Projektując części obrabiane na maszynach CNC, jak możemy zredukować koszty obróbki poprzez optymalizację strukturalną?

Podczas projektowania części obrabianych CNC, kluczem do równoważenia wymagań funkcjonalnych i przystępności cenowej produkcji jest redukcja kosztów obróbki poprzez optymalizację strukturalną. Poniżej przedstawiono konkretne strategie optymalizacji z wielu wymiarów:

1. Optymalizacja doboru materiału
   • Priorytetowe traktowanie materiałów łatwych w obróbce: Materiały o dobrej skrawalności, takie jak stopy aluminium i stal niskowęglowa, mogą zmniejszyć zużycie narzędzi i czas obróbki. Na przykład, zastąpienie stali nierdzewnej stopem aluminium 6061 może obniżyć koszty obróbki o ponad 30% (jeśli wytrzymałość na to pozwala).
   • Minimalizacja zużycia metali szlachetnych: Zastosuj lokalne projekty wzmocnień (takie jak użycie stopu tytanu tylko w obszarach obciążonych) zamiast ogólnych struktur z metali szlachetnych.
   • Dopasowanie formy materiału: Wybierz półfabrykaty, które są zbliżone do ostatecznego kształtu części (takie jak pręty lub płyty), aby zmniejszyć naddatki na obróbkę. Na przykład, użycie prostokątnego półfabrykatu do obróbki kwadratowej części może uniknąć nadmiernych odpadów z okrągłego półfabrykatu.
2. Kontrola złożoności geometrycznej
   • Unikanie głębokich wnęk i wąskich szczelin:
     • Głębokie wnęki (głębokość > 5-krotność średnicy narzędzia) wymagają wielowarstwowej obróbki i są podatne na wibracje i pękanie narzędzi. Rozważ użycie kombinacji płytkich wnęk lub struktur dzielonych.
     • Wąskie szczeliny wymagają narzędzi o małej średnicy, które mają niską wydajność obróbki. Zaleca się, aby szerokość szczelin wynosiła ≥1,2-krotność średnicy narzędzia.
   • Uproszczenie cienkich ścianek i ostrych kątów:
     • Cienkie ścianki (grubość <3 mm) są podatne na deformacje i wymagają zmniejszonych parametrów skrawania lub dodania podpór. Optymalizację można osiągnąć poprzez lokalne pogrubienie lub dodanie żeber wzmacniających.Ostre kąty (kąty wewnętrzne
     • Zmniejszenie zależności od wielu osi: Unikaj niepotrzebnych zakrzywionych powierzchni lub otworów skośnych; zamiast tego użyj struktur schodkowych lub standardowych kątów (takich jak 45°, 90°), aby zakończyć obróbkę na maszynie trzyosiowej.Racjonalizacja tolerancji i chropowatości powierzchni
   • Poluzowanie nietypowych tolerancji: Poluzowanie tolerancji na powierzchniach niepasujących z ±0,05 mm do ±0,1 mm może zmniejszyć liczbę etapów wykańczania. Na przykład, tolerancja położenia otworów montażowych może być umiarkowanie poluzowana, podczas gdy tylko krytyczne pozycje łożysk zachowują wysoką precyzję.
3. Niższa chropowatość powierzchni na powierzchniach niefunkcjonalnych: Zmniejszenie chropowatości powierzchni powierzchni nieestetycznych z Ra1,6 do Ra3,2 może skrócić czas wykańczania. Na przykład, wewnętrzne powierzchnie konstrukcyjne nie muszą być polerowane.
   • Określenie ekonomicznych tolerancji: Odnieś się do średnich standardów precyzji w ISO 2768, aby uniknąć nadmiernej specyfikacji.
   • Standaryzacja i projektowanie modułowe
   • Ujednolicenie wymiarów elementów: Używaj standardowych rozmiarów wierteł (takich jak otwory gwintowane M6, M8) zamiast niestandardowych otworów, aby zmniejszyć częstotliwość wymiany narzędzi.
4. Rozkład modułowy: Podziel złożone części na wiele prostszych podzespołów, które można obrabiać oddzielnie, a następnie montować za pomocą śrub lub spawania. Na przykład, obudowę z głęboką wnęką można podzielić na „korpus główny + płytę pokrywy”.
   • Uniwersalny projekt interfejsu: Zastosuj standardowe kołnierze, wpusty lub konstrukcje zatrzaskowe, aby zmniejszyć potrzebę stosowania niestandardowych narzędzi.
   • Optymalizacja obróbki wspomagana oprogramowaniem
   • Automatyczne rozpoznawanie elementów CAM: Wykorzystaj oprogramowanie do automatycznego identyfikowania elementów, takich jak otwory i szczeliny, aby skrócić czas programowania. Na przykład, funkcja rozpoznawania elementów w Fusion 360 może skrócić czas programowania o 30%.
5. Optymalizacja ścieżki narzędzia: Zastosuj strategie szybkiej obróbki (HSM), takie jak helikalne wejście narzędzia i ciągłe cięcie, aby skrócić czas niecięcia. Na przykład, zoptymalizowane ścieżki mogą skrócić czas obróbki o 15%.
   • Weryfikacja symulacji: Użyj wirtualnej obróbki, aby sprawdzić interferencje i nadmierne cięcie, unikając złomu z próbnego cięcia.
   • Równoważenie lekkości i wytrzymałości
   • Optymalizacja topologii i drążenie: Użyj analizy elementów skończonych (MES), aby określić ścieżki obciążenia i zachować tylko niezbędne materiały (takie jak struktury kości biomimetycznych).
6. Lokalne utwardzanie cieplne w celu wzmocnienia: Zastosuj utwardzanie laserowe do obszarów o dużym naprężeniu (takich jak korzenie zębów) zamiast ogólnej obróbki cieplnej.
   • Kombinacja procesów hybrydowych: Po obróbce CNC głównej konstrukcji, dodaj lekkie siatki poprzez produkcję addytywną (druk 3D), aby zrównoważyć redukcję masy i wytrzymałość.
   • Sugestie dotyczące kroków implementacji
   • Analiza DFM (Design for Manufacturing): Skontaktuj się z zakładem obróbki na wczesnym etapie projektowania, aby zidentyfikować elementy o wysokich kosztach.

• Weryfikacja prototypu: Przetestuj funkcjonalność za pomocą wydrukowanych w 3D lub prostych prototypów CNC, aby uniknąć przeróbek po produkcji seryjnej.
• Wdrażając powyższe strategie, koszty obróbki CNC można obniżyć o 20%-50%, zapewniając jednocześnie funkcjonalność, co jest szczególnie odpowiednie dla potrzeb redukcji kosztów w produkcji seryjnej lub częściach o wysokiej złożoności.