Come progettare parti per la lavorazione CNC
La lavorazione CNC è uno dei metodi di produzione più efficienti e precisi disponibili. Tuttavia, per ottenere i migliori risultati, è necessario sapere come progettare i pezzi per la lavorazione CNC.
Questo blog ha lo scopo di fornire le linee guida e le migliori pratiche per la progettazione di pezzi per la lavorazione CNC.
Che cos'è un processo di lavorazione CNC?
Lavorazione CNC (Computer Numerical Control) è un processo di produzione sottrattiva che può essere utilizzato per creare pezzi precisi. Si parte da un blocco di materiale solido e gli strumenti di taglio ne rimuovono le sezioni per dare forma al prodotto finale.
Questo metodo offre un'elevata precisione e funziona con metalli, plastiche e altri materiali. Tuttavia, poiché si basa su utensili da taglio, è necessario considerare alcuni limiti di progettazione per garantire la producibilità.
Quali sono le limitazioni di un progetto CNC?
La lavorazione CNC consente di creare pezzi complessi, ma ci sono alcuni limiti. Questi limiti derivano dal funzionamento degli utensili da taglio e sono illustrati di seguito.
Geometria dello strumento
La maggior parte degli utensili CNC, come le frese e le punte, sono cilindrici e hanno una lunghezza di taglio limitata. Quando l'utensile rimuove il materiale, lascia la sua forma. Ciò significa che gli angoli interni avranno sempre un bordo arrotondato, anche se si utilizza un utensile molto piccolo.
Accesso agli strumenti
Gli strumenti CNC tagliano direttamente sul materiale. Se una parte del progetto non può essere raggiunta dall'alto, non può essere lavorata. Un'eccezione è rappresentata dai sottosquadri. Per questi ultimi sono necessari strumenti speciali, che verranno illustrati più avanti.
Per facilitare la lavorazione, si cerca di allineare fori, pareti e altri elementi con una delle sei direzioni principali (superiore, inferiore, anteriore, posteriore, sinistra, destra). Tuttavia, le macchine CNC a 5 assi più avanzate possono gestire angoli più complessi.
Se le caratteristiche sono profonde e strette, l'utensile deve andare più in profondità, il che può causare maggiori vibrazioni e una minore precisione. Per evitare questo inconveniente, è bene progettare pezzi che possano essere lavorati con l'utensile più grande e più corto possibile. In questo modo il processo è più fluido e preciso.
Rigidità dell'utensile
Nella lavorazione CNC, gli utensili da taglio sono realizzati con materiali resistenti come il carburo o il tungsteno, più duri del pezzo da lavorare. Ma anche gli utensili più resistenti possono piegarsi un po' durante il taglio. Questa flessione, chiamata deviazione dell'utensile, può causare piccoli errori nel lavoro.
Se non avete bisogno di una precisione estrema, questo potrebbe non essere un grosso problema. Ma se state lavorando a un lavoro molto preciso, anche una piccola piegatura può influire sul risultato finale e limitare le vostre scelte di design.
Rigidità del pezzo
Anche se gli utensili da taglio sono molto robusti, potrebbero non funzionare bene su materiali molto resistenti.
Se il pezzo è troppo rigido, può oscillare o piegarsi durante la lavorazione. Questo può rendere più difficile ottenere risultati precisi, soprattutto quando si richiedono tolleranze molto strette.
Forma del pezzo
La forma del pezzo influisce sulla facilità o sulla difficoltà di lavorazione. Se la forma è troppo complessa, potrebbe essere necessario fermarsi e regolarla più volte, rallentando il processo.
Anche se si utilizza una macchina avanzata, potrebbe essere necessario girare il pezzo più volte, rendendo la produzione meno efficiente. Mantenere i progetti semplici può aiutarvi a risparmiare tempo e a ottenere risultati migliori.
Attrezzatura di lavorazione
È importante tenere saldamente il pezzo da lavorare durante la lavorazione. Se una qualsiasi parte della configurazione è debole, la macchina o l'utensile possono vibrare, riducendo la precisione.
Se il pezzo si muove durante la lavorazione, ogni pezzo finito può risultare leggermente diverso. Una solida configurazione consente di ottenere sempre gli stessi risultati di alta qualità.
Linee guida per la progettazione di un CNC
Quando si progettano pezzi per la lavorazione CNC, non ci sono regole rigide perché le macchine e gli strumenti migliorano continuamente. Queste linee guida vi aiuteranno a creare progetti più facili da lavorare.
Tolleranze
Le tolleranze definiscono quanto può variare la dimensione di un pezzo. La maggior parte delle tolleranze di lavorazione CNC è di ±0,1 mm, ma sono possibili tolleranze più strette di ±0,005 mm. Se non viene specificata alcuna tolleranza, i produttori utilizzeranno le tolleranze industriali standard.
