Para aprovechar al máximo las capacidades del mecanizado CNC, los diseñadores deben diseñar según normas de fabricación específicas. Sin embargo, esto puede ser un desafío debido a la falta de estándares específicos en la industria. En este artículo, hemos compilado una guía completa sobre las mejores prácticas de diseño para el mecanizado CNC. Nos hemos centrado en describir la viabilidad de los sistemas CNC modernos, sin considerar los costos asociados. Para obtener una guía para diseñar piezas CNC de forma rentable, consulte este artículo.
Mecanizado CNC
El mecanizado CNC es una técnica de fabricación sustractiva. En el CNC, se utilizan diferentes herramientas de corte que giran a altas velocidades (miles de RPM) para eliminar material de un bloque sólido y crear una pieza basada en un modelo CAD. Tanto metales como plásticos se pueden mecanizar mediante CNC.
El mecanizado CNC ofrece alta precisión dimensional y tolerancias ajustadas, ideales tanto para producciones de gran volumen como para trabajos únicos. De hecho, actualmente es el método más rentable para producir prototipos metálicos, incluso en comparación con la impresión 3D.
Principales limitaciones del diseño del CNC
El CNC ofrece una gran flexibilidad de diseño, pero presenta ciertas limitaciones. Estas limitaciones se relacionan con la mecánica básica del proceso de corte, principalmente con la geometría y el acceso a la herramienta.
1. Forma de la herramienta
Las herramientas CNC más comunes, como las fresas y los taladros, son cilíndricas y tienen longitudes de corte limitadas. A medida que se retira material de la pieza, la forma de la herramienta se replica en la pieza mecanizada.
Por ejemplo, esto significa que las esquinas internas de una pieza CNC siempre tendrán un radio, independientemente del tamaño de la herramienta utilizada.
2. Llamada de herramientas
Al retirar material, la herramienta se aproxima a la pieza directamente desde arriba. Esto no es posible con el mecanizado CNC, salvo en el caso de las muescas, que analizaremos más adelante.
Es una buena práctica de diseño alinear todas las características de un modelo, como agujeros, cavidades y paredes verticales, con uno de los seis puntos cardinales. Esto es más una sugerencia que una restricción, especialmente porque los sistemas CNC de 5 ejes ofrecen capacidades avanzadas de sujeción de piezas.
El utillaje es un factor importante al mecanizar piezas con características de gran relación de aspecto. Por ejemplo, alcanzar el fondo de una cavidad profunda requiere una herramienta especializada con un eje largo, lo que puede reducir la rigidez del efector final, aumentar la vibración y reducir la precisión alcanzable.
Reglas de diseño de procesos CNC
Al diseñar piezas para mecanizado CNC, uno de los desafíos es la ausencia de estándares específicos para la industria. Esto se debe a que los fabricantes de máquinas y herramientas CNC mejoran continuamente sus capacidades técnicas, ampliando así el alcance de sus capacidades. A continuación, presentamos una tabla que resume los valores recomendados y factibles para las características más comunes de las piezas mecanizadas CNC.
1. Bolsillos y huecos
Recuerde el siguiente texto: «Profundidad de cavidad recomendada: 4 veces el ancho de la cavidad. Las fresas de extremo tienen una longitud de corte limitada, generalmente de 3 a 4 veces su diámetro. Cuando la relación profundidad-ancho es pequeña, problemas como la deflexión de la herramienta, la evacuación de viruta y la vibración se vuelven más evidentes. Para garantizar buenos resultados, limite la profundidad de la cavidad a 4 veces su ancho».
Si necesita más profundidad, considere diseñar una pieza con una profundidad de cavidad variable (vea la imagen superior como ejemplo). En el fresado de cavidades profundas, una cavidad se considera profunda si su profundidad es más de seis veces el diámetro de la herramienta utilizada. Las herramientas especiales permiten una profundidad máxima de 30 cm con una fresa de extremo de 1 pulgada de diámetro, lo que equivale a una relación entre el diámetro de la herramienta y la profundidad de la cavidad de 30:1.
2. Borde interior
Radio de esquina vertical: se recomienda ⅓ x profundidad de la cavidad (o mayor)
Es importante usar los valores de radio de esquina interior sugeridos para seleccionar la herramienta del tamaño correcto y adherirse a las pautas de profundidad de cavidad recomendadas. Aumentar ligeramente el radio de esquina por encima del valor recomendado (p. ej., en 1 mm) permite que la herramienta corte a lo largo de una trayectoria circular en lugar de en un ángulo de 90°, lo que resulta en un mejor acabado superficial. Si se necesita una esquina interior aguda de 90°, considere agregar un corte inferior en forma de T en lugar de reducir el radio de esquina. Para el radio de piso, los valores recomendados son 0,5 mm, 1 mm o ningún radio; sin embargo, cualquier radio es aceptable. El borde inferior de la fresa de extremo es plano o ligeramente redondeado. Se pueden mecanizar otros radios de piso utilizando herramientas de punta esférica. Adherirse a los valores recomendados es una buena práctica, ya que es la opción preferida por los maquinistas.
