Como projetar peças para usinagem CNC

Existem algumas etapas fáceis que você pode seguir para otimizar seus projetos para usinagem de controle numérico computadorizado (CNC). Ao seguir as regras de design para fabricação (DFM), você pode obter mais dos amplos recursos da usinagem CNC. No entanto, isso pode ser desafiador, pois não existem padrões específicos para todo o setor.

Neste artigo, oferecemos um guia completo para as melhores práticas de projeto para usinagem CNC. Para compilar essas extensas informações atualizadas, solicitamos feedback de especialistas do setor e prestadores de serviços de usinagem CNC. Se você está otimizando os custos, confira este guia para projetar peças econômicas para CNC.

Qual ​​é o processo de usinagem CNC?

A usinagem CNC é uma tecnologia de fabricação subtrativa. No CNC, o material é removido de um bloco sólido usando uma variedade de ferramentas de corte que giram em alta velocidade - milhares de RPM - para produzir uma peça com base em um modelo CAD. Tanto os metais quanto os plásticos podem ser usinados em CNC.

As peças usinadas em CNC têm alta precisão dimensional e tolerâncias apertadas. O CNC é adequado tanto para produção de alto volume quanto para trabalhos pontuais. Na verdade, a usinagem CNC é atualmente a maneira mais econômica de produzir protótipos de metal, mesmo em comparação com a impressão 3D .

Leia nossa introdução ao princípio básico da usinagem CNC .

Quais são as principais restrições do projeto CNC?

O CNC oferece grande flexibilidade de design, mas há algumas restrições. Essas limitações estão relacionadas à mecânica básica do processo de corte e dizem respeito principalmente à geometria da ferramenta e ao acesso à ferramenta.

Geometria da ferramenta

As ferramentas de corte CNC mais comuns (ferramentas de fresa de topo e brocas) têm uma forma cilíndrica e um comprimento de corte limitado.

À medida que o material é removido da peça de trabalho, a geometria da ferramenta é transferida para uma peça usinada. Isso significa, por exemplo, que os cantos internos de uma peça CNC sempre têm um raio, por menor que seja a ferramenta de corte utilizada.

Acesso à ferramenta

Para remover o material, a ferramenta de corte se aproxima da peça de trabalho diretamente de cima. Recursos que não podem ser acessados ​​dessa maneira não podem ser usinados em CNC.

Há uma exceção a esta regra:rebaixos. Há uma seção sobre rebaixos no final deste artigo.

Uma boa prática de projeto é alinhar todos os recursos do seu modelo (furos, cavidades, paredes verticais, etc.) a uma das seis direções principais. No entanto, veja esta regra como uma recomendação e não uma restrição, pois Sistemas CNC de 5 eixos oferecem recursos avançados de fixação de peças.

O acesso à ferramenta também é um problema ao usinar recursos com uma grande relação profundidade/largura. Para alcançar o fundo de uma cavidade profunda, por exemplo, você precisa de ferramentas com alcance estendido. Isso significa uma maior amplitude de movimento para o efetuador final, o que aumenta a vibração da máquina e reduz a precisão alcançável.

Isso simplificará a produção se você projetar peças que possam ser usinadas em CNC com a ferramenta que tenha o maior diâmetro possível e o menor comprimento possível.

Diretrizes de projeto CNC

Um desafio que frequentemente surge ao projetar uma peça para usinagem CNC é que não existem padrões específicos para toda a indústria. Os fabricantes de máquinas e ferramentas CNC melhoram continuamente as capacidades da tecnologia, expandindo os limites do que é possível. A tabela abaixo resume os valores recomendados e viáveis ​​para os recursos mais comuns encontrados em peças usinadas CNC.

Cavidades e bolsos

Ilustração de cavidades e bolsos
Profundidade recomendada da cavidade: 4 vezes a largura da cavidade

As ferramentas de fresa de topo têm um comprimento de corte limitado (normalmente 3 a 4 vezes seu diâmetro). A deflexão da ferramenta, o escoamento de cavacos e as vibrações tornam-se mais proeminentes quando as cavidades têm uma relação profundidade/largura menor.