Bordi interni
I bordi interni devono avere un raggio d'angolo pari ad almeno un terzo della profondità della cavità. Questo aiuta l'utensile a tagliare senza problemi. Aumentando leggermente il raggio (di circa 1 mm), l'utensile segue un percorso circolare invece di fare una curva a gomito, migliorando la qualità della superficie.
Se avete bisogno di angoli netti a 90 gradi, considerate la possibilità di utilizzare un sottosquadro a T invece di ridurre il raggio. I raggi dei piani dovrebbero essere di 0,5 mm, 1 mm o lasciati senza raggio, poiché queste dimensioni sono le migliori per la lavorazione.
Cavità e tasche
Le cavità e le tasche non devono essere più profonde di quattro volte la loro larghezza. Gli utensili da taglio hanno una lunghezza limitata, di solito tre o quattro volte il loro diametro. Se le cavità sono troppo profonde, l'utensile può piegarsi e i trucioli non riescono a scorrere correttamente, causando vibrazioni.
Se avete bisogno di cavità più profonde, progettatele con profondità diverse invece di eseguire un unico taglio profondo. Gli utensili speciali possono tagliare cavità più profonde di sei volte il diametro dell'utensile. Ad esempio, una fresa a candela di 1 pollice di diametro può tagliare fino a 35 cm di profondità.
Fori
I fori devono corrispondere alle dimensioni delle punte standard, se possibile. È possibile lavorare qualsiasi foro più grande di 1 mm, ma l'utilizzo di misure standard garantisce una maggiore precisione. La profondità ottimale del foro è pari a quattro volte il diametro, anche se è possibile realizzare fori più profondi con punte speciali.
Normalmente, i fori vengono praticati fino a dieci volte il loro diametro, ma gli strumenti specializzati possono arrivare fino a quaranta volte il diametro. Le punte lasciano fori ciechi con un fondo conico (angolo di 135 gradi), mentre le frese creano fori a fondo piatto. La lavorazione CNC non privilegia i fori passanti rispetto a quelli ciechi: entrambi vanno bene.
Pareti sottili
Le pareti sottili possono essere difficili da lavorare perché vibrano e riducono la precisione. Per i pezzi in metallo, le pareti dovrebbero avere uno spessore minimo di 0,8 mm e per i pezzi in plastica di 1,5 mm. È possibile arrivare a uno spessore di 0,5 mm per il metallo e di 1,0 mm per la plastica, ma occorre verificarlo attentamente. Le parti in plastica possono deformarsi o ammorbidirsi a causa del calore e delle sollecitazioni.
Fili
Le filettature devono avere una dimensione minima di M1, ma è preferibile M6 o superiore. Le filettature di dimensioni inferiori a M6 vengono tagliate con teloni, mentre per le filettature più grandi si utilizzano strumenti di filettatura CNC che evitano la rottura dell'utensile. La lunghezza migliore della filettatura è di almeno 1,5 volte il diametro, con un massimo di tre volte il diametro.
La maggior parte della forza su una filettatura è assorbita dai primi denti, quindi non è necessario allungarli. Se un foro cieco è filettato e di dimensioni inferiori a M6, lasciare una sezione non filettata in fondo pari a 1,5 volte il diametro. Per M6 o più grandi, il foro può essere completamente filettato.
Piccole caratteristiche
Gli elementi piccoli, come i fori, devono avere un diametro minimo di 2,5 mm (0,1 pollici). È possibile lavorare fori di 0,05 mm (0,005 pollici), ma ciò richiede micropunte speciali e conoscenze specialistiche. La fisica del taglio cambia a queste dimensioni, quindi, a meno che non sia assolutamente necessario, si dovrebbero evitare gli elementi molto piccoli.
Caratteristiche alte
Gli elementi alti sono difficili da lavorare con precisione perché tendono a vibrare. Per ridurre al minimo questo problema, l'altezza non deve essere superiore a quattro volte la larghezza. È inoltre possibile migliorare la stabilità ruotando il pezzo di 90° durante la lavorazione, in modo da modificare il rapporto altezza/larghezza e facilitare la lavorazione.
Testo e scritte
Il testo e le scritte dovrebbero essere incisi piuttosto che in rilievo, poiché l'incisione rimuove meno materiale. La dimensione dei caratteri consigliata è 20 o superiore, con una profondità di almeno 5 mm. I caratteri sans-serif come Arial o Verdana sono ideali perché sono ampiamente supportati dalle macchine CNC.
Impostazione di macchine CNC e posizionamento dei pezzi
Quando si lavora un pezzo con una macchina CNC, spesso è necessario ruotarlo più volte per raggiungere tutte le superfici. Tuttavia, ogni volta che si ruota il pezzo, è necessario ricalibrare la macchina e impostare un nuovo sistema di coordinate.
