Wie man Teile für die CNC-Bearbeitung konstruiert
Die CNC-Bearbeitung ist eine der effizientesten und präzisesten Fertigungsmethoden, die es gibt. Um jedoch die besten Ergebnisse zu erzielen, muss man wissen, wie man Teile für die CNC-Bearbeitung konstruiert.
In diesem Blog finden Sie Richtlinien und bewährte Verfahren für die Konstruktion von Teilen für die CNC-Bearbeitung.
Was ist ein CNC-Bearbeitungsprozess?
CNC (Computer Numerische Steuerung) Bearbeitung ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, mit dem Sie präzise Teile herstellen können. Sie beginnen mit einem massiven Materialblock, und Schneidwerkzeuge entfernen Abschnitte, um das Endprodukt zu formen.
Diese Methode bietet eine hohe Genauigkeit und funktioniert bei Metallen, Kunststoffen und anderen Materialien. Da es jedoch auf Schneidwerkzeuge angewiesen ist, müssen Sie bestimmte konstruktive Einschränkungen berücksichtigen, um die Herstellbarkeit zu gewährleisten.
Was sind die Beschränkungen eines CNC-Entwurfs?
Mit der CNC-Bearbeitung können Sie komplexe Teile herstellen, aber es gibt einige Grenzen. Diese Grenzen ergeben sich aus der Funktionsweise der Schneidwerkzeuge und werden im Folgenden erläutert.
Werkzeug-Geometrie
Die meisten CNC-Werkzeuge, wie Schaftfräser und Bohrer, sind zylindrisch und haben eine begrenzte Schnittlänge. Wenn das Werkzeug Material abträgt, hinterlässt es seine Form. Das bedeutet, dass Innenecken immer eine abgerundete Kante haben, selbst wenn Sie ein sehr kleines Werkzeug verwenden.
Zugang zum Werkzeug
CNC-Werkzeuge schneiden gerade nach unten auf das Material. Wenn ein Teil Ihres Entwurfs nicht von oben erreicht werden kann, kann er nicht bearbeitet werden. Eine Ausnahme sind Hinterschneidungen. Hierfür sind spezielle Werkzeuge erforderlich, über die Sie später mehr erfahren.
Um die Bearbeitung zu erleichtern, sollten Sie versuchen, Löcher, Wände und andere Merkmale in einer der sechs Hauptrichtungen auszurichten (oben, unten, vorne, hinten, links, rechts). Moderne 5-Achsen-CNC-Maschinen können jedoch auch komplexere Winkel bearbeiten.
Wenn Sie tiefe und schmale Merkmale haben, muss das Werkzeug tiefer gehen, was zu mehr Vibrationen und geringerer Genauigkeit führen kann. Um dies zu vermeiden, konstruieren Sie Teile, die mit dem größtmöglichen Werkzeug mit der kürzestmöglichen Länge bearbeitet werden können. Dadurch wird der Prozess reibungsloser und präziser.
Werkzeug Steifigkeit
Bei der CNC-Bearbeitung werden Ihre Schneidwerkzeuge aus starken Materialien wie Hartmetall oder Wolfram hergestellt, die härter sind als das Werkstück. Aber selbst starke Werkzeuge können sich beim Schneiden ein wenig verbiegen. Diese Biegung, auch Werkzeugdurchbiegung genannt, kann kleine Fehler in Ihrer Arbeit verursachen.
Wenn Sie keine extreme Genauigkeit benötigen, ist das vielleicht kein großes Problem. Wenn Sie jedoch an einem sehr präzisen Auftrag arbeiten, kann selbst eine kleine Biegung das Endergebnis beeinträchtigen und Ihre Gestaltungsmöglichkeiten einschränken.
Steifigkeit des Werkstücks
Selbst wenn Ihre Schneidewerkzeuge sehr stabil sind, funktionieren sie möglicherweise nicht gut bei besonders harten Materialien.
Wenn das Werkstück zu steif ist, kann es während der Bearbeitung wackeln oder sich verbiegen. Dies kann es Ihnen erschweren, genaue Ergebnisse zu erzielen, insbesondere wenn Sie sehr enge Toleranzen benötigen.
Form des Werkstücks
Die Form Ihres Werkstücks beeinflusst, wie leicht oder schwer es zu bearbeiten ist. Wenn die Form zu komplex ist, müssen Sie sie möglicherweise mehrmals anhalten und anpassen, was den Prozess verlangsamt.
