Cómo diseñar piezas para el mecanizado CNC
El mecanizado CNC es uno de los métodos de fabricación más eficaces y precisos que existen. Sin embargo, para obtener los mejores resultados, es necesario saber cómo diseñar piezas para el mecanizado CNC.
Este blog está aquí para proporcionar directrices y mejores prácticas a la hora de diseñar piezas para el mecanizado CNC.
¿Qué es un proceso de mecanizado CNC?
Mecanizado CNC (control numérico por ordenador) es un proceso de fabricación sustractiva que se puede utilizar para crear piezas precisas. Se parte de un bloque sólido de material y las herramientas de corte eliminan secciones para dar forma al producto final.
Este método ofrece una gran precisión y funciona con metales, plásticos y otros materiales. Sin embargo, al depender de herramientas de corte, hay que tener en cuenta ciertas limitaciones de diseño para garantizar la fabricabilidad.
¿Cuáles son las restricciones de un diseño CNC?
El mecanizado CNC permite crear piezas complejas, pero existen algunos límites. Estos límites se deben al funcionamiento de las herramientas de corte y se describen a continuación.
Geometría de la herramienta
La mayoría de las herramientas CNC, como fresas y brocas, son cilíndricas y tienen una longitud de corte limitada. Cuando la herramienta retira material, deja atrás su forma. Esto significa que las esquinas interiores siempre tendrán un borde redondeado, aunque se utilice una herramienta muy pequeña.
Acceso a herramientas
Las herramientas CNC cortan directamente hacia abajo sobre el material. Si una parte de su diseño no se puede alcanzar desde arriba, no se puede mecanizar. Una excepción son los rebajes. Estos necesitan herramientas especiales, y usted puede aprender más acerca de ellos más adelante.
Para facilitar el mecanizado, intente alinear los orificios, paredes y otras características con una de las seis direcciones principales (arriba, abajo, delante, detrás, izquierda, derecha). Sin embargo, las máquinas CNC de 5 ejes avanzadas pueden manejar ángulos más complejos.
Si tiene características profundas y estrechas, la herramienta tiene que profundizar más, lo que puede causar más vibraciones y menor precisión. Para evitarlo, diseñe piezas que puedan mecanizarse utilizando la herramienta más grande posible con la longitud más corta posible. Esto hace que el proceso sea más suave y preciso.
Rigidez de la herramienta
En el mecanizado CNC, las herramientas de corte están fabricadas con materiales resistentes, como el carburo o el tungsteno, que son más duros que la pieza. Pero incluso las herramientas más resistentes pueden doblarse un poco al cortar. Esta flexión, denominada desviación de la herramienta, puede provocar pequeños errores en el trabajo.
Si no necesita una precisión extrema, esto puede no ser un gran problema. Pero si estás trabajando en un trabajo muy preciso, incluso una pequeña curvatura puede afectar al resultado final y limitar tus opciones de diseño.
Rigidez de la pieza
Aunque sus herramientas de corte sean muy resistentes, puede que no funcionen bien con materiales muy duros.
Si la pieza es demasiado rígida, puede temblar o doblarse durante el mecanizado. Esto puede dificultar la obtención de resultados precisos, especialmente cuando se necesitan tolerancias muy ajustadas.
Forma de la pieza
La forma de la pieza influye en la facilidad o dificultad del mecanizado. Si la forma es demasiado compleja, es posible que tengas que parar y ajustarla muchas veces, lo que ralentiza el proceso.
Aunque utilice una máquina avanzada, es posible que tenga que girar la pieza varias veces, lo que resta eficacia a la producción. Simplificar los diseños puede ayudarle a ahorrar tiempo y obtener mejores resultados.
Portapiezas
Es importante sujetar firmemente la pieza de trabajo durante el mecanizado. Si cualquier parte de su configuración es débil, su máquina o herramienta puede vibrar, reduciendo la precisión.
Si la pieza se mueve durante el mecanizado, cada pieza acabada puede salir ligeramente diferente. Una configuración sólida le ayuda a obtener siempre los mismos resultados de alta calidad.
Directrices para un diseño CNC
Cuando se diseñan piezas para el mecanizado CNC, no hay reglas estrictas porque las máquinas y las herramientas siguen mejorando. Estas directrices le ayudarán a crear diseños más fáciles de mecanizar.
Tolerancias
Las tolerancias definen cuánto puede variar el tamaño de una pieza. La mayoría de las tolerancias de mecanizado CNC son de ±0,1 mm, pero es posible alcanzar tolerancias más estrechas de ±0,005 mm. Si no se especifica ninguna tolerancia, los fabricantes utilizarán las tolerancias estándar del sector.
