Полное руководство по обработанным деталям: преимущества, применение и экономически эффективные решения

Обработанные детали повсюду, и причина понятна: ЧПУ-обработка подходит для множества металлов и пластиков, детали изготавливаются быстро и доступно без необходимости в инструменте.

С 3ERP можно заказать обработанные детали и прототипы по честным ценам с короткими сроками, у нас есть опыт работы с клиентами из разных секторов. Но почему стоит выбирать обработанные детали вместо отливных или 3D-печатных? Иногда выбор очевиден, иногда — сложнее. И как вообще проектировать детали для обработки — самостоятельно или через подрядчика?

Это руководство охватывает основы обработанных деталей: что они такое, зачем они нужны компаниям, лучшие материалы, типичные допуски, как проектировать детали для обработки и многое другое.

Что такое обработанные детали?

Обработанные детали вездесущи. От крошечных металлических крепежей до компонентов авиационных двигателей — всевозможные детали изготавливаются методом обработки. Но что именно такое обработка и, следовательно, обработанная деталь?

Под обработанными деталями мы понимаем не просто изделия, сделанные с помощью оборудования, а специально детали, изготовленные на режущих станках: фрезерных, токарных и копировочно-фрезерных. Они работают по-разному, но их фундаментальная цель одна: с помощью острого режущего инструмента они срезают участки от блока материала — заготовки.

Даже в этом определении обработанные детали могут формироваться по-разному. Процесс обработки может быть ручным, когда фрезеровщик (квалифицированный оператор) вручную управляет станком для придания заготовке нужной формы. Или цифровым — тогда моторизованный ЧПУ-станок автоматически вырезает детали по компьютерным инструкциям.

Сейчас большинство сложных или нестандартных обработанных деталей делают на ЧПУ-станках, но фрезеровщики всё ещё используют ручную обработку для некоторых заданий, так как это может быть быстрее, чем создание цифрового дизайна и программирование станка.

Обработанные детали могут быть металлическими или пластиковыми (иногда из других материалов), но материал должен быть таким, который можно резать без сильной деформации.

Иногда детали обрабатывают после изготовления другим способом. Например, отлитые или литые изделия могут получить определенные детали или признаки путем пост-обработки. Их называют частично обработанными или пост-обработанными деталями.

Зачем использовать обработанные детали?

Существует множество причин, почему компании, конструкторы, НИОКР и другие специалисты используют обработанные детали. Многие конкретные преимущества описаны в следующем разделе.

Кратко: обработанные детали обладают отличной прочностью, так как изготавливаются из цельных блоков материала, и могут иметь самые разные формы и толщины. Они могут иметь очень тонкие детали и изготавливаться из очень широкого спектра материалов. Малые партии изготавливаются быстро, так как не требуют инструмента, а допуски могут быть очень жесткими при снижении скоростей обработки.

Компании также могут выбирать обработанные детали, потому что обработка — проверенная десятилетиями отраслевой стандарт. Поэтому обработанные детали, скорее всего, соответствуют отраслевым стандартам и сертификациям.

Преимущества обработанных деталей

Обработанные детали предлагают определенные выгоды, недоступные, например, для литьых под давлением или 3D-печатных деталей. Ключевые преимущества перечислены ниже.

1. Нет минимального заказа (MOQ)

Одним из главных преимуществ обработанных деталей является возможность заказа без минимального объема партии.

Для литьых деталей необходимо изготовить металлическую оснастку — процесс долгий и обычно стоящий десятки тысяч долларов. Обработанные детали же режутся прямо из заготовки, что делает экономически эффективным заказ очень малых партий или даже единичных изделий.

Конечно, если нужно очень большое количество (пластиковых) деталей, литье может быть выгоднее. Но обработка практически уникальна в предложении качественных деталей без MOQ, что подходит для малых компаний, мелких серий и прототипирования.

2. Хорошие прототипы

Некоторые компании заказывают прототипы литьем под давлением, но обычно это позволяют себе только крупные корпорации. Стоимость оснастки может сделать прототипирование недопустимо дорогим.

Обработанные детали подходят и доступны как прототипы, так как их можно изготовить как единичные экземпляры. Обработка также намного быстрее литья, поэтому НИОКР могут быстро итерировать несколько версий детали, затем проходить испытания перед запуском в производство.

