CNC-обработка: точное производство металлических и пластиковых деталей

CNC-обработка — самая распространенная субтрактивная производственная технология сегодня и очень гибкий и надежный способ производства заказных металлических и пластиковых деталей. Используя CAD-модели, CNC-станки точно удаляют материал из твердого блока с помощью различных режущих инструментов.

В целом, CNC-обработка производит детали с тесными допусками и впечатляющими материальными свойствами. Она подходит для единичных заказов и мелко- и среднесерийного производства (до 1000 деталей) благодаря своей высокой повторяемости. Однако она имеет больше проектных ограничений, чем 3D-печать, частично из-за субтрактивной природы технологии.

В этом вводном руководстве мы даем обзор основных принципов технологии и как они связаны с ключевыми преимуществами и ограничениями. Мы также объясняем ключевые различия между двумя основными типами CNC-станков: фрезерованием и токарной обработкой.

CNC-обработка: руководство по производству и дизайну

Необходимый бонус: скачайте наше бесплатное руководство по CNC-обработке и узнайте все, что нужно знать об этой субтрактивной технологии чуть более чем за 40 страниц.

Как работает CNC-обработка? Давайте поговорим о фрезеровании и токарной обработке

Два основных типа систем CNC (числового программного управления) — это фрезерование и токарная обработка. Благодаря характеристикам каждого типа станка, фрезерование и токарная обработка каждый уникально идеальны для производства разных геометрий.

Давайте разберем, как детали производятся с использованием этих двух различных типов станков.

Как работает CNC-фрезерование?

CNC-фрезерование — самая популярная архитектура CNC-станка. Фактически, термин CNC-фрезерование часто является синонимом CNC-обработки. CNC-фрезерные станки используют вращающиеся режущие инструменты для удаления материала с детали, закрепленной на столе станка.

Большинство систем CNC-фрезерования имеют 3 линейных степени свободы: оси X, Y и Z. Более продвинутые системы имеют 5 степеней свободы обработки за счет вращения стола и/или головки инструмента (оси A и B). 5-осевые станки могут производить детали с высокой геометрической сложностью и могут устранить необходимость в нескольких операционных шагах.

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

• Оператор преобразует CAD-модель в серию команд для интерпретации CNC-станком (G-код).

• Блок материала — это называется заготовкой или деталью-рабочей — режется до размера и устанавливается на строительную платформу, используя либо тиски, либо прямую установку на стол.

• Важно точно позиционировать и выравнивать заготовку для производства точных деталей. Можно использовать специальные метрологические инструменты (тактильные пробники) для помощи в позиционировании и выравнивании.

• Специализированные режущие инструменты, вращающиеся на очень высоких скоростях (тысячи об/мин), удаляют материал из блока. Сначала станок быстро удаляет материал при меньшей точности для достижения приблизительной геометрии. Затем он делает несколько проходов с более высокой точностью для производства конечной детали.

• Если модель имеет особенности, которые не могут быть достигнуты режущим инструментом в одной установке, оператору нужно перевернуть заготовку и повторить эти шаги.

После обработки необходимо удалить заусенцы с фрезерованной детали. Удаление заусенцев — это ручной процесс удаления мелких дефектов с готовой детали. Эти дефекты, обычно находящиеся на острых краях, возникают из-за деформации материала при обработке. Например, когда сверло выходит с дальней стороны сквозного отверстия, оно оставляет повреждения, требующие удаления.

Затем вы хотите проверить критические размеры детали, если допуски были указаны в техническом чертеже. После завершения этого шага ваша деталь готова к использованию или для постобработки. Есть много чего исследовать в постобработке для CNC-обработанных деталей (фрезерованных и токарных одинаково), поэтому мы рекомендуем обновить и/или повысить ваши знания.

Как работает CNC-токарная обработка?

CNC-токарные станки используют стационарные режущие инструменты для удаления материала с детали, закрепленной на вращающемся патроне. Это идеальный способ производства деталей со симметрией вдоль их центральной оси. Токарные детали обычно производятся быстрее и при меньшей стоимости, чем фрезерованные.

