Фрезерная и токарная обработка с ЧПУ: основные области применения и преимущества быстрого прототипирования

Сердцевиной усовершенствованного прототипа дрона является высокоточный центральный диск из алюминиевого сплава, обернутый в фигурный кронштейн из углеродного волокна и установленный в прецизионном резьбовом латунном соединителе.

При традиционном цикле разработки это потребовало бы участия трёх-четырёх поставщиков и нескольких недель производственного цикла. Но при умелом применении «динамичного дуэта» фрезерования и токарной обработки с ЧПУ переход от компьютерной модели к портативному, готовому к испытаниям и функционирующему прототипу может занять всего несколько дней .

В этом руководстве мы рассмотрим, как эта пара стала основой быстрого прототипирования с ЧПУ, а также подробно объясним преимущества прототипирования с ЧПУ, чтобы помочь вам понять, как они сокращают циклы разработки, снижают затраты и создают прототипы, близкие к конечному продукту.

Краткое изложение ключевых ответов

Почему стоит доверять? Быстрый опыт итераций JS Precision

Почему стоит доверять этому руководству по фрезерной и токарной обработке с ЧПУ? Потому что оно основано на более чем 15-летнем опыте JS Precision в области быстрого итерационного моделирования.

В аэрокосмической отрасли мы помогаем клиентам производить детали для дронов из алюминиево-титанового сплава, сокращая время обработки одной детали на 30%. В секторе медицинского оборудования мы используем токарные станки с ЧПУ для изготовления высокоточных резьбовых деталей. Ежегодно мы реализуем более 500 проектов по быстрому прототипированию, помогая клиентам сократить циклы разработки продукции в среднем более чем на 40%.

Мы также выполнили множество срочных заказов на изготовление «10 сложных прототипов за 2 недели», и в ходе каждого проекта мы освоили искусство совершенствования процессов и управления затратами.

Эта книга представляет собой итог реального опыта — от технической проверки до контроля затрат, подтвержденного реальными проектами. Она поможет вам лучше понять преимущества создания прототипов с помощью ЧПУ и предоставит надежные справочные материалы для удовлетворения ваших потребностей в быстром прототипировании.

Если вам требуются профессиональные услуги токарной и фрезерной обработки с ЧПУ для реализации вашего проекта, компания JS Precision предлагает полный цикл работ — от оптимизации конструкции до поставки готовой продукции. После оформления заказа наши инженеры оперативно отреагируют на ваш запрос и разработают индивидуальный план обработки.

Фрезерная и токарная обработка с ЧПУ: центральная функция быстрого прототипирования

Убедившись в надежности данного руководства, давайте сначала выясним основную роль фрезерной и токарной обработки с ЧПУ в быстром прототипировании.

• Фрезерование с ЧПУ использует многокоординатное движение инструмента для резки материала и создания сложных профилей из цельного материала. Этот процесс часто применяется при изготовлении аэродинамически формованных несущих элементов фюзеляжей дронов.
• Однако токарные станки с ЧПУ не вращают пруток, что позволяет инструменту «высекать» симметричные круглые детали. Этот метод применяется для обеспечения точности таких деталей, как подшипниковые опоры и валы.

Оба они активно используются в быстром прототипировании, поскольку они позволяют легко и быстро переводить 3D-модели в реальные прототипы, а также их легко сделать гибкими, что позволяет использовать их для работы с широким спектром материалов, что упрощает обработку от алюминиевых сплавов до нержавеющей стали .

Для простого сравнения этих двух показателей ниже приводится сравнительная таблица:

Раскрывая разницу: фундаментальное сравнение токарной и фрезерной обработки с ЧПУ для быстрого прототипирования

Поняв основы фрезерной и токарной обработки с ЧПУ, давайте теперь рассмотрим их основные различия, чтобы помочь вам сделать правильный выбор технологии для вашего проекта.

Секрет фрезерования с ЧПУ заключается в «многокоординатном движении». Например, 3- и 5-осевые обрабатывающие центры позволяют инструменту обрабатывать материал с нескольких направлений, что позволяет создавать асимметричные детали с канавками, шпоночными пазами и сложными криволинейными поверхностями, например, «вырезать» точную форму фюзеляжа дрона из алюминиевого слитка.

