Hướng dẫn thiết kế nhôm CNC: Quy tắc DFM và giảm chi phí

Thiết kế các bộ phận bằng nhôm để gia công CNC đòi hỏi phải cân bằng giữa chức năng cơ khí với động lực cắt-tại xưởng. Các quy tắc DFM tiêu chuẩn chính bao gồm: giữ độ dày thành tối thiểu ở trên0,8 mm(khuyến nghị 1,5 mm), đặt bán kính góc trong thành>Bán kính công cụ 1,15x, giới hạn độ sâu túi tạiĐường kính dao cắt 4x, và chỉ địnhISO 2768-mdung sai chung trong khi dự trữ±0,010 mmchỉ dành cho các giao diện giao phối quan trọng. Để ngăn ngừa hiện tượng cong vênh bộ phận và kẹt ren, các kỹ sư phải tính đến khả năng giảm ứng suất của hợp kim (ví dụ: chỉ định Al6061-T651 trên T6) và tích tụ lớp mạ trong giai đoạn lập mô hình CAD 3D ban đầu.

Mô hình CAD so với thực tế sàn nhà xưởng: Thu hẹp khoảng cách kỹ thuật

Mô hình CAD 3D được tạo trong SolidWorks hoặc Autodesk Inventor thể hiện một hình học lý tưởng hóa trong môi trường kỹ thuật số không{1}}không trọng lực, không{2}}ma sát. Khi được chuyển đến trung tâm gia công đứng 5-trục (VMC), hình học đó sẽ tương tác với mô-men xoắn trục chính tốc độ cao, lực kẹp vật lý, độ lệch của dụng cụ cắt và sinh nhiệt.

TạiHạ Môn Dazao Máy móc, được thành lập năm 2000 với các chứng chỉ ISO9001:2015 và IATF16949:2016, dữ liệu sản xuất cho thấygần 90% tệp CAD 3D được gửi yêu cầu sửa đổi DFM (Thiết kế cho Sản xuất)trước khi đường chạy dao có thể được tạo ra. Thiết kế không được tối ưu hóa dẫn đến thời gian chu kỳ quá mức, tiếng kêu của dụng cụ, dao cắt bị mài mòn nhanh và tỷ lệ phế liệu không cần thiết.

Theo cấu trúchướng dẫn thiết kế gia công nhôm cnccho phép các kỹ sư tạo ra các thành phần có chi phí sản xuất rẻ hơn, gia công nhanh hơn và ổn định về kích thước trong suốt-quá trình xử lý hậu kỳ. Để hiểu cách các lựa chọn thiết kế này chuyển sang hoạt động sản xuất ở cấp độ sàn-, hãy tham khảo nền tảng của chúng tôihướng dẫn gia công nhôm CNC.

Hướng dẫn DFM cơ bản cho gia công nhôm CNC

Thực hiện hiệu quảthiết kế phần nhômđòi hỏi phải tuân thủ các giới hạn hình học cụ thể được quy định bởi động học của dụng cụ cắt và tính chất vật liệu.

1. Kiểm soát độ dày và độ cứng tối thiểu của tường

Các bức tường mỏng dưới lực cắt cao bị lệch ngang, dẫn đến các vết rạn, lệch kích thước và khả năng gãy tường.

· Độ dày thành tối thiểu được khuyến nghị: 1,5 mmvề đặc điểm cấu trúc chung.

· Độ dày thành tối thiểu tuyệt đối: 0,8 mmdành cho các xương sườn được hỗ trợ, cục bộ (độ dày thành tối thiểu để gia công cnc).

· Các tính năng-vi mô: 0,5 mmchỉ có thể đạt được thông qua các đường cắt hoàn thiện bằng ánh sáng nhiều-với dao phay ngón có đường kính-nhỏ, giúp tăng đáng kể thời gian chu kỳ.

Độ võng của tường mỏng dưới áp lực cắt tuân theo phương trình uốn dầm công xôn:

δ=(F⋅L³)/(3⋅E⋅I)

Ở đâuδlà độ võng, F là lực cắt, L là chiều cao thành, E là mô đun Young của hợp kim nhôm và I là mô men quán tính diện tích. Do độ dày thành (t) tác động trực tiếp đến quán tính (I=(b⋅t³)/12), việc giảm độ dày thành 50% sẽ làm tăng độ lệch lên hệ số 8.

2. Lựa chọn bán kính góc bên trong và gắn dao phay ngón

Dao phay ngón quay CNC không thể cắt các góc thẳng đứng bên trong 90 độ sắc nét. Mỗi cạnh dọc bên trong vẫn giữ nguyên bán kính của dao phay một cách tự nhiên (bán kính góc trong cnc).

