كيفية تصميم أجزاء التصنيع باستخدام الحاسب الآلي

من أجل الاستفادة الكاملة من قدرة التصنيع باستخدام الحاسب الآلي ، يجب على المصممين اتباع قواعد تصنيع محددة.لكن هذا يمكن أن يمثل تحديًا لأنه لا يوجد معيار صناعي محدد.في هذه المقالة ، قمنا بتجميع دليل شامل مع أفضل ممارسات التصميم لآلة CNC.
نحن نركز على وصف جدوى أنظمة CNC الحديثة ، وتجاهل التكاليف ذات الصلة.للحصول على إرشادات حول تصميم أجزاء فعالة من حيث التكلفة لـ CNC ، يرجى الرجوع إلى هذه المقالة.
التصنيع باستخدام الحاسب الآلي
التصنيع باستخدام الحاسب الآلي هو تقنية تصنيع مطروح.في CNC ، يتم استخدام العديد من أدوات الدوران عالية السرعة (الآلاف من RPM) لإزالة المواد من الكتل الصلبة لإنتاج أجزاء وفقًا لنماذج CAD.يمكن معالجة المعادن والبلاستيك بواسطة CNC.
تتميز أجزاء التصنيع باستخدام الحاسب الآلي بدقة أبعاد عالية وتحمل صارم.CNC مناسب للإنتاج الضخم والعمل لمرة واحدة.في الواقع ، يعد التصنيع باستخدام الحاسب الآلي حاليًا الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لإنتاج نماذج أولية للمعادن ، حتى بالمقارنة مع الطباعة ثلاثية الأبعاد.

قيود التصميم الرئيسية لـ CNC
توفر CNC مرونة كبيرة في التصميم ، ولكن هناك بعض قيود التصميم.ترتبط هذه القيود بالميكانيكا الأساسية لعملية القطع ، والتي تتعلق بشكل أساسي بهندسة الأدوات والوصول إلى الأداة.
1. هندسة الأدوات
أكثر أدوات CNC شيوعًا (المطاحن والمثاقب) هي أسطوانية بطول قطع محدود.
عند إزالة المادة من قطعة العمل ، يتم نقل هندسة الأداة إلى الجزء المشكل.هذا يعني أنه ، على سبيل المثال ، بغض النظر عن مدى صغر الأداة المستخدمة ، فإن الزاوية الداخلية لجزء CNC لها دائمًا نصف قطر.
2. الوصول إلى الأداة

لإزالة المادة ، تقترب الأداة من قطعة العمل مباشرة من الأعلى.لا يمكن معالجة الوظائف التي لا يمكن الوصول إليها بهذه الطريقة باستخدام الحاسب الآلي.
هناك استثناء واحد لهذه القاعدة: التقليل.سوف نتعلم كيفية استخدام التخفيضات في التصميم في القسم التالي.
تتمثل إحدى ممارسات التصميم الجيدة في محاذاة جميع ميزات النموذج (الثقوب ، التجاويف ، الجدران العمودية ، إلخ) مع أحد الاتجاهات الستة الرئيسية.تعتبر هذه القاعدة توصية ، وليست تقييدًا ، لأن نظام CNC ذو 5 محاور يوفر قدرة متقدمة على الاحتفاظ بقطعة العمل.
يعد الوصول إلى الأداة أيضًا مشكلة عند معالجة الميزات بنسب عرض إلى ارتفاع كبيرة.على سبيل المثال ، للوصول إلى قاع التجويف العميق ، يلزم استخدام أداة خاصة ذات محور طويل.هذا يقلل من صلابة المستجيب النهائي ، ويزيد الاهتزاز ويقلل من الدقة التي يمكن تحقيقها.
يوصي خبراء CNC بتصميم الأجزاء التي يمكن تشكيلها بأدوات ذات أكبر قطر ممكن وأقصر طول ممكن.
قواعد تصميم CNC
أحد التحديات التي غالبًا ما يتم مواجهتها عند تصميم أجزاء لتصنيع CNC هو عدم وجود معيار صناعي محدد: يعمل مصنعو أدوات وآلات CNC باستمرار على تحسين قدراتهم التقنية وتوسيع نطاق الاحتمالات.
في الجدول التالي ، نلخص القيم الموصى بها والممكنة للميزات الأكثر شيوعًا التي تمت مواجهتها في أجزاء التصنيع باستخدام الحاسب الآلي.