Суть токарной обработки с ЧПУ заключается в «вращении материала». Пруток вращается на высокой скорости в шпинделе, а инструмент движется по заданной траектории. Токарная обработка с ЧПУ особенно эффективна при обработке симметричных деталей, таких как цилиндрические и конические. Например, внутреннее цилиндрическое отверстие подшипника можно обработать с помощью токарной обработки с ЧПУ для достижения более высокой круглости.

Однако современные многоцелевые обрабатывающие центры — токарные и фрезерные станки с ЧПУ — избавились от ограничения , связанного с выбором одной технологии. Они объединяют возможности фрезерной и токарной обработки с ЧПУ на одном станке для комплексной обработки деталей — от симметричных круглых элементов до сложных конструкций индивидуальной формы — за один установ.

Например, при обработке деталей вала со шпоночными пазами нет необходимости предварительно изготавливать тело вала на токарном станке с ЧПУ и затем переносить его на фрезерный станок с ЧПУ для изготовления шпоночного паза. Всё это возможно за одну операцию на комбинированном станке, что сокращает время наладки и исключает погрешности точности, связанные с повторными наладками.

Рисунок 1: Здесь показано высокоточное быстрое прототипирование, достигаемое с помощью фрезерования и токарной обработки на станках с ЧПУ, выполняемых компанией JS Precision.

Синергия: четыре типичных сценария показывают, когда следует сочетать технологии фрезерной и токарной обработки

Поскольку фрезерование и точение с ЧПУ эффективны как по отдельности, так и по отдельности, а также существуют комбинированные станки, которые могут выполнять обе функции, какие конкретные обстоятельства оправдывают объединение этих двух технологий? Следующие четыре типичные ситуации могут служить наглядными примерами:

1. Детали с нескругленными выступами на валах:

Большинство таких деталей симметричны и требуют токарной обработки с ЧПУ для достижения округлости и концентричности. Неокругленные детали, такие как шпоночные пазы и плоские участки на боковых поверхностях вала, невозможно получить точением, поэтому их необходимо «вырезать» фрезерованием с ЧПУ. Выходные валы двигателей обычно имеют такую конструкцию.

2. Корпуса с прецизионными резьбовыми отверстиями:

Корпуса, как правило, имеют нестандартную форму и должны быть обработаны на станке с ЧПУ для создания общего контура и посадочного места. Резьбовые отверстия в корпусах можно нарезать с помощью функции нарезания резьбы на токарных станках с ЧПУ, что обеспечивает более высокую точность резьбы по сравнению с простым фрезерованием и предотвращает заклинивание винтов при последующей сборке.

3. Асимметричные вращающиеся элементы:

Основной контур элемента имеет осесимметричную форму, например, ролик с эксцентриковой канавкой. Цилиндрическая основная часть ролика изначально вращается на станке с ЧПУ. Асимметричная канавка может быть обработана только многокоординатным фрезерованием с ЧПУ, что гарантирует правильное позиционирование канавки.

4. Детали, требующие установки одного приспособления с высокой точностью:

Когда к точности деталей предъявляются очень высокие требования, например, допуски ±0,025 мм, вторичный зажим может привести к погрешностям. В таких случаях все токарно-фрезерные операции выполняются за один установ на токарно-фрезерном станке с ЧПУ, что обеспечивает высочайшую точность. Это особенно актуально для прецизионных соединителей в аэрокосмической отрасли.

В таких ситуациях невозможно использовать одну технологию для удовлетворения всех требований к деталям. Сочетание фрезерования и токарной обработки — единственный способ быстро изготовить качественные прототипы.

Компания JS Precision обладает богатым опытом комбинированной фрезерно-токарной обработки. Исходя из характеристик вашей детали, мы можем определить необходимость использования двух технологий и разработать оптимизированный технологический план, который гарантирует быстрое изготовление прототипов, отвечающих требованиям точности, и сократить сроки поставки.

Пределы точности: токарные и фрезерные станки с ЧПУ позволяют создавать прототипы микронного уровня

При быстром прототипировании точность зачастую может стать решающим фактором в способности прототипа выдержать испытания и сборку. Высокая точность, обеспечиваемая токарными и фрезерными станками с ЧПУ, — одна из главных причин, по которой компании рассматривают эту технологию.

