Das CNC-Fräsen ist heute eine der am häufigsten verwendeten Fertigungsmethoden. In diesem Leitfaden fassen wir gängige Designüberlegungen zusammen.
Grundlegende Prinzipien der CNC-Fräskonstruktion
Die Größe der beim Fräsen verwendeten Werkzeuge ist ein entscheidender Faktor, der bei der Konstruktion von Teilen zu berücksichtigen ist. Es ist wichtig zu prüfen, ob neue Merkmale, die während der Konstruktion hinzugefügt wurden, mit den vorhandenen Werkzeugen bearbeitet werden können. Die Verringerung der Anzahl von Aufspannungen spart nicht nur Bearbeitungszeit, sondern verbessert auch die Genauigkeit. Eine Minimierung des Materialabtrags kann sowohl Zeit als auch Kosten sparen.
1. Minimieren Sie die Anzahl der Setups
Der Bearbeitungsweg ist eine wichtige konstruktive Einschränkung beim CNC-Fräsen. Um alle Flächen des Modells zu erreichen, muss das Werkstück mehrfach gedreht/gekippt werden. Jedes Mal, wenn sich das Werkstück dreht, muss die Maschinenbasis neu kalibriert und ein neues Koordinatensystem definiert werden.
Berücksichtigen Sie die Anzahl der Aufstellungen aus zwei Gründen:
Die Anzahl der Aufspannungen wirkt sich auf die Kosten aus. Das manuelle Drehen/Wenden und Neukalibrieren von Teilen erhöht die Gesamtbearbeitungszeit. Während drei- bis viermaliges Drehen des Teils in der Regel akzeptabel ist, sind alle darüber hinausgehenden Rüstungen unnötig.
Um eine maximale relative Positionsgenauigkeit zwischen zwei oder mehr Merkmalen zu erreichen, müssen diese Merkmale in der gleichen Aufspannung bearbeitet werden. Der Grund dafür ist, dass jede Neukalibrierung einen kleinen (aber nicht vernachlässigbaren) Fehler mit sich bringt, unabhängig von der Genauigkeit der Vorrichtung. Eine Erhöhung der Anzahl der Aufspannungen geht eindeutig zu Lasten der Genauigkeit.
2. Tiefe der Rille
Tiefe, schmale Nuten erfordern längere Werkzeuge, die anfälliger für Brüche sind und Werkzeug- oder Maschinenvibrationen verursachen können. Außerdem erfordert die Bearbeitung einer tiefen Nut mehrere Durchgänge, was die Bearbeitungszeit und die Herstellungskosten erhöht. Es ist ratsam, Teile mit tiefen Nuten möglichst nicht zu konstruieren. Wenn es sich nicht vermeiden lässt, sollten Ingenieure und Konstrukteure die Nuttiefe minimieren oder die Querschnittsfläche der Nut vergrößern. In der Regel sollte die Nuttiefe das Dreifache des Durchmessers des verwendeten Werkzeugs nicht überschreiten. Wird beispielsweise ein 6-mm-Werkzeug verwendet, sollte die Nuttiefe 18 mm nicht überschreiten. Ingenieure müssen diese Zahl je nach Material und verfügbaren Werkzeugen möglicherweise anpassen.
3. Enge Hohlräume
Enge Bereiche stellen bei der Bearbeitung eine Herausforderung dar, da der minimale Abstand zwischen den Oberflächen des Hohlraums Einschränkungen mit sich bringt. Außerdem sind Werkzeuge mit größerem oder kleinerem Durchmesser anfällig für Bruch und Vibrationen. Wenn enge Bereiche bei der Konstruktion nicht vermieden werden können, sollte ihre Tiefe begrenzt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Bearbeitungstiefe einer Kavität weniger als das Dreifache des Werkzeugdurchmessers betragen sollte.
Tiefe des Hohlraums: Sollte weniger als das 4-fache der Hohlraumbreite betragen.
Die Schnittlänge von Fräswerkzeugen ist begrenzt (in der Regel das 3-4fache ihres Durchmessers). Wenn das Verhältnis von Tiefe zu Breite der Kavität gering ist, treten Probleme wie Werkzeugdurchbiegung, Spanabfuhr und Vibrationen stärker in den Vordergrund. Die Begrenzung der Tiefe der Kavität auf das Vierfache ihrer Breite gewährleistet zufriedenstellende Ergebnisse.
