نحوه طراحی قطعات ماشینکاری CNC

به منظور استفاده کامل از توانایی ماشینکاری CNC، طراحان باید از قوانین ساخت خاصی پیروی کنند.اما این می تواند یک چالش باشد زیرا استاندارد صنعتی خاصی وجود ندارد.در این مقاله، راهنمای جامعی با بهترین روش‌های طراحی برای ماشین‌کاری CNC گردآوری کرده‌ایم.

ما بر روی توصیف امکان‌سنجی سیستم‌های CNC مدرن تمرکز می‌کنیم و هزینه‌های مربوطه را نادیده می‌گیریم.برای راهنمایی در مورد طراحی قطعات مقرون به صرفه برای CNC لطفا به این مقاله مراجعه کنید.
ماشینکاری CNC
ماشینکاری CNC یک تکنولوژی ماشینکاری تفریقی است.در CNC از ابزارهای مختلف چرخشی پرسرعت (هزاران دور در دقیقه) برای حذف مواد از بلوک های جامد برای تولید قطعات مطابق با مدل های CAD استفاده می شود.فلز و پلاستیک را می توان با CNC پردازش کرد.
قطعات ماشینکاری CNC دارای دقت ابعادی بالا و تحمل دقیق هستند.CNC برای تولید انبوه و کار یکباره مناسب است.در واقع، ماشینکاری CNC در حال حاضر مقرون به صرفه ترین راه برای تولید نمونه های اولیه فلزی است، حتی در مقایسه با چاپ سه بعدی.
محدودیت های اصلی طراحی CNC
CNC انعطاف‌پذیری زیادی در طراحی ایجاد می‌کند، اما محدودیت‌هایی در طراحی وجود دارد.این محدودیت ها مربوط به مکانیک اساسی فرآیند برش است که عمدتاً مربوط به هندسه ابزار و دسترسی به ابزار است.

1. هندسه ابزار
رایج ترین ابزارهای CNC (آسیاب های انتهایی و مته ها) استوانه ای با طول برش محدود هستند.
هنگامی که مواد از قطعه کار خارج می شود، هندسه ابزار به قسمت ماشینکاری شده منتقل می شود.به این معنی که برای مثال، مهم نیست که یک ابزار چقدر کوچک است، زاویه داخلی یک قطعه CNC همیشه یک شعاع دارد.

2. دسترسی به ابزار
برای حذف مواد، ابزار مستقیماً از بالا به قطعه کار نزدیک می شود.عملکردهایی که از این طریق قابل دسترسی نیستند نمی توانند CNC پردازش شوند.
یک استثنا برای این قانون وجود دارد: Undercut.نحوه استفاده از آندرکات در طراحی را در قسمت بعدی خواهیم آموخت.
یک روش خوب طراحی این است که تمام ویژگی های مدل (سوراخ ها، حفره ها، دیوارهای عمودی و غیره) را با یکی از شش جهت اصلی هماهنگ کنید.این قانون یک توصیه در نظر گرفته می شود نه یک محدودیت، زیرا سیستم CNC 5 محوره قابلیت نگهداری قطعه کار پیشرفته را فراهم می کند.
دسترسی به ابزار هنگام ماشینکاری ویژگی‌هایی با نسبت‌های بزرگ نیز مشکل است.به عنوان مثال، برای رسیدن به انتهای حفره عمیق، ابزار خاصی با محور بلند مورد نیاز است.این باعث کاهش سفتی افکتور انتهایی، افزایش ارتعاش و کاهش دقت قابل دستیابی می شود.
کارشناسان CNC طراحی قطعاتی را توصیه می کنند که با ابزارهایی با حداکثر قطر ممکن و کوتاه ترین طول ممکن ماشین کاری شوند.

قوانین طراحی CNC
یکی از چالش‌هایی که اغلب هنگام طراحی قطعات برای ماشین‌کاری CNC با آن مواجه می‌شود این است که استاندارد صنعتی خاصی وجود ندارد: سازندگان ابزار و ابزار ماشین‌های CNC دائماً قابلیت‌های فنی خود را بهبود می‌بخشند و دامنه امکانات را گسترش می‌دهند.
در جدول زیر مقادیر توصیه شده و قابل اجرا رایج ترین ویژگی هایی که در قطعات ماشینکاری CNC با آن مواجه می شوند را خلاصه می کنیم.