Высококачественные токарные и фрезерные станки с ЧПУ обычно могут обеспечить точность обработки ±0,025 мм, в то время как некоторое оборудование премиум-класса обладает даже способностью превышать ±0,01 мм.

Такая точность достаточна для удовлетворения большинства требований к прототипам в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности. Например, подшипниковые опоры дронов требуют точной округлости для предотвращения заклинивания подшипников, что легко достигается с помощью токарной обработки с ЧПУ.

Тем не менее, точность обработки на станках с ЧПУ зависит от множества факторов. Ниже приведен список основных влияющих факторов и соответствующих механизмов управления:

Помимо вышеперечисленных типичных факторов, «динамическая компенсация точности» — это еще менее известная передовая технология, которая может автоматически в реальном времени обнаруживать ошибки обработки, такие как отклонение размера из-за износа инструмента, и соответствующим образом корректировать параметры обработки для дальнейшего повышения точности и стабильности.

Если вам необходимо обработать прототипы деталей с точностью до микрона, токарные и фрезерные станки с ЧПУ JS Precision с технологией динамической компенсации точности удовлетворят ваши требования к точности. Мы полностью контролируем точность деталей от начала до конца, от процесса до оборудования.

Рисунок 2: Сравнение токарного и фрезерного станка с ЧПУ.

Ускорение инноваций: как быстрое прототипирование с ЧПУ сокращает циклы разработки продукции

Одним из основных требований к быстрому прототипированию является скорость. Быстрое прототипирование на станках с ЧПУ позволяет компаниям ускорить внедрение инноваций и сократить сроки разработки продукции несколькими различными способами.

Во-первых, технология ЧПУ позволяет проводить быстрые итерации. Если требуется перепроектирование испытаний прототипа, достаточно просто изменить параметры программирования ЧПУ без переделки пресс-формы. Например, компания по производству автозапчастей изменила размеры прототипа и изготовила новый прототип с помощью ЧПУ-обработки за три дня, в отличие от двух недель, которые требовались при изготовлении пресс-форм традиционными методами.

Во-вторых, обработка на станках с ЧПУ снижает стоимость пресс-форм. Прототипы, изготавливаемые небольшими партиями (например, 10–50 штук), обычно требуют изготовления пресс-форм, стоимость которых составляет тысячи или десятки тысяч долларов. Обработка на станках с ЧПУ позволяет отказаться от использования пресс-форм, что снижает эти затраты.

В то же время обработка на станках с ЧПУ интегрирует компьютерное проектирование. 3D-модели САПР можно напрямую импортировать в программное обеспечение для программирования ЧПУ, минуя промежуточные процессы конвертации и экономя время.

Статистика подтверждает, что компании, использующие быстрое прототипирование с ЧПУ, добились сокращения цикла разработки своей продукции в среднем более чем на 50% , а в некоторых экстренных проектах цикл сократился на целых 70%.

Кроме того, всё более популярным становится «виртуальное прототипирование» в сочетании с ЧПУ. Программное обеспечение имитирует обработку на станке с ЧПУ до создания физического прототипа, проверяя соответствие траектории движения инструмента и геометрию детали. Это сокращает количество испытаний физического прототипа и позволяет избежать трудоёмких итераций.

Например, компания JS Precision раньше работала в компании по производству электроники и использовала виртуальное прототипирование для своевременного обнаружения проблем, связанных с обработкой деталей на станке, что позволяло ей создавать профессиональный прототип за один раз и поставлять его на пять дней раньше запланированного срока.

Для сокращения времени разработки продукта с помощью быстрого прототипирования с ЧПУ компания JS Precision предлагает комплексные услуги от виртуального прототипирования до фактической обработки деталей, что позволяет ускорить превращение вашего проекта в прототип и воспользоваться рыночными возможностями.

Рисунок 3: Чертежи САПР компонентов дрона и деталей, обработанных на станке с ЧПУ.

Экспертиза токарной обработки: типы деталей для быстрого прототипирования, наиболее подходящие для токарной обработки с ЧПУ

Сочетание фрезерования и токарной обработки с ЧПУ позволяет использовать токарную обработку с ЧПУ для получения бесценного опыта, особенно при изготовлении некоторых компонентов для быстрого прототипирования.