Обычно системы CNC-точарной обработки — также известные как токарные станки — используются для создания цилиндрических деталей. Современные многоосевые центры CNC-точарной обработки, оснащенные инструментами CNC-фрезерования, могут производить нецилиндрические детали. Эти системы сочетают высокую производительность CNC-точарной обработки с возможностями CNC-фрезерования и могут производить очень широкий спектр геометрий с вращательной симметрией, такие как распределительные валы и радиальные импеллеры компрессоров.

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

• Оператор генерирует G-код из CAD-модели и загружает станок цилиндром исходного материала (заготовки).

• Деталь начинает вращаться на высокой скорости, а стационарный режущий инструмент прослеживает профиль, постепенно удаляя материал, пока не будет достигнута спроектированная геометрия.

• Внутренние режущие инструменты и центровые сверла могут использоваться для сверления отверстий вдоль центральной оси заготовки.

• Если вам нужно перевернуть или переместить деталь, то вам придется повторить этот процесс. В противном случае, когда вы закончите удаление материала, деталь должна быть готова к использованию или дальнейшей постобработке.

Поскольку граница между системами CNC-фрезерования и токарной обработки имеет тенцию быть размытой, остальная часть этого руководства будет сосредоточена в основном на CNC-фрезеровании, так как это более часто используемый производственный процесс.

Краткое руководство по параметрам CNC-обработки

Большинство параметров обработки определяется оператором станка при генерации G-кода. Основные параметры, которые мы хотим охватить — это размер сборки и точность CNC-станков.

CNC-станки имеют относительно большую зону сборки, 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-точарной обработки — детали с диаметром до Ø 500 мм (Ø 20").

Вы можете производить детали с высокой точностью и тесными допусками с CNC-обработкой. CNC-станки могут даже достигать допусков менее половины диаметра среднего человеческого волоса (± 0,025 мм или .001"). Если допуск не указан в техническом чертеже, оператор обычно обрабатывает деталь с точностью 0,125 мм (.005").

Каковы наиболее распространенные режущие инструменты для CNC-обработки?

Для создания широкого спектра геометрий CNC-станки используют множество различных режущих инструментов. Вот некоторые из наиболее часто используемых инструментов для фрезерования.

Плоскоголовой, тороголовой и шароголовой инструменты используются для обработки пазов, канавок, полостей и других вертикальных стенок. Поскольку у каждого из них разные геометрические возможности, они могут обрабатывать многие разные типы особенностей. Шароголовой инструменты также часто используются в 5-осевой CNC-обработке для производства поверхностей с кривизной и свободными геометриями.

Сверла, конечно, — самый часто используемый инструмент для быстрого и эффективного создания отверстий. Вы можете найти все стандартные размеры сверл здесь. Для создания отверстий с нестандартными диаметрами можно использовать погружающий плоскоголовой инструмент (по спиральному пути).

Диаметр шанка пазорезных фрез меньше диаметра их режущего края, что позволяет этим фрезерным инструментам резать Т-образные пазы и другие подрезки, удаляя материал с боков вертикальной стенки.

Резьбонарезные гайки используются для изготовления резьбовых отверстий. Для создания резьбы требуется точный контроль вращательной и линейной скорости гайки. Мастерские обычно все еще полагаются на ручную нарезку резьбы.

Фрезы лицевые используются для удаления материалов с больших плоских поверхностей. Они имеют больший диаметр, чем концевые фрезы, поэтому им требуется меньше проходов для обработки больших площадей. Это сокращает общее время обработки для производства деталей с плоскими поверхностями. Операторы часто делают шаг лицевой фрезеровки во время цикла обработки для подготовки размеров блока.

Вы найдете столь же обширный спектр режущих инструментов, используемых в CNC-точарной обработке, которые охватывают все ваши потребности в обработке, такие как лицевая резка, нарезка резьбы и канавочная резка.

CNC-обработка деталей с геометрической сложностью: какие существуют проектные ограничения?

