14 проверенных советов по проектированию для снижения стоимости обработки на станках с ЧПУ

При обработке с числовым программным управлением (ЧПУ) независимо от того, хотите ли вы создать один прототип или перейти к крупносерийному производству, основным приоритетом часто является снижение производственных затрат. К счастью, дизайнерские решения могут помочь снизить цены. Просто следуя правилам проектирования для обрабатываемости, вы можете производить доступные детали, которые по-прежнему соответствуют требованиям к функциональному дизайну.

В этой статье приведены подробные советы, которые помогут оптимизировать дизайн. Мы начнем с изучения того, что увеличивает затраты на обработку с ЧПУ. Затем мы представляем исчерпывающие рекомендации с проверенными советами по проектированию, которые помогут снизить стоимость вашего проекта.

Сколько стоит обработка на станках с ЧПУ?

Предложение на детали, обработанные на станках с ЧПУ, определяется следующими факторами:

• Время обработки :Чем дольше обрабатывается деталь, тем она дороже. Время обработки часто является основным фактором затрат в ЧПУ, особенно для крупносерийного производства, где простые ошибки проектирования могут нанести ущерб экономии за счет масштаба.

• Затраты на запуск: Что касается подготовки файлов автоматизированного проектирования (САПР) и планирования процессов, начальные затраты значительны для небольших объемов. К счастью, они также исправлены. Если дизайн и отделка поверхности подходят для масштабирования затрат, вы можете снизить цену за единицу, применив эффект масштаба. принципы.

• Прочие производственные затраты: Чтобы определить жесткие допуски или спроектировать детали с элементами, которые трудно обработать на станке с ЧПУ (например, очень тонкие стенки), вам могут потребоваться специальные инструменты, более тщательный контроль качества и большее количество этапов обработки при более низкой скорости обработки. Это также влияет на общее время и стоимость производства.

• Стоимость материалов: Цена сыпучего материала и легкость обработки этого материала сильно влияют на общую стоимость станков с ЧПУ. Оптимизация дизайна при тщательном рассмотрении материалов может снизить затраты.

Понимая, что влияет на стоимость обработки на станках с ЧПУ, мы можем оптимизировать конструкцию, чтобы сократить бюджет.

Как снизить стоимость обработки с ЧПУ

1. Добавьте радиус внутренних вертикальных ребер

Все фрезерные станки с ЧПУ имеют цилиндрическую форму и создают радиус при резке кромки кармана. Радиус угла можно уменьшить, используя инструмент меньшего диаметра. Для этого требуется несколько проходов с более низкой скоростью, потому что инструменты меньшего размера не могут удалять материал так же быстро, как инструменты большего размера всего за один проход. Это увеличивает время и стоимость обработки.

Чтобы минимизировать затраты:

• Добавьте радиус не менее одной трети глубины полости — чем больше, тем лучше.

• Используйте одинаковый радиус для всех внутренних кромок, чтобы не менять инструмент.

• На дне полости используйте меньший радиус (0,5 или 1 мм) или вообще не используйте радиус.

Полезно знать :В идеале радиус угла должен быть немного больше, чем радиус инструмента, используемого для обработки полости. Это снижает нагрузку на инструмент и, следовательно, стоимость изготовления. Например, если в вашем проекте есть полость глубиной 12 мм, добавьте радиус 5 мм (или больше) в углах. Это позволяет инструменту диаметром 8 мм резать с большей скоростью.

Совет: Если вам нужны внутренние кромки с острыми углами (например, когда деталь прямоугольной формы должна поместиться в полость), вместо уменьшения радиуса внутренней кромки используйте форму с поднутрениями, как показано на рисунке ниже.

2. Ограничьте глубину полостей

Обработка глубоких полостей резко влияет на стоимость деталей с ЧПУ, поскольку необходимо удалить много материала. Это отнимает много времени и расточительно.

Инструменты с ЧПУ имеют ограниченную длину резания. Как правило, они лучше всего работают при вырезании полостей глубиной в два-три раза больше их диаметра. Например, фрезой диаметром 12 мм можно безопасно вырезать полости глубиной до 25 мм. Можно вырезать более глубокие полости (до четырех диаметров инструмента или больше), но это увеличивает стоимость, поскольку требуются специальные инструменты или многоосевые системы ЧПУ.

Чтобы минимизировать затраты:

• Ограничьте глубину всех полостей в четыре раза их длиной, то есть наибольшим размером в плоскости XY.

• Соответственно отрегулируйте радиусы внутренних углов. При необходимости воспользуйтесь советом в совете № 1.

3. Увеличить толщину тонких стенок

Если вес не является серьезной проблемой, изготавливайте толстые сплошные профили, поскольку они более стабильны и менее затратны в обработке. Чтобы избежать деформации или разрушения при обработке тонкой стенки, используйте несколько проходов при малой глубине резания. Тонкие элементы также сильно подвержены вибрации, поэтому их точная обработка является сложной задачей и значительно увеличивает время обработки.

Чтобы минимизировать затраты:

• Для металлических деталей спроектируйте стенки толще 0,8 мм — чем толще, тем лучше.

• Для пластиковых деталей минимальная толщина стенки должна быть выше 1,5 мм.

Полезно знать: Минимальная толщина стенки, которая может быть достигнута для металлов, составляет 0,5 мм. Для пластика это 1 мм. Оценивайте обрабатываемость таких элементов в каждом конкретном случае.

Важно: Тонкие стенки часто являются проблемой при размещении отверстий (и резьбы) очень близко к краю детали. Учитывайте это при проектировании для станков с ЧПУ.

4. Ограничьте длину тем

Включение резьбы длиннее, чем необходимо, может увеличить стоимость деталей с ЧПУ, поскольку может потребоваться специальный инструмент. Резьба, длина которой более чем в 1,5 раза превышает диаметр отверстия, не повышает прочность соединения.

Чтобы минимизировать расходы: 

• Спроектируйте резьбу с максимальной длиной до трех диаметров отверстия.

• Для резьбы в глухих отверстиях добавьте не менее половины диаметра длины без резьбы на дне отверстия.

5. Используйте стандартный размер отверстия

Отверстия могут быть обработаны на станке с ЧПУ быстро и с высокой точностью с использованием стандартных сверл. Для нестандартных размеров требуется дополнительный этап обработки, что увеличивает стоимость.
По возможности используйте сквозные отверстия вместо глухих, так как их легче обрабатывать.

Ограничьте глубину отверстий в четыре раза больше их диаметра. Более глубокие отверстия (до 10 кратного диаметра) можно изготовить, но они, скорее всего, повысят стоимость, поскольку для их обработки требуется больше времени.

Чтобы минимизировать затраты:

• Спроектируйте отверстия диаметром до 10 мм с шагом 0,1 мм. Для тех, что выше 10 мм, используйте шаг 0,5 мм.

• При проектировании в дюймах используйте обычные доли дюйма или обратитесь к таблице размеров сверл в долях дюйма.

6. Задавайте допуски только при необходимости

Определение жестких допусков увеличивает стоимость обработки элемента, поэтому это следует делать только в случае крайней необходимости. Если конкретный допуск не указан на техническом чертеже, детали обрабатываются с использованием стандартного допуска (± 0,125 мм или выше). Этого достаточно для большинства некритических функций.

Чтобы минимизировать затраты:

• Задавайте более жесткие допуски только тогда, когда это абсолютно необходимо.

• Определите одну базу (например, поперечное сечение двух кромок) в качестве ссылки для всех размеров с допусками.

Профессиональный совет :использовать геометрические размеры и допуски (GD&T) в технических чертежах для снижения стоимости обработки с ЧПУ. GD&T включает в себя такие функции, как плоскостность, прямолинейность, округлость и истинное положение. Он часто определяет более слабый допуск, хотя для его эффективного применения требуются расширенные знания в области проектирования.

7. Минимизируйте количество настроек машины

Создавайте детали, которые можно обрабатывать за минимально возможное количество установов станка. В идеале используйте только одну настройку. Например, деталь, имеющая глухие отверстия с обеих сторон, должна быть обработана за два установа, поскольку для доступа к обеим сторонам ее необходимо повернуть.

Вращение или изменение положения детали увеличивает стоимость производства, поскольку обычно это необходимо делать вручную. Кроме того, для сложной геометрии может потребоваться специальное крепление, что увеличивает затраты. Для особо сложной геометрии может потребоваться многоосевая система ЧПУ, что также увеличивает стоимость.

Рассмотрите возможность разделения детали на несколько геометрий, которые можно обработать на станке с ЧПУ за один установ, а затем скрепить болтами или сварить вместе. Это также относится к деталям с очень глубокими карманами.