Selbst wenn Sie eine fortschrittliche Maschine verwenden, müssen Sie das Werkstück möglicherweise mehrmals drehen, was die Produktion weniger effizient macht. Mit einfachen Entwürfen können Sie Zeit sparen und bessere Ergebnisse erzielen.
Werkstückträger
Es ist wichtig, dass Sie Ihr Werkstück während der Bearbeitung gut festhalten. Wenn ein Teil Ihrer Einrichtung schwach ist, kann Ihre Maschine oder Ihr Werkzeug vibrieren und die Genauigkeit verringern.
Wenn sich das Werkstück während der Bearbeitung bewegt, kann jedes fertige Teil leicht unterschiedlich ausfallen. Eine solide Einrichtung hilft Ihnen, jedes Mal die gleichen hochwertigen Ergebnisse zu erzielen.
Richtlinien für einen CNC-Entwurf
Für die Konstruktion von Teilen für die CNC-Bearbeitung gibt es keine strengen Regeln, da Maschinen und Werkzeuge ständig verbessert werden. Diese Richtlinien helfen Ihnen, Entwürfe zu erstellen, die leichter zu bearbeiten sind.
Toleranzen
Toleranzen legen fest, wie stark die Größe eines Teils variieren kann. Die meisten CNC-Bearbeitungstoleranzen liegen bei ±0,1 mm, aber auch engere Toleranzen von ±0,005 mm sind möglich. Wenn keine Toleranz angegeben ist, verwenden die Hersteller die Standardtoleranzen der Industrie.
Innenkanten
Innenkanten sollten einen Eckenradius haben, der mindestens ein Drittel der Kavitätstiefe beträgt. Dies hilft dem Werkzeug, gleichmäßig zu schneiden. Eine leichte Vergrößerung des Radius (um etwa 1 mm) ermöglicht es dem Werkzeug, einer kreisförmigen Bahn zu folgen, anstatt eine scharfe Kurve zu machen, was die Oberflächenqualität verbessert.
Wenn Sie scharfe 90-Grad-Ecken benötigen, sollten Sie einen T-Bone-Hinterschnitt verwenden, anstatt den Radius zu verkleinern. Bodenradien sollten 0,5 mm, 1 mm oder ohne Radius sein, da diese Größen für die Bearbeitung am besten geeignet sind.
Hohlräume und Taschen
Hohlräume und Taschen sollten nicht tiefer als das Vierfache ihrer Breite sein. Schneidwerkzeuge haben eine begrenzte Länge, in der Regel das Drei- bis Vierfache ihres Durchmessers. Wenn die Hohlräume zu tief sind, kann sich das Werkzeug verbiegen, und die Späne können nicht richtig abtransportiert werden, was zu Vibrationen führt.
Wenn Sie tiefere Kavitäten benötigen, entwerfen Sie diese mit unterschiedlichen Tiefen, anstatt nur einen tiefen Schnitt zu machen. Mit Spezialwerkzeugen können Hohlräume tiefer als das Sechsfache des Werkzeugdurchmessers geschnitten werden. Ein Schaftfräser mit einem Durchmesser von 1 Zoll kann zum Beispiel bis zu 35 cm tief schneiden.
Löcher
Die Bohrungen sollten nach Möglichkeit den Standardbohrergrößen entsprechen. Jedes Loch, das größer als 1 mm ist, kann bearbeitet werden, aber die Verwendung von Standardgrößen gewährleistet eine bessere Genauigkeit. Die beste Lochtiefe ist das Vierfache des Durchmessers, obwohl mit speziellen Bohrern auch tiefere Löcher gebohrt werden können.
Normalerweise werden Löcher bis zum Zehnfachen ihres Durchmessers gebohrt, aber Spezialwerkzeuge können bis zum Vierzigfachen des Durchmessers tief gehen. Bohrer hinterlassen Sacklöcher mit einem konischen Boden (135-Grad-Winkel), während Schaftfräser Löcher mit flachem Boden erzeugen. Bei der CNC-Bearbeitung werden Durchgangslöcher nicht gegenüber Sacklöchern bevorzugt - beides funktioniert gut.
Dünne Wände
Dünne Wände können schwierig zu bearbeiten sein, da sie vibrieren und die Genauigkeit verringern. Bei Metallteilen sollten die Wände mindestens 0,8 mm dick sein, bei Kunststoffteilen mindestens 1,5 mm. Es ist möglich, die Wandstärke bei Metallteilen auf 0,5 mm und bei Kunststoffteilen auf 1,0 mm zu reduzieren, doch sollte dies sorgfältig geprüft werden. Kunststoffteile können sich aufgrund von Hitze und Stress verziehen oder erweichen.