В то время как CNC-обработка предлагает впечатляющую свободу проектирования, токарные и фрезерные станки не могут производить каждую геометрию. В отличие от 3D-печати, чем более сложен дизайн, тем больше будет стоить его обработка. Это связано с дополнительными шагами, необходимыми для более сложных деталей.

Основные ограничения, связанные с CNC-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.

Доступ к инструментам — еще одно главное ограничение CNC-обработки. Например, 3-осевые системы могут достичь только определенного уровня сложности детали. Если вы проектируете для 3-осевого станка, все особенности детали смогут быть доступны только непосредственно сверху. 5-осевые системы предлагают превосходную гибкость, так как угол между деталью и инструментом может быть скорректирован для получения доступа к более сложным для достижения областям заготовки.

Также детали с тонкими стенками или другими мелкими особенностями особенно сложны для CNC-станков. Тонкие стенки подвержены вибрациям и могут лопнуть 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 сложно вы можете спроектировать свою деталь для разных типов станков, а также какие ограничения иметь в виду, критически важно для обеспечения того, чтобы ваши детали получались как спроектированы и соответствуют стандарту качества, который вы ищете. Для дополнительных руководств по тому, как дизайн может сэкономить вам много времени и денег на CNC-обработке, ознакомьтесь с этой статьей.

Каковы характеристики CNC-обработки?

Ключевая сила CNC-обработки — ее способность последовательно производить надежные детали из очень широкого выбора материалов. CNC-станки могут обрабатывать практически любой инженерный материал.

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

CNC-обработка преимущественно включает металлы как для прототипирования, так и для более крупных производственных партий. Обычно сложнее обрабатывать пластики, так как они имеют меньшую жесткость и температуры плавления, хотя один из распространенных вариантов использования, в котором мы видим смысл, — это CNC-обработка функциональных прототипов из пластика перед началом более крупных производственных партий с литьем под давлением.

Сколько стоят материалы для CNC-обработки?

Существует множество материалов, доступных для CNC-обработки, что означает, что стоимость сильно варьируется между материалами. Каждый материал имеет свой ценник, и физические свойства каждого материала влияют на общую стоимость обработки.

Алюминий 6061 — самый экономичный вариант, если вы выбираете производство металлических деталей, с приблизительной оптовой стоимостью $25 за заготовку размером 150 x 150 x 25 мм. ABS — самый дешевый вариант, стоимостью примерно $17 за заготовку того же размера. А в плане того, как легкость обработки влияет на стоимость, нержавеющая сталь — хороший пример. Она намного тверже алюминия и поэтому сложнее в обработке, что увеличивает общую стоимость.

Вот исчерпывающий обзор самых популярных материалов, которые мы предлагаем на платформе Hubs, и их важные характеристики.

Материал	Характеристики	Сравнение стоимости
Алюминий 6061	Хорошее соотношение прочность/вес, отличная обрабатываемость, низкая твердость	$
Нержавеющая сталь 304	Отличные механические свойства, стойкость к коррозии и кислотам, относительно сложно обрабатывать	$$$
Латунь C360	Высокая вязкость, отличная обрабатываемость, хорошая коррозионная стойкость	$$
ABS	Отличная ударная вязкость, хорошие механические свойства, восприимчивость к растворителям	$$
Нейлон (PA6 и PA66)	Отличные механические свойства, высокая вязкость, плохая влагостойкость	$$
POM (Delrin)	Высокая жесткость, отличные тепловые и электрические свойства, относительно хрупкий	$$

Как узнать больше о материалах для CNC-обработки?

Есть много чего узнать обо всех материалах, которые Hubs предлагает для CNC-обработки. Для глубокого погружения в отдельные материалы или группы материалов ознакомьтесь с этими специализированными видео, доступными на нашем YouTube-канале.