Bordes internos
Los bordes internos deben tener un radio de esquina que sea al menos un tercio de la profundidad de la cavidad. Esto ayuda a que la herramienta corte con suavidad. Aumentar ligeramente el radio (aproximadamente 1 mm) permite que la herramienta siga una trayectoria circular en lugar de realizar un giro brusco, lo que mejora la calidad de la superficie.
Si necesita esquinas afiladas de 90 grados, considere la posibilidad de utilizar un rebaje en T en lugar de reducir el radio. Los radios del suelo deben ser de 0,5 mm, 1 mm o dejarse sin radio, ya que estos tamaños funcionan mejor para el mecanizado.
Cavidades y bolsas
Las cavidades y bolsas no deben ser más profundas que cuatro veces su anchura. Las herramientas de corte tienen una longitud limitada, normalmente de tres a cuatro veces su diámetro. Si las cavidades son demasiado profundas, la herramienta puede doblarse y las virutas pueden no salir correctamente, provocando vibraciones.
Si necesita cavidades más profundas, diséñelas con distintas profundidades en lugar de hacer un solo corte profundo. Las herramientas especiales pueden cortar cavidades más profundas que seis veces el diámetro de la herramienta. Por ejemplo, una fresa de 1 pulgada de diámetro puede cortar hasta 35 cm de profundidad.
Agujeros
Siempre que sea posible, los orificios deben coincidir con los tamaños estándar de las brocas. Se puede mecanizar cualquier agujero de más de 1 mm, pero el uso de tamaños estándar garantiza una mayor precisión. La mejor profundidad de agujero es cuatro veces su diámetro, aunque pueden hacerse agujeros más profundos con brocas especiales.
Normalmente, los agujeros se taladran hasta diez veces su diámetro, pero las herramientas especializadas pueden llegar hasta cuarenta veces el diámetro. Las brocas dejan agujeros ciegos con un fondo cónico (ángulo de 135 grados), mientras que las fresas crean agujeros de fondo plano. El mecanizado CNC no favorece los agujeros pasantes frente a los ciegos: cualquiera de los dos funciona bien.
Paredes finas
Las paredes finas pueden ser difíciles de mecanizar porque vibran y reducen la precisión. Para las piezas metálicas, las paredes deben tener un grosor mínimo de 0,8 mm, y para las piezas de plástico, un grosor mínimo de 1,5 mm. Es posible llegar a 0,5 mm en metal y 1,0 mm en plástico, pero debe comprobarse cuidadosamente. Las piezas de plástico pueden deformarse o reblandecerse debido al calor y la tensión.
Hilos
Las roscas deben tener un tamaño mínimo de M1, pero es preferible M6 o superior. Las roscas inferiores a M6 se cortan con lonas, mientras que las herramientas de roscado CNC se utilizan para roscas mayores, ya que evitan la rotura de la herramienta. La mejor longitud de rosca es al menos 1,5 veces el diámetro, con un máximo de tres veces el diámetro.
La mayor parte de la fuerza en una rosca la absorben los primeros dientes, por lo que alargarlos es innecesario. Si un agujero ciego está roscado y es inferior a M6, deje una sección sin roscar en la parte inferior igual a 1,5 veces el diámetro. A partir de M6, el orificio puede roscarse por completo.
Características
Los pequeños orificios deben tener un diámetro mínimo de 2,5 mm (0,1 pulgadas). Es posible mecanizar orificios de hasta 0,05 mm (0,005 pulgadas), pero para ello se necesitan microtaladros especiales y conocimientos especializados. La física del corte cambia a este tamaño, por lo que, a menos que sea absolutamente necesario, deben evitarse las características muy pequeñas.
Características
Los elementos altos son difíciles de mecanizar con precisión porque tienden a vibrar. Para minimizar este problema, mantenga la altura no más de cuatro veces la anchura. También puede mejorar la estabilidad girando la pieza 90° durante el mecanizado, lo que cambia la relación altura-anchura y facilita el mecanizado.
Texto y letras
El texto y las letras deben grabarse en lugar de estamparse en relieve, ya que el grabado elimina menos material. El tamaño de fuente recomendado es 20 o superior, con una profundidad de al menos 5 mm. Los tipos de letra sans-serif, como Arial o Verdana, son ideales porque son muy compatibles con las máquinas CNC.
Puesta a punto de máquinas CNC y posicionamiento de piezas
Cuando se mecaniza una pieza con una máquina CNC, a menudo es necesario girarla varias veces para alcanzar todas las superficies. Sin embargo, cada vez que se gira la pieza, hay que recalibrar la máquina y establecer un nuevo sistema de coordenadas.
