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设计指南:计算机数控(CNC)加工

魔猴君  知识堂   975天前

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工业塑料

铝合金

不锈钢

CNC工艺特性

图纸尺寸标注注意事项

机械制图的公差与配合及其标注方法


      CNC是计算机控制机床的简称,是一种由程序控制的自动化机床。该控制系统能够按预定逻辑处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,通过计算机将其译码,从而使机床执行规定好了的动作,通过刀具切削将毛坯料加工成半成品、成品零件。

     为了成功地在CNC机床上工作,程序会指示机器应该如何移动。使用CAM(计算机辅助制造)软件结合客户提供的CAD(计算机辅助设计)模型进行编码,给予CNC机床的编程指令,将CAD模型加载到CAM软件中,并根据制造零件的所需几何形状创建刀具路径,确定刀具路径后,CAM软件会创建机器代码,告诉机器移动速度,转动坯料/或刀具的速度,以及在5轴X,Y,Z,A和B坐标系。


      使用CNC车床与3轴或5轴CNC铣床相比,可以更经济地制造复杂的圆柱形状。CNC车床在使用过程中,切削刀具保持静止,零件坯料转动。相反,在CNC轧机上,切削刀具在坯料保持固定的同时移动。为了创建零件的几何形状,CNC计算机控制坯料的旋转速度以及固定工具的运动和进给速率。如果在圆形零件上需要方形特征,则首先在CNC车床上创建圆形几何图形,然后在CNC铣床上创建方形特征。


       由于计算机控制机器运动,X,Y和Z轴可以同时移动以创建从简单直线到复杂几何形状的所有内容。不过,尽管在机械加工和CNC控制方面取得了进步,但CNC加工仍然存在一些局限性,并且不能创建所有形状和特征。本指南将会对这些有所讨论。

一、公差

1、标准公差

如果客户未提供图纸或规格表,模型制造产品遵从下列规格:

    默认情况下,陡边,锐边会被钝化(倒圆角),如果有必须要保留的清晰锐边,请在下单时提前告知。

    默认尺寸精度(长度,宽度,高度,直径)和位置精度(位置,同心度,对称性)为0.1 mm

   对于方向(平行度和垂直度)和形状(圆柱形,平面度,圆度和直线度)特征的精度,应用公差如下:

   0-30 cm      公差 0.12 mm  角度差  +/- 0.5度

   30-60 cm    公差 0.25 mm  角度差 +/- 0.5度

   60-90 cm    公差 0.4 mm   角度差 +/- 1度

   90-120 cm  公差 0.6 mm   角度差 +/- 1度

    >120 cm    公差 1.2 mm   角度差 +/- 1度


2、零件公差

      公差是否在可接受范围,是由设计者根据零件的形状、装配以及功能确定的。除非设计师有特别要求,否则加工使用的标准公差为金属零件0.1mm,塑料零件为+/- 0.2 mm。如果需要更严格的公差(比方说公差0.05mm),则必须将关于哪些尺寸需要更严格公差的信息标注在图纸上或与我们提前沟通。

      重要的是要记住,由于废料增加,额外的夹具,特殊的测量工具和/或更长的循环时间,更严格的公差要求会导致额外的成本(机器可能需要减速才能保持更严格的公差)。根据公差调出和与之相关的几何形状,零件成本可能是标准公差的两倍以上。

      总体几何公差也可以应用于零件的图纸,不同的公差要求,会产额外的检查、生产时间,因而也可能会产生额外的成本。为了最大限度地降低成本,节省费用,建议仅对关键区域应用严格的公差或者整体的零件几何公差。


二、大小限制

1、铣床

      零件尺寸受限于设备尺寸和零件特征所需的切削深度。 加工深度不等于设备的Z轴行程,每个零件的加工深度,是有零件本身决定的。

2、车床

我们的车床可以加工直径达450mm的零件,但特殊情况下可以制造更大的零件。


三、材料选择

    材料选择对于确定零件的整体功能和成本至关重要,设计师根据零件的需求,来确定材料,考虑材料的相关性能,如 硬度,刚度,耐化学性,热处理性,热稳定性等。

A、材料毛坯

材料毛坯是指用于创建成品零件的原材料的尺寸,一般毛坯尺寸比成品部件的尺寸要大,以允许原材料的变化。例如,如果最终尺寸为1x 1x 1,则零件的毛坯为1.1x 1.1x 1.1。

B、金属

我们CNC加工以下金属:

铝合金,不锈钢,碳钢,黄铜,紫铜等 其他定制金属

一般加工塑料和较软金属(例如铝和黄铜)容易,且需要较少的机器时间,从而降低了加工成本。不锈钢和碳钢等较硬的材料必须使用较慢的主轴转速和机器进给速率,这使得比软的材料的加工时间更长,成本更高。当然,材料本身的成本也是千差万别,即便同是不锈钢,304不锈钢比1018锈钢原材料价格高1倍。




C、塑料

我们CNC可以加工以下塑料:

ABS 尼龙 pp聚丙烯,PTFE,PC聚碳酸酯等以及其他定制塑料

如果零件不需要金属的刚性,塑料可以是比金属更便宜的替代品。

注意:塑料可能难以保持严格的公差。 由于材料被移除时产生的应力,零件也可能在加工后发生翘曲。

三、复杂性和局限性

       CNC加工可以有效地生成简单和复杂的设计。 零件越复杂,即具有曲面几何形状或需要切割的多个面的零件 - 由于需要额外的设置和加工时间而成本更高。 当零件仅需要一套设置和3个轴运动(例如X和Y,以及刀具运动的Z轴)时,可以更快地完成设置和加工,从而最大限度地降低成本。