1. حفره و شیار
عمق حفره توصیه شده: 4 برابر عرض حفره
طول برش آسیاب انتهایی محدود است (معمولاً 3-4 برابر قطر آن).وقتی نسبت عرض عمق کم باشد، انحراف ابزار، تخلیه تراشه و لرزش برجسته‌تر می‌شوند.محدود کردن عمق حفره به چهار برابر عرض آن نتایج خوبی را تضمین می کند.
اگر عمق بیشتری مورد نیاز است، طراحی قطعه ای با عمق حفره متغیر را در نظر بگیرید (برای مثال به شکل بالا مراجعه کنید).
فرز حفره ای عمیق: حفره ای با عمق بیش از 6 برابر قطر ابزار به عنوان حفره عمیق در نظر گرفته می شود.نسبت قطر ابزار به عمق حفره با استفاده از ابزارهای مخصوص می تواند 30:1 باشد (با استفاده از آسیاب های انتهایی با قطر 1 اینچ حداکثر عمق 30 سانتی متر است).

2. لبه داخلی
شعاع گوشه عمودی: توصیه شده ⅓ x عمق حفره (یا بیشتر)
استفاده از مقدار توصیه شده شعاع گوشه داخلی تضمین می کند که ابزار قطر مناسب می تواند استفاده شود و با دستورالعمل ها برای عمق حفره توصیه شده هماهنگ شود.افزایش شعاع گوشه کمی بالاتر از مقدار توصیه شده (به عنوان مثال 1 میلی متر) به ابزار اجازه می دهد تا به جای زاویه 90 درجه در امتداد یک مسیر دایره ای برش دهد.این ترجیح داده می شود زیرا می تواند سطح با کیفیت بالاتری را به دست آورد.اگر به زاویه داخلی 90 درجه نیاز است، به جای کاهش شعاع زاویه، یک زیر برش T شکل اضافه کنید.
شعاع صفحه پایین توصیه شده 0.5 میلی متر، 1 میلی متر یا بدون شعاع است.هر شعاع امکان پذیر است
لبه پایینی آسیاب انتهایی یک لبه صاف یا یک لبه کمی گرد است.سایر شعاع های کف را می توان با ابزارهای سر توپ پردازش کرد.استفاده از مقدار توصیه شده یک روش طراحی خوب است زیرا اولین انتخاب ماشینکار است.

3. دیوار نازک
حداقل ضخامت دیوار توصیه شده: 0.8 میلی متر (فلز) و 1.5 میلی متر (پلاستیک)؛0.5 میلی متر (فلز) و 1.0 میلی متر (پلاستیک) امکان پذیر است
کاهش ضخامت دیواره باعث کاهش سفتی مواد می شود و در نتیجه لرزش در فرآیند ماشینکاری را افزایش می دهد و دقت قابل دستیابی را کاهش می دهد.پلاستیک ها تمایل به تاب برداشتن (به دلیل تنش پسماند) و نرم شدن (به دلیل افزایش دما) دارند، بنابراین توصیه می شود از حداقل ضخامت دیواره بیشتر استفاده شود.

4. سوراخ
قطر اندازه مته استاندارد توصیه می شود.هر قطر بیشتر از 1 میلی متر قابل قبول است
از یک مته یا آسیاب انتهایی برای ماشینکاری سوراخ ها استفاده کنید.استاندارد سازی اندازه مته (واحد متریک و انگلیسی).گیره ها و برش های حفاری برای تکمیل سوراخ هایی که نیاز به تلرانس سخت دارند استفاده می شود.برای اندازه های کمتر از ▽ 20 میلی متر، قطر استاندارد توصیه می شود.
حداکثر عمق توصیه شده 4 x قطر اسمی.به طور معمول 10 x قطر اسمی.40 x قطر اسمی در صورت امکان
سوراخ های با قطر غیر استاندارد باید با آسیاب های انتهایی پردازش شوند.در این مورد، حداکثر عمق حفره اعمال می شود و حداکثر عمق توصیه شده باید استفاده شود.از یک مته مخصوص (حداقل قطر 3 میلی متر) برای ماشینکاری سوراخ هایی با عمق بیش از مقدار معمولی استفاده کنید.سوراخ کوری که توسط مته ماشین کاری شده است دارای یک صفحه مخروطی شکل (زاویه 135 درجه) است، در حالی که سوراخی که توسط آسیاب انتهایی ماشین کاری شده است صاف است.در ماشینکاری CNC، ترجیح خاصی بین سوراخ های عبوری و سوراخ های کور وجود ندارد.

