Ebben a cikkben összeszedtem néhány olyan dolgot, ami jellemzően nehézséget okoz az CNC szerszámgépekkel gyártott alkatrészek tervezésénél. Az írást gyakorlati tapasztalatokra alapozom, és bár igyekszem átfogó képet adni a tervezés során figyelembe veendő tényezőkről, de nem térek ki iparág specifikus kihívásokra.
Ismertető
Ahhoz, hogy a mindig fejlődésben lévő, de mára kiforrottnak mondható CNC forgácsolás előnyeit valóban kihasználhassa egy vállalat, már az alkatrészek tervezésénél figyelmbe kell venni néhány fontos szempontot. A kihívás azért nagy, mert nem létezik általános sztenderd.
A CNC forgácsolásról nagyvonalakban
A CNC forgácsolás szubtraktív eljárás, azaz anyagleválasztással történő gyártás. A forgácsolás során sokféle előgyártmányból indulhat a gyártás, mint rúdanyag, tömbanyag, öntött vagy kovácsolt esetleg előmunkált gyártámány. A forgácsolási főmozgás vagy a munkadarab forgása (esztergálás), vagy a szerszám forgása (marás).
A fordulat a korábbi időkhöz képest jelentősen megnövekedett. Ez szaknyelvben magasabb vágósebességként van emlegetve. Ehhez nagyobb előtolás, nagyobb szerszámélettartam stb. párosul.
A CNC gép által lemozgott pályát a CNC program írja le, ami lehet ember által készített valamiféle szövegfájl (pl. ISO G kód), párbeszédes segédszoftver által létrehozott, vagy CAM program által postprocesszált is.
A megmunkált anyag szinte bármi lehet, ami szilárd halmazállapotú fémektől a műanyagokig.
Jellemző, hogy a CNC gépeken gyártott alkatrész méret- és alaktűrései szűkek. A CNC a tömeggyártás és az egyedi gyártás kiszolgálására is tökéletesen alkalmas lehet, ugyanakkor ennek biztos kijelentéséhez számos más feltétel teljesülését is meg kell vizsgálni. Prototípus gyártás esetén a CNC gépek alkalmazása költségesnek mondható, ezen a területen az additív technológiák térhódítása jelentősen átformálja a korábbi elképzeléseinket.
Az alkatrész tervezésének alapvetései
A CNC-vel való gyártás nagyon sok lehetőséget jelent a megvalósíthatóság kérdésének összefüggésében, ugyanakkor vannak bizonyos korlátok, amiket szem előtt kell tartani a tervezés során. Ezen kötöttségek a szerszám méretén és annak az alkatrészhez való hozzáférésén alapszanak.
A szerszám geometriája
Minden szerszám, amit CNC megmunkáló központon használnak kör alakú. Fontos fizikai korlátja továbbá a hossza.
A szerszám geometriája természetesen megjelenik a megmunkált alkatrészen is. Ebből következik, hogy a mart belső sarkok minden esetben rádiuszosak. Akkor is, ha nagyon kis átmérőjű szerszámmal készülnek.
Az átmérővel azonban kényszerűen csökken a megmunkálási hossz és a marási stabilitás is. Ahhoz pedig, hogy ez még működő értéken belül maradjon, a technológiát általában redukálni kell az átmérő csökkenésével. Ez pedig hosszabb megmunkálási időt jelent. € € €
A szerszám hozzáférése
A képlet egyszerű. A szerszám tengelyének irányában történik az alkatrész megközelítése. Ez név szerint a Z tengely. Ami innen nem közelíthető meg, takarásban van stb., azaz CNC-n nem megmunkálható. Vannak persze kivételek. A forgó tengelyek bekapcsolódása nagyban növelheti a hozzáférhetőséget.
Léteznek továbbá olyan szerszámok, mely képesek az alámunkálásra.
