Пълно ръководство за CNC фрезовани части: Видове, материали, толеранси, процеси

Какво е CNC фрезоване?

CNC фрезоването е висококачествен метод за изработване на части чрез изрязване на материал от плътен блок. Технически това се нарича субтрактивен производствен процес. Той работи чрез използване на компютърно контролирани режещи инструменти с множество остри ръбове, които се въртят бързо, за да издълбаят парче материал, което е здраво заключено на място. За разлика от струговането, фрезоването е изключително добро при издълбаването на сложни, неравни форми, обекти с плоски повърхности и персонализирани 3D дизайни.

При изработката на дадена част, действителната форма и дизайн на обекта ще определят от 60% до 80% от общите разходи за неговото производство. Тъй като дизайнът има огромно влияние върху цената, е абсолютно необходимо той да се планира така, че да е лесен и рентабилен за реално изграждане. Това гарантира, че проектът ще остане икономически жизнеспособен.

CNC фрезоването е златният стандарт за създаване на крайни, работещи части, които действително ще бъдат използвани в реалния свят. Основната причина за това е, че фрезоването изрязва част от плътен блок материал. Това означава, че готовата част запазва оригиналната, равномерна здравина на материала във всяка посока. Съвременната алтернатива, 3D печатът, изгражда частите слой по слой и често създава слаби точки между тези слоеве. Това е основната причина, поради която CNC фрезоването остава ценно за професионална работа.

Какъв е процесът на производство на детайли с CNC фрезоване?

Фаза 1: CAD моделиране и преобразуване от CAD към CAM

Преди дори да се включи машината, детайлът трябва да бъде дигитално подготвен и преведен в инструкции, които машината може да разбере.

Първо, стандартни 3D CAD модели (STEP/IGES) се зареждат в специализиран CAM софтуер. Този софтуер анализира формата и изчислява абсолютно най-добрите маршрути за режещите инструменти, скоростите на подаване и колко бързо трябва да се върти шпинделът. След това тези планирани маршрути се преобразуват в специфичен език за програмиране, наречен G-кодове. Те управляват многоосните двигатели на машината. Преди да се реже истински метал, на компютър се провеждат цифрови тестове, за да се провери колко материал инструментът отхапва наведнъж и да се гарантира, че машинният инструмент няма случайно да се удари във вътрешните части на машината.

Фаза 2: Настройка на машината и захващане на детайла

След като цифровите инструкции са готови, физическото работно пространство трябва да бъде подготвено да се справи с екстремни сили. Суровият материал трябва да бъде закрепен изключително здраво, за да издържи на големи сили на рязане. За да направят това, машиностроителите използват тежки механични менгемета, силни вакуумни системи или мощни магнити.

След това, действителните режещи инструменти се зареждат в машината. Операторът след това гарантира, че цифровата начална точка на машината, или работната координатна система (WCS), съвпада перфектно с точните начални точки, посочени в основната референтна рамка. Те постигат това прецизно подравняване с помощта на високочувствителни ръботърсачи или сонди.

Фаза 3: Изпълнение на машинни операции

След като всичко е програмирано и заключено на място, започва самото рязане на метала.

Процесът започва с бързо и агресивно изрязване на големи, нежелани парчета от материала. След като по-голямата част от него е изчерпана, машината преминава към много леки, внимателни разрези, използвайки изключително остри инструменти, движещи се бавно. Това се прави, за да се постигне точният краен размер и желаната грапавост на повърхността.

По време на процеса на обработка, рязането на твърд метал създава интензивно триене и топлина. За да се отстрани това, към инструмента се насочва силна струя охлаждаща течност или MQL (Minimum Quantity Lubrication - смазка с минимално количество), за да се намали топлината и да се отмият металните части.

Фаза 4: Контрол на качеството и последваща обработка

Когато детайлът бъде изваден от машината, той трябва да бъде почистен и измерен, за да се гарантира, че е създаден правилно.