3. Pared delgada
Recomendaciones de espesor mínimo de pared: 0,8 mm (metal), 1,5 mm (plástico); 0,5 mm (metal), 1,0 mm (plástico) son aceptables
Reducir el espesor de pared disminuye la rigidez del material, lo que aumenta las vibraciones durante el mecanizado y reduce la precisión alcanzable. Los plásticos tienden a deformarse debido a las tensiones residuales y a ablandarse con el aumento de temperatura; por lo tanto, se recomienda utilizar un espesor de pared mínimo mayor.
4. Agujero
Diámetro: Se recomiendan tamaños de broca estándar. Cualquier diámetro mayor de 1 mm es viable. La perforación se realiza con una broca o un taladro de extremo.fresado CNCLos tamaños de broca están estandarizados en unidades métricas e imperiales. Se utilizan escariadores y mandrinadores para terminar agujeros que requieren tolerancias ajustadas. Para diámetros inferiores a ⌀20 mm, se recomienda utilizar diámetros estándar.
Profundidad máxima recomendada 4 x diámetro nominal; típica 10 x diámetro nominal; factible 40 x diámetro nominal
Los agujeros de diámetro no estándar deben mecanizarse con una fresa. En este caso, se aplica el límite máximo de profundidad de la cavidad, y se recomienda utilizar dicho valor. Si necesita mecanizar agujeros con una profundidad superior a la habitual, utilice una broca especial con un diámetro mínimo de 3 mm. Los agujeros ciegos mecanizados con broca tienen una base cónica con un ángulo de 135°, mientras que los agujeros mecanizados con fresa son planos. En el mecanizado CNC, no existe una preferencia específica entre agujeros pasantes y agujeros ciegos.
5. Hilos
El tamaño mínimo de rosca es M2. Se recomienda utilizar roscas M6 o mayores. Las roscas internas se crean con machos de roscar, mientras que las externas se crean con matrices. Tanto los machos de roscar como las matrices se pueden utilizar para crear roscas M2. Las herramientas de roscado CNC son ampliamente utilizadas y las preferidas por los operarios, ya que reducen el riesgo de rotura de los machos de roscar. Las herramientas de roscado CNC se pueden utilizar para crear roscas M6.
Longitud mínima de la rosca 1,5 x diámetro nominal; se recomienda 3 x diámetro nominal
Los primeros dientes soportan la mayor parte de la carga en la rosca (hasta 1,5 veces el diámetro nominal). Por lo tanto, no son necesarias roscas mayores que tres veces el diámetro nominal. Para roscas en agujeros ciegos hechos con macho (es decir, todas las roscas menores de M6), añada una longitud sin rosca igual a 1,5 veces el diámetro nominal al fondo del agujero.
Cuando se pueden utilizar herramientas de roscado CNC (es decir, roscas más grandes que M6), el orificio se puede roscar en toda su longitud.
6. Pequeñas características
El diámetro mínimo recomendado del orificio es de 2,5 mm (0,1 pulg.); también se acepta un mínimo de 0,05 mm (0,005 pulg.). La mayoría de los talleres mecánicos pueden mecanizar con precisión cavidades y orificios pequeños.
Cualquier valor por debajo de este límite se considera micromaquinado.Fresado de precisión CNCTales características (donde la variación física del proceso de corte está dentro de este rango) requieren herramientas especializadas (micro taladros) y conocimientos expertos, por lo que se recomienda evitarlas a menos que sea absolutamente necesario.
7. Tolerancias
Estándar: ±0,125 mm (0,005 pulg.)
Típico: ±0,025 mm (0,001 pulg.)
Rendimiento: ±0,0125 mm (0,0005 pulg.)
Las tolerancias establecen los límites aceptables para las dimensiones. Las tolerancias alcanzables dependen de las dimensiones básicas y la geometría de la pieza. Los valores proporcionados son orientativos. En ausencia de tolerancias específicas, la mayoría de los talleres mecánicos utilizan una tolerancia estándar de ±0,125 mm (0,005 pulg.).
8. Texto y letras
El tamaño de fuente recomendado es 20 (o mayor) y letras de 5 mm.
El texto grabado es preferible al texto en relieve, ya que elimina menos material. Se recomienda usar una fuente sans-serif, como Microsoft YaHei o Verdana, con un tamaño de fuente de al menos 20 puntos. Muchas máquinas CNC tienen rutinas preprogramadas para estas fuentes.