· Quy tắc chuẩn:Chỉ định mộtbán kính góc trong(Rcorner) đó làLớn hơn 10% đến 15%hơn bán kính dao phay cuối tiêu chuẩn (Rtool).

· Quy tắc toán học:Rcorner Lớn hơn hoặc bằng 1,15×Rtool

Nếu bán kính góc bên trong khớp chính xác với bán kính của dao phay ngón, dụng cụ sẽ thay đổi hướng 90 độ trong khi vẫn duy trì tương tác xuyên tâm 100%. Tải phoi tăng đột ngột này gây ra tiếng kêu của dụng cụ, độ hoàn thiện bề mặt kém và dụng cụ bị gãy. Cung cấp bán kính lớn hơn cho phép dao cắt vòng tròn qua góc một cách trơn tru mà không cần dừng hoặc dừng, theo tiêu chuẩnquy tắc thiết kế phay cnc.

3. Giới hạn độ sâu của túi và tỷ lệ lệch của công cụ

Các túi sâu, hẹp đòi hỏi các dao phay ngón có tầm với dài. Khi phần nhô ra của dụng cụ tăng lên, độ cứng giảm theo cấp số nhân theo công thức độ lệch của chùm tia (tỷ lệ với L³).

· Độ sâu túi tiêu chuẩn:Giữ độ sâu Nhỏ hơn hoặc bằng4× chiều rộng túi.

· Độ sâu túi tối đa:Nhỏ hơn hoặc bằng6× chiều rộng túi. Độ sâu vượt quá 6×yêu cầu dụng cụ có cổ chuyên dụng, tốc độ tiến dao giảm hoặc EDM (Gia công phóng điện), làm tăng chi phí.

4. Tiêu chuẩn thiết kế lỗ và căn chỉnh mũi khoan

Việc thiết kế các lỗ để phù hợp với kích thước mũi khoan tiêu chuẩn giúp loại bỏ nhu cầu về mũi doa tùy chỉnh hoặc đường chạy dao nội suy vòng tròn (cách thiết kế các bộ phận cho gia công cnc).

· Giới hạn độ sâu lỗ:Giữ độ sâu lỗ mù Nhỏ hơn hoặc bằng8×đường kính lỗ.

· Cấu hình đáy:Thiết kế đáy lỗ mù theo tiêu chuẩnGóc điểm khoan 118 độ hoặc 135 độchứ không phải là đáy phẳng. Các lỗ đáy phẳng-yêu cầu thao tác nghiền thứ cấp.

· Bề mặt ra vào:Đảm bảo các mặt vào và ra của mũi khoan vuông góc với trục dao. Khoan vào một bề mặt có góc cạnh khiến mũi khoan bị lệch, làm cong dụng cụ và làm hỏng dung sai vị trí lỗ.

Các thông số DFM chính cho gia công nhôm CNC

Ngăn chặn chi phí vượt mức: Ngăn xếp dung sai-Lên và hoàn thiện bề mặt

-Việc chỉ định quá mức dung sai là nguyên nhân lớn nhất dẫn đến chi phí sản xuất không cần thiết tronggia công cnc dfm.

1. Loại bỏ bẫy dung sai CAD mặc định

Các mẫu bản vẽ CAD tiêu chuẩn thường bao gồm dung sai khối tiêu đề mặc định, chẳng hạn như:

· XX=±0,5 mm

· X.XX=±0,1 mm

· X.XXX=±0,01 mm

Khi một kỹ sư để lại một tính năng không quan trọng với ba chữ số thập phân, lập trình viên CAM phải chạy các bước hoàn thiện-độ chính xác cao, cấp nguồn-thấp trên các bề mặt không-giao tiếp (dung sai gia công cnc).

· Dung sai chung:Áp dụngISO 2768-m (Trung bình)cho tất cả các thứ nguyên không{0}}quan trọng (hướng dẫn dung sai gia công cnc).

· Dung sai độ chính xác:Dự trữ±0,010 mm đến ±0,025 mmnghiêm ngặt đối với ghế chịu lực, vị trí chốt chốt và các đường trượt giao phối động.

2. Tính toán sự tăng trưởng kích thước Anodizing

Các bộ phận bằng nhôm được phay thường để lại máy có độ nhám bề mặtRa 1,6 µm đến Ra 3,2 µm. Các bước hoàn thiện nhẹ hạ mức này xuốngRa 0,8 µm. Tuy nhiên việc áp dụngdịch vụ anodizing nhôm chính xáchoặc lớp hoàn thiện bề mặt thứ cấp sẽ trực tiếp thay đổi kích thước vật lý cuối cùng:

① Anodizing loại II (Anodize tiêu chuẩn):

· Tổng độ dày màng:8 µm đến 15 µm.