Limitar a profundidade da cavidade a quatro vezes sua largura garante bons resultados.

Se forem necessárias profundidades maiores, considere projetar peças com profundidade de cavidade variável.

Fresamento de cavidades profundas: Cavidades com profundidades maiores que seis vezes o diâmetro da ferramenta são consideradas profundas. Uma razão de diâmetro da ferramenta para a profundidade da cavidade de até 30:1 é possível usando ferramentas especializadas (profundidade máxima:35 cm com uma fresa de topo de 1 polegada de diâmetro).

Bordas internas

Ilustração de arestas internas
Raio do canto vertical


Recomendado: ⅓ vezes a profundidade da cavidade (ou maior)

Usar o valor recomendado para raios de canto internos garante que uma ferramenta de diâmetro adequado possa ser usada e alinhada com as diretrizes para a profundidade de cavidade recomendada.
Aumentar os raios de canto ligeiramente acima do valor recomendado (por exemplo, em 1 mm) permite que a ferramenta corte seguindo um caminho circular em vez de um ângulo de 90. Isso é o preferido, pois resulta em um acabamento de superfície de maior qualidade. Se forem necessários cantos internos afiados de 90 graus, considere adicionar um rebaixo em T-bone em vez de reduzir o raio do canto.

Raio do piso

Recomendado: 0,5 mm, 1 mm ou nenhum raio
Viável: qualquer raio

As fresas de topo têm uma aresta de corte inferior plana ou ligeiramente arredondada. Outros raios de piso podem ser usinados usando ferramentas de ponta esférica. É uma boa prática de projeto usar os valores recomendados, pois é a preferência dos maquinistas.

Paredes finas

Espessura mínima da parede


Recomendado: 0,8 mm (metais), 1,5 mm (plásticos)
Viável: 0,5 mm (metais), 1,0 mm (plásticos)

A diminuição da espessura da parede reduz a rigidez do material, o que aumenta as vibrações durante a usinagem e diminui a precisão alcançável. Os plásticos são propensos a empenar (devido a tensões residuais) e amolecimento (devido ao aumento da temperatura), portanto, recomenda-se uma espessura mínima de parede maior. Os valores viáveis ​​indicados acima devem ser examinados caso a caso.

Buracos

Diâmetro

Recomendado: broca padrão
Viável: qualquer diâmetro maior que 1 mm

Os furos são usinados usando uma broca ou uma ferramenta de fresa de topo. O tamanho das brocas é padronizado (em unidades métricas e imperiais). Alargadores e ferramentas de mandrilamento são usados ​​para terminar furos que exigem tolerâncias apertadas. Para furos de alta precisão com diâmetro menor que 20 mm, é recomendado o uso de um diâmetro padrão.

Profundidade máxima

Recomendado: 4 vezes o diâmetro nominal
Típico: 10 vezes o diâmetro nominal
Viável: 40 vezes o diâmetro nominal

Furos com diâmetro fora do padrão devem ser usinados com uma fresa de topo. Neste caso, aplicam-se as restrições de profundidade máxima da cavidade e o valor de profundidade máxima recomendado deve ser usado. Furos mais profundos do que o valor típico são usinados usando brocas especializadas (com um diâmetro mínimo de 3 mm). Os furos cegos usinados com uma broca têm um piso cônico (ângulo de 135 graus), enquanto os furos usinados com uma fresa de topo são planos.
Não há preferência particular entre furos passantes ou furos cegos na usinagem CNC.

Tópicos

Ilustração de tópicos
Tamanho da linha

Mínimo: M2
Recomendado: M6 ou maior

As roscas são cortadas com machos e roscas externas com matrizes. Machos e matrizes podem ser usados ​​para cortar roscas até M2. As ferramentas de rosqueamento CNC são comuns e preferidas pelos maquinistas, pois limitam o risco de quebra do macho. As ferramentas de rosqueamento CNC podem ser usadas para cortar roscas até M6.

