli operatori lavorino con eccezionale cura e precisione. Spesso sono necessari tentativi ed errori per garantire il risultato desiderato. I macchinisti devono anche considerare l'usura degli utensili e selezionare attentamente gli strumenti appropriati per il lavoro. Inoltre, è necessario un monitoraggio costante per regolare l'impostazione della lavorazione quando le dimensioni variano. In sintesi, ottenere tolleranze strette può essere piuttosto costoso e avere due tolleranze può essere tre volte più costoso.

Per mitigare queste spese, è consigliabile utilizzare tolleranze strette solo quando assolutamente necessario. Sia le tolleranze geometriche che quelle dimensionali hanno un prezzo più elevato, quindi è essenziale considerare le implicazioni in termini di costi quando si determinano le tolleranze richieste.

Considerando la lavorabilità del materiale

Quando si prendono decisioni di progettazione, fattori quali resistenza, peso e requisiti estetici spesso dettano la scelta del materiale. Tuttavia, è fondamentale considerare anche la lavorabilità del materiale per ridurre al minimo i costi di lavorazione. Ad esempio, il titanio è più difficile da lavorare rispetto all’acciaio al carbonio e il SUS 304 pone sfide maggiori rispetto al SUS 303. Sorprendentemente, il ferro puro è ancora più difficile da lavorare rispetto all’acciaio a medio carbonio. I materiali con scarsa lavorabilità possono comportare un aumento delle spese per gli utensili e tempi di lavorazione più lunghi. Inoltre, alcune caratteristiche potrebbero essere facilmente ottenibili su una parte in alluminio ma impossibili da produrre su un componente SUS304.

Come consiglio, si consiglia di selezionare materiali facili da lavorare ogni volta che i requisiti di progettazione lo consentono. Dando priorità ai materiali con buona lavorabilità, è possibile ridurre i costi di lavorazione e ottimizzare il processo di produzione.

Utilizzare dimensioni di filettatura standard

Quando si progettano i componenti, è importante considerare le dimensioni di filettatura standard disponibili. Molte macchine CNC offrono la possibilità di creare filettature da zero, ma l'utilizzo di dimensioni di filettatura standardizzate può far risparmiare tempo e risorse. Ciò aiuta a ridurre i costi di lavorazione e a ottimizzare i programmi di produzione. È anche meglio parlare con il fornitore di servizi di lavorazione degli standard favorevoli. Soprattutto quando si producono pezzi all'estero. In paesi come Germania e Cina, gli utensili per filettatura CNC con sistema metrico sono facili da trovare. In paesi come il Regno Unito, il Canada o gli Stati Uniti, il sistema imperiale e quello statunitense sono più popolari.

Il continuo sviluppo di macchine e utensili CNC

Le macchine e gli strumenti CNC sono in continua evoluzione, con nuovi progressi e innovazioni che emergono ogni anno. Col passare del tempo, alcuni suggerimenti di progettazione potrebbero diventare obsoleti. Questo articolo si concentra sulle strategie per ridurre i costi e migliorare l'efficienza della progettazione in base alle capacità generali della lavorazione CNC. CapableMachining fornisce consulenza tecnica gratuita per assistervi nel miglioramento dei vostri progetti. Se hai domande sulla progettazione della lavorazione CNC, non esitare a contattarci.

Citazione:

Pubblicato nel 2015

Sulla moderna fresatura CNC con compensazione degli utensili da taglio e delle deflessioni del pezzo a pareti sottili

A. PolzerK. DufkováPremysl Pokorný

 

Czyzycki, J.; Twardowski, ˙ P.; Znojkiewicz, N. Analisi dello spostamento di un pezzo a parete sottile utilizzando un C. ad alta velocità. La scelta del materiale giusto e la tolleranza corrispondente per un lavoro contribuirà a ridurre le spese derivanti dai tempi di lavorazione aggiuntivi della fotocamera durante la fresatura periferica delle leghe di alluminio. Materiali 2021, 14, 4771. https://doi.org/10.3390/ ma14164771

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