Diretrizes de design de bolso CNC: guia de profundidade, raio e custo

Otimizandodesign de bolso cncconfigurações exigem equilíbrio entre o alcance da ferramenta, os raios dos cantos internos e a rigidez da peça em relação à física de corte. Os custos de usinagem aumentam de forma não{1}}linear quando a profundidade da cavidade excede 3 a 4 vezes o diâmetro da fresa devido à escala de deflexão da ferramenta com o cubo de comprimento e inversamente com a quarta potência do diâmetro. Para evitar vibração, quebra da ferramenta e conicidade da parede, os projetistas devem especificar raios de canto internos pelo menos 15% maiores que o raio da ferramenta, levar em conta os envelopes de folga do porta-ferramenta em bolsões escalonados e manter uma espessura mínima do piso de 2,0 mm para evitar deformação por tensão residual.

Geometria CAD versus restrições físicas de usinagem CNC

A armadilha de extrusão visual na modelagem CAD 3D

No software CAD, a criação de um bolsão retangular ou de forma livre requer uma única operação de corte-extrusão. Na fabricação física, esse mesmo recurso determina a cinemática da máquina, a rigidez da ferramenta de corte, os limites de carga do fuso, os caminhos de folga dos cavacos e os tempos de ciclo. Um recurso que leva três segundos para ser modelado pode multiplicar o resultado finalCusto de usinagem de bolso CNCsignificativamente se as dimensões da cavidade interna violarem a física da ferramenta duranteoperações de fresamento CNC de alta-precisão.

Quando as equipes de compras e os engenheiros mecânicos liberam desenhos de peças para oficinas mecânicas externas, os bolsões fechados representam o principal fator de pedidos de alteração de engenharia, prazos de entrega atrasados ​​e rejeições de cotações. A quebra ocorre porque os modelos sólidos 3D exibem a geometria como volumes rígidos e inflexíveis. Eles omitem as forças de corte dinâmicas, as limitações de alcance do fuso e a ressonância vibracional que ocorrem quando uma fresa de topo entra no material bruto.

Estudo de caso: Execução de produção de cavidade óptica Al6061

Na unidade de produção da Xiamen Dazao Machinery, nossa equipe de engenharia analisou uma produção de 120 invólucros de sensores ópticos fresados ​​em Al6061-T6. O modelo original do cliente apresentava um compartimento interno de 85 mm de profundidade por 30 mm de largura, com cantos verticais internos nítidos de R1,5 mm e uma espessura de piso não reforçada de 1,2 mm. O desenho do cliente especificou uma tolerância linear padrão de ±0,05 mm, uma planicidade do piso de 0,03 mm e um requisito de acabamento superficial de Ra 0,8 µm.

A execução desse recurso conforme desenhado originalmente exigia uma micro-fresa de 3 mm de diâmetro com uma proporção de balanço-para-diâmetro superior a 28 para 1 para limpar os cantos. A configuração resultante causou vibração imediata da ferramenta, forte conicidade da parede, picos de rugosidade superficial além de Ra 3,2 µm e três ferramentas de metal duro quebradas nas duas primeiras peças de configuração. Após nossa análise emDiretrizes DFM para usinagem de alumínio, redesenhar a peça com ângulos-de inclinação reduzidos, um raio de canto interno aumentado de R4,0 mm e uma espessura de piso de 2,5 mm reduziu o tempo do ciclo de usinagem por unidade de 48 minutos para 11 minutos, mantendo todas as interfaces funcionais do sensor óptico.

Profundidade da cavidade, saliência física e deflexão da ferramenta

A lei de deflexão cúbica da ferramenta em cavidades profundas

A principal restrição física emusinagem CNC de bolso profundoé a deflexão da ferramenta. Quando uma fresa de topo engata no material, as forças de corte radiais empurram a ponta da ferramenta para longe do percurso programado.

De acordo com os princípios da mecânica de vigas, a deflexão física de uma ferramenta de corte cilíndrica é diretamente proporcional à força de corte multiplicada pelo cubo do comprimento do balanço da ferramenta. Além disso, a deflexão é inversamente proporcional ao módulo de elasticidade do material da ferramenta multiplicado pela quarta potência do diâmetro da ferramenta.