1. التجويف والأخدود
عمق التجويف الموصى به: عرض التجويف 4 مرات
طول القطع للمطحنة النهائية محدود (عادة 3-4 مرات قطرها).عندما تكون نسبة عرض العمق صغيرة ، يصبح انحراف الأداة وتفريغ الرقاقة والاهتزاز أكثر وضوحًا.إن تحديد عمق التجويف إلى أربعة أضعاف عرضه يضمن نتائج جيدة.
إذا كانت هناك حاجة إلى عمق أكبر ، ففكر في تصميم جزء بعمق تجويف متغير (انظر الشكل أعلاه للحصول على مثال).
طحن التجويف العميق: يعتبر التجويف بعمق أكبر من 6 أضعاف قطر الأداة بمثابة تجويف عميق.يمكن أن تكون نسبة قطر الأداة إلى عمق التجويف 30: 1 باستخدام أدوات خاصة (باستخدام طواحين نهائية بقطر 1 بوصة ، وأقصى عمق 30 سم).

2. الحافة الداخلية
نصف قطر الزاوية الرأسية: موصى به ⅓ × عمق التجويف (أو أكبر)
يضمن استخدام القيمة الموصى بها لنصف قطر الزاوية الداخلي إمكانية استخدام أداة القطر المناسبة ومحاذاة الإرشادات الخاصة بعمق التجويف الموصى به.زيادة نصف قطر الزاوية أعلى قليلاً من القيمة الموصى بها (على سبيل المثال بمقدار 1 مم) يسمح للأداة بالقطع على طول مسار دائري بدلاً من زاوية 90 درجة.هذا مفضل لأنه يمكن أن يحصل على سطح تشطيب عالي الجودة.إذا كانت الزاوية الداخلية من الحدة 90 درجة مطلوبة ، ففكر في إضافة تقطيع على شكل حرف T بدلاً من تقليل نصف قطر الزاوية.
نصف قطر اللوحة السفلية الموصى به هو 0.5 مم ، 1 مم أو لا يوجد نصف قطر ؛أي نصف قطر ممكن
الحافة السفلية للمطحنة النهائية هي حافة مسطحة أو حافة مستديرة قليلاً.يمكن معالجة نصف قطر الأرضية الأخرى باستخدام أدوات رأس الكرة.من الممارسات الجيدة في التصميم استخدام القيمة الموصى بها لأنها الخيار الأول للميكانيكي.

3. جدار رقيق
الحد الأدنى الموصى به لسمك الجدار: 0.8 مم (معدن) و 1.5 مم (بلاستيك) ؛0.5 مم (معدن) و 1.0 مم (بلاستيك) ممكنان
يقلل تقليل سمك الجدار من صلابة المادة ، وبالتالي زيادة الاهتزاز في عملية التصنيع وتقليل الدقة التي يمكن تحقيقها.تميل المواد البلاستيكية إلى الالتواء (بسبب الإجهاد المتبقي) واللين (بسبب ارتفاع درجة الحرارة) ، لذلك يوصى باستخدام حد أدنى لسماكة الجدار أكبر.

4. حفرة
يوصى بقطر حجم الحفر القياسي ؛أي قطر أكبر من 1 مم مقبول
استخدم مثقابًا أو طاحونة نهائية لثقوب الآلة.توحيد حجم ريشة الحفر (المترية والإنجليزية).تستخدم موسعات الثقوب والقواطع المملة لإنهاء الثقوب التي تتطلب تحمل صارمًا.بالنسبة للأحجام التي تقل عن 20 مم ، يوصى باستخدام الأقطار القياسية.
أقصى عمق موصى به 4 × القطر الاسمي ؛نموذجيا 10 × القطر الاسمي ؛40 × القطر الاسمي حيثما أمكن ذلك
يجب معالجة الثقوب ذات القطر غير القياسي باستخدام طواحين نهائية.في هذه الحالة ، يتم تطبيق الحد الأقصى لعمق التجويف واستخدام قيمة العمق القصوى الموصى بها.استخدم مثقابًا خاصًا (قطره الأدنى 3 مم) لثقب الآلة بعمق يتجاوز القيمة النموذجية.تحتوي الفتحة العمياء التي يتم تشكيلها بواسطة المثقاب على صفيحة سفلية مخروطية الشكل (زاوية 135 درجة) ، في حين أن الفتحة التي يتم تشكيلها بواسطة المطحنة النهائية تكون مسطحة.في التصنيع باستخدام الحاسب الآلي ، لا يوجد تفضيل خاص بين الثقوب من خلال الثقوب العمياء.

5. الخيط
الحد الأدنى لحجم الخيط هو متر مربع ؛يوصى باستخدام M6 أو أكبر
يتم قطع الخيط الداخلي بصنبور ، ويتم قطع الخيط الخارجي بقالب.يمكن استخدام الحنفيات والقوالب لقطع الخيوط إلى متر مربع.
تعتبر أدوات الخيط CNC شائعة ويفضلها الميكانيكيون لأنها تحد من مخاطر كسر الصنبور.يمكن استخدام أدوات الخيط CNC لقطع الخيوط إلى M6.
الحد الأدنى لطول الخيط 1.5 × القطر الاسمي ؛يوصى بـ 3 × القطر الاسمي
معظم الحمل المطبق على الخيط يتحمله عدد قليل من الأسنان الأولى (حتى 1.5 مرة من القطر الاسمي).لذلك ، لا يلزم أكثر من 3 أضعاف القطر الاسمي للخيط.
للخيوط في الثقوب العمياء المقطوعة بصنبور (أي جميع الخيوط الأصغر من M6) ، أضف طولًا غير ملولب يساوي 1.5 × القطر الاسمي في أسفل الحفرة.
عندما يمكن استخدام أداة سن اللولب CNC (أي أن الخيط أكبر من M6) ، يمكن للفتحة أن تمر عبر طولها بالكامل.

6. ميزات صغيرة
يوصى بأن يكون الحد الأدنى لقطر الفتحة 2.5 مم (0.1 بوصة) ؛0.05 مم (0.005 بوصة) ممكن
ستتمكن معظم ورش الماكينات من عمل التجاويف والثقوب بدقة باستخدام أدوات يقل قطرها عن 2.5 مم (0.1 بوصة).
أي شيء أقل من هذا الحد يعتبر آلة دقيقة.مطلوب أدوات خاصة (تدريبات دقيقة) ومعرفة الخبراء لمعالجة هذه الميزات (التغييرات المادية في عملية القطع تقع ضمن هذا النطاق) ، لذلك يوصى بتجنب استخدامها ما لم يكن ذلك ضروريًا للغاية.

7. التسامح
القياسي: ± 0.125 مم (0.005 بوصة)
نموذجي: ± 0.025 مم (0.001 بوصة)
ممكن: ± 0.0125 مم (0.0005 بوصة)
تحدد التسامح حدود الأبعاد المقبولة.تعتمد التفاوتات التي يمكن تحقيقها على الأبعاد الأساسية وهندسة الجزء.القيم المذكورة أعلاه هي مبادئ توجيهية معقولة.إذا لم يتم تحديد تفاوت ، فستستخدم معظم ورش الماكينات تفاوتًا قياسيًا قدره ± 0.125 مم (0.005 بوصة).

8. الكلمات والحروف
حجم الخط الموصى به هو 20 (أو أكبر) ، حروف 5 مم
يفضل أن تكون الأحرف المنقوشة أحرفًا منقوشة لأنه يتم إزالة مواد أقل.يوصى باستخدام خطوط sans serif (مثل Arial أو Verdana) بحجم لا يقل عن 20 نقطة.العديد من ماكينات CNC لديها إجراءات مبرمجة مسبقًا لهذه الخطوط.
إعدادات الآلة واتجاه الجزء
الرسم التخطيطي للأجزاء التي يجب ضبطها عدة مرات كما يلي:
كما ذكرنا سابقًا ، يعد الوصول إلى الأداة أحد قيود التصميم الرئيسية للتصنيع باستخدام الحاسب الآلي.للوصول إلى جميع أسطح النموذج ، يجب تدوير قطعة العمل عدة مرات.
على سبيل المثال ، يجب تدوير جزء الصورة أعلاه ثلاث مرات في المجموع: يتم تشكيل فتحتين في اتجاهين رئيسيين ، والثالث يدخل الجزء الخلفي من الجزء.