· Thâm nhập và tích tụ: 50% tích tụ trên bề mặt nhôm, 50% tích tụ ở bên ngoài.

· Tăng trưởng kích thước trên mỗi bề mặt:4 µm đến 7,5 µm.

② Anodizing lớp phủ cứng loại III:

· Tổng độ dày màng:25 µm đến 50 µm.

· Tăng trưởng kích thước trên mỗi bề mặt:12,5 µm đến 25 µm.

Khi thiết kế các lỗ chốt-khớp hoặc đóng lỗ khoan dung sai-của trục, các kích thước CAD trước{2}}anod hóa phải tính đến sự tích tụ lớp này theohướng dẫn dfm gia công cnc.

Phương pháp sản xuất so với dung sai Tác động chi phí

3 Điểm mù trong sản xuất trong gia công nhôm CNC

Trong khi hướng dẫn tiêu chuẩn tập trung vào bán kính cơ bản và độ dày thành, lỗi sản xuất thường xuất phát từ hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình loại bỏ phoi. Dưới đây là ba điểm mù kỹ thuật quan trọng được xác định trên sàn Dazao Machinery.

Điểm mù 1: Giải phóng ứng suất bên trong và loại bỏ cổ phiếu không đối xứng Cong vênh

Nguyên liệu nhôm được ép đùn hoặc cán nóng-có mức độ ứng suất dư bên trong cao do quá trình sản xuất. Khi máy phay ngón CNC loại bỏ khối lượng lớn vật liệu từ một phía của bộ phận, trường ứng suất bên trong sẽ trở nên mất cân bằng. Khi bộ phận được tháo ra khỏi êtô, bộ phận sẽ cong hoặc xoắn.

Trường hợp trục trặc kỹ thuật tại Dazao

Một khách hàng đã thiết kế một tấm đế quang có kích thước 1200 mm×400 mm×25 mm theo tiêu chuẩnAl6061-T6đĩa. Thiết kế yêu cầu phay một túi lớn ở một bên, loại bỏ 70% vật liệu.

Khi thả êtô ra, tâm của tấm đế cong lên trên0,35 mm, không đạt được thông số mặt phẳng phẳng Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 mm. Toàn bộ lô sản xuất 50 chiếc đã bị loại bỏ.

Giải pháp kỹ thuật

1. Đặc điểm vật liệu:Chuyển từ 6061-T6 sang6061-T651hoặc7075-T6511. các51ký hiệu cho biết tấm đã được giảm bớt ứng suất-bằng cách kéo giãn cơ học (kéo dài vĩnh viễn 1,5% đến 3%) tại nhà máy trước khi lão hóa tôi.

2. Chiến lược gia công:Thực hiện loại bỏ vật liệu đối xứng. Máy thô Mặt A, lật và thô Mặt B, áp dụng phương pháp xử lý nhiệt-giảm ứng suất trung gian tại180 độ trong 2 giờ, rồi thực hiện các đường hoàn thiện có độ chính xác cuối cùng.

Điểm mù 2: Sự lưu giữ mao dẫn của dung dịch Anodizing trong các sợi nhỏ

Các kỹ sư thường xuyên điều chỉnh đường kính ren chính để tạo ra sự tích tụ anodize đồng đều. Tuy nhiên, trong các lỗ có ren mù có đường kính-nhỏ (ví dụ: M3 đến M5), lực mao dẫn ngăn chặn sự lưu thông chất lỏng trong bước rửa anodizing.

Áp lực mao mạch trong một kênh nhỏ được tính như sau:

Pc=(2⋅ ⋅cosθ)/r

Trong đó là sức căng bề mặt, θ là góc tiếp xúc và r là bán kính lỗ. Khi r giảm, khả năng lưu giữ mao mạch tăng đột biến.

Dung dịch tắm anodizing vẫn bị mắc kẹt ở gốc các sợi mù nhỏ. Nồng độ axit cục bộ gây ra sự hòa tan nhôm quá mức, sau đó là sự tích tụ oxit cục bộ, làm tăng gấp đôi độ dày màng ở các ren đáy một cách hiệu quả.

Trường hợp trục trặc kỹ thuật tại Dazao

Một bộ phận vỏ y tế được chỉ định các lỗ ren mù M3 với tiêu chuẩnDung sai ren loại 6H. Đồng hồ đo phích cắm ren được anod hóa trước đã vượt qua kiểm tra mà không gặp vấn đề gì.