      为了得到具有合适表面光洁度的复杂曲面,需要使用小刀具,这些小切口比正常切口花费的时间长得多,增加了很多成本。 为了帮助最大限度地降低成本和加工时间,尽量不要使用曲面。

1、3轴与5轴加工

几何形状复杂,有曲面的零件如果 使用3轴加工制造可能需要多次设置,定制夹具和其他昂贵的加工过程。 在这种情况下,5轴加工可以避免这些问题。

五轴机器

      5轴加工中的“5轴”是指零件和工具可以在其上移动的5个不同的轴。 这种协调运动允许更少的加工次数,更快的切割速度,更高效的刀具路径和更好的表面光洁度。

在第一个示例中,使用5轴技术,示例部件上的6个面中有5个可以通过一次设置进行加工。 这减少了创建3轴机器所需的其他4种设置的成本和时间。


2、倒角

     使用CNC立式或卧式铣床时,所有内部垂直壁都有半径,这是因为使用以高速旋转的圆形工具(刀具)去除材料留下的。 零件设计必须考虑倒角。

3、内角倒角

    对于内角倒角,使用非标准半径可能更好。这是因为在跟踪内部拐角时,立铣刀需要间隙来转动并继续铣削(见图1)。

如果零件具有2.5内径,则标准立铣刀需要敲击拐角,完全停止,旋转90度,然后重新开始切削。这样做会降低加工速度(产生额外成本),并且还会引起振动(产生颤动痕迹)。通过在内半径上加0.5到1mm,刀具可以轻微转动而不会完全停止。这不仅会降低零件的成本,还会改善零件的整体性能(见图2)。

 

半径越大,成本越大,可以使用更大的工具来加工更大的零件,从而导致每次切削时更多的材料被移除,这反过来又减少了加工时间。

     虽然可以使用小半径工具,但有时需要的切割深度使得切割变的不可能,当切削深度大于切削刀具直径的2倍时,刀具的进给速度必须减慢,这会加工时间和零件成本。每增加一倍的切割长度,进给速度就会减半,时间增加了一倍多。一般挖槽的深度不大于刀具直径的4倍,钻孔不超过10倍。


4、底板倒角

当创建与拐角相交的底板倒角时,如果地板半径小于墙半径,则更容易加工。 使用现代CAD系统,设计人员可以轻松地让计算机生成相同尺寸的地板和墙壁半径,只需点击几下,但这样就很难将角落中的材料移除。 通过使地板半径小于壁半径,可以使用相同的工具来移除材料,从而产生通过拐角的平滑流动。

5、底切

CNC很难加工底切,如果有底切,需要精心设计,也可能需要定制特殊工具,底切越小越好,越少越好,非非常必要最好不要有,如果必须有,或建议使用3D打印来制作


四、零件的完成

1、螺纹

有几种方法可以在零件中创建螺纹:切割丝锥,形状丝锥或螺纹铣刀。 所有这些方法都很有效,但设计人员应牢记以下几点:

a.始终选择设计允许的最大螺纹尺寸 - 这使制造过程更容易。

b.丝锥越小,生产过程中破碎的可能性就越大。

c.螺纹线程只加工到必要的长度。 深螺纹孔会增加部件成本,因为可能需要专门的工具来满足深度要求。

2、表面处理

a. 标准机加 As milled

简单说,从CNC出来后,做简单去毛刺处理,表面可能可见加工痕迹,有刀痕,表面粗糙度相当于125 RMS表面,如果将表面光洁度要求提高到63,32或16 RMS会增加成本,因为可能需要降低进给速率或可能需要额外的后处理。


b. 喷砂

通过将小玻璃珠吹向指部件,产生具有哑光效果的轻质纹理。 如果需要对不需要喷砂的表面或孔进行遮盖,则可能产生额外的成本。

阳极氧化(II型)

这种类型的表面处理可以产生耐腐蚀的表面,零件可以采用不同颜色进行阳极氧化 - 最常见的是透明,蓝色,黑色。

阳极氧化(III型)

除了II型所见的耐腐蚀性之外,这种类型更厚并且形成耐磨层。


烤漆

这是一种将粉末涂料喷涂到部件上然后在烘箱中烘烤的过程。 这样就形成了坚固耐磨,耐腐蚀的层,比标准涂装方法更耐用。 有多种颜色可供选择,以达到理想的美感。


加工设备

3轴/4轴/5轴CNC加工中心(电脑锣),数控车,走心机一应俱全;同时还有应对大型零件的龙门铣加工中心;精密磨床、电火花、线切割(快/中/慢走丝)等辅助加工设备。

精度与尺寸

铣加工的定位公差最高可达±0.1mm,车加工的公差最高可达±0.05mm;铣加工的最大加工尺寸可达2100mm x 1600mm x 800mm,车加工最大加工直接可达400mm。

材料及后处理

支持金属(如铝合金、不锈钢、碳素钢、钛合金、镁合金、铜等)和非金属(ABS、有机玻璃、特氟龙PTFE、PEEK、PC、赛钢POM等)的加工。并提供喷砂氧化、电镀、丝印、镭射等多种后处理的一条龙服务。

数量及加工周期

提供快速打样(1件起订)、小批量试制和批量生产服务;最快2天提供样品,小批量和批量生产近7天准时交货率达95%;批量生产产品一致性好,价格极具竞争力

本文提到的3D打印材料简介

具有良好的比强度、耐高温、耐腐蚀和生物相容性,适合做航空航天,复杂构件以及生物医疗等应用。
   

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