ЧПУ-обработка — это самая распространенная технология вырезания материалов в настоящее время и чрезвычайно гибкий и прочный способ производства индивидуальных металлических и пластиковых деталей. Используя CAD-модели, ЧПУ-станки точно удаляют материал из цельного блока с помощью различных режущих инструментов.

В общем, ЧПУ-обработка производит детали с высокими допусками и впечатляющими материалами. Она подходит для единичных задач и производства малых и средних объемов (до 1 000 деталей) благодаря высокой повторяемости. Однако она имеет больше ограничений в дизайне по сравнению с 3D-печатью, частично из-за вырезного характера технологии.

В этом вводном руководстве мы предоставляем обзор основных принципов технологии и то, как они соотносятся с ключевыми преимуществами и ограничениями. Мы также объясняем ключевые различия между двумя основными конфигурациями ЧПУ-станков: фрезерованием и токарной обработкой.

Как работает ЧПУ-фрезерование? ЧПУ-фрезерование — это самая популярная архитектура ЧПУ-станков. На самом деле, термин CNC-фрезерование часто является синонимом ЧПУ-обработки. ЧПУ-фрезерные станки используют вращающиеся режущие инструменты для удаления материала из детали, установленной на рабочей платформе.

Большинство систем CNC-фрезерования имеют 3 линейные степени свободы: оси X, Y и Z. Более продвинутые системы имеют 5 степеней свободы обработки благодаря вращению стола и/или инструмента (оси A и B). 5-осевые машины могут производить детали с высокой геометрической сложностью и могут устранить необходимость в нескольких этапах обработки.

Вот обзор того, как CNC-фрезерный станок превращает CAD-модель в индивидуальную деталь.

Оператор преобразует CAD-модель в серию команд, которые интерпретируются CNC-станком (G-код). Блок материала — это называется заготовка или рабочая деталь — обрезается до нужного размера и устанавливается на рабочей платформе, используя либо тиски, либо непосредственно монтируя его на стол. Важно точно позиционировать и выравнивать рабочую деталь для производства точных деталей. Для помощи в позиционировании и выравнивании можно использовать специальные измерительные инструменты (контактные зонды). Специализированные режущие инструменты, вращающиеся на очень высоких скоростях (тысячи об/мин), удаляют материал из блока. Сначала машина удаляет материал быстро при низкой точности для достижения приблизительной геометрии. Затем она выполняет несколько более точных проходов для создания окончательной детали. Если модель имеет элементы, которые не могут быть достигнуты режущим инструментом за один установочный этап, оператор должен перевернуть рабочую деталь и повторить эти шаги. После обработки нужно удалить заусенцы с фрезерованной детали. Удаление заусенцев — это ручной процесс удаления мелких дефектов с готовой детали. Эти дефекты, как правило, находятся на острых краях, возникших в процессе обработки. Например, когда сверло выходит на обратную сторону сквозного отверстия, оно оставляет пятна, которые нужно удалить. Далее нужно проверить критические размеры детали, если допуски были указаны в техническом чертеже. После выполнения этого шага ваша деталь готова к использованию или к последующей обработке. В пост-обработке CNC-обработанных деталей (фрезерованных и токарных) есть много аспектов, поэтому мы рекомендуем обновить и/или улучшить свои знания.

Как работает CNC-токарная обработка? CNC-токарные станки используют стационарные режущие инструменты для удаления материала с детали, которая установлена на вращающемся патроне. Это идеальный способ изготовления деталей с симметрией вдоль их центральной оси. Токарные детали обычно производятся быстрее и дешевле, чем фрезерованные детали.

Обычно системы CNC-токарной обработки — также известные как токарные станки — используются для создания цилиндрических деталей. Современные многоосевые CNC-токарные центры, оснащенные инструментами для CNC-фрезерования, могут изготавливать нецилиндрические детали. Эти системы сочетают в себе высокую производительность CNC-токарной обработки с возможностями CNC-фрезерования и могут изготавливать очень широкий спектр геометрий с вращательной симметрией, таких как кулачки и радиальные компрессорные импеллеры.