Во-первых, валовые компоненты, такие как валы двигателей и приводные валы, должны иметь очень точную округлость и концентричность. Токарная обработка на станке с ЧПУ, осуществляемая путём вращения прутка вокруг центральной оси, обеспечивает одинаковые размеры по всему поперечному сечению и высокое качество поверхности, обычно равное Ra 0,8 мкм или менее, что снижает необходимость вторичной шлифовки.

Во-вторых, резьбовые детали, такие как болты, гайки и резьбовые фитинги, требуют точного шага и глубины резьбы, что исключает погрешность, характерную для ручной нарезки резьбы. Это делает этот метод идеальным для прототипов, требующих частой сборки и испытаний.

Кроме того, для вращающихся деталей, таких как ролики и втулки подшипников, с вращательно-симметричными наружными диаметрами или внутренними отверстиями, токарная обработка с ЧПУ обеспечивает большую скорость обработки и позволяет добиться постоянства размеров для каждой партии прототипов.

Помимо распространённых применений, асимметричная токарная обработка — менее распространённый, но эффективный метод токарной обработки с ЧПУ. Её можно использовать для обработки асимметричных вращающихся деталей, таких как диски с эксцентриковыми отверстиями. Благодаря закреплению заготовки в специальном приспособлении токарный станок с ЧПУ может обрабатывать эксцентриковую деталь во время вращения, что отвечает требованиям специализированного прототипирования.

Например, компания JS Precision ранее выполнила точение прототипа ролика с эксцентриковой канавкой для производителя средств автоматизации. Благодаря технологии асимметричной токарной обработки операция была выполнена за один этап, что позволило избежать сложного последующего фрезерования и сократить время обработки на 20%.

Если вам требуется обработка прототипов на станках с ЧПУ , например, валов и резьбовых деталей, технические возможности и оборудование компании JS Precision позволяют использовать ее технический опыт для предоставления вам высокоточных и высокоэффективных услуг по обработке на станках с ЧПУ.

Пример использования: проект высокопроизводительного БПЛА

Следующий пример демонстрирует, как фрезерование и точение с ЧПУ были применены в проекте быстрого прототипирования и как компания JS Precision решила задачу клиента.

Потребности клиента

Компания, занимающаяся разработкой промышленных инспекционных дронов, должна была разработать прототип средней части рамы для дрона нового поколения. К прототипу предъявлялись два ключевых требования:

• Используемый металл должен быть высокопрочным и легким, поэтому было принято решение использовать авиационный алюминиевый сплав 7075 .
• Производство должно было осуществляться в строгом соответствии с графиком: за две недели выпустить 10 комплектов для полевых испытаний.

Задача усложнялась тем, что деталь имела сложную, нестандартную несущую конструкцию (для компенсации вибраций дрона при полёте) и шесть близко расположенных друг к другу подшипниковых узлов (для предотвращения слипания подшипников при сборке). Выполнить эту задачу только с помощью токарной или фрезерной обработки на станках с ЧПУ было невозможно .

Решение JS Precision

1. Для изготовления уникальной конструкции подшипника средней рамы мы применили технологию 5-осевого фрезерования с ЧПУ.

Благодаря этой технологии мы можем фрезеровать материал с разных сторон и точно обрабатывать сложные полости и опорные конструкции средней рамы. Мы также оптимизировали параметры резания алюминиевого сплава 7075, чтобы обеспечить прочность конструкции без деформации материала в процессе обработки.

2. Для посадочного места подшипника мы переносим его на токарно-фрезерный станок с ЧПУ для прецизионной обработки.

Для крепления подшипника требуется внутреннее отверстие диаметром 10 мм с допуском круглости ±0,01 мм. Токарная обработка обеспечивает более высокую точность, а обработка на многоцелевом станке исключает вторичное зажимание, что сводит к минимуму ошибки зажима.

3. Наша команда специалистов по токарной и фрезерной обработке с ЧПУ оптимизировала траектории инструмента, например, объединив общие фрезерные и токарные операции. Также была применена интеллектуальная компоновка для размещения нескольких деталей на одном листе алюминиевого сплава 7075, что позволило минимизировать отходы материала. В результате время обработки одной детали сократилось на 30% — с 4 до 2,8 часов.