Новоизрязаните парчета може да имат опасно остри ръбове. Те преминават през процес на обезкостяване, за да се заоблят тези ръбове с 0,13 до 0,38 мм. След това могат да получат специални повърхностни обработки, като анодиране или пасивация.

Точните измервания на детайла и характеристиките на GD&T се проверяват от много чувствителни CMM, за да се гарантира, че детайлът отговаря на проектния план. След това тези измервания се обединяват с официални доклади за проверка на първия детайл и сертификати за материали (доклади FAI и MTR), така че може да се проследи цялата история на производството.

Често срещани видове CNC фрезови части

Корпуси и заграждения

Те са защитни корпуси за чувствителни вътрешни елементи. Основната им задача е да предпазват чувствителната електроника от прах и влага и да предотвратяват електромагнитни смущения (EMI). Тези кутии често имат дълбоки отвори, много тънки стени и уникални слотове за О-пръстени, за да поберат цялата електроника и да я уплътнят перфектно. Алуминият 6061-T6 е силно предпочитан за тях, защото е естествен EMI екран.

Скоби и монтажни компоненти

Те са структурните „костели“, които свързват различните части на машината. Те са важни носещи конектори в самолетите, автомобилостроенето и роботиката. Проектирането на тези секции е балансиращ акт. Те трябва да бъдат много твърди, но възможно най-леки. Отворите за болтове трябва да бъдат супер точни, с минимален толеранс от едва +/– 0,1 мм. Много здравият Al 7075-T6 или Ti Grade 5 се използва от производителите за оптимална здравина без увеличаване на теглото.

Плочи, панели и капаци

Тези плоски части се използват за затваряне на машини или за осигуряване на идеално равна основа. Те действат като основни структурни основи или капаци. За да се гарантира, че уплътненията за течности или газове няма да изпускат, повърхностите трябва да са изключително плоски с точност до микроскопични 0,05 мм. Специфичен вид инструментална плоча от лят алуминий, като MIC-6, е индустриалният стандарт. Главно поради изключителната си размерна стабилност.

Термични части и радиатори

Радиаторите отвеждат топлината от чувствително оборудване, за да предотвратят прегряване. Те са предназначени за охлаждане на електроника с висока мощност. Високочистата мед (C110) или алуминий 6061-T6 са основният избор заради техните свойства на топлопроводимост. Те имат плътни масиви от тесни ребра, за да изложат възможно най-много метал на охлаждащия въздух.

Колектори и компоненти за потока

Мислете за тези части като за сложни контролери за движение на течности и газове вътре в машина. Те контролират посоката и количеството флуид или газ, движещи се през системата. Те постигат това с помощта на мрежа от пресичащи се отвори и специализирани резбови свързващи точки, които могат да издържат на интензивно налягане.

Тъй като те работят с течности под налягане, точните форми и размери трябва да бъдат перфектни, а вътрешните повърхности трябва да са изключително гладки, специално измерени до средна грапавост Ra 0,8 µm. Това предотвратява изтичането на високоскоростни течности.

Персонализирани функционални части

За да се осигури безупречната им работа, от тези високоспециализирани механични компоненти се изисква изключително физическо натоварване. Компоненти, които се самозатягат, специални зъбни колела със заключващи се зъби и прецизни валове, всички те попадат в тази категория. Те изискват CNC машината да постига точната си цел отново и отново на микроскопично ниво.

Това обикновено включва използването на сложно оборудване, способно едновременно да струга метала като струг и да го реже като мелница. Типичният избор на материали е този, който може да издържи на многократно шлифоване и триене, като например изключително издръжливи индустриални пластмаси или внимателно обработени, закалени стомани.

Често използвани материали за CNC фрезоване

CNC фрезоване на метали

Металите са гръбнакът на CNC обработката, избрани въз основа на това колко напрежение, топлина или износване трябва да понесе крайната част.

