Bij het ontwerpen van CNC-bewerkte onderdelen, hoe kunnen we de bewerkingskosten verlagen door middel van structurele optimalisatie?

Bij het ontwerpen van CNC-bewerkte onderdelen is het verminderen van de bewerkingskosten door structurele optimalisatie essentieel om functionele eisen en maakbaarheid in evenwicht te brengen. De volgende specifieke optimalisatiestrategieën worden vanuit meerdere dimensies aangeboden:

1. Optimalisatie van Materiaalkeuze
   • Geef prioriteit aan gemakkelijk te bewerken materialen: Materialen met een goede bewerkbaarheid, zoals aluminiumlegeringen en koolstofarm staal, kunnen slijtage van gereedschap en bewerkingstijd verminderen. Zo kan het vervangen van roestvrij staal door 6061 aluminiumlegering de bewerkingskosten met meer dan 30% verlagen (als de sterkte het toelaat).
   • Minimaliseer het gebruik van edelmetaal: Gebruik lokale versterkingsontwerpen (zoals het gebruik van titaniumlegering alleen in belaste gebieden) in plaats van algehele structuren van edelmetaal.
   • Pas de materiaalvorm aan: Kies blanco's die dicht bij de uiteindelijke vorm van het onderdeel liggen (zoals staven of platen) om bewerkingsmarges te verminderen. Zo kan het gebruik van een rechthoekige blanco om een vierkant onderdeel te bewerken overmatig afval van een ronde blanco voorkomen.
2. Controle van Geometrische Complexiteit
   • Vermijd diepe holtes en smalle sleuven:
     • Diepe holtes (diepte > 5 keer de gereedschapsdiameter) vereisen meerdere lagen bewerking en zijn gevoelig voor trillingen en breuk van het gereedschap. Overweeg het gebruik van combinaties van ondiepe holtes of gesplitste structuren.
     • Smalle sleuven vereisen gereedschap met een kleine diameter, wat een lage bewerkingsefficiëntie heeft. Het wordt aanbevolen dat de sleufbreedte ≥ 1,2 keer de gereedschapsdiameter is.
   • Vereenvoudig dunne wanden en scherpe hoeken:
     • Dunne wanden (dikte < 3 mm) zijn gevoelig voor vervorming en vereisen verminderde snijparameters of extra ondersteuning. Optimalisatie kan worden bereikt door lokale verdikking of het toevoegen van verstevigingsribben.Scherpe hoeken (interne hoeken < R1mm) vereisen meerdere passes met kogelkopfrezen. Het overschakelen naar afrondingen met een straal van R2mm of groter kan de bewerkingstijd verkorten.
     • Verminder de afhankelijkheid van meerdere assen: Vermijd onnodige gebogen oppervlakken of schuine gaten; gebruik in plaats daarvan getrapte structuren of standaardhoeken (zoals 45°, 90°) om de bewerking met een drievoudige asmachine te voltooien.Rationalisatie van Toleranties en Oppervlakte Ruwheid
   • Ontspan niet-kritische toleranties: Het versoepelen van toleranties op niet-passende oppervlakken van ±0,05 mm naar ±0,1 mm kan het aantal afwerkingsstappen verminderen. Zo kan de positionele tolerantie van montagegaten matig worden versoepeld, terwijl alleen kritische lagerposities een hoge precisie behouden.
3. Lagere oppervlakte ruwheid op niet-functionele oppervlakken: Het verminderen van de oppervlakte ruwheid van niet-esthetische oppervlakken van Ra1.6 naar Ra3.2 kan de afwerkingstijd verkorten. Zo hoeven interne structurele oppervlakken niet te worden gepolijst.
   • Specificeer economische toleranties: Raadpleeg de medium precisie standaarden in ISO 2768 om overspecificatie te voorkomen.
   • Standaardisatie en Modulair Ontwerp
   • Vereenheid functieafmetingen: Gebruik standaard boorformaten (zoals M6, M8 schroefdraadgaten) in plaats van niet-standaard gaten om de frequentie van gereedschapswisselingen te verminderen.
4. Modulaire ontleding: Verdeel complexe onderdelen in meerdere eenvoudigere subcomponenten, die afzonderlijk kunnen worden bewerkt en vervolgens kunnen worden geassembleerd door middel van bouten of lassen. Zo kan een behuizing met een diepe holte worden opgesplitst in een "hoofdgedeelte + afdekplaat".
   • Universeel interface-ontwerp: Gebruik standaard flenzen, spiebanen of klikverbindingen om de behoefte aan aangepaste gereedschappen te verminderen.
   • Software-ondersteunde bewerkingsoptimalisatie
   • CAM automatische functieherkenning: Gebruik software om functies zoals gaten en sleuven automatisch te identificeren om de programmeertijd te verkorten. Zo kan de functieherkenning in Fusion 360 de programmeertijd met 30% verkorten.
5. Optimalisatie van gereedschapspaden: Implementeer high-speed machining (HSM)-strategieën, zoals spiraalvormige gereedschapsinvoer en continu snijden, om de niet-snijtijd te verminderen. Zo kunnen geoptimaliseerde paden de bewerkingstijd met 15% verkorten.
   • Simulatieverificatie: Gebruik virtuele bewerking om interferentie en oversnijden te controleren, waardoor afval door proefsnijden wordt voorkomen.
   • Evenwicht tussen lichtgewicht en sterkte
   • Topologie-optimalisatie en uitholling: Gebruik eindige-elementenanalyse (FEA) om belastingspaden te bepalen en alleen de benodigde materialen te behouden (zoals biomimetische botstructuren).
6. Gelokaliseerde warmtebehandeling voor versterking: Pas laserharding toe op gebieden met hoge spanning (zoals tandwortels) in plaats van algehele warmtebehandeling.
   • Hybride procescombinatie: Voeg na CNC-bewerking van de hoofdstructuur lichtgewicht roosters toe door middel van additieve fabricage (3D-printen) om gewichtsvermindering en sterkte in evenwicht te brengen.
   • Suggesties voor implementatiestappen
   • DFM (Design for Manufacturing) Analyse: Communiceer in de vroege ontwerpfase met de bewerkingsfabriek om functies met hoge kosten te identificeren.

• Prototypeverificatie: Test de functionaliteit met 3D-geprinte of eenvoudige CNC-prototypes om herwerking na massaproductie te voorkomen.
• Door de bovenstaande strategieën te implementeren, kunnen de CNC-bewerkingskosten met 20%-50% worden verlaagd en tegelijkertijd de functionaliteit worden gewaarborgd, wat met name geschikt is voor kostenreductiebehoeften in massaproductie of onderdelen met een hoge complexiteit.