Вот обзор того, как CNC-токарный станок изготавливает детали.

Оператор создает G-код из CAD-модели и загружает машину цилиндром заготовки (блок). Деталь начинает вращаться на высокой скорости, а стационарный режущий инструмент обрабатывает профиль, постепенно удаляя материал до получения заданной геометрии. Внутренние режущие инструменты и центрирующие сверла могут использоваться для сверления отверстий вдоль центральной оси заготовки. Если вам нужно перевернуть или переместить деталь, то вы должны повторить этот процесс. В противном случае, как только вы закончите удаление материала, деталь должна быть готова к использованию или дальнейшей обработке. Поскольку граница между системами CNC-фрезерования и токарной обработки часто бывает размыта, остальная часть этого руководства будет сосредоточена в основном на ЧПУ-фрезеровании, так как это более часто используемый процесс обработки.

Быстрый справочник по параметрам ЧПУ-обработки Большинство параметров обработки определяется оператором машины при создании G-кода. Основные параметры, которые мы хотели бы рассмотреть, это размеры и точность CNC-станков.

CNC-станки имеют относительно большую рабочую область, особенно по сравнению с 3D-принтерами. Системы CNC-фрезерования могут обрабатывать детали с размерами до 2000 x 800 x 100 мм (78” x 32” x 40”), а системы CNC-токарной обработки могут обрабатывать детали диаметром до Ø 500 мм (Ø 20’’).

Вы можете изготавливать детали с высокой точностью и жесткими допусками с помощью ЧПУ-обработки. ЧПУ-станки могут даже достигать точностей менее половины диаметра средней человеческой волосины (± 0,025 мм или .001’’).

Если вы не указываете допуск в техническом чертеже, то оператор обычно обрабатывает деталь с точностью 0,125 мм (.005’’). Оператор в этом случае будет следовать стандарту ISO2768.

Какие самые распространенные режущие инструменты для ЧПУ-обработки? Для создания широкого спектра геометрий ЧПУ-станки используют множество различных режущих инструментов. Вот некоторые из наиболее часто используемых инструментов для фрезерования.

Плоские головки, головки булл и шаровые инструменты используются для обработки пазов, канавок, полостей и других вертикальных стенок. Поскольку у них разные геометрические возможности, они могут обрабатывать многие различные типы характеристик. Шаровые инструменты также часто используются в 5-осевом ЧПУ-фрезеровании для изготовления поверхностей с кривизной и свободными геометриями.

Сверла, конечно, являются наиболее часто используемым инструментом для создания отверстий быстро и эффективно. Вы можете найти все стандартные размеры сверл здесь. Для создания отверстий с нестандартными диаметрами вы можете использовать плоский инструмент, следуя спиральному пути.

Диаметр вала резцов для пазов меньше, чем диаметр их режущего края, что позволяет этим фрезам резать Т-пазы и другие вырезы, удаляя материал с боков вертикальной стенки.

Резьбовые метчики используются для изготовления резьбовых отверстий. Для создания резьбы требуется точный контроль над вращением и линейной скоростью метчика. Мастерские часто по-прежнему полагаются на ручное нарезание резьбы.

Фрезы для фасок используются для удаления материала с больших плоских поверхностей. Они имеют больший диаметр, чем инструменты для концевого фрезерования, поэтому они требуют меньше проходов для обработки больших площадей. Это сокращает общее время обработки для производства деталей с плоскими поверхностями. Операторы часто выполняют шаг фрезерования фасок в процессе обработки для подготовки размеров блока. Запчасти для ЧПУ-обработки с геометрической сложностью: какие есть ограничения по дизайну? Хотя ЧПУ-обработка предлагает впечатляющую свободу дизайна, токарные и фрезерные станки не могут производить каждую геометрию. В отличие от 3D-печати, чем сложнее дизайн, тем дороже будет обработка. Это связано с дополнительными шагами, необходимыми для более сложных деталей.