Sau quá trình anot hóa Lớp phủ cứng Loại III, các vít gắn bằng thép không gỉ bị đóng băng ở nửa chừng các lỗ mù, làm đứt các đầu vít.

Giải pháp kỹ thuật

1. Khai thác quá khổ:Sử dụng vòi quá khổ (Giới hạn nhấn GH3 hoặc GH4) dành cho tất cả các ren bên trong nhỏ được chỉ định cho anodizing lớp phủ cứng để tạo thêm khe hở đường kính bước.

2. Đặc điểm kỹ thuật CAD/Bản vẽ rõ ràng:Chú thích chủ đề riêng biệt rõ ràng trên các bản in kỹ thuật:

· Pre{0}}Anodize Thread Class: Quá khổ đặc biệt

· Đăng-Anodize Loại chủ đề: ISO 6H

3. Thông qua-Sửa đổi lỗ:Chuyển các lỗ có ren mù thành lỗ xuyên-bất cứ khi nào có thể để cho chất lỏng chảy tự do trong quá trình rửa lớp mạ.

Điểm mù 3: Cộng hưởng tường và thiết kế cấu trúc chống tần số bất đối xứng{1}}

Khi phay các túi nhôm có thành mỏng-tốc độ cao-, sự tương tác của các rãnh cắt với các cấu trúc nhôm mỏng gây ra tiếng kêu lớn nếuTần số vượt qua lưỡi (fbp) phù hợp vớiTần số cộng hưởng tự nhiên (fn) của tường túi.

Tần số truyền lưỡi được định nghĩa là:

fbp=(RPM×Số lượng sáo)/60

Nếu máy nghiền ngón 4 me chạy ở tốc độ 12.000 vòng/phút, fbp=(12.000×4)/60=800 Hz. Nếu tần số tự nhiên của thành túi cũng là 800 Hz, sóng âm đứng sẽ hình thành, tạo ra các vết rung sâu và làm hỏng bề mặt hoàn thiện bất kể điều chỉnh nguồn cấp dữ liệu.

Giải pháp kỹ thuật

· Phá vỡ tính đối xứng:Thay vì thiết kế bốn vách túi dày 2,0 mm giống hệt nhau, hãy thay đổi độ dày tường một chút (ví dụ: Tường A=2.0 mm, Tường B=2.4 mm). Việc thay đổi khối lượng mặt cắt ngang sẽ dịch chuyển fn qua các bức tường liền kề, triệt tiêu sự cộng hưởng của sóng đứng.

· Góc nghiêng vi mô-:Kết hợp mộtGóc nháp 0,5 độ đến 1,0 độtrên các bức tường túi bên trong. Một bức tường hình côn có mặt cắt ngang có thể thay đổi liên tục dọc theo chiều cao của nó, giúp ngăn không cho bất kỳ tần số cộng hưởng đơn lẻ nào khuếch đại trong quá trình phay.

Fixture, chiến lược dữ liệu và kỹ thuật giảm thiểu thiết lập

Mỗi khi người vận hành máy tháo một bộ phận, xoay nó và kẹp lại nó theo một hướng mới ("thiết lập"), lỗi vị trí sẽ tăng lên và thời gian nhàn rỗi của máy sẽ làm tăng chi phí đơn vị.

1. Đánh giá Kinh tế học 3 trục và. 5-Trục VMC

· Gia công 3 trục:Lý tưởng cho các bộ phận có đặc điểm trên một mặt hoặc hướng trên/dưới đơn giản. Yêu cầu lật thủ công hoặc nhiều đồ đạc. Giá theo giờ của máy thấp ($45 - $65/giờ).

· Tận dụng nâng caoKhả năng gia công CNC 5 trụclý tưởng cho các đường viền hữu cơ phức tạp, các lỗ-có góc cạnh hoặc hình dạng cánh quạt hoặc hình dạng cánh quạt. Loại bỏ nhiều thiết lập nhưng mang lại tốc độ theo giờ của máy cao hơn ($90 - $140/giờ).

Để giảm thiểu chi phí, hãy thiết kế các bộ phận sao cho tất cả các tính năng quan trọng (túi, lỗ, khe) đều có thể truy cập được từ một vectơ duy nhất, cho phép hoàn thành trong một thiết lập duy nhất trên VMC 3 trục (thiết kế nhôm cnc).