• Алуминий: Това е изключително често срещано. Стандартната версия 6061-T6 се използва за ежедневни механични части, докато много по-здравата версия 7075-T6 се използва за части за самолети, които трябва да издържат на екстремни сили.

• Неръждаема стомана: 304/316 се използва предимно в чисти среди като болници или в океана, където ръждата е опасност. Тъй като този метал не абсорбира и не разпределя топлината много добре, той изисква агресивно отвеждане на стружките, за да не се стопят обратно върху инструмента или детайла.

• Стомани: Стандартната стомана 1018 се използва за скобите, които държат други части. Друг вариант, 12L14, е направен специално за много бързо рязане за масово производство на винтове и болтове. И накрая, компонентите, които трябва да понасят огромни натоварвания на огъване без остатъчна деформация, са изработени от високоякостна стомана 4140.

• Екзотика: Титан клас 5 е рядък и необичаен метал. Той е издръжлив въпреки лекото си тегло, което го прави идеален избор за самолети. Inconel 718 е проектиран да издържа на температури, които са толкова високи, че могат да унищожат двигателите.

CNC фрезоване на пластмаса

Пластмасата се използва, когато частите трябва да бъдат леки, хлъзгави или устойчиви на специфични вещества.

• POM (Delrin): Индустриална пластмаса, която е много лесно обработваема, има ниско триене по природа и стабилни размери.

• PEEK: Ултраефективен термопластичен материал за медицински импланти и запечатване на самолети. Много твърд и може да издържи на силна топлина до 250°C.

• Стандартни индустриални пластмаси: Използвайте пластмаси като найлон, ABS и поликарбонат за части, изискващи износоустойчивост или оптична прозрачност. Найлонът е гъбоподобен материал и се обработва на сухо. Той би попивал влага и би набъбнал, променяйки точната си форма.

Матрица за сравнение на избора на материали

Какви допуски може да поддържа CNC фрезоването?

Толерансът на CNC фрезоване зависи от контролирания елемент, материала, размера, достъпа до инструмента, захващането на детайла, броя на настройките, температурата и метода на проверка. Едно число не може да опише всеки елемент на даден детайл. Прецизният отвор се държи различно от широката повърхност или тънката стена. Чертежът трябва да определя по-строги контроли само там, където функцията, пасването, уплътнението, подравняването или движението ги изискват.

Следните стойности са практически отправни точки за RFQ (заявки за оферти). Окончателните ангажименти изискват преглед на чертежа и специфичен за характеристиките план на процеса.

Ръководство за проектиране на CNC фрезовани части: стъпка по стъпка

Стъпка 1: Вътрешни ъгли и радиуси на кухини

Фрезовите машини не могат да изрязват идеално квадратни кутии във вътрешността на материала. Физически е невъзможно те да издълбаят остри вътрешни ъгли под ъгъл от 90 градуса. Те винаги ще оставят заоблен ръб поради цилиндричните фрезови инструменти.

За да се вземе предвид това, трябва да проектирате вътрешните си ъгли със заоблени форми. Радиусът на тази крива трябва да бъде поне 1/3 от дълбочината на отвора. В идеалния случай направете тази крива с 10% до 30% по-голяма от самия инструмент, така че машината да може да се движи непрекъснато през струга.

Стъпка 2: Изберете най-добрата дебелина на стената

За да се предотврати деформация, дължаща се на налягането и вибрациите на режещия инструмент, обработените стени трябва да притежават достатъчна здравина.

• Метали: Минимална дебелина 1,0 мм. Максимално съотношение височина/дебелина 4:1.

• Пластмаси: Минимална дебелина 1,5 мм поради по-ниска твърдост. Максимално съотношение височина/дебелина 8:1.

Стъпка 3: Стандартизиране на дълбочината на резбата и отвора

При проектирането на отвори и резби, твърде дълбокото пробиване създава огромни проблеми за производствения процес. Винаги проектирайте отвори, които да съответстват на размерите на стандартните свредла. Що се отнася до дълбочината, никога не проектирайте отвор, който е по-дълбок от 4 пъти диаметъра.