Ahogy az előbb írtam, a hossz növekedésével, vagy az átmérő csökkenésével, egész pontosan az átmérő hossz arány jelentős csökkenésével csökken a merevség is, ezzel pedig az elérhető pontosság és technológia. Ez nem előnyös.
A tervezés nulladik, de nagyon fontos elve, hogy a szerszám a lehető legnagyobb átmérővel és legkisebb “kilógással” legyen befogva.
(A kilógás itt a szerszámtartóból való kinyúlást jelenti. )
Tervezési szabályok
A CNC gépekkel gyártott alkatrészek tervezésének a legnagyobb kihívása, hogy még iparágakon belül sem léteznek egyértelmű szabályok, sztenderdek. Ennek az oka egyrészt az ipar sokszínűsége és változása, másrészt a gyártástechnológia egyre gyorsuló fejlődése. A gépek, a vezérlők, a szoftverek, a szerszámok és a készülékek, egyszóval a kínálkozó lehetőségek napról napra többet engednek meg. Ennek a fejlődésnek természetesen van egy másik oldala, ami pedig az elvárásokban fogalmazódik meg. Egyre bonyolultabb alkatrészeket, egyre rövidebb idő alatt, egyre kevesebb pénzből kell előállítani.
A következőkben javasolt és megvalósítható alapelveket sorolok fel, melyek nem minden, de az esetek jelentős többségében iránymutatók CNC megmunkáló központtal való munka esetén.
Zsebmarás
A zseb mélysége
Max. 4D
A marószerszám élszalagja limitált, általában az átmérő háromszorosa, vagy négyszerese. Ezt 3D vagy 4D hossznak is hívják. Amikor a fogás Z irányú mélysége a szerszám átmérőjéhez képest nagy, úgy a szerszám elhajlásának, a rezgések kialakulásának és a forgács eltávolításának problémái begyűrűznek a forgácsolásba. Jó szabály lehet a zseb mélységét a szerszám sugarának négyszeresében maximalizálni. Ennél nagyobb mélységű zsebek szüksége esetén, az alkatrész tervezésénél érdemes a lépcsős megvalósíthatóságot mérlegre tenni. Ekkor ugyanis a zseb mélysége úgy érhető el, hogy nincs szükség extrém kinyúlású szerszám alkalmazására.
Azok a zsebek, melyek a szerszám átmérőjének hatszorosát meghaladják, gyártás szempontból mélynek számítanak. Természetesen ezek is megvalósíthatók, de a gyártás ideje és költségei emelkednek, az elérhető pontosság és felületi minőség romlik. Ezt a tervezőnek is figyelembe kell venni.
A zseb belső sarkai
Zseb mélységének min. ⅓-a
A zseb rádiuszának mérete meghatározza a szerszám átmérőjének maximumát. Itt igaz a minél nagyobb, annál jobb szabály. Ugyanakkor azt is érdemes figyelembe venni, hogy amennyiben a szerszám rádiusza éppen azonos a sarok rádiusszal, a marás során derékszögű irányváltás fog történni, ami során a szerszámot ért sarokponti terhelés jelentősen megnövekszik. Ez a sokak által ismert “nyekkenő” hanggal kísért jelenség egyrészt csökkenti a szerszám éltartamát, másrészt könnyen nyomot hagyhat a munkadarabon. Szélsőséges esetben kimozdíthatja azt a megfogásból.
Fenék rádiusz
Ha szükséges, jó irány lehet 0.5 vagy 1mm.
A zseb fenekén lévő rádiusz jellemzően a szerszám homlok rádiusza készíti el. Ez azoknál a szármaróknál van, amiknek van lekerekítés a homlokán. Szokás tóruszmaróknak is hívni őket. A tervezőnek javasolt olyan méretet választani, ami nem igényel speciális szerszámot. Azok ugyanis hosszú gyártási idővel készülnek, és drágábbak.