Материальная универсальность обработки также позволяет компаниям заказывать детали из нескольких разных металлических сплавов или композитных пластиков, чтобы увидеть, какой лучше проявляет себя в испытаниях.

3. Свобода дизайна

Обработанные детали могут иметь широкое разнообразие форм и размеров. Это потому, что ЧПУ-обработка не подчиняется жестким ограничениям литья, таким как тонкие стенки и уклоны; обработанные детали могут быть толстыми и надежными, но их признаки также могут быть тонкими и детализированными.

Хотя обработанные детали имеют некоторые ограничения для внутренних сечений и глубоких каналов, обработка остается одним из геометрически самых гибких производственных процессов.

Литье под давлением, с другой стороны, требует тонких стенок и соблюдения более строгих критериев дизайна.

Даже 3D-печать, обычно считающаяся одной из лучших техник по свободе дизайна, имеет ограничения, такие как избегание нависающих элементов. (И для сложных дизайнов могут потребоваться обширные поддерживающие структуры, которые нужно удалять затратными пост-обработками.)

4. Качество

Обработанные детали можно изготовить по очень высокому стандарту. Что еще важнее, заказчики могут задавать допуски, которые должен выполнить фрезеровщик. Это означает, что фрезеровщик или оператор может уделить дополнительное время деталям с жесткими допусками и отдельным признакам.

Хотя литьевые формы также можно сделать с жесткими допусками, каждая отдельная литьевая деталь не может быть удержана на таком высоком стандарте. Детали, произведенные к концу срока службы формы, могут лишать определенность более ранних единиц.

5. Сроки изготовления

Обработанные детали можно изготовить быстрее, чем детали других производственных процессов, таких как литье.

Это частично из-за отсутствия трудоемкой оснастки, но сам производственный процесс также высокоэффективен: некоторые из самых быстрых центров обработки с линейными направляющими имеют скорости быстрого перемещения около 4000 см/мин (хотя детали не должны обрабатываться на таких скоростях).

Одностадийная природа обработки и скорость ЧПУ-центров делают обработанные детали одними из самых быстрых к изготовлению (в малых объемах), сокращая сроки для более быстрого выхода на рынок и практического быстрого прототипирования.

6. Изменения

Поскольку ЧПУ-обработанные детали делаются из цифрового CAD-файла, в этот цифровой дизайн можно вносить изменения прямо до момента изготовления.

Это полезно при НИОКР и прототипировании, когда инженерам нужно вносить дробные корректировки или создавать множество версий. Это также снижает вероятность брака, так как дефектные детали меньше вероятно будут изготовлены.

Это значительное преимущество обработанных деталей над литыми: оснастку нельзя легко изменить, и создание новой формы из-за поздней корректировки было бы огромной тратой денег.

7. Прочность

Обработанные детали вырезаются из цельных кусков материала — заготовок, которые обычно были отлиты или экструдированы. Это делает их очень прочными по сравнению, например, с 3D-печатными деталями, которые могут быть намного слабее вдоль одной оси, где один слой строится на другом.

Многие обработанные детали также прочнее своих литьевых аналогов, так как литье под давлением требует тонких стенок и поэтому ограничено в механических характеристиках.

8. Покрытие поверхности

Обработанные детали избегают проблем качества поверхности, связанных с литьем: линий течения, разбрызгивания, заусенцев на разъединительной линии. С умеренной пост-обработкой обработанные детали можно привести к очень высокому стандарту по шероховатости.

Обработка также дает гораздо лучшее покрытие поверхности, чем 3D-печать, даже до любой пост-обработки. 3D-печать, особенно FDM, может оставлять видимые слойные линии на поверхности, которые нужно сглаживать шлифовкой или химической обработкой. Обработанные детали не имеют этих слойных линий.

Как проектировать обработанные детали

Всегда лучше применять принципы дизайна для производства (DfM): проектировать детали на основе производственного процесса, который будет использован. Детали для обработки нужно проектировать иначе, чем для 3D-печати.

К счастью, обработанные детали не особенно сложны в проектировании — достаточно соблюдать определенные правила. Они изложены ниже.

Наклонные срезы (Undercuts)

Наклонные срезы — это срезы в заготовке, которые нельзя выполнить стандартными режущими инструментами (потому что участок детали их перекрывает). Они требуют специальных инструментов — например, Т-образных — и специальных проектных соображений.