Чтобы минимизировать затраты:

• Создавайте детали с простой 2,5D-геометрией, которые можно изготовить на одном станке с ЧПУ.

• Если это невозможно, разделите деталь на несколько геометрий, которые можно будет собрать позже.

8. Избегайте мелких элементов с высоким соотношением сторон

Небольшие элементы с большим соотношением сторон по ширине и высоте подвержены вибрациям, и поэтому их трудно точно обрабатывать.

Чтобы минимизировать затраты:

• Элементы дизайна с соотношением сторон ширины к высоте менее четырех.

• Добавьте распорки вокруг небольших элементов или соедините их со стеной, чтобы повысить их жесткость.

9. Удалить весь текст и надписи

Добавление текста на поверхность детали, обработанной на станке с ЧПУ, может значительно увеличить стоимость, поскольку требует дополнительных операций обработки, что занимает больше времени. Методы обработки поверхности, такие как шелкография или покраска, являются более экономичным способом добавления текста на поверхность детали, обработанной на станке с ЧПУ.

Чтобы минимизировать затраты:

• Удалите весь текст и надписи с деталей, обработанных на станках с ЧПУ.

• Если необходим текст, выберите гравировку, а не тиснение.

• Используйте шрифт без засечек размером не менее 20 (например, Arial или Verdana).

10. Учитывайте обрабатываемость материала

Под обрабатываемостью понимается легкость, с которой материал можно резать. Чем выше обрабатываемость, тем быстрее материал можно обрабатывать на станке с ЧПУ, тем самым снижая стоимость. Обрабатываемость зависит от физических свойств каждого материала. Как правило, чем мягче и пластичнее металлический сплав, тем легче его обрабатывать.

Латунь C360 — это сплав с самой высокой обрабатываемостью, позволяющий выполнять высокоскоростную обработку. Алюминиевые сплавы (например, 6061 и 7075) также легко поддаются механической обработке, хотя и требуют немного более низких скоростей.

Нержавеющая сталь в 10 раз хуже обрабатывается, чем алюминий, и на ее обработку уходит как минимум в два раза больше времени. Различные марки стали имеют разную обрабатываемость. Например, нержавеющая сталь 304 имеет индекс обрабатываемости. 45%, а нержавеющая сталь 303 (сплав с очень похожим химическим составом) имеет индекс 78%, что упрощает ее обработку.

Обрабатываемость пластмасс в основном зависит от их термических свойств и жесткости, поскольку они склонны к плавлению и изгибу во время обработки.

POM (Derlin) — самый простой в обработке пластик, а ABS занимает второе место. PEEK и нейлон 6 — распространенные инженерные пластики, которые труднее обрабатывать.

Чтобы минимизировать затраты:

• Если у вас есть варианты, выберите материал с лучшей обрабатываемостью, особенно для больших заказов.

11. Учитывайте цену на сыпучий материал

Цена сыпучего материала является еще одним фактором, который может сильно повлиять на стоимость деталей, обработанных на станках с ЧПУ.
В таблице ниже приведены цены на металлические сплавы и пластмассы, обычно используемые в станках с ЧПУ, для листа размером 6 x 6 x 1 дюйм (или примерно 150 x 150 x 25 мм).

Материал	Цена
Алюминий 6061	$25
Алюминий 7075	$80
Нержавеющая сталь 304	$90
Нержавеющая сталь 303	$150
Латунь C360	$148
АБС	$17
Нейлон 6	$30
ПОМ (Дерлин)	$27
PEEK	$300

Источник:  Макмастер

Алюминий 6061 на сегодняшний день является наиболее экономичным способом создания металлических прототипов из-за его низкой стоимости и очень хорошей обрабатываемости.

Металлы, которые лучше поддаются механической обработке, такие как нержавеющая сталь 303 и латунь C360, стоят дороже и поэтому лучше подходят для крупносерийного производства. В этом случае в игру вступает эффект масштаба, поскольку более высокая стоимость материала перевешивается гораздо более коротким временем обработки.

Что касается пластика, ABS, нейлон и полиоксиметилен (дерлин) стоят примерно столько же, сколько алюминий 6061. Однако их сложнее обрабатывать, поэтому ожидайте более высокой стоимости. PEEK — очень дорогой материал, и его следует использовать только в случае крайней необходимости.