2. Hợp nhất tính năng và vị trí lỗ chuẩn

· Thiết lập dữ liệu sơ cấp (Datum A):Thiết kế một bề mặt tham chiếu phẳng, lớn vớiRa 0,8µm kết thúc và0,02mmđặc điểm kỹ thuật độ phẳng

· Kết hợp các lỗ dụng cụ:Thêm hai-không quan trọngLỗ chốt doa 4,0 mm hoặc 6,0 mmtrên mặt chính. Những lỗ này đóng vai trò là điểm định vị vật lý cho các thiết bị CNC, tăng tốc độ liên kết thiết lập trong suốt quá trình sản xuất.

· Cung cấp mặt bích kẹp:Đối với các tấm lớn, mỏng, hãy thêm các mấu kẹp hy sinh hoặc các bậc vai bên ngoài. Điều này giúp cho các bề mặt song song của êtô có thể bám chặt mà không làm cong hình dạng của bộ phận đã hoàn thiện.

Ma trận lựa chọn hợp kim nhôm cho gia công CNC

Việc lựa chọn nhiệt độ hợp kim phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cắt, chất lượng lưỡi cắt và chi phí dụng cụ. Để biết thông tin chi tiết hơn về kỹ thuật xử lý nhiệt và chống ăn mòn, hãy tham khảo phần mở rộng của chúng tôihướng dẫn lựa chọn hợp kim nhôm cho gia công CNC. chất lượng cạnh và tổng thểquá trình gia công nhôm CNC.

1. Al6061-T6 / Al6061-T651

· Của cải:Khả năng hàn tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn cao, độ bền kết cấu tốt (hướng dẫn thiết kế phần nhôm).

· Khả năng gia công:phoi được hình thành sạch sẽ bằng hình học bẻ phoi thích hợp; mài mòn keo công cụ tối thiểu.

· Sử dụng tốt nhất:Khung kết cấu, linh kiện máy, giá đỡ, tấm quang.

2. Al7075-T6 / Al7075-T6511

· Của cải:Vật liệu có độ bền cao-hợp kim kẽm-có cường độ chảy cơ học phù hợp với thép kết cấu (~500 MPa).

· Khả năng gia công:Đặc biệt. Tạo ra các phoi ngắn, giòn giúp dễ dàng dọn sạch các túi, cho phép tiến dao và tốc độ nhanh.

· Sử dụng tốt nhất:Giá đỡ cấu trúc hàng không vũ trụ, cánh tay robot có tải trọng-cao, các bộ phận ô tô hiệu suất cao.

3. Al5052-H32 / Al5083-H111

· Của cải:Hàm lượng magiê cao mang lại khả năng chống ăn mòn nước mặn vượt trội. Độ dẻo cao.

· Khả năng gia công:Kém cho việc phay chính xác. Nhôm mềm có xu hướng dán keo vào các me dao phay cuối, tạo thành-Cạnh dựng sẵn (BUE) và để lại các vệt dọc theo các cạnh cắt.

· Sử dụng tốt nhất:Vỏ bọc hàng hải, tấm kim loại hàn/kết cấu lai gia công.

Chỉ số tính chất cơ học và khả năng gia công của hợp kim nhôm CNC

Triển khai quy trình làm việc DFM sớm với Dazao Machinery

Áp dụng những điều nàyhướng dẫn thiết kế nhôm cnctrong quá trình phát triển sản phẩm ban đầu sẽ loại bỏ các đơn đặt hàng thay đổi kỹ thuật (ECO) đắt tiền sau khi tiến hành chế tạo công cụ.

TạiHạ Môn Dazao Máy móc, đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi hỗ trợ người mua và nhà thiết kế tạiGiai đoạn hoàn thiện 80% CAD. Bằng cách chạy mô phỏng đường chạy dao CAM tự động và phân tích xếp chồng dung sai-trước khi cắt phôi, Dazao giúp khách hàng đạt được:

1. Giảm thời gian chu kỳ:Tối ưu hóa bán kính bên trong và độ sâu hốc giúp giảm thời gian gia công từ 20% đến 35%.

2. Đảm bảo chất lượng:Của chúng tôiQuy trình kiểm tra chất lượng chính xác IATF16949đảm bảo đầy đủ các chứng nhận về nhiệt của nguyên liệu thô, xác minh kích thước CMM và kiểm tra thước đo chân cắm quang học trên tất cả các tính năng có ren và kiểm tra thước đo chân cắm quang học trên tất cả các tính năng có ren.

3. Chi phí minh bạch:Việc xác định các tính năng-quá mức cho phép cho phép các kỹ sư nới lỏng các thông số kỹ thuật không-quan trọng trước khi bắt đầu sản xuất.