Comprimento da rosca

Mínimo: 1,5 vezes o diâmetro nominal
Recomendado: 3 vezes o diâmetro nominal

A maior parte da carga aplicada a uma rosca é suportada pelos poucos primeiros dentes (até 1,5 vezes o diâmetro nominal). Roscas com mais de 3 vezes o diâmetro nominal são, portanto, desnecessárias.

Para roscas em furos cegos cortados com machos (ou seja, todas as roscas menores que M6), adicione um comprimento sem rosca igual a 1,5 vezes o diâmetro nominal no fundo do furo. Quando uma ferramenta de rosqueamento CNC pode ser usada (ou seja, roscas maiores que M6), o furo pode ser rosqueado em todo o seu comprimento.

Pequenos recursos

Ilustração de pequenos recursos de CNC

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Diâmetro mínimo do furo

Recomendado: 2,5 mm (0,1 polegada.'')
Viável: 0,05 mm (0,005 polegadas.'')

A maioria das oficinas mecânicas pode usinar com precisão cavidades e furos usando ferramentas de até 2,5 mm (0,1 polegada) de diâmetro. Qualquer coisa abaixo desse limite é considerada microusinagem. Ferramentas especiais (microfuradeiras) e conhecimento especializado são necessários para usinar esses recursos porque a física do processo de corte muda com essa escala. A menos que seja absolutamente necessário, a recomendação é, portanto, evitá-los.

Tolerâncias

Ilustração de tolerâncias CNC
Típico: +-0,1 milímetros
Viável: +-0,02 milímetros

Nossas tolerâncias são 2768 médias ou finas. Se as tolerâncias não forem especificadas, os parceiros de fabricação usarão a classe 2768 selecionada.
As tolerâncias definem os limites para uma dimensão aceitável. As tolerâncias alcançáveis ​​variam de acordo com a dimensão base e a geometria da peça. Os valores acima são diretrizes razoáveis.

Texto e letras

Recomendado: tamanho da fonte 20 (ou maior), 5 mm gravado

O texto gravado é preferível ao texto em relevo, pois menos material é removido. Recomenda-se usar um tamanho mínimo de fonte sem serifa -20 (por exemplo, Arial ou Verdana). Muitas máquinas CNC possuem rotinas pré-programadas para essas fontes.

Configurações de máquina CNC e orientação de peças

O acesso à ferramenta é uma das principais limitações de projeto na usinagem CNC. Para alcançar todas as superfícies do modelo, a peça de trabalho deve ser girada várias vezes.

Sempre que a peça é girada, a máquina deve ser recalibrada e um novo sistema de coordenadas deve ser definido.

Ao projetar, é importante considerar as configurações da máquina por dois motivos:

• 
  O número total de configurações da máquina afeta o custo. Girar e realinhar a peça requer trabalho manual e aumenta o tempo total de usinagem. Isso geralmente é aceitável se a peça precisar ser girada até três ou quatro vezes, mas qualquer coisa acima desse limite é excessiva.
  
• 
  Para obter a máxima precisão relativa de posição, dois recursos devem ser usinados na mesma configuração. Isso ocorre porque a nova etapa de calibração introduz um erro pequeno (mas não desprezível).
  

O que é usinagem CNC de 5 eixos?

Uma máquina CNC de 5 eixos move ferramentas de corte ou peças ao longo de cinco eixos ao mesmo tempo. As máquinas CNC multieixos podem fabricar peças com geometrias complexas, pois oferecem dois eixos rotacionais adicionais. Essas máquinas eliminam a necessidade de configurações de várias máquinas.

Quais são as vantagens e limitações da usinagem CNC de 5 eixos?

A usinagem CNC de cinco eixos permite que a ferramenta permaneça constantemente tangencial à superfície de corte. Os caminhos da ferramenta podem ser mais complexos e eficientes, resultando em peças com melhor acabamento superficial e menores tempos de usinagem.

Dito isto, o CNC de 5 eixos tem suas limitações. A geometria básica da ferramenta e as limitações de acesso à ferramenta ainda se aplicam (por exemplo, peças com geometrias internas não podem ser usinadas). Além disso, o custo de utilização de tais sistemas é maior.