Como a deflexão é dimensionada com o cubo do comprimento da ferramenta e inversamente com a quarta potência do diâmetro da ferramenta, duplicar o alcance da ferramenta sem alterar seu diâmetro aumenta a deflexão por um fator de 8. Por outro lado, reduzir pela metade o diâmetro da ferramenta em um balanço fixo aumentaDeflexão da ferramenta de bolso CNCpor um fator de 16.

Proporções de profundidade-para{1}}largura e espaço livre no envelope do porta-ferramentas

De acordo com o padrãoDiretrizes de design de bolso CNC, a profundidade da cavidade deve permanecer idealmente dentro de 3 a 4 vezes o diâmetro da ferramenta de corte. Determinando o seguroDiâmetro da ferramenta de profundidade de bolsão CNClimite garante carga de chip estável sem vibração. Para geometria geral de cavidade, oProporção entre profundidade e largura do bolsão CNCnão deve exceder 3 para 1 para configurações padrão de 3 eixos.

Ao avaliarquão profundo pode ser um bolsão CNC, os centros de usinagem podem executar bolsões de até 8 a 10 vezes o diâmetro da ferramenta, mas isso muda o processo de desbaste dinâmico padrão para fabricação especializada e de alto{2}}custo.

Uma supervisão de design comum emDesign de bolso profundo CNCestá verificando apenas o comprimento do canal da ferramenta, ignorando o envelope físico do porta-ferramenta, como um porta-pinças ER32, um mandril hidráulico ou um porta-retrátil-térmico. Quando um bolsão excede 50 mm de profundidade, uma fresa de topo não pode simplesmente sobressair 60 mm da pinça sem deflexão severa. O corpo do porta-ferramenta tem um diâmetro substancial; por exemplo, uma porca de pinça ER32 tem um diâmetro externo de 50 mm. Se a abertura do bolsão tiver 40 mm de largura e 60 mm de profundidade, a porca de pinça colidirá fisicamente com o perímetro superior da peça de trabalho antes que a ferramenta alcance o piso inferior.

Para usinar tais recursos sem colisão do suporte:

· O projetista deve abrir o perfil superior da cavidade com uma geometria escalonada-de escareamento.

· A oficina mecânica deve implantar suportes de encaixe-encolhíveis-finos, que suportam torque de fixação mais baixo e exigem cortes mais leves.

· O projetista deve aplicar um ângulo de inclinação de 1 a 3 graus nas paredes laterais da cavidade, proporcionando folga progressiva à medida que a fresa desce.

Seleção do raio do canto interno e cinemática do caminho da ferramenta

Picos de engate da ferramenta de corte nos cantos internos

A seleção da vertical internaRaio de canto do bolsão CNCgoverna diretamente a aceleração da máquina, os ângulos de engate radial e o surgimento de marcas de vibração estruturais.

Quando uma fresa de topo se desloca ao longo de uma parede lateral reta, o ângulo de engate radial é normalmente baixo, em média 30 a 60 graus. À medida que a fresa entra em um canto interno agudo de 90 graus, onde o raio do bolsão corresponde exatamente ao raio da ferramenta, a ferramenta entra em contato com o material através de um arco de engate de 180 graus.

Este aumento repentino no engate radial causa:

· Aumento instantâneo da pressão radial de corte, afastando a ponta da ferramenta do canto.

· Marcas graves de vibração-de alta frequência em ambas as paredes laterais que se cruzam, violando o padrãoespecificações de rugosidade superficial para bolsões fresados.

· Micro-lascamento ao longo das arestas de corte de metal duro, acelerando o desgaste da ferramenta.

· Desaceleração do eixo até próximo de{0}}avanço zero, causando marcas de permanência e acúmulo de calor.

A regra de 15% de sobredimensionamento do raio do canto para fresamento-de alta velocidade

Para manter o movimento contínuo da ferramenta e permitir caminhos de curvas trocoidais de alta-velocidade, o raio do canto interno programado deve sempre ser maior que o raio da ferramenta de corte. Aderindo aotimização de custo do raio do canto internoprincípios mantêm as taxas de avanço da máquina estáveis ​​e evitam a parada da ferramenta.

A regra prática para raios de cantos internos especifica que o raio de canto programado deve ser igual ou superior a 1,15 vezes o raio da ferramenta de corte.