5. نخ
حداقل اندازه نخ متر مربع است.M6 یا بزرگتر توصیه می شود
نخ داخلی با یک شیر و نخ خارجی با قالب بریده می شود.می توان از شیرها و قالب ها برای برش نخ ها به متر مربع استفاده کرد.
ابزارهای رزوه کاری CNC رایج هستند و توسط ماشینکاران ترجیح داده می شوند زیرا خطر شکستگی شیر را محدود می کنند.برای برش نخ ها به M6 می توان از ابزارهای رزوه CNC استفاده کرد.
حداقل طول نخ 1.5 x قطر اسمی است.3 x قطر اسمی توصیه می شود
بیشتر بار وارد شده به نخ توسط چند دندانه اول (تا 1.5 برابر قطر اسمی) تحمل می شود.بنابراین بیش از 3 برابر قطر اسمی نخ مورد نیاز نیست.
برای نخ‌هایی که در سوراخ‌های کور با یک شیر بریده شده‌اند (یعنی همه نخ‌های کوچک‌تر از M6)، طولی بدون رزوه معادل 1.5 x قطر اسمی در پایین سوراخ اضافه کنید.
هنگامی که می توان از یک ابزار رزوه CNC استفاده کرد (یعنی نخ بزرگتر از M6 است)، سوراخ می تواند در تمام طول آن اجرا شود.

6. ویژگی های کوچک
حداقل قطر سوراخ توصیه می شود 2.5 میلی متر (0.1 اینچ) باشد.0.05 میلی متر (0.005 اینچ) امکان پذیر است
اکثر ماشین‌آلات با استفاده از ابزارهایی با قطر کمتر از 2.5 میلی‌متر (0.1 اینچ) می‌توانند حفره‌ها و سوراخ‌ها را با دقت ماشین‌کاری کنند.
هر چیزی که کمتر از این حد باشد، ریزماشین کاری محسوب می شود.برای پردازش چنین ویژگی هایی به ابزارهای ویژه (میکرو دریل) و دانش تخصصی نیاز است (تغییرات فیزیکی در فرآیند برش در این محدوده است) بنابراین توصیه می شود از استفاده از آنها مگر در موارد ضروری اجتناب شود.

7. مدارا
استاندارد: 0.125 ± میلی متر (0.005 اینچ)
معمولی: 0.025 ± میلی متر (0.001 اینچ)
امکان پذیر: 0.0125 ± میلی متر (0.0005 اینچ)
تلورانس ها مرزهای ابعاد قابل قبول را مشخص می کنند.تلورانس های قابل دستیابی به ابعاد اساسی و هندسه قطعه بستگی دارد.مقادیر بالا دستورالعمل های معقولی هستند.اگر تلورانس مشخص نشده باشد، اکثر ماشین آلات از تلورانس استاندارد ± 0.125 میلی متر (0.005 اینچ) استفاده می کنند.

8. کلمات و حروف
اندازه فونت توصیه شده 20 (یا بزرگتر) با حروف 5 میلی متر است
کاراکترهای حکاکی شده ترجیحاً کاراکترهای برجسته هستند زیرا مواد کمتری حذف می شود.توصیه می شود از فونت های sans serif (مانند Arial یا Verdana) با اندازه حداقل 20 امتیاز استفاده کنید.بسیاری از ماشین های CNC روال های از پیش برنامه ریزی شده ای برای این فونت ها دارند.
تنظیمات ماشین و جهت گیری قطعات
نمودار شماتیک قطعاتی که باید چندین بار تنظیم شوند به شرح زیر است:
همانطور که قبلا ذکر شد، دسترسی به ابزار یکی از محدودیت های اصلی طراحی ماشینکاری CNC است.برای رسیدن به تمام سطوح مدل، قطعه کار باید چندین بار چرخانده شود.
به عنوان مثال، بخشی از تصویر بالا باید در مجموع سه بار چرخانده شود: دو سوراخ در دو جهت اصلی ماشین کاری شده و سومی وارد قسمت پشتی می شود.

هر زمان که قطعه کار بچرخد، ماشین باید دوباره کالیبره شود و یک سیستم مختصات جدید تعریف شود.
در نظر گرفتن تنظیمات ماشین در طراحی به دو دلیل مهم است:
تعداد کل تنظیمات دستگاه بر هزینه ها تأثیر می گذارد.چرخش و تنظیم مجدد قطعات نیاز به عملیات دستی دارد و کل زمان پردازش را افزایش می دهد.اگر قطعه لازم باشد 3-4 بار بچرخد، این امر به طور کلی قابل قبول است، اما هر بیش از این حد اضافی است.
برای به دست آوردن حداکثر دقت موقعیت نسبی، دو ویژگی باید در یک تنظیمات ماشین کاری شوند.این به این دلیل است که مرحله فراخوانی جدید یک خطای کوچک (اما نه ناچیز) ایجاد می کند.