Cortes de usinagem CNC

Os rebaixos são recursos que não podem ser usinados usando ferramentas de corte padrão, pois algumas de suas superfícies não são acessíveis diretamente de cima.

Existem dois tipos principais de rebaixos:ranhuras em T e caudas de andorinha. Os rebaixos podem ser de um lado ou de dois lados e são usinados com ferramentas especiais.

As ferramentas de corte com ranhura em T são feitas de uma lâmina de corte horizontal presa a um eixo vertical. A largura de um rebaixo pode variar entre 3 mm e 40 mm. Recomendamos o uso de tamanhos padrão para a largura (ou seja, incrementos milimétricos inteiros ou frações de polegadas padrão), pois é mais provável que uma ferramenta apropriada já esteja disponível.

Para ferramentas de corte em rabo de andorinha, o ângulo é o tamanho do recurso de definição. As ferramentas de cauda de andorinha de 45 e 60 graus são consideradas padrão. Ferramentas com um ângulo de 5, 10 e até 120 graus (em incrementos de 10 graus) também existem, mas são menos usadas.

Projeto de corte inferior para usinagem CNC

Ao projetar peças com rebaixos nas paredes internas, lembre-se de adicionar folga suficiente para a ferramenta. Uma boa regra é adicionar espaço igual a pelo menos quatro vezes a profundidade do rebaixo entre a parede usinada e qualquer outra parede interna.

Para ferramentas padrão, a relação típica entre o diâmetro de corte e o diâmetro do eixo é de 2:1, limitando assim a profundidade de corte. Quando um rebaixo não padronizado é necessário, é prática comum que as oficinas fabriquem suas próprias ferramentas de rebaixo personalizadas. Isso pode aumentar o tempo de espera e o custo, portanto, evite-o se possível.

Elaboração de um desenho técnico

Desenhos técnicos às vezes são usados ​​por engenheiros para comunicar requisitos de fabricação específicos ao maquinista. Se você se interessou pelo tema, leia este artigo sobre como, quando e por que usar desenhos técnicos.

Enviando um desenho técnico com sua cotação do Hubs

Normalmente, não exigimos um desenho técnico para pedidos em nossa plataforma, mas, em alguns casos, eles podem adicionar um contexto valioso a uma solicitação de cotação. Certas especificações de projeto não podem ser incluídas em um arquivo STEP ou IGES. Por exemplo, você terá que incluir um desenho técnico 2D se o seu modelo incluir furos roscados ou eixos e/ou dimensões com tolerâncias mais apertadas do que a classe 2768 selecionada.

Se você adicionar um desenho técnico, verifique se ele corresponde às especificações dos arquivos enviados. Se os desenhos técnicos não corresponderem aos arquivos enviados ou às especificações da cotação:

• 
  As especificações de cotação são consideradas o ponto de referência para a tecnologia, material e acabamentos de superfície.
  
• 
  Os desenhos técnicos são considerados o ponto de referência para as especificações de rosca, especificações de tolerância, detalhes de acabamento superficial, solicitações de marcação de peças e especificações de tratamento térmico.
  
• 
  O arquivo CAD é considerado o ponto de referência para o projeto da peça, geometria, dimensão e localizações de recursos.
  

Para mais detalhes, leia nossa política de especificações .

Quais são as melhores práticas da Hubs para usinagem CNC?

• 
  Projete peças que podem ser usinadas usando a ferramenta com o maior diâmetro possível.
  
• 
  Adicione os filetes grandes (pelo menos ⅓ vezes a profundidade da cavidade) a todos os cantos verticais internos.
  
• 
  Limite a profundidade das cavidades a 4 vezes a sua largura.
  
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  Alinhe as principais características do seu projeto com uma das seis direções principais. Se isso não for possível, a usinagem CNC de 5 eixos é uma opção.
  
• 
  Envie um desenho técnico com seu desenho se o seu projeto incluir roscas, tolerâncias, especificações de acabamento de superfície ou outras notas para o operador da máquina.
  

Tem peças que você precisa usinadas em CNC? Carregue seus designs e nossa ferramenta DFM sugerirá otimizações e fornecerá preços instantâneos.

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