Постобработка и отделки поверхностей для CNC-обработки

CNC-обработанные детали, которые только что сошли со станка, обычно имеют видимые следы от инструмента, что не всегда желательно в зависимости от требований к вашей детали. Существует много методов постобработки, которые можно использовать для улучшения внешнего вида поверхности детали и повышения ее износостойкости, коррозионной и химической стойкости. Анодирование, шарирование и порошковое покрытие — все это жизнеспособные методы отделки ваших заказных деталей.

Поскольку это более общее руководство, мы не будем подробно рассматривать постобработку и отделки поверхностей. Вы можете изучить наиболее распространенные техники и отделки для CNC-обработки в этом полезном обзоре.

Каковы преимущества и недостатки CNC-обработки?

Хотя CNC-обработка является жизнеспособным и даже идеальным производственным процессом для многих применений, от прототипирования до среднемасштабного производства конечных деталей, она не без недостатков. В этом разделе мы охватываем преимущества и ограничения этого субтрактивного процесса обработки.

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

В целом, CNC-обработка — самый экономически эффективный производственный процесс для производства небольших и средних партий металлических деталей. Это означает, что вы можете использовать CNC для единичных прототипов или для производства до 1000 единиц.

Хотя эти преимущества делают CNC-обработку привлекательным вариантом для инженеров, субтрактивная природа технологии делает определенные более сложные геометрии очень затратными или даже невозможными для производства.

С финансовой точки зрения, стартовые затраты на CNC-обработку намного выше, чем на 3D-печать. Если вы ищете производство дешевых прототипов из пластика, то 3D-печать может быть лучшим вариантом, где настройка касается.

Сроки выполнения CNC-обработки, как правило, длиннее, чем для 3D-печати, так как средний срок выполнения для CNC составляет 10 дней по сравнению с гораздо более низкими 2–5 днями для 3D-печати. CNC-станки не так широко доступны, как 3D-принтеры, так как они требуют больше экспертных знаний для эффективной работы.

Каковы эмпирические правила Hubs для CNC-обработки?

Давайте разберем ключевые параметры для CNC-обработки как металлических, так и пластиковых заказных деталей.

Ключевой параметр CNC	Что говорит Hubs
Размерная точность	Типичная: ± 0,125 мм (.005") Максимальная: ± 0,02 мм (.0008")
Минимальная толщина стенки	Металлы: 0,75 мм (0.030") Пластики: 1,5 мм (0.060")
Максимальный размер сборки	Фрезерование: 2000 x 800 x 100 мм (78" x 32" x 40") Токарная: Ø 500 мм (Ø 20")

Часто задаваемые вопросы

Какое лучшее применение CNC-обработки?

CNC-обработка идеальна для единичных производственных заданий и для мелко- и среднесерийного производства от нескольких сотен до 1000 деталей. Мы рекомендуем использовать CNC-обработку для производства ваших металлических прототипов, так как это самый ценово-конкурентоспособный вариант. Также стоит выбрать CNC-обработку, когда ваши детали должны иметь очень тесные допуски.

Каковы наиболее распространенные режущие инструменты CNC-обработки?

CNC-станки используют множество режущих инструментов для достижения более широкого спектра геометрий деталей. Эти инструменты включают сверла, пазорезные фрезы, резьбонарезные гайки, лицевые фрезы и плоскоголовой, тороголовой и шароголовой инструменты.

Какие отрасли чаще всего используют CNC-обработку?

CNC-обработка — широко используемый субтрактивный производственный процесс. Огромное количество отраслей полагаются на CNC, включая аэрокосмическую, автомобильную, авиационную, транспортную и другие важные секторы. Детали самолетов, например, должны производиться с огромной точностью, чтобы гарантировать, что вся машина работает идеально как спроектирована.

CNC-обработка полностью автоматизирована?

CNC-обработка в основном автоматизирована и опирается на предварительно запрограммированное ПО. CAD-софт устанавливает размеры детали, которые CNC-станки используют для производства физических деталей. В целом, требуется очень мало человеческого вмешательства, хотя некоторые сложные процессы могут потребовать дополнительной пары рук, если дизайн детали уникально сложен. В целом, почти полная автоматизация делает CNC-обработку повторяемым, надежным производственным процессом.