Поскольку режущие инструменты делаются стандартными размерами, размеры наклонных срезов должны быть в целых миллиметрах, чтобы соответствовать инструменту. (Для стандартных сред это неважно, так как инструмент может двигаться туда-обратно на крошечных приращениях.)

Ширина наклонного среза может варьироваться от 3 до 40 мм в зависимости от инструмента, глубина — до двойной ширины.

Если наклонные срезы можно избежать совсем, детали изготавливаются гораздо быстрее и с меньшими усилиями.

Толщина стенок

В отличие от литьевых деталей, которые деформируются при слишком толстых стенках, обработанные детали не выдерживают особенно тонких стенок. Конструкторам следует избегать тонких стенок или использовать литье под давлением, если тонкие стенки неотъемлемы для дизайна.

При обработке толщина стенок должна быть минимум 0,8 мм (металл) или 1,5 мм (пластик).

Выступы

Как и тонкие стенки, высокие выступающие участки трудно обрабатывать, так как вибрации режущего инструмента могут повредить участок или снизить точность.

Выступающий признак должен иметь высоту не более четырехкратной его ширине.

Полости, отверстия и резьба

При проектировании обработанных деталей важно помнить, что отверстия и полости зависят от режущих инструментов.

Полости и карманы можно обработать до глубины в четыре раза больше ширины полости. Более глубокие полости неизбежно получат фаски — скругленные, а не острые края — из-за диаметра необходимого режущего инструмента.

Отверстия, которые делаются сверлами, также должны иметь глубину не более четырехкратной ширине сверла. Диаметры отверстий должны, где возможно, соответствовать стандартным размерам сверл.

Резьба, используемая для крепежей вроде винтов, не должна быть глубже трехкратного диаметра.

Масштаб

ЧПУ-обработанные детали ограничены по размеру, так как изготавливаются в рабочей зоне станка. Фрезерованные детали не должны превышать 400 x 250 x 150 мм; токарные — Ø 500 мм x 1000 мм.

Большие размеры возможны на более крупных станках, но это следует обсудить с фрезеровщиком перед изготовлением.

Материалы для обработанных деталей

Обработанные детали можно изготовить из множества материалов, включая металлы и пластики.

Однако некоторые материалы легче обрабатывать других. Очень твердые материалы трудно проникать режущим инструментом и могут вызывать вибрацию (снижая качество). Очень мягкие материалы и материалы с очень низкой точкой плавления могут деформироваться при контакте с инструментом.

Наиболее распространенные материалы для обработанных деталей перечислены ниже. Другие материалы также могут обрабатываться по запросу к производителю.

Металл: Алюминий, Сталь, Нержавеющая сталь (17-4, Inconel 625 & 718), Магний, Титан, Цинк, Латунь, Бронза, Медь.

Пластик: ABS, PC, ABS+PC, PP, PS, POM, PMMA (Акрил), PAGF30, PCGF30, Тефлон, DHPE, HDPE, PPS, PEEK. (Реже: PA GF50, PPS GF50.)

Покрытия поверхности обработанных деталей

Обработанные детали можно обрабатывать после обработки для изменения текстуры и внешнего вида поверхности. Покрытия могут быть функциональными или декоративными.

• Как после обработки (As-machined): Никакое покрытие не добавляется. Подходит для многих внутренних, недекоративных функциональных компонентов.
• Пескоструйная обработка (Bead blasted): Процесс пескоструйной обработки включает обстрел абразивной средой, оставляя матовый вид. Процесс можно регулировать для получения конкретного уровня шероховатости. Может не подойти для тонких признаков, так как удаляет материал и влияет на геометрию.
• Анодирование (Anodized): Электролитический процесс пассивации анодирования подходит для алюминиевых деталей, создавая царапиностойкое цветное покрытие. Тип II создает коррозионно-устойчивое покрытие; Тип III — толще и создает износоустойчивость بالإضافة к коррозионной стойкости.
• Порошковое покрытие (Powder coated): В процессе порошкового покрытия порошковая краска (выбранного дизайнером цвета) наносится на деталь, которая затем запекается в печи. Это создает прочный, износоустойчивый и коррозионно-устойчивый слой, более долговечный, чем стандартные красочные покрытия.