Öttengelyes szerszámgéppel és gömbmaróval megoldható tóruszmaró nélkül is, de a programozás bonyolultabb, a gyártási idő pedig hosszabb. Azaz a költségek ebben az esetben is magasabbak, mint standard szerszám használatával.
Vékonyfalú alkatrészek
Az alkatrészen lévő vékony falak elkészítése sok esetben kihívás. A kicsi merevség, a növekvő vibráció, csökkenő pontosság és romló felületi minőség kötelező velejárói az ilyen alaksajátosságnak. Éppen ezért ahol és amennyire lehet, kerülendő. Fémek esetén 1mm alá menni drasztikus költség növekedést eredményezhet.
Műanyagok esetén ez az érték még nagyobb, aminek oka a deformációra való fokozott hajlamuk. Vékony falak esetén is igaz, hogy minél hosszabb szerszámot igényel, annál nehezebb elkészíteni, mert ilyenkor nem csak az alkatrész, de a szerszámbefogás merevsége is csökken.
Furatok
Átmérő
Ha lehetséges, standard méretet érdemes választani
A furatok fúró vagy maró szerszámmal készülnek, melyeknek természetesen több típusa létezik. Tűrt furatok befejezését szokás dörzsárral vagy kiesztergálóval végezni. Előbbi kisebb, utóbbi nagyobb átmérők esetén használatos. 20 mm alatt a tűrt furatok esetén is érdemes olyan méretet választani, ami standard szerszámmal elkészíthető, mert így a szerszámköltség alacsonyabban tartható, és gyorsabb megmunkálási eljárás választható. Ezzel a gyártás kimenetele is biztosabb, és az átfutási idő is rövidebb.
Marással természetesen sokféle átmérő elkészíthető, de ez esetben a korrekciózási igény nagyobb, ami időigényes és potenciális hibaforrás is.
Egyedi fúrók készítésére is van ugyan lehetőség, de ezek drágábbak és több időbe telik a beszerzésük.
Furatmélység
Érdemes 4D és 10D között maradni. Amennyiben ennél mélyebb a furat, az elkészítése költségesebb, lassabb és kevésbé pontos.
A nem standard méretű furatok elkészítésének leggyakoribb módja a marószerszámmal való megvalósítás. Ez esetbn az elérhető mélység jóval kisebb, 4D és 6D közötti.
A telibefúrók 180 fokos élszöggel rendelkeznek, de ezek 16mm-es átmérő felett jellemzők. Alattuk 118 és 136 közötti élszöggel érdemes számolni. A furatok elkészítésénél hasznos tudni, hogy a szerszám szempontjából vizsgált terhelés a be- és kilépési pontokon kritikus. Ebből a szempontból az átmenő furatok elkészítése jobban terheli a szerszámot.
Menetek
Menetátmérő
A meneteknek nagyon sok típusa létezik. Az európában legelterjedtebb a metrikus, de vannak iparágak, ahol nem ez a jellemző. Függetlenül a menet típusától igaz, hogy a kisebb átmérő elkészítése nagyobb kihívás, feltéve persze, hogy a szerszámgép orsója képes rá. És itt a képesség alatt értem egyrészt a teljesítmény és nyomaték elégségét, és a szinkron meglétét. Utóbbi orvosolható hosszkiegyenlítő használatával, sőt. Merevszárú menetfúrásra alkalmas szerszámgépeken is javasolt NC menetfúró betétet alkalmazni, ami ugyan csak néhány tized millimétert kompenzál, ez mégis elég ahhoz, hogy jelentősen növelje a szerszám éltartamát és az elkészült menet minőségét.
Menethossz
A menet hosszával kapcsolatban érdemes tudni, hogy az első három bekezdés jellemzően nem a kész méretet készíti. Ez különösen zsákmenetek esetén fontos, mert a hasznos menethosszot ennek függvényében érdemes kalkulálni. A menetes kötésekre igaz, hogy a teherviselést nem végtelen hosszon oszlik el, jellemzően az első néhány menet végzi a munka jelentős részét. Így a 3D-nél hosszabb meneteknek mechanikai szempontból nincs értelmük.