Especificar um canto inferior completamente afiado onde a parede lateral encontra o piso requer uma fresa de topo com cantos quadrados. As ferramentas-de ponta quadrada concentram a tensão de corte nas pontas afiadas, tornando a ferramenta propensa a lascar sob altas cargas de cavacos. Adicionar um raio de filete de mistura de piso-a{4}}parede de 0,5 mm a 2,0 mm permite o uso de fresas de topo-de ponta arredondada, distribuindo a pressão de corte por um raio e prolongando a vida útil da ferramenta em mais de três vezes.

Espessura do piso, tensões residuais e controle de empenamento

Falácias de-deformação de conservas de óleo e fixação a vácuo

Especificando um excessivamente finoEspessura do piso do bolsão CNCintroduz instabilidade estrutural durante o corte e distorção geométrica após a desfixação da peça. No fresamento-de alta velocidade, os tarugos brutos contêm tensões residuais internas das operações de têmpera e alongamento, a menos que os engenheirosselecione tipos de materiais de alumínio-com alívio de tensãocomo Al6061-T651. Quando uma ferramenta remove 80% a 90% do bloco bruto para formar uma cavidade profunda, as tensões internas são reequilibradas, fazendo com que os pisos finos se curvem.

Na mecânica de flexão de placas, a deflexão do piso sob cargas axiais de mergulho da ferramenta é inversamente proporcional ao cubo da espessura do piso. A redução da espessura do piso de 3,0 mm para 1,0 mm aumenta em 27 vezes a flexão do piso durante as passagens de corte.

Quando a espessura do piso cai abaixo de 2,0 mm em um bolsão mais largo que 50 mm por 50 mm, a placa inferior exibe um comportamento de enlatamento de óleo, oscilando entre formas côncavas e convexas sob leve pressão do polegar.

Durante a usinagem, as forças de fixação muitas vezes ocultam esta instabilidade:

· Distorção de fixação a vácuo:O mandril a vácuo puxa o piso fino contra a placa de base enquanto a fresa de acabamento inferior corta a superfície plana. Uma vez liberado o vácuo, a recuperação elástica empurra o chão para cima, produzindo um centro coroado que violatolerâncias de usinagem de alumínio alcançáveis.

· Tensão de fixação mecânica:O torque das mandíbulas do torno mecânico comprime o perímetro da peça de trabalho. Uma vez que o centro do bolsão é retirado, o fundo enfraquecido curva-se sob tensão residual de fixação.

Protocolos-de alívio de estresse e integração estrutural de costelas

Para manter o nivelamento do piso dentro de ±0,020 mm em cavidades profundas, respeitandoregras de engenharia de espessura mínima de parede, a Dazao implementa as seguintes técnicas de chão de fábrica:

· Desbaste em dois-estágios-de tensão:Desbaste a cavidade principal deixando 1,0 mm de sobra no piso e nas paredes, solte completamente a peça da morsa para permitir o relaxamento das tensões e, em seguida, fixe levemente com torque calibrado (5 a 8 Nm) para passes de acabamento.

· Costelas de reforço integradas:Em vez de usinar um piso plano expansivo de 1,5 mm, incorpore nervuras de reforço que se cruzam com 3,0 mm de largura e 4,0 mm de altura no piso. Isto aumenta o módulo da seção estrutural em mais de 400%, ao mesmo tempo que atinge as metas de redução de peso.

Embalagem de cavacos, dinâmica de evacuação e soldagem térmica

Mecânica de Recorte e Borda Construída-em Bolsões Cegos

Em operações de cavidades profundas, a folga dos cavacos determina a sobrevivência da ferramenta. Quando a profundidade da cavidade excede 3 vezes o diâmetro da ferramenta, os cavacos têm dificuldade para escapar da abertura do bolsão devido à turbulência do ar e à gravidade.

Ao fresar ligas de alumínio com velocidades de corte periféricas de 300 a 800 m/min, de acordo comcaracterísticas de usinagem CNC de liga de alumínio:

· Bicos de refrigeração padrão criam contrapressão hidráulica e redemoinhos de fluido na abertura do bolsão, não conseguindo penetrar na zona de corte inferior.

· Os cavacos evacuados perdem velocidade ascendente, caem de volta no caminho de corte e ficam presos entre os canais da ferramenta e as paredes laterais do bolsão.

· As arestas de corte recortam esses cavacos soltos, gerando temperaturas de fricção localizadas superiores a 450 graus.