Fäden
Die Gewinde sollten mindestens die Größe M1 haben, bevorzugt wird jedoch M6 oder größer. Gewinde, die kleiner als M6 sind, werden mit Planen geschnitten, während für größere Gewinde CNC-Gewindeschneidwerkzeuge verwendet werden, da sie Werkzeugbrüche verhindern. Die beste Gewindelänge ist mindestens das 1,5-fache des Durchmessers, maximal das Dreifache des Durchmessers.
Die meiste Kraft auf ein Gewinde wird von den ersten Zähnen aufgenommen, so dass es nicht notwendig ist, diese zu verlängern. Bei einem Sackloch mit Gewinde, das kleiner als M6 ist, lassen Sie unten einen gewindefreien Abschnitt in Höhe des 1,5-fachen Durchmessers frei. Bei M6 oder größer kann das Loch vollständig mit Gewinde versehen werden.
Kleine Merkmale
Kleine Merkmale wie winzige Löcher sollten einen Mindestdurchmesser von 2,5 mm (0,1 Zoll) haben. Es ist möglich, Löcher bis zu einer Größe von 0,05 mm (0,005 Zoll) zu bearbeiten, aber dies erfordert spezielle Mikrobohrer und Expertenwissen. Die Physik des Schneidens ändert sich bei dieser Größe, so dass sehr kleine Merkmale vermieden werden sollten, wenn es nicht unbedingt notwendig ist.
Große Merkmale
Hohe Elemente sind schwer genau zu bearbeiten, da sie zu Schwingungen neigen. Um dieses Problem zu minimieren, sollte die Höhe nicht mehr als das Vierfache der Breite betragen. Sie können die Stabilität auch verbessern, indem Sie das Teil während der Bearbeitung um 90° drehen, wodurch sich das Verhältnis von Höhe zu Breite ändert und es leichter zu bearbeiten ist.
Text und Beschriftung
Text und Schriftzüge sollten eher graviert als geprägt werden, da bei der Gravur weniger Material abgetragen wird. Die empfohlene Schriftgröße ist 20 oder größer, mit einer Tiefe von mindestens 5 mm. Serifenlose Schriftarten wie Arial oder Verdana sind ideal, da sie von CNC-Maschinen weitgehend unterstützt werden.
CNC-Maschineneinstellungen und Teilepositionierung
Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einer CNC-Maschine müssen Sie es oft mehrmals drehen, um alle Flächen zu erreichen. Jedes Mal, wenn Sie das Teil drehen, muss die Maschine jedoch neu kalibriert und ein neues Koordinatensystem festgelegt werden.
Wenn Sie ein Teil entwerfen, sollten Sie diese beiden Dinge im Hinterkopf behalten:
- Das Drehen und Neuausrichten des Teils erfordert zusätzliche Arbeit und Zeit. Wenn das Teil drei- oder viermal gedreht werden muss, ist das normalerweise in Ordnung, aber alles, was darüber hinausgeht, kann zu viel sein.
- Wenn zwei Merkmale im Verhältnis zueinander sehr genau sein müssen, versuchen Sie, sie in derselben Einrichtung zu bearbeiten. Jedes Mal, wenn Sie neu kalibrieren, besteht eine kleine Chance auf Fehler.
CNC-Bearbeitung Hinterschneidungen
Ein Hinterschnitt ist eine Form in einem Teil, die ein normales Schneidwerkzeug von oben nicht erreichen kann. Für diese Schnitte benötigt man spezielle Werkzeuge. Es gibt zwei Haupttypen: T-Nuten und Schwalbenschwänze. Eine T-Nut hat einen horizontalen Schnitt im Inneren des Teils, während ein Schwalbenschwanz schräge Schnitte hat, normalerweise in einem Winkel von 45 oder 60 Grad. Hinterschneidungen können auf einer Seite oder auf beiden Seiten eines Teils erfolgen.
Ein T-Nut-Werkzeug hat eine horizontale Klinge, die an einem vertikalen Schaft befestigt ist. Die Breite des Schnitts kann zwischen 3 mm und 40 mm betragen. Es ist am besten, gängige Größen zu verwenden, wie ganze Millimeter oder Standard-Zoll-Bruchteile, damit Sie das richtige Werkzeug leichter finden können.