Quando si progetta un pezzo, tenere presente questi due aspetti:
- La rotazione e il riallineamento del pezzo richiedono lavoro e tempo supplementari. Se il pezzo deve essere ruotato tre o quattro volte, di solito va bene, ma più di così può essere troppo.
- Se due elementi devono essere molto precisi l'uno rispetto all'altro, cercate di lavorarli nella stessa configurazione. Ogni volta che si ricalibra, c'è una piccola possibilità di errore.
Lavorazione CNC dei sottosquadri
Un sottosquadro è una forma in un pezzo che un normale utensile da taglio non può raggiungere dall'alto. Per eseguire questi tagli sono necessari strumenti speciali. Ne esistono due tipi principali: Scanalature a T e code di rondine. Una scanalatura a T presenta un taglio orizzontale all'interno del pezzo, mentre una coda di rondine presenta tagli angolati, di solito a 45 o 60 gradi. I sottosquadri possono essere su un lato o su entrambi i lati del pezzo.
Un utensile con scanalatura a T ha una lama orizzontale collegata a un albero verticale. La larghezza del taglio può essere compresa tra 3 mm e 40 mm. È meglio utilizzare misure comuni, come i millimetri interi o le frazioni di pollice standard, in modo da poter trovare più facilmente l'utensile giusto.
Un utensile a coda di rondine si misura in base al suo angolo. Gli angoli più comuni sono 45 e 60 gradi, ma si possono trovare anche altri angoli da 5 a 120 gradi in passi di 10 gradi. Questi angoli meno comuni sono più difficili da trovare.
Progettazione di sottosquadri per la lavorazione CNC
Se si progetta un pezzo con un sottosquadro interno, assicurarsi di lasciare spazio sufficiente per l'inserimento dell'utensile. Una buona regola è lasciare uno spazio di almeno quattro volte la profondità del sottosquadro tra le pareti.
Gli utensili standard possono tagliare solo a una certa profondità perché il loro diametro di taglio è solitamente il doppio dell'albero. Se è necessario un sottosquadro speciale che un utensile standard non è in grado di realizzare, l'officina meccanica potrebbe dover creare un utensile personalizzato. Questa operazione richiede più tempo e denaro, quindi cercate di evitarla se potete.
Scelte di materiali per la lavorazione CNC
La scelta del materiale giusto per la lavorazione CNC influisce sui costi, sulla facilità di lavorazione e sulla qualità finale. Metalli come l'alluminio, l'acciaio, l'acciaio inox, l'ottone, il rame e il titanio sono forti e duraturi, per questo sono ideali per le parti soggette a forti sollecitazioni. Inoltre, resistono al calore e alla corrosione, il che è utile per molti settori.
Le materie plastiche sono leggere, convenienti e facili da modellare in progetti complessi. Alcune, come l'acetale (POM), il nylon, il policarbonato (PC), l'acrilico (PMMA) e il PEEK, resistono agli agenti chimici e sono quindi adatte ad ambienti difficili. Le materie plastiche funzionano bene quando si ha bisogno di flessibilità e costi ridotti senza sacrificare la durata.
Finitura superficiale per la lavorazione CNC
La finitura superficiale di un pezzo CNC ne influenza l'aspetto, la resistenza e le prestazioni. Una finitura "come lavorata" presenta piccoli segni di utensili, ma è possibile richiedere una superficie più liscia. La granigliatura conferisce un aspetto liscio e opaco sparando piccole sfere sul pezzo. L'anodizzazione aggiunge uno strato protettivo per resistere a graffi, calore e corrosione: il tipo II offre una protezione di base, mentre il tipo III è più duraturo.
La verniciatura a polvere crea uno strato resistente e colorato cuocendo polvere secca sul pezzo. Se avete bisogno di qualcosa di unico, le finiture personalizzate possono aggiungere texture, colori o rivestimenti speciali. La giusta finitura rende il pezzo più resistente, più durevole e più bello.
Quali sono le migliori pratiche di lavorazione CNC?
- Utilizzate l'utensile con il diametro più grande possibile per lavorare i vostri pezzi in modo più rapido e preciso.
- Aggiungere grandi angoli arrotondati (almeno ⅓ della profondità della cavità) a tutti i bordi verticali interni.
- Per evitare problemi di lavorazione, mantenere la profondità delle cavità a non più di 4 volte la loro larghezza.
- Allineate le caratteristiche principali del vostro progetto con una delle sei direzioni principali. Se questo non è possibile, prendete in considerazione la lavorazione CNC a 5 assi.
- Se il progetto prevede filettature, tolleranze o requisiti di finitura superficiale, presentare un disegno tecnico con note chiare per l'operatore della macchina.
Come progettare parti per la lavorazione CNC Riassunto
La lavorazione CNC è un ottimo modo per realizzare pezzi precisi, ma una buona progettazione rende il processo più fluido ed economico. Seguendo queste semplici linee guida, è possibile creare pezzi più facili da lavorare, più resistenti e più precisi.
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