Wenn eine größere Tiefe erforderlich ist, sollten Sie Teile mit variablen Hohlraumtiefen entwerfen.
Fräsen mit tiefen Kavitäten: Kavitäten, die tiefer als das Sechsfache des Werkzeugdurchmessers sind, werden als tiefe Kavitäten bezeichnet. Spezielle Werkzeuge können ein Verhältnis von Werkzeug zu Kavitätstiefe von bis zu 30:1 erreichen.
4. Innenfasen
Innenfasen können aufgrund der kreisförmigen Bewegung aller Fräser nicht erzielt werden. Stattdessen hinterlässt der Fräser einen unbearbeiteten Bereich (Ecke), der dem Radius des Werkzeugs entspricht. Alternative Methoden wie die Funkenerosion (EDM) können eingesetzt werden, sind aber oft teuer.
Die beim Fräsen verwendete Werkzeuggröße ist ein entscheidender Faktor, der bei der Konstruktion von Teilen berücksichtigt werden muss. Größere Werkzeuge tragen mehr Material in einem Durchgang ab, was die Bearbeitungszeit und die Kosten reduziert. Ein nützlicher Tipp ist, die Verrundungen etwas größer als den Radius des Schaftfräsers zu wählen. Ein Eckenradius, der um 0,1 größer ist als der Werkzeugdurchmesser, sorgt für glattere Schnittwege und eine feinere Oberflächengüte der bearbeiteten Teile.
Um die Vorteile größerer Werkzeuge voll auszunutzen, sollten Sie Innenverrundungen mit einem maximalen Radius, vorzugsweise größer als 0,8 mm, konstruieren. Außer bei der Mikrobearbeitung sollte der Verrundungsradius (R), wenn es der Platz erlaubt, über 3 mm liegen, um die Effizienz und die Werkzeugstabilität zu maximieren.
| Radius der Hohlkehle (R) | Innere Filets |
|---|---|
| Mindestens 3 mm | Mindestens 0,8 mm |
Es ist erwähnenswert, dass durch die Verwendung eines Bohrers anstelle eines Fräsers an den Ecken kleinere Radien und erforderliche Tiefen erreicht werden können.
5. Filetieren
Das Verrunden, das scharfe Außenecken und Verrundungen an den Oberkanten von Merkmalen wie Vorsprüngen und Schlitzen beinhaltet, erfordert sehr scharfe und gleich große Werkzeuge für die Bearbeitung. Beide Anforderungen können bei bestimmten Produkten kostspielig sein. Um diese Kosten zu verringern, können Verrundungen anstelle von Fasen verwendet werden, es sei denn, dies ist erforderlich.
Es ist wichtig zu wissen, dass scharfe Grate während des Bearbeitungsprozesses unvermeidlich sind, und dass das Anfasen notwendig ist, insbesondere an den größten Außenabmessungen der Teile, um zu verhindern, dass das Personal verkratzt wird.
6. Unzugängliches Gebiet meiden
Stellen Sie sicher, dass die Schneidwerkzeuge alle Bereiche im Inneren des Teils erreichen können, ohne durch andere Merkmale behindert zu werden. Wenn Sie Schwalbenschwanz- und T-Nuten konstruieren müssen, lesen Sie bitte die entsprechenden Richtlinien.
7. Wanddicke der Teile
Dünne Wände erhöhen die Vibrationen beim Fräsen oder bei der CNC-Bearbeitung von Metall und beeinträchtigen die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächengüte. Bei Kunststoffen können dünne Wände zu Verzug und Erweichung führen.
Daher sollte man sich bemühen, Teile mit dünnen Wänden zu vermeiden. In der Praxis ist eine Mindestwandstärke von etwa 0,8 mm (Metall) und 1,5 mm (Kunststoff) machbar.
Hinweis: Um Irreführungen zu vermeiden, sollte die Wandstärke von Metallteilen 1,5-2 mm nicht überschreiten, es sei denn, dies ist notwendig. Ähnlich sollten Kunststoffteile über 2 mm dick sein. Es ist möglich, dünnere Abschnitte ohne signifikantes Risiko zu erreichen, aber dies muss von Fall zu Fall beurteilt werden.
Bei der CNC-Bearbeitung gibt es keine besondere Präferenz zwischen Durchgangsbohrungen und Sacklöchern. Auf nicht CNC-gesteuerten Fräsmaschinen sind Durchgangsbohrungen oft einfacher zu bearbeiten als Sacklöcher.