Чтобы минимизировать расходы: 

• Выбирайте материал с низкой оптовой ценой, особенно для небольших заказов.

12. Избегайте нескольких вариантов отделки поверхности

Поверхностная обработка улучшает внешний вид деталей, обработанных на станках с ЧПУ, и их устойчивость к агрессивным средам, но также увеличивает стоимость. Запрос на обработку нескольких поверхностей одной и той же детали дополнительно увеличивает стоимость, поскольку требует дополнительных действий (например, маскирования поверхностей). Статью, в которой обобщаются преимущества каждой обработки поверхности деталей с ЧПУ, можно найти здесь .

Чтобы минимизировать затраты:

• Выберите чистоту поверхности «как обработанная».

• Запрашивайте несколько вариантов отделки поверхности только в случае крайней необходимости.

13. Учет пустого размера

Размер заготовки, то есть исходный материал, может повлиять на общую стоимость. Как правило, заготовка должна быть минимум на 3 мм больше, чем торцевая часть. Для обеспечения точности необходимо снять некоторое количество материала со всех краев детали.

В качестве примера того, как размер заготовки влияет на цену в станке с ЧПУ, рассмотрим разработку детали с конвертом размером 30 x 30 x 30 мм. Эти размеры потребуют использования заготовки большего размера, которая в этом случае обычно вырезается из листа толщиной 35 мм. Однако если деталь имела конверт размером 27 x 27 x 27 мм, то можно было бы использовать лист толщиной 30 мм, что позволило сэкономить много материала.

Чтобы минимизировать затраты:

• Спроектируйте детали, размер которых на 3 мм меньше стандартного размера заготовки.

14. Воспользуйтесь эффектом масштаба

При обработке с ЧПУ количество сильно влияет на цену за единицу. Это связано с тем, что начальные затраты относительно высоки, а при небольших количествах они составляют большой процент от стоимости. Однако при больших объемах затраты на единицу продукции снижаются.

На приведенном ниже графике показана средняя цена за единицу 12 различных деталей, изготовленных из нержавеющей стали 304. 

Падение цены за единицу почти экспоненциальное, а это означает, что даже увеличение объема с одного до пяти может снизить цену за единицу вдвое. Кроме того, заказ очень больших объемов (> 1000 деталей) снижает цену за единицу в 5–10 раз.

Чтобы минимизировать затраты:

• Воспользуйтесь эффектом масштаба, заказав большее количество.

Рекомендации по снижению затрат на ЧПУ

В заключение, сделайте обработку с ЧПУ простой.

Сложность имеет высокую цену в ЧПУ. Геометрии, которые требуют специальных инструментов или приспособлений, нескольких настроек станка или специальных материалов, стоят дороже.

Поэтому, чтобы снизить затраты, прежде чем отправить заказ на расчет стоимости, задайте следующие вопросы:

• Оптимизирована ли моя деталь с использованием рекомендаций по проектированию для обрабатываемости?

• Все ли функции моей модели абсолютно необходимы? Или я могу удалить или упростить, сохранив полную функциональность детали?

• Можно ли разделить мою конструкцию на несколько частей, которые легче обработать на станке с ЧПУ и собрать позже?

• Есть ли способ изменить мою конструкцию, чтобы исключить необходимость в нескольких настройках станка или специальных инструментах?

• Есть ли менее дорогой или простой в обработке материал, отвечающий моим требованиям к дизайну?

Настоящее и будущее обработки с ЧПУ

Возможности станков с ЧПУ постоянно расширяются. Например, недавние достижения в инструментах с ЧПУ позволяют современным системам с ЧПУ нарезать отверстия по всей их длине, а отверстия любого диаметра могут быть обработаны на станках с ЧПУ без существенного влияния на цену с использованием врезного инструмента с ЧПУ и интерполяции профиля (т.е. спиральная траектория инструмента).

В этой статье мы сосредоточились на общих советах по проектированию для обеспечения технологичности, которые имеют универсальное применение, независимо от того, какая система ЧПУ используется. Воспринимайте эти советы как общие рекомендации, которые помогут вам более эффективно проектировать детали.

Загрузить контрольный список ЧПУ для снижения затрат

Если вы нашли эту статью полезной и хотите использовать ее в автономном режиме, вы можете загрузить наш основной контрольный список снижения затрат на обработку на станках с ЧПУ.