Cuando diseñe una pieza, tenga en cuenta estas dos cosas:
- Girar y realinear la pieza requiere más trabajo y tiempo. Si hay que girar la pieza tres o cuatro veces, no suele pasar nada, pero más de eso puede ser demasiado.
- Si dos características deben ser muy precisas entre sí, intente mecanizarlas en la misma configuración. Cada vez que recalibres, hay una pequeña posibilidad de error.
Recortes de mecanizado CNC
Un destalonado es una forma de una pieza que una herramienta de corte normal no puede alcanzar desde arriba. Para realizar estos cortes se necesitan herramientas especiales. Existen dos tipos principales: Las ranuras en T y las colas de milano. Una ranura en T tiene un corte horizontal dentro de la pieza, mientras que una cola de milano tiene cortes en ángulo, normalmente a 45 ó 60 grados. Los rebajes pueden realizarse en un lado o en ambos lados de la pieza.
Una herramienta de ranura en T tiene una cuchilla horizontal unida a un eje vertical. La anchura del corte puede oscilar entre 3 mm y 40 mm. Es mejor utilizar tamaños comunes, como milímetros enteros o fracciones de pulgada estándar, para poder encontrar la herramienta adecuada más fácilmente.
Una herramienta de cola de milano se mide por su ángulo. Los ángulos más comunes son 45 y 60 grados, pero también puede encontrar otros ángulos de 5 a 120 grados en pasos de 10 grados. Estos ángulos menos comunes son más difíciles de encontrar.
Diseño de rebajes para el mecanizado CNC
Si diseña una pieza con un destalonado interior, asegúrese de dejar espacio suficiente para que quepa la herramienta. Una buena regla es dejar un espacio de al menos cuatro veces la profundidad del destalonado entre las paredes.
Las herramientas estándar sólo pueden cortar hasta cierta profundidad porque su diámetro de corte suele ser el doble del tamaño del eje. Si necesita un destalonado especial que una herramienta estándar no puede hacer, es posible que el taller tenga que crear una herramienta a medida. Esto lleva más tiempo y cuesta más dinero, así que intente evitarlo si puede.
Elección de materiales para el mecanizado CNC
Elegir el material adecuado para el mecanizado CNC influye en el coste, la facilidad de mecanizado y la calidad final. Metales como el aluminio, el acero, el acero inoxidable, el latón, el cobre y el titanio son fuertes y duraderos, por eso son ideales para piezas sometidas a grandes esfuerzos. También resisten el calor y la corrosión, lo que resulta útil para muchas industrias.
Los plásticos son ligeros, asequibles y fáciles de moldear en diseños complejos. Algunos, como el acetal (POM), el nailon, el policarbonato (PC), el acrílico (PMMA) y el PEEK, son resistentes a los productos químicos, por lo que resultan adecuados para entornos agresivos. Los plásticos funcionan bien cuando se necesita flexibilidad y costes más bajos sin sacrificar la durabilidad.
Acabado superficial para mecanizado CNC
El acabado superficial de una pieza CNC afecta a su aspecto, resistencia y rendimiento. Un acabado "mecanizado" tiene pequeñas marcas de herramientas, pero puede solicitar una superficie más lisa. El granallado proporciona un aspecto liso y mate disparando pequeñas gotas sobre la pieza. El anodizado añade una capa protectora para resistir los arañazos, el calor y la corrosión: el Tipo II ofrece una protección básica, mientras que el Tipo III es más duradero.
El recubrimiento en polvo crea una capa resistente y colorida mediante la cocción de polvo seco sobre la pieza. Si necesita algo único, los acabados personalizados pueden añadir texturas, colores o revestimientos especiales. El acabado adecuado hace que su pieza sea más resistente, duradera y atractiva.
¿Cuáles son las mejores prácticas de mecanizado CNC?
- Utilice la herramienta con el mayor diámetro posible para mecanizar sus piezas con mayor rapidez y precisión.
- Añada grandes esquinas redondeadas (al menos ⅓ de la profundidad de la cavidad) a todos los bordes verticales interiores.
- Mantenga la profundidad de las cavidades a un máximo de 4 veces su anchura para evitar problemas de mecanizado.
- Alinee las características principales de su diseño con una de las seis direcciones principales. Si no es posible, considere el mecanizado CNC de 5 ejes.
- Si su diseño incluye roscas, tolerancias o requisitos de acabado superficial, presente un dibujo técnico con notas claras para el operario de la máquina.
Cómo diseñar piezas para el mecanizado CNC Resumen
El mecanizado CNC es una forma excelente de fabricar piezas precisas, pero un buen diseño hace que el proceso sea más fluido y rentable. Siguiendo estas sencillas pautas, podrá crear piezas más fáciles de mecanizar, más resistentes y más precisas.
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