8. Löcher mit flachem Boden
Die Bearbeitung von Löchern mit flachem Boden erfordert teurere Bearbeitungsmethoden und führt häufig zu Problemen bei nachfolgenden Arbeitsgängen wie dem Reiben. Vermeiden Sie die Herstellung von Sacklöchern mit flachem Boden, insbesondere von kleinen Löchern, und verwenden Sie stattdessen einen Standard-Spiralbohrer, um Löcher mit konischem Boden herzustellen. Der Kegelwinkel beträgt normalerweise 118°.
Hervorzuheben ist, dass das Modell während der Konstruktion das Design der konischen Bodenbohrung beibehalten sollte. Dies ist kein schwieriger Vorgang, als das Problem der Fertigung zu überlassen.
8. Löcher mit flachem Boden
Die Bearbeitung von Löchern mit flachem Boden erfordert teurere Bearbeitungsmethoden und führt häufig zu Problemen bei nachfolgenden Arbeitsgängen wie dem Reiben. Vermeiden Sie die Herstellung von Sacklöchern mit flachem Boden, insbesondere von kleinen Löchern, und verwenden Sie stattdessen einen Standard-Spiralbohrer, um Löcher mit konischem Boden herzustellen. Der Kegelwinkel beträgt normalerweise 118°.
Hervorzuheben ist, dass das Modell während der Konstruktion das Design der konischen Bodenbohrung beibehalten sollte. Dies ist kein schwieriger Vorgang, als das Problem der Fertigung zu überlassen.
9. Bohrungsdurchmesser und -tiefe
Die Löcher können mit einem Bohrer oder einem Fräser bearbeitet werden. Die Größen der Bohrer sind genormt (metrische und zöllige Einheiten). Reibahlen und Aufbohrwerkzeuge werden für die Bearbeitung von Löchern verwendet, die enge Toleranzen erfordern.
Für hochpräzise Bohrungen mit einem Durchmesser von weniger als 20 mm wird die Verwendung von Standarddurchmessern empfohlen. Bohrungen mit nicht standardisierten Durchmessern müssen mit einem Fräser bearbeitet werden. In diesem Fall sollten die Grenzen der Kavitätstiefe eingehalten und der empfohlene maximale Tiefenwert verwendet werden.
| Empfohlener Wert (mm) | Mindestwert (mm) |
|---|---|
| 2.5 | 0.05 |
In den meisten Fällen können Hohlräume und Löcher mit Werkzeugen mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Millimetern genau bearbeitet werden. Alles, was unter dieser Grenze liegt, wird als Mikro-Bearbeitung bezeichnet. Für die Mikrobearbeitung sind Spezialwerkzeuge (Mikrobohrer) und Fachwissen erforderlich, so dass es ratsam ist, diese Probleme zu vermeiden, sofern sie nicht unbedingt notwendig sind.
Bei der CNC-Bearbeitung gibt es keine besondere Präferenz zwischen Durchgangsbohrungen und Sacklöchern. Auf nicht CNC-gesteuerten Fräsmaschinen sind Durchgangsbohrungen oft einfacher zu bearbeiten als Sacklöcher.
| Empfehlung | Maximum |
|---|---|
| 4x Durchmesser | 40x Durchmesser |
Gestalten Sie die Löcher je nach Anforderung so kurz wie möglich. Tieflochbohrer können sehr tiefe Löcher bearbeiten, aber dafür sind zusätzliche Systeme und Werkzeuge erforderlich.
10. Design mit Gewindelöchern
Innengewinde können mit Gewindebohrern oder Gewindefräsern bearbeitet werden. Gewindebohrer werden zum Gewindeschneiden von M2 und darüber verwendet. CNC-Gewindefräser können für die Bearbeitung von Gewinden bis M6 verwendet werden.
| Minimaler Wert | Empfohlener Wert |
|---|---|
| 1.5x Durchmesser | 3x Durchmesser |
Der größte Teil der auf ein Gewinde wirkenden Last wird von den ersten paar Gewindegängen am Eingang des Gewindelochs getragen (bis zum 1,5-fachen des Durchmessers). Daher ist es im Allgemeinen nicht erforderlich, dass ein Gewinde den dreifachen Nenndurchmesser überschreitet. Bei Gewinden in Sacklöchern, die mit Gewindebohrern hergestellt werden (d. h. alle Gewinde kleiner als M6), ist es ratsam, am Grund des Lochs eine gewindelose Länge hinzuzufügen, die dem Dreifachen der Steigung entspricht (der Einführungsabschnitt des Gewindebohrerbodens). Beim Fräsen von Gewinden (d. h. bei Gewinden größer als M6) kann die Bohrung über die gesamte Länge mit einem Gewinde versehen werden (Planung von Werkzeugrückzugsschlitzen).