За частта от отвора, която действително има резба, не я правете по-дълбока от 2,5 пъти номиналния диаметър на винта. В случай на глухи отвори, трябва да оставите допълнително празно пространство отдолу. Това нерезбово пространство трябва да е равно на 3 пъти стъпката на резбата.

Стъпка 4: Специфични допустими отклонения на материалите и грапавост на повърхността

Трябва да съобразите допустимото отклонение с това колко гладка е действително повърхността. За нормални машинни части използвайте ISO 2768-m. Това осигурява приемливо отклонение в размера от ± 0,1 mm до ± 0,2 mm и типична степен на гладкост на повърхността Ra от 1,6 до 3,2 um.

Изискват се ултрагладки, огледални покрития, Ra 0.8 µm, само когато е абсолютно необходимо, например при притискане към течащи течни уплътнения или където са монтирани въртящи се колела.

Често срещани грешки в дизайна и как да ги избегнем

Грешка 1: Прекалено дълбоки джобове и кухини

Много дълбоките отвори изискват много дълги режещи инструменти, което представлява огромни механични проблеми.

• Проблемът: Ако направите джоба с повече от три пъти собствената си ширина, машината трябва да използва дълги инструменти. Инструментът е доста дълъг и тънък, което води до силни вибрации по време на рязане, заострени стени и склонност към счупване на инструмента.

• Решението: Поддържайте съотношение дълбочина към ширина не по-голямо от 3:1. Ако е необходимо да е по-дълбоко, направете отвора по-широк, за да може да се използва по-дебел и по-здрав инструмент, или изградете детайла като болтов монтаж от няколко части.

Грешка 2: Задаване на ненужно строги толеранси

Изискването за изключителна прецизност навсякъде по дадена част е най-бързият начин да изчерпите производствения си бюджет.

• Проблемът: Налагането на микроскопичен толеранс от ± 0,01 мм при всяко измерване незабавно ще увеличи цената на вашата част с 200% до 400%. Това се случва, защото стандартните фрезови машини не могат лесно да достигнат това ниво на прецизност, принуждавайки производителя да използва по-бавно и много по-скъпо вторично прецизно шлифоване.

• Решението: За по-голямата част от детайлите използвайте стандартното и достъпно правило за производство ISO 2768-m. Изисквайте изключително строги допуски само в специфичните области, които трябва да щракнат в друга част или където безопасността е от значение.

Грешка 3: Пренебрегване на достъпа до инструменти

CNC инструмент може да реже само това, което физически може да достигне по права линия.

• Проблемът: Ако поставите сложни форми отгоре, отдолу и отстрани на даден детайл, машинистът трябва да спре машината, да развие детайла, да го обърне и да го подравни няколко пъти. Всеки път, когато детайлът се премества, се натрупват грешки в подравняването.

• Решението: Опитайте се да проектирате всички сложни елементи така, че да могат да бъдат достигнати от една посока. Ако абсолютно трябва да изрежете скрит жлеб странично в Т-образните канали на детайла, уверете се, че жлебът е поне 150% по-широк от шийката на инструмента, за да не се счупи.

Грешка 4: Пренебрегване на отклонението на материала

Металите и пластмасите не са идеално твърди. Те се огъват и прегъват под налягане и топлина.

• Проблемът: Екстремната топлина при рязане и силата на смачкване на скобите могат временно да деформират деликатните части. Докато е заключена в машината, детайлът изглежда перфектно. Но в момента, в който освободите скобите, натрупаното напрежение се освобождава и детайлът физически деформира.

• Решението: Започнете с материали, освободени от напрежение. По време на рязане потопете детайла в охлаждаща течност и го дръжте с помощта на леки, специално изработени скоби, вместо стандартни тежки менгемета.

Какви са приложенията на CNC фрезованите части?

CNC фрезованите части се използват в много индустрии, включително аерокосмическата, автомобилната, медицинската, електрониката, роботиката и промишленото оборудване. Те са особено подходящи за приложения, които изискват строги допуски, сложни геометрии, надежден монтаж и постоянно качество на повърхността.

Аерокосмическа индустрия

Самолетите разчитат в голяма степен на структурни опори, изработени от здрав титан и алуминий. За да бъдат възможно най-леки, машините силно издълбават метала, докато 95% от оригиналния суров материал се изчерпи. Остава еднокомпонентна, изключително издръжлива и лека рамка, която е в съответствие с AS9100.

Медицински

Специализирани медицински производствени предприятия със сертификат ISO 13485 изрязват биосъвместим титан и PEEK в ортопедични пластини. Те използват персонализирана резба, която активно придърпва счупените кости една към друга, докато винтовете се затягат.

Автомобилна индустрия

Корпусите за батерии на електрически превозни средства и частите за високопроизводителни автомобили са изработени от Al 6061 и легирани стомани. За частите на състезателните двигатели, работниците полират ръчно, за да заличат микроскопичните драскотини, които биха могли да се напукат под екстремно налягане.

Електроника

Филтрите за телекомуникационни 5G базови станции изискват сложно, многоосно челно фрезоване. Тъй като металът се нагрява, когато се нагрее от рязане, машините трябва автоматично да се настройват в движение, за да поддържат крайната повърхност идеално равна, като варират не повече от 0,01 мм на огромно разстояние от 300 мм.

Как да изберем правилния производител на CNC фрезови части？

Изборът на правилния производител на CNC фрезови части е важен, защото влияе върху качеството на детайлите, времето за изпълнение и надеждността на производството. Добрият доставчик трябва да може да подкрепи вашия проект по отношение на възможностите за машинна обработка, материалите, контрола на качеството и инженерната комуникация.

Оценка на възможностите за машинна обработка

Първата стъпка е да проверите дали производителят разполага с подходящите възможности за обработка на вашите части. Това включва тип машина, възможности на осите, диапазон на размерите на детайлите, контрол на толерансите и опит със сложни геометрии. Ако вашият проект включва строги допуски, многостранна обработка или детайлни елементи, доставчикът трябва да може да демонстрира съответния производствен опит.

Проверете материала и поддръжката на толерансите

Квалифициран производител трябва също така да може да обработва материалите, необходими за вашия проект, като алуминий, неръждаема стомана, месинг, титан или инженерни пластмаси. В същото време той трябва да разбира практическите стандарти за толеранс и да знае как да балансира точността с производствеността и цената. Добрата поддръжка на материалите и толерансите е ключов знак за инженерна надеждност.

Преглед на прототипа и гъвкавост на производството

Не всеки производител на CNC фрезовани части е еднакво силен както в прототипирането, така и в производството. Някои доставчици са по-подходящи за развойна работа с малък обем, докато други се фокусират върху средно до голям обем производство. Изборът на производител, който може да отговори на вашите текущи нужди и евентуални бъдещи етапи на производство, може да подобри непрекъснатостта и да намали риска от смяна на доставчика.

Потвърдете стандартите за контрол на качеството

Контролът на качеството е друг критичен фактор. Добрият производител трябва да има ясни процедури за инспекция, подходящо измервателно оборудване и стабилен процес за управление на качеството. Това може да включва проверка на първия артикул, проверки по време на процеса, крайна проверка и проверка на размерите с помощта на инструменти като шублери, микрометри, височини или CMM системи.

Сравнете времето за изпълнение и инженерната поддръжка

Времето за изпълнение и техническата комуникация също са от значение. Силният доставчик трябва да може да предостави реалистични графици за доставка, ясна обратна връзка относно производствените възможности и практически предложения за подобряване на дизайна на частите или намаляване на разходите за машинна обработка. Добрата инженерна поддръжка често е също толкова важна, колкото и капацитетът на машината, особено за детайли, изработени с CNC фрезоване по поръчка.