Допуски обработанных деталей

Обработанные детали можно изготовить с жесткими допусками, что может быть необходимо для критически важных механических деталей, взаимодействующих с другими компонентами. Более свободные допуски могут выбираться для прототипов и немеханических деталей.

			Стандарт допуска
Класс допуска			Диапазон общего размера
Спецификации	<<3, >0.5	<<6, >3	<<30, >6	<<120, >30	<<400, >120	<<1000, >400	<<2000, >1000
F	±0.05	±0.05	±0.1	±0.15	±0.2	±0.3	±0.5
M	±0.1	±0.1	±0.2	±0.3	±0.5	±0.8	±1.2
C	±0.2	±0.3	±0.5	±0.8	±1.2	±2	±3
V	–	±0.5	±1	±1.5	±2.5	±4	±6

Применение обработанных деталей

Обработанные детали используются практически во всех отраслях — от аэрокосмики до медицины. Ниже перечислены популярные повседневные и межотраслевые детали, за ними следуют применения в конкретных отраслях.

Распространенные обработанные детали:

• Крепежи
• Корпуса клапанов
• Шаровые шарниры
• Шестерни
• Валы
• Корпуса
• Кронштейны
• Ролики

Аэрокосмическая промышленность

Обрабатываемые аэрокосмические детали включают прототипы компонентов двигателей, топливные панели, компоненты шасси и двигательные опоры.

Автомобилестроение

Автомобильные обработанные детали включают компоненты функционального тестирования: системы освещения, двигателя, трансмиссии и рулевого управления, а также нестандартные единичные детали.

Медицина

Обработанные титановые и нержавеющие детали включают имплантаты, медицинские приборы и хирургические инструменты, такие как скальпели.

Потребительские товары

Обработанные детали находятся в бытовых товарах и приборах. Спортивное оборудование также может быть ЧПУ-обработано, а многие металлические и пластиковые компоненты — в потребительской электронике. Такие изделия, как корпуса ноутбуков, разъемы и гнезда, могут быть обработаны.

Как заказывать обработанные детали на аутсорсинге

Компании любого размера часто передают свои потребности в ЧПУ-обработке специалисту. Даже для прототипов часто имеет смысл использовать стороннюю ЧПУ-компанию вместо собственного производства из-за необходимости в производственных площадках и человеческих навыках для управления оборудованием.

Выбор производителя для изготовления обработанных деталей может показаться пугающим, но фокус на следующих факторах и практиках может упростить задачу.

• Сертификации: ISO-сертификации в частности — хороший ориентир для выявления компетентных компаний по обработке, хотя они не сообщат об объеме возможностей компании.
• Сарафанное радио: Поговорите с другими компаниями, нанимавшими производителей в регионе, и узнайте их опыт аутсорсинга обработанных деталей.
• Требуйте информацию: После установления контакта с компанией продолжайте задавать вопросы, пока не будете уверены, что они знают, как выполнить ваш проект. Если они не могут дать четкий ответ, они, вероятно, не подходят партнером.
• Посещайте заводы: Если возможно, посетите потенциального партнера по аутсорсингу, чтобы увидеть, как они обрабатывают детали. В некоторых случаях можно нанять производственного агента для организации посещений нескольких площадок в регионе.
• Запросы котировок (RfQ): Отправьте RfQ нескольким отобранным компаниям по обработке, чтобы понять, кто может предложить лучшую цену.

Когда речь идет об организации производства аутсорсинговых обработанных деталей, может быть полезно соблюдать следующие советы.

• Следуйте рекомендациям DfM: Убедитесь, что ваш цифровой дизайн детали соответствует рекомендациям по обработке: нет тонких стенок, отверстий ограниченной глубины и т.д.
• Используйте универсальные стандарты: Предоставьте полный технический чертеж с цифровыми файлами для устранения неопределенности и используйте универсальные стандарты, чтобы избежать недопонимания.
• NDA: Подпишите соглашение о неразглашении при аутсорсинге обработанных деталей. Это юридически запрещает производителю разглашать или повторно использовать ваши дизайны.
• Учитывайте сроки доставки: Аутсорсинговые детали приходят дольше, чем внутренние, поэтому учитывайте сроки доставки при жестких дедлайнах.
• Готовьтесь к оплате: При первых заказах производители, вероятно, потребуют предоплату, хотя для последующих заказов можно оформить кредит.