Vermeiden von Tiefbohrungen
Die Vermeidung von tiefen Gewindeschneidungen ist entscheidend für die Erzielung genauer und präziser Ergebnisse bei der Konstruktion von CNC-Bearbeitungen. Je größer die Gewindetiefe ist, desto größer ist das Risiko von Vibrationen und Abweichungen während des Betriebs, was zu Fehlern im Endprodukt führen kann. Gewinde, die länger als das Dreifache ihres Durchmessers sind, gelten als tief, was Risiken mit sich bringen kann. In vielen Fällen können jedoch auch Gewindelängen, die dem 1,5-fachen des Durchmessers entsprechen, für einen ausreichenden Gewindeeingriff sorgen, so dass ein tiefes Gewindeschneiden gar nicht erst erforderlich ist. Die Verwendung tiefer Gewindebohrer erhöht das Risiko von Werkzeugbrüchen, Gewindedefekten und verminderter Genauigkeit, was sie zu einem unerwünschten Aspekt der Konstruktion macht.
11. Vermeiden von nicht-vertikalen Löchern
Wenn der Bohrer die Materialoberfläche berührt, kann die Spitze des Bohrers abdriften, wenn die Oberfläche nicht senkrecht zur Bohrerachse steht. Außerdem erschweren ungleichmäßige Grate um das Austrittsloch herum die Gratentfernung. Wir sollten also keine Löcher entwerfen, die nicht senkrecht zur Bohrerachse stehen.
Wenn die Ausrichtung des Lochs tatsächlich nicht ideal und notwendig ist, sollte eine kleine Plattform entworfen werden.
12. Vermeiden von nicht ebenen oder winkligen Flächen
Nicht ebene und schräge Oberflächen sind komplex und schwierig zu bearbeiten, was die Bearbeitungsgeschwindigkeit verlangsamen, die Bearbeitungszeit verlängern und den Werkzeugverschleiß erhöhen kann. Außerdem erschweren diese Oberflächen das Erreichen einer gleichbleibenden Teilequalität und strenger Toleranzen.
Während die Konstruktion von Entformungsschrägen für Teile, die eine Formherstellung erfordern, notwendig ist, sollte sie für andere Teile vermieden werden. Vermeidung von nicht ebenen und schrägen Flächen bei der Konstruktion:
- Verwenden Sie nach Möglichkeit einfache und flache geometrische Formen.
- Verwenden Sie Verrundungen und Radien, um scharfe Ecken abzumildern und die Anzahl komplexer Flächen zu reduzieren.
13. Auswahl des Materials
Bearbeitete Teile können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, darunter Metalle und Kunststoffe.
Extrem harte Werkstoffe sind schwer zu bearbeiten und können zu verstärkten Werkzeugvibrationen führen (was eine geringere Qualität zur Folge hat). Extrem weiche Werkstoffe und solche mit sehr niedrigem Schmelzpunkt können sich bei Kontakt mit Schneidwerkzeugen verformen. Nachstehend sind die gängigsten Werkstoffe für bearbeitete Teile aufgeführt:
Metalle: Aluminiumlegierungen, Stahl, rostfreier Stahl, Magnesium, Titan, Zink, Messing, Bronze, Kupfer.
Kunststoffe: ABS, PC, ABS+PC, PP, PS, POM, PMMA (Acryl), PAGF30, PCGF30, PTFE, DHPE, HDPE, PPS, PEEK. (Seltener: PA GF50, PPS GF50.)
Zusammenfassung
Zusammenfassend werden in diesem Beitrag wesentliche Faktoren zur Optimierung von CNC-Fräskonstruktionen beschrieben. Der Schwerpunkt liegt auf der Minimierung von Rüst- und Bearbeitungszeiten, der Verbesserung der Präzision und der Bewältigung von Herausforderungen wie engen Kavitäten, Gewindetiefen, Werkzeugrückzug, komplexen Oberflächen und Materialauswahl für effiziente und hochwertige Ergebnisse.