ماشینکاری CNC پنج محوره
هنگام استفاده از ماشینکاری CNC 5 محور، نیاز به تنظیمات چندگانه دستگاه را می توان حذف کرد.ماشینکاری چند محوره CNC می تواند قطعاتی با هندسه پیچیده تولید کند زیرا آنها 2 محور چرخشی اضافی را ارائه می دهند.
ماشینکاری پنج محوره CNC به ابزار این امکان را می دهد که همیشه بر سطح برش مماس باشد.مسیرهای پیچیده تر و کارآمدتر ابزار را می توان دنبال کرد و در نتیجه سطح بهتر و زمان ماشینکاری کمتری داشت.
البته CNC 5 محوره نیز محدودیت هایی دارد.هندسه ابزار اصلی و محدودیت های دسترسی به ابزار همچنان اعمال می شود (به عنوان مثال، قطعات با هندسه داخلی را نمی توان ماشین کاری کرد).علاوه بر این، هزینه استفاده از چنین سیستم هایی بالاتر است.

کم طراحی
زیر برش ها ویژگی هایی هستند که نمی توان آنها را با ابزارهای برش استاندارد ماشین کاری کرد زیرا برخی از سطوح آنها را نمی توان مستقیماً از بالا مشاهده کرد.
دو نوع اصلی زیر برش وجود دارد: شیار T و دم کبوتر.Undercut می تواند یک طرفه یا دو طرفه باشد و با ابزارهای مخصوص پردازش شود.

ابزار برش T-groove اساساً از یک درج برش افقی متصل به یک محور عمودی ساخته شده است.عرض آندرکات ممکن است بین 3 تا 40 میلی متر متغیر باشد.توصیه می شود از ابعاد استاندارد برای عرض (یعنی افزایش میلی متری کامل یا کسرهای استاندارد اینچی) استفاده کنید زیرا احتمال وجود ابزار بیشتر است.
برای ابزارهای دم کبوتر، زاویه اندازه ویژگی را مشخص می کند.ابزارهای دم کبوتر 45 درجه و 60 درجه استاندارد در نظر گرفته می شوند.
هنگام طراحی قطعات با بریدگی روی دیوار داخلی، به یاد داشته باشید که فاصله کافی برای ابزار اضافه کنید.یک قانون خوب این است که حداقل چهار برابر عمق زیر برش بین دیوار ماشینکاری شده و هر دیوار داخلی دیگر اضافه شود.
برای ابزارهای استاندارد، نسبت معمولی بین قطر برش و قطر شفت 2:1 است که عمق برش را محدود می کند.هنگامی که نیاز به آندرکات غیراستاندارد باشد، ماشین‌فروشی معمولاً ابزارهای سفارشی آندرکات را به تنهایی می‌سازد.این باعث افزایش زمان و هزینه ها می شود و باید تا حد امکان از آن اجتناب شود.

شیار T شکل (سمت چپ)، شیار دم کبوتر (وسط) و زیر برش یک طرفه (راست) در دیوار داخلی
تهیه نقشه های فنی
توجه داشته باشید که برخی از معیارهای طراحی را نمی توان در فایل های step یا IGES گنجاند.اگر مدل شما حاوی یک یا چند مورد از موارد زیر است، باید نقشه های فنی دوبعدی ارائه شود:
سوراخ یا شفت رزوه دار
بعد تحمل
الزامات خاص پرداخت سطح
دستورالعمل برای اپراتورهای ماشین ابزار CNC

حساب سرانگشتی
1. قطعاتی را طراحی کنید که بتوان با بزرگترین قطر ابزار پردازش کرد.
2. فیله های بزرگ (حداقل ⅓ x عمق حفره) را به تمام زوایای عمودی داخلی اضافه کنید.
3. عمق حفره را به 4 برابر عرض آن محدود کنید.
4. کارکردهای اصلی طرح را در امتداد یکی از شش جهت اصلی تراز کنید.اگر این امکان پذیر نباشد، ماشینکاری CNC 5 محوره را می توان انتخاب کرد.
5. هنگامی که طرح شما شامل نخ، تحمل، مشخصات پایان سطح یا سایر نظرات اپراتور دستگاه است، لطفاً نقشه های فنی را همراه با نقشه ها ارسال کنید.