Configuración de la máquina y orientación de las piezas
A continuación se muestra un diagrama esquemático de una pieza que requiere múltiples configuraciones:
El acceso a las herramientas es una limitación importante en el diseño del mecanizado CNC. Para alcanzar todas las superficies de un modelo, la pieza debe rotarse varias veces. Por ejemplo, la pieza que se muestra en la imagen superior debe rotarse tres veces: dos para mecanizar los agujeros en las dos direcciones principales y una tercera para acceder a la parte posterior de la pieza. Cada vez que se rota la pieza, es necesario recalibrar la máquina y definir un nuevo sistema de coordenadas.
Tenga en cuenta las configuraciones de la máquina al diseñar por dos razones principales:
1. El número total de configuraciones de la máquina afecta el costo. Rotar y realinear la pieza requiere esfuerzo manual y aumenta el tiempo total de mecanizado. Si una pieza necesita rotarse 3 o 4 veces, suele ser aceptable, pero cualquier valor superior a este límite es excesivo.
2. Para lograr la máxima precisión de posición relativa, ambas características deben mecanizarse con la misma configuración. Esto se debe a que el nuevo paso de llamada introduce un pequeño error (pero no despreciable).
Mecanizado CNC de cinco ejes
Al utilizar el mecanizado CNC de 5 ejes, se elimina la necesidad de múltiples configuraciones de máquina. El mecanizado CNC multieje permite fabricar piezas con geometrías complejas gracias a dos ejes de rotación adicionales.
El mecanizado CNC de cinco ejes permite que la herramienta sea siempre tangencial a la superficie de corte. Esto permite seguir trayectorias de herramienta más complejas y eficientes, lo que resulta en piezas con mejores acabados superficiales y tiempos de mecanizado más cortos.
Sin embargo,Mecanizado CNC de 5 ejesTambién tiene sus limitaciones. La geometría básica de la herramienta y las restricciones de acceso a ella siguen vigentes; por ejemplo, las piezas con geometría interna no se pueden mecanizar. Además, el coste de usar estos sistemas es mayor.
Diseño de socavados
Los rebajes son características que no se pueden mecanizar con herramientas de corte estándar porque algunas de sus superficies no son accesibles directamente desde arriba. Existen dos tipos principales de rebajes: ranuras en T y colas de milano. Los rebajes pueden ser de una o dos caras y se mecanizan con herramientas especializadas.
Las herramientas de corte para ranuras en T se fabrican básicamente con una plaquita de corte horizontal fijada a un eje vertical. El ancho de un rebaje puede variar entre 3 mm y 40 mm. Se recomienda utilizar dimensiones estándar (es decir, incrementos de milímetros o fracciones de pulgada estándar) para el ancho, ya que es más probable que las herramientas ya estén disponibles.
Para las herramientas de cola de milano, el ángulo es la dimensión característica definitoria. Las herramientas de cola de milano de 45° y 60° se consideran estándar.
Al diseñar una pieza con socavones en las paredes interiores, recuerde dejar suficiente espacio libre para la herramienta. Como regla general, dejar un espacio entre la pared mecanizada y cualquier otra pared interior igual al menos a cuatro veces la profundidad del socavón.
En las herramientas estándar, la relación típica entre el diámetro de corte y el diámetro del eje es de 2:1, lo que limita la profundidad de corte. Cuando se requiere un corte inferior no estándar, los talleres de mecanizado suelen fabricar sus propias herramientas de corte inferior personalizadas. Esto aumenta el plazo de entrega y el coste, por lo que debe evitarse siempre que sea posible.
Ranura en T en la pared interior (izquierda), corte de cola de milano (centro) y corte de un lado (derecha)
Redacción de dibujos técnicos
Tenga en cuenta que algunas especificaciones de diseño no se pueden incluir en los archivos STEP o IGES. Se requieren dibujos técnicos 2D si su modelo incluye uno o más de los siguientes:
Agujeros o ejes roscados
Dimensiones toleradas
Requisitos específicos de acabado superficial
Notas para operadores de máquinas CNC
Reglas generales
1. Diseñe la pieza a mecanizar con la herramienta de mayor diámetro.
2. Agregue filetes grandes (al menos ⅓ x profundidad de la cavidad) a todas las esquinas verticales internas.
3. Limite la profundidad de una cavidad a 4 veces su ancho.
4. Alinea los elementos principales de tu diseño con uno de los seis puntos cardinales. Si esto no es posible, opta por...Servicios de mecanizado CNC de 5 ejes.
5. Envíe dibujos técnicos junto con su diseño cuando éste incluya roscas, tolerancias, especificaciones de acabado de superficie u otros comentarios para los operadores de la máquina.
Si desea obtener más información o realizar una consulta, no dude en contactarnos. info@anebon.com.
Hora de publicación: 13 de junio de 2024