Zsákfuratok esetén a menetfúrás során keletkező forgács könnyebben megszorul a menetben, ha nem a megfelelő szerszámmal történik a munka. Fontos továbbá, hogy a menet CNC gépen való elkészítése során nem a hőfejlődés a jelentős, sokkal inkább kenési igénye van a műveletnek. Az az emulzió koncentrációjának szempontjából lényeges.
Extrém kis alaksajátosságok
Vannak alkatrészek, melyek extrém kis méretű alaksajátosságokat tatalmaznak. Ezek kapcsán azt érdemes tudni hogy viszonylag speciális tapasztalatot, és más jellegű szerszámgépeket igényelnek. A 3 mm alatti szerszámok megfelelő technológiával való alkalmazásához a megszokottnál (kb. 12.000 rpm) nagyobb fordulatra van szükség, és csökken a teljesítmény és nyomaték igény.
Tűrések
Tűrések feltüntetése a rajzon elegánsnak tűnik, és sokszor elengedhetetlen. Azonban nagy szerepe van abban is, hogy a technológia milyen gyártástechnológiát, műveleti sorrendet, szerszámgépet, készüléket stb. választ. A “túl tűrt” alkatrész gyártása lassabb, költségesebb és bizonytalanabb.
Az alkatrész pontosságát nem csak a szerszámgép határozza meg. A munkadarab és a szerszám befogása, az alkalmazott technológia és a környezeti tényezők is szerepet játszanak.
Tűrése annak az alkatrésznek is van, aminek a rajzán ez nincs feltüntetve. ilyenkor a szabvány szerinti tűrések vannak érvényben.
Felfogások száma, alkatrész orientációja
Az alkatrészhez való hozzáférés az alkatrész elkészíthetőségének legnagyobb limitációja. Nincs olyan gyártási eljárás, ahol az alkatrész minden oldala megmunkálható (megmunkáló központon belül) egyetlen felfogásból.
A megfogások száma nagyban meghatározza a gyártás idejét és pontosságát, ezzel pedig a költségét.
Minden felfogás új “beállást” jelent, ami legkevesebb egy nullpont felvétellel jár, de könnyen lehet, hogy a készülék cseréjét vagy szerelését is jelenti. Érdemes tehát már a tervezés során figyelembe venni a gyártási megfogások számát.
A megfogások számának növekedésével nő a gyártás ideje és csökken a pontossága. Még a legjobb minőségű megfogók vagy készülékek használata esetén is van pozícionálási pontatlanság.
A legpontosabban elkészítendő alkatrészek eleve bázisolva kerülnek fel a szerszámgépre. Ez azt jelenti, hogy az az oldala, ami ültetve van a készülékre, és azok, amik szorítva vannak, elő vannak munkálval. Ez segíti azt, hogy az alkatrész oldalai egymásra merőlegesek, illetve egymással párhuzamosak legyenek.
Öttengelyes megmunkálás
Öttengelyes gépek alkalmazásával a beállások száma csökkenthető. A plusz két forgó tengellyel komplex alkatrészek is megmunkálhatók, a szükséges felfogások száma pedig maximum kettő. Az öttengelyes gépek további előnye, hogy a szerszám 3D-s felületek esetén is mindig az ideális átmérővel dolgozik, így az éltartam optimalizálható, az elért felületi minőség pedig maximalizálható. Érdemes azonban figyelembe venni, hogy a munkadarabhoz való hozzáférés a billenő asztal 90 fok körüli pozícióiban erősen limitált. A megnövelt szerszámkinyúlás jelentősen csökkent merevséggel jár, ami pedig a felületi minőség drasztikus romlását eredményezi.
Szerző: GépészPresszó