Esse pico térmico extremo faz com que ligas de alumínio dúcteis como Al6061-T6 se plastifiquem e soldem por fricção-diretamente nos canais da ferramenta de metal duro, formando uma aresta postiça destrutiva. Quando os canais ficam obstruídos com cavacos de alumínio soldados, a ação de corte é interrompida e as hastes da ferramenta quebram instantaneamente.

Através do-jato de ar do eixo e das aberturas de alívio inferiores

Para manter um escoamento constante de cavacos sem arriscar o empacotamento de cavacos:

Onde os requisitos de invólucro selado não forem obrigatórios, incorporarpráticas padrão de perfuração e ventilaçãocolocar furos de drenagem de alívio de 3,0 mm a 6,0 mm nos cantos inferiores converte bolsões cegos em canais de fluxo abertos. Isso permite que a gravidade, o líquido refrigerante e os cavacos saiam livremente pela parte inferior do acessório.

Modelo-aprofundado de custos de usinagem

Depreciação de ferramentas e penalidades de taxa de remoção de metal

Os custos de usinagem para recursos de bolsão aumentam de forma não{0}}linear quando a profundidade da cavidade excede os comprimentos de ferramentas padrão do catálogo. Designers podem se inscreverestratégias de redução de custos para usinagem de alumíniopara manter os orçamentos de ferramentas sob controle.

O tempo total do ciclo de usinagem para uma cavidade aumenta aproximadamente com o quadrado da razão entre a profundidade real e três vezes o diâmetro da ferramenta.

Três fatores principais impulsionam esta curva de custos:

· Compra e desgaste de ferramentas:Uma fresa de topo padrão de 10 mm e 3{3}}canais custa aproximadamente US$ 30. Uma ferramenta antivibração de{5}}alcance estendido de 10 mm com revestimento DLC custa de US$ 160 a US$ 240, enquanto dura apenas uma fração da vida útil da ferramenta padrão sob cargas pesadas de cavacos.

· Reduções nas taxas de remoção de metal:Para manter a deflexão abaixo de 0,02 mm, os programadores devem reduzir o engate radial de 40% para 5% e reduzir o avanço por dente em mais de 60%.

· Resto sequencial-passes de fresamento:Bolsões profundos com raios de canto estreitos exigem diversas operações-de redução intermediárias usando fresas de topo progressivamente menores, multiplicando o tempo de ciclo e a frequência de troca de ferramenta.

Fresamento Profundo Monolítico vs{0}}Indexação de Eixos vs. Montagens Divididas

Ao analisar a economia da fabricação de peças, avaliandoCompensações de seleção de máquina de 3-eixos versus 5 eixosrevela limites de custo claros para geometria de bolsões profundos.

Lista de verificação de verificação DFM e fabricação alternativa

Fluxo de trabalho de auto{0}inspeção de engenharia

Antes de enviar modelos CAD à Dazao para cotação de produção, verifique a geometria do bolsão de acordo com a seguinte lista de verificação passo a passo-a{1}}:

1. Verifique a profundidade do bolsão em relação ao diâmetro da ferramenta:Certifique-se de que a profundidade padrão do bolsão não exceda 3 a 4 vezes o diâmetro máximo permitido da fresa com base nos raios dos cantos.

2. Aplique a regra do raio de canto de 15%:Verifique se todos os raios verticais dos cantos internos medem pelo menos 1,15 vezes o raio nominal da ferramenta de fresagem pretendida.

3. Verifique os raios de mesclagem do piso-à{2}}parede:Adicione um filete de transição de 0,5 mm a 2,0 mm ao longo do perímetro do piso para permitir o uso de cortadores-de nariz rígido.

4. Confirme a espessura do piso inferior:Manter uma espessura de piso de pelo menos 2,0 mm para vãos inferiores a 100 mm, e 3,5 mm ou mais com nervuras estruturais para áreas maiores.

5. Inspecione as folgas do porta-ferramenta:Verifique se a abertura da cavidade superior acomoda diâmetros de porta-pinça padrão sem colisões no corpo.

Estratégias Sinker EDM, Wire EDM e Aditivos Híbridos

Quando as especificações funcionais exigem recursos profundos que excedem os limites de fresamento convencional, a Dazao integra processos de usinagem alternativos não{0}}tradicionais: