Wie können wir bei der Konstruktion von CNC-gefertigten Teilen die Bearbeitungskosten durch strukturelle Optimierung senken?

Beim Design von CNC-gefertigten Teilen ist die Reduzierung der Bearbeitungskosten durch strukturelle Optimierung der Schlüssel zur Ausbalancierung von Funktionsanforderungen und Fertigungsfähigkeit. Die folgenden spezifischen Optimierungsstrategien werden aus verschiedenen Dimensionen bereitgestellt:

1. Optimierung der Materialauswahl
   • Bevorzugen Sie leicht zu bearbeitende Materialien: Materialien mit guter Bearbeitbarkeit, wie z. B. Aluminiumlegierungen und kohlenstoffarmer Stahl, können den Werkzeugverschleiß und die Bearbeitungszeit reduzieren. Beispielsweise kann der Ersatz von Edelstahl durch 6061-Aluminiumlegierung die Bearbeitungskosten um mehr als 30 % senken (sofern die Festigkeit dies zulässt).
   • Minimieren Sie die Verwendung von Edelmetallen: Verwenden Sie lokale Verstärkungskonstruktionen (z. B. die Verwendung von Titanlegierung nur in beanspruchten Bereichen) anstelle von gesamten Edelmetallstrukturen.
   • Passen Sie die Materialform an: Wählen Sie Rohlinge, die der endgültigen Form des Teils nahe kommen (z. B. Stäbe oder Platten), um die Bearbeitungszugaben zu reduzieren. Beispielsweise kann die Verwendung eines rechteckigen Rohlings zur Bearbeitung eines quadratischen Teils übermäßigen Abfall von einem runden Rohling vermeiden.
2. Kontrolle der geometrischen Komplexität
   • Vermeiden Sie tiefe Hohlräume und schmale Schlitze:
     • Tiefe Hohlräume (Tiefe > 5-facher Werkzeugdurchmesser) erfordern mehrschichtige Bearbeitung und sind anfällig für Werkzeugvibrationen und -bruch. Erwägen Sie die Verwendung von Kombinationen aus flachen Hohlräumen oder geteilten Strukturen.
     • Schmale Schlitze erfordern Werkzeuge mit kleinem Durchmesser, die eine geringe Bearbeitungseffizienz aufweisen. Es wird empfohlen, dass die Schlitzbreiten ≥ 1,2-mal dem Werkzeugdurchmesser entsprechen.
   • Vereinfachen Sie dünne Wände und scharfe Winkel:
     • Dünne Wände (Dicke < 3 mm) sind anfällig für Verformungen und erfordern reduzierte Schnittparameter oder zusätzliche Unterstützung. Die Optimierung kann durch lokale Verdickung oder das Hinzufügen von Verstärkungsrippen erreicht werden.Scharfe Winkel (Innenwinkel < R1 mm) erfordern mehrere Durchgänge mit Kugelfräsern. Der Wechsel zu Rundungen mit einem Radius von R2 mm oder größer kann die Bearbeitungszeit verkürzen.
     • Reduzieren Sie die Abhängigkeit von Mehrachsen: Vermeiden Sie unnötige gekrümmte Oberflächen oder geneigte Löcher; verwenden Sie stattdessen abgestufte Strukturen oder Standardwinkel (z. B. 45°, 90°), um die Bearbeitung mit einer Drei-Achsen-Maschine abzuschließen.Rationalisierung von Toleranzen und Oberflächenrauheit
   • Entspannen Sie nicht-kritische Toleranzen: Die Lockerung der Toleranzen auf nicht-passenden Oberflächen von ±0,05 mm auf ±0,1 mm kann die Anzahl der Fertigungsschritte reduzieren. Beispielsweise kann die Positionstoleranz von Befestigungslöchern moderat gelockert werden, während nur kritische Lagerpositionen eine hohe Präzision beibehalten.