Като цяло, най-добрият производител на CNC фрезови части не е просто този с най-ниска цена. Това е този, който може постоянно да осигури правилния баланс между прецизност, качество, поддръжка и надеждност на производството за вашия конкретен проект.

Защо да изберете MAIJIN Metal за стартиране на проект с CNC фрезоване

От 2006 г. насам, ShenZhen MaiJin Metal Works предоставя сертифицирано по ISO 9001:2015 CNC фрезоване по поръчка на компании в над 30 страни.

• Усъвършенствана технология: Те използват едновременни 5-осни системи. Тъй като детайлът може да се върти свободно, не е необходимо да се развива и мести, което елиминира грешките при подравняване при многократна настройка. Тези машини също така автоматично се настройват за топлинно разширение в реално време.

• Изключителна точност: Те могат да достигнат точни линейни допуски до микроскопични ± 0,01 мм. Те постигат това, като машината автоматично измерва детайла чрез процедури за измерване по време на процеса, а след това стриктно го проверява с роботизирано измерване (валидиране с CMM) съгласно ASME Y14.5.

• Финално полиране: Те предлагат анодиране, електрополиране и пасивация. За дълбоки, труднодостъпни вътрешни течни тунели, те използват специално оформени титаниеви електрически пръти, за да осигурят равномерно полиране на вътрешността и труднодостъпните вътрешни колектори.

Заключение

За да получите абсолютно най-доброто качество за парите си, трябва внимателно да съчетаете функционалното дизайнерско намерение с правилния избор на материали. Следвайте строго планиране на проектирането за производство (DFM). Ако изисквате изключителна, микроскопична прецизност за части, които просто трябва да изглеждат добре, или ако пренебрегнете физиката на инструменталната екипировка, в крайна сметка ще увеличите производствените разходи и ще предизвикате бракуване на качествени продукти.

За глобалните високотехнологични индустрии с напреднали технологии, които се нуждаят от части с висококачествени компоненти, работата с експертна фабрика като ShenZhen MaiJin Metal Works Co., Ltd. прави целия процес на покупка много по-лесен. От производството на един прототип до производството на хиляди идентични части, те могат да се справят с всичко. От създаването си през 2006 г. MaiJin Metal е спечелила световно признание като лидер в инженерството. Нашите CNC фрезови услуги са несравними и сме помогнали на клиенти в над 30 страни да получат сертификат ISO 9001:2015.

Ускорете производствения процес, като импортирате 2D или 3D STEP файлове в MaiJin Metal. Професионален инженер ще прегледа щателно вашия дизайн за DFM. След това, в рамките на 24 часа, ще получите справедлива ценова оферта за вашите персонализирани машинно изработени части.

Често задавани въпроси

В1: Как изборът на материал влияе върху цената на CNC фрезоване?

Скоростта на рязане се определя от материала. Със скорост на рязане десет пъти по-висока от тази на титана, алуминият значително намалява отчитането на машинните часове. В сравнение с обикновените стомани, машинообработващата се въглеродна стомана (12L14) с добавено олово като твърдо смазочно вещество може да намали производствените разходи с до 40%.

В2: Защо е трудно да се постигнат вътрешни остри ъгли с CNC фрезоване?

По дефиниция, въртящите се цилиндрични инструменти оставят радиус. Използването на деликатни, бавнорежещи инструменти е необходимо за определяне на малки ъгли. За да се избегнат скъпите процедури за електроерозионна обработка (EDM), инженерите създават релефи тип „кучешка кост“, които позволяват на обикновените здрави фрези да поставят правилно квадратните компоненти.

В3: Кога трябва да избера 5-осно фрезоване пред 3-осно?

За сложни триизмерни форми, движещи се подрязвания или елементи в различни равнини, 5-осният режим е най-добрият избор. Общото време за изпълнение се намалява драстично чрез компресиране на много ръчни настройки за затягане в един автоматизиран поток, което води до по-добра почасова ставка.