عندما تدور قطعة العمل ، يجب إعادة معايرة الماكينة وتحديد نظام إحداثيات جديد.
من المهم مراعاة إعدادات الجهاز في التصميم لسببين:
يؤثر العدد الإجمالي لإعدادات الجهاز على التكاليف.يتطلب تدوير وإعادة تنظيم الأجزاء التشغيل اليدوي ويزيد من إجمالي وقت المعالجة.إذا كان الجزء يحتاج إلى التدوير 3-4 مرات ، فهذا مقبول بشكل عام ، ولكن أي تجاوز لهذا الحد يعتبر زائدة عن الحاجة.
من أجل الحصول على أقصى دقة موضعية نسبية ، يجب تشكيل ميزتين في نفس الإعداد.وذلك لأن خطوة الاتصال الجديدة تقدم خطأ صغيرًا (ولكن ليس مهملاً).
خمسة محاور التصنيع باستخدام الحاسب الآلي
عند استخدام آلة CNC ذات 5 محاور ، يمكن التخلص من الحاجة إلى إعدادات متعددة للماكينة.يمكن لآلات CNC متعددة المحاور تصنيع أجزاء ذات هندسة معقدة لأنها توفر محورين دوران إضافيين.
تتيح المعالجة CNC ذات المحاور الخمسة للأداة أن تكون دائمًا مماسة لسطح القطع.يمكن اتباع مسارات أدوات أكثر تعقيدًا وفعالية ، مما يؤدي إلى تشطيب أفضل للسطح ووقت تشغيل أقل.
بالطبع ، CNC ذات 5 محاور لها حدودها.لا تزال قيود الوصول إلى الأدوات وهندسة الأداة الأساسية سارية (على سبيل المثال ، لا يمكن تشكيل الأجزاء ذات الهندسة الداخلية).بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة استخدام هذه الأنظمة أعلى.
تقويض التصميم
القطع السفلية هي ميزات لا يمكن تشكيلها باستخدام أدوات القطع القياسية لأن بعض أسطحها لا يمكن الوصول إليها مباشرة من الأعلى.
هناك نوعان رئيسيان من الجروح السفلية: الأخاديد على شكل حرف T وتعشيقها.يمكن أن يكون التقليل من جانب واحد أو على الوجهين ومعالجته بأدوات خاصة.

إن أداة القطع T-groove مصنوعة أساسًا من إدخال قطع أفقي متصل بمحور رأسي.قد يتراوح عرض القطع السفلي بين 3 مم و 40 مم.من المستحسن استخدام الأبعاد القياسية للعرض (على سبيل المثال ، زيادات المليمترات الكاملة أو كسور البوصة القياسية) حيث من المرجح أن تكون الأدوات متاحة.
بالنسبة لأدوات تتوافق ، تحدد الزاوية حجم الميزة.تعتبر أدوات تتوافق مع 45 درجة و 60 درجة قياسية.
عند تصميم الأجزاء ذات القطع السفلية على الجدار الداخلي ، تذكر أن تضيف خلوصًا كافيًا للأداة.القاعدة الأساسية الجيدة هي إضافة أربعة أضعاف عمق القطع بين الجدار المشكل وأي جدار داخلي آخر.
بالنسبة للأدوات القياسية ، فإن النسبة النموذجية بين قطر القطع وقطر العمود هي 2: 1 ، مما يحد من عمق القطع.عندما يكون مطلوبًا تقويض غير قياسي ، فإن ورشة الماكينة عادةً ما تصنع أدوات تقويض مخصصة من تلقاء نفسها.هذا يزيد من المهل الزمنية والتكاليف ويجب تجنبها قدر الإمكان.

أخدود على شكل حرف T (يسار) ، أخدود تتوافق مع تقويض (وسط) وتقليل أحادي الجانب (يمين) على الجدار الداخلي
صياغة الرسومات الفنية
لاحظ أنه لا يمكن تضمين بعض معايير التصميم في الخطوة أو ملفات IGES.إذا كان نموذجك يحتوي على واحد أو أكثر مما يلي ، فيجب تقديم رسومات فنية ثنائية الأبعاد:
ثقب أو رمح ملولب
بعد التسامح
متطلبات محددة لإنهاء السطح
تعليمات لمشغلي أدوات ماكينات CNC