Ein Schwalbenschwanzwerkzeug wird nach seinem Winkel gemessen. Die gängigsten Winkel sind 45 und 60 Grad, aber es gibt auch andere Winkel von 5 bis 120 Grad in 10-Grad-Schritten. Diese weniger gebräuchlichen Winkel sind schwieriger zu finden.
Hinterschneidungen für die CNC-Bearbeitung entwerfen
Wenn Sie ein Teil mit einer Hinterschneidung konstruieren, müssen Sie darauf achten, dass genügend Platz für das Werkzeug vorhanden ist. Eine gute Regel ist, einen Spalt von mindestens der vierfachen Tiefe des Hinterschnitts zwischen den Wänden zu lassen
Standardwerkzeuge können nur bis zu einer bestimmten Tiefe schneiden, da ihr Schneidendurchmesser in der Regel doppelt so groß ist wie die Welle. Wenn Sie einen speziellen Hinterschnitt benötigen, den ein Standardwerkzeug nicht herstellen kann, muss die Werkstatt möglicherweise ein Spezialwerkzeug herstellen. Dies erfordert mehr Zeit und kostet mehr Geld, also versuchen Sie, dies nach Möglichkeit zu vermeiden.
Materialauswahl für die CNC-Bearbeitung
Die Wahl des richtigen Materials für die CNC-Bearbeitung wirkt sich auf die Kosten, die Einfachheit der Bearbeitung und die Endqualität aus. Metalle wie Aluminium, Stahl, rostfreier Stahl, Messing, Kupfer und Titan sind stark und haltbar, weshalb sie sich ideal für hoch beanspruchte Teile eignen. Außerdem sind sie hitze- und korrosionsbeständig, was für viele Branchen von Nutzen ist.
Kunststoffe sind leicht, erschwinglich und lassen sich leicht zu komplexen Designs formen. Einige, wie Acetal (POM), Nylon, Polycarbonat (PC), Acryl (PMMA) und PEEK, sind chemikalienbeständig und eignen sich daher für raue Umgebungen. Kunststoffe eignen sich gut, wenn Sie Flexibilität und niedrigere Kosten benötigen, ohne auf Haltbarkeit verzichten zu müssen.
Oberflächengüte für die CNC-Bearbeitung
Die Oberflächenbeschaffenheit eines CNC-Teils beeinflusst sein Aussehen, seine Festigkeit und seine Leistung. Eine Oberfläche "wie bearbeitet" weist kleine Werkzeugspuren auf, aber Sie können eine glattere Oberfläche verlangen. Perlstrahlen sorgt für ein glattes, mattes Aussehen, indem winzige Kügelchen auf das Teil geschossen werden. Beim Eloxieren wird eine Schutzschicht aufgetragen, die Kratzern, Hitze und Korrosion widersteht - Typ II bietet einen einfachen Schutz, während Typ III haltbarer ist.
Bei der Pulverbeschichtung wird durch Einbrennen von trockenem Pulver auf das Teil eine widerstandsfähige, farbige Schicht erzeugt. Wenn Sie etwas Einzigartiges brauchen, können kundenspezifische Oberflächen spezielle Texturen, Farben oder Beschichtungen hinzufügen. Die richtige Oberfläche macht Ihr Teil stärker, haltbarer und sieht besser aus.
Was sind die besten Praktiken für die CNC-Bearbeitung?
- Verwenden Sie das Werkzeug mit dem größtmöglichen Durchmesser, um Ihre Teile schneller und genauer zu bearbeiten.
- Fügen Sie an allen vertikalen Innenkanten große abgerundete Ecken ein (mindestens ⅓ der Hohlraumtiefe).
- Die Tiefe der Kavität sollte nicht mehr als das Vierfache ihrer Breite betragen, um Bearbeitungsprobleme zu vermeiden.
- Richten Sie die Hauptmerkmale Ihres Entwurfs auf eine der sechs Hauptrichtungen aus. Wenn das nicht möglich ist, sollten Sie eine 5-Achsen-CNC-Bearbeitung in Betracht ziehen.
- Wenn Ihre Konstruktion Gewinde, Toleranzen oder Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit enthält, reichen Sie eine technische Zeichnung mit klaren Hinweisen für den Maschinenbediener ein.
Wie man Teile für die CNC-Bearbeitung konstruiert Zusammenfassung
Die CNC-Bearbeitung ist eine großartige Möglichkeit zur Herstellung präziser Teile, aber ein gutes Design macht den Prozess reibungsloser und kostengünstiger. Wenn Sie diese einfachen Richtlinien befolgen, können Sie Teile herstellen, die leichter zu bearbeiten, stärker und genauer sind.
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