3. Geringere Oberflächenrauheit auf nicht-funktionalen Oberflächen: Die Reduzierung der Oberflächenrauheit von nicht-ästhetischen Oberflächen von Ra1,6 auf Ra3,2 kann die Fertigungszeit verkürzen. Beispielsweise müssen innere Strukturflächen nicht poliert werden.
   • Geben Sie wirtschaftliche Toleranzen an: Beziehen Sie sich auf die mittleren Präzisionsstandards in ISO 2768, um eine Überspezifizierung zu vermeiden.
   • Standardisierung und modulares Design
   • Vereinheitlichen Sie Merkmalsabmessungen: Verwenden Sie Standardbohrergrößen (z. B. M6-, M8-Gewindelöcher) anstelle von nicht standardmäßigen Löchern, um die Werkzeugwechselhäufigkeit zu reduzieren.
4. Modulare Zerlegung: Teilen Sie komplexe Teile in mehrere einfachere Unterkomponenten auf, die separat bearbeitet und dann durch Schrauben oder Schweißen montiert werden können. Beispielsweise kann eine Hülle mit einem tiefen Hohlraum in einen "Hauptkörper + Deckplatte" aufgeteilt werden.
   • Universelles Schnittstellendesign: Verwenden Sie Standardflansche, Keilnuten oder Schnappstrukturen, um den Bedarf an kundenspezifischen Werkzeugen zu reduzieren.
   • Softwaregestützte Bearbeitungsoptimierung
   • CAM-Automatische Feature-Erkennung: Verwenden Sie Software, um Features wie Löcher und Schlitze automatisch zu identifizieren, um die Programmierzeit zu verkürzen. Beispielsweise kann die Feature-Erkennungsfunktion in Fusion 360 die Programmierzeit um 30 % verkürzen.
5. Werkzeugwegoptimierung: Implementieren Sie Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsstrategien (HSM), wie z. B. spiralförmiger Werkzeugeintritt und kontinuierliches Schneiden, um die Nicht-Schneidezeit zu reduzieren. Beispielsweise können optimierte Pfade die Bearbeitungszeit um 15 % reduzieren.
   • Simulationsverifizierung: Verwenden Sie virtuelle Bearbeitung, um Interferenzen und Überschneidungen zu überprüfen und Ausschuss durch Probeschnitte zu vermeiden.
   • Ausbalancierung von Leichtgewicht und Festigkeit
   • Topologieoptimierung und Aushöhlung: Verwenden Sie die Finite-Elemente-Analyse (FEA), um Lastpfade zu bestimmen und nur notwendige Materialien beizubehalten (z. B. biomimetische Knochenstrukturen).
6. Lokalisierte Wärmebehandlung zur Verstärkung: Tragen Sie Laserhärten auf hochbeanspruchte Bereiche (z. B. Zahnwurzeln) auf, anstatt eine allgemeine Wärmebehandlung durchzuführen.
   • Hybride Prozesskombination: Fügen Sie nach der CNC-Bearbeitung der Hauptstruktur durch additive Fertigung (3D-Druck) leichte Gitter hinzu, um Gewichtsreduzierung und Festigkeit auszugleichen.
   • Vorschläge für die Implementierungsschritte
   • DFM-Analyse (Design for Manufacturing): Kommunizieren Sie in der frühen Designphase mit dem Bearbeitungswerk, um kostenintensive Merkmale zu identifizieren.

• Prototypenverifizierung: Testen Sie die Funktionalität mit 3D-gedruckten oder einfachen CNC-Prototypen, um Nacharbeiten nach der Massenproduktion zu vermeiden.
• Durch die Umsetzung der oben genannten Strategien können die CNC-Bearbeitungskosten um 20 % bis 50 % gesenkt werden, während die Funktionalität gewährleistet wird, was sich insbesondere für Kostenreduzierungsbedürfnisse in der Massenproduktion oder bei hochkomplexen Teilen eignet.