Основные ограничения, связанные с ЧПУ-обработкой, касаются геометрии каждого отдельного режущего инструмента. Геометрия инструмента определяет радиусы детали, и большинство CNC-режущих инструментов имеют цилиндрическую форму и ограниченную длину резания. Эти факторы делают острые внутренние углы особенно сложными для обработки.

Доступ к инструментам — еще одно важное ограничение ЧПУ-обработки. Например, системы с 3 осями могут достигать только определенного уровня сложности детали. Если вы проектируете для 3-осевой машины, все элементы детали будут доступны только непосредственно сверху. Системы с 5 осями предлагают превосходную гибкость, поскольку угол между деталью и инструментом можно регулировать, чтобы получить доступ к более труднодоступным участкам заготовки.

Кроме того, детали с тонкими стенками или другими мелкими характеристиками особенно сложны для CNC-станков. Тонкие стенки подвержены вибрациям и могут ломаться из-за силы токарной или фрезерной обработки. Мы рекомендуем проектировать металлические детали с минимальной толщиной стенки 0,8 мм и пластиковые детали с толщиной стенки 1,5 мм.

Понимание того, насколько сложным может быть ваш дизайн для разных типов машин, а также какие ограничения нужно учитывать, критично для обеспечения того, чтобы ваши детали соответствовали задуманному и удовлетворяли требуемому качеству. Для дополнительных рекомендаций о том, как дизайн может сэкономить время и деньги на ЧПУ-обработке

Каковы характеристики ЧПУ-обработки? Основная сила услуги CNC-обработки заключается в ее способности последовательно производить прочные детали из очень широкого выбора материалов. ЧПУ-станки могут обрабатывать практически все инженерные материалы.

В отличие от 3D-печати, детали, изготовленные с помощью ЧПУ-обработки, имеют полностью изотропные физические свойства, идентичные свойствам исходного материала, из которого они были обработаны.

ЧПУ-обработка преимущественно включает металлы как для прототипирования, так и для более крупных производственных партий. Обычно более сложным является обработка пластиков, поскольку у них меньшая жесткость и температуры плавления, хотя один из распространенных случаев использования — это ЧПУ-обработка функциональных прототипов из пластика перед началом производства в больших объемах с помощью литья под давлением.

Сколько стоят материалы для ЧПУ-обработки? Существует множество материалов, доступных для ЧПУ-обработки, что означает, что стоимость сильно варьируется в зависимости от материала. Каждый материал имеет разную цену, и физические свойства каждого материала влияют на общую стоимость обработки.

Алюминий 6061 является наиболее экономичным вариантом, если вы планируете производить металлические детали, с приблизительной стоимостью заготовки размером 150 x 150 x 25 мм около $25. ABS является самой дешевой опцией, стоимость заготовки такого же размера составляет приблизительно $17. И в плане того, как легкость обработки влияет на стоимость, нержавеющая сталь является хорошим примером. Она гораздо тверже алюминия и, следовательно, труднее обрабатывается, что увеличивает общую стоимость.

Каковы преимущества и недостатки ЧПУ-обработки? Хотя ЧПУ-обработка является жизнеспособным и даже идеальным процессом производства для многих приложений, включая прототипирование и среднесерийное производство конечных деталей, у нее есть и свои недостатки. В этом разделе мы рассмотрим преимущества и ограничения этого вырезного процесса обработки.

CNC-обработка предлагает отличную точность и повторяемость. Как фрезерование, так и токарная обработка могут производить детали с очень жесткими допусками, что делает CNC идеальным для высококачественных приложений, таких как в аэрокосмической, авиационной и автомобильной промышленности. Большинство материалов, используемых в ЧПУ-обработке, имеют отличные и полностью изотропные физические свойства и подходят для большинства инженерных приложений.

В общем, CNC-обработка является наиболее экономически эффективным процессом производства для изготовления небольших и средних объемов металлических деталей. Это означает, что вы можете использовать ЧПУ для единичных прототипов или для производства до 1 000 единиц.

Хотя эти преимущества делают CNC-обработку привлекательным вариантом для инженеров, вырезной характер технологии делает некоторые более сложные геометрии очень дорогими или даже невозможными для производства.