Результаты

Наконец, заказчику были предоставлены все 10 прототипов в течение 10 дней, на четыре дня раньше срока. Испытания подтвердили соответствие прототипов проектной несущей способности (способность выдерживать статическую нагрузку 50 кг), допуск круглости шести опор подшипников в пределах ±0,008 мм и плавное вращение подшипников во время сборки без рывков.

Заказчику не только удалось успешно провести полевые испытания с этими прототипами, но и благодаря их уже зарекомендовавшему себя качеству, они были использованы непосредственно для пробного мелкосерийного производства , что ускорило трехнедельные испытания продукта и сэкономило драгоценное время для последующего вывода на рынок.

Рисунок 4: Прототипы рамы дрона из высокопрочного алюминиевого сплава были изготовлены с использованием фрезерования и токарной обработки на станках с ЧПУ.

Экономическая эффективность: максимальная экономия за счет услуг токарной и фрезерной обработки с ЧПУ

Выбор фрезерной и токарной обработки с ЧПУ для быстрого создания прототипов не только обеспечивает скорость и точность, но и максимизирует экономию за счет использования профессиональных услуг по токарной и фрезерной обработке с ЧПУ . Именно поэтому компании отдают этой технологии приоритетное значение. Важны четыре аспекта:

Проектирование для оптимизации (DFM)

Инженеры JS Precision рассмотрят конструкцию вашей детали перед обработкой и предложат оптимизацию для снижения стоимости и сложности обработки.

Например, они могут превратить узкую глубокую канавку в широкую и неглубокую, чтобы исключить необходимость использования специального инструмента, или разделить сложную внутреннюю полость на две меньшие и соединить их, чтобы минимизировать время обработки. Один клиент сэкономил 15% на обработке детали благодаря нашей оптимизации DFM.

Интеллектуальная планировка и эффективность использования материалов

Перед обработкой мы размещаем детали на листе или бруске в зависимости от размера детали и марки материала. На листе алюминиевого сплава размером 1000 x 500 мм можно разместить две или три дополнительные детали, что сокращает отходы материала и повышает эффективность его использования более чем на 20%, что напрямую снижает стоимость материала.

Пакетный эффект

Даже для небольших партий прототипов (например, 10–30 единиц) эффективное планирование процесса также экономит время и затраты на наладку. Например, обрабатывая однородные детали партиями, можно одновременно настраивать инструмент и программировать его, избегая повторной смены инструмента и настройки параметров, а также снижая затраты на обработку каждой детали примерно на 10% .

Вторичная операция по избеганию

Специализированные поставщики услуг могут выполнять все операции, такие как фрезерование, точная токарная обработка отверстий, нарезание резьбы и шлифование, за одну операцию, что позволяет избежать поиска других поставщиков для дальнейшей вторичной обработки и избежать дополнительных транспортных и коммуникационных расходов.

Например, одному из клиентов изначально требовалось найти трёх поставщиков для фрезерования, токарной обработки и нарезания резьбы. Обратившись к нам, они смогли выполнить это за один раз, сэкономив целых 25%.

В таблице ниже приведены фактические результаты применения различных методов экономии средств:

Часто задаваемые вопросы

В1: Действительно ли обработка на станках с ЧПУ не позволяет обрабатывать сложные внутренние полости?

Инструменты с ЧПУ должны соприкасаться с поверхностью станка для резки, поэтому 3D-печать может быть более подходящим выбором для обработки чрезвычайно сложных внутренних полостей. Но JS Precision обходит эти трудности благодаря инновационной разработке процесса, выполняя более сложную обработку полостей, чем предполагалось, и удовлетворяя большинству требований к прототипам.

В2: Как вы выбираете наиболее подходящий материал для своего прототипа с использованием обработки на станке с ЧПУ?

Выбор материала зависит от требований к применению вашего прототипа, при этом учитываются четыре ключевых фактора: соотношение прочности и веса, износостойкость, коррозионная стойкость, тепловые и электрические свойства. Эксперты JS Precision порекомендуют материалы с учетом ваших конкретных потребностей.

В3: Какой минимальный размер детали можно получить с помощью обработки на станке с ЧПУ?

Минимальный размер детали при обработке на станках с ЧПУ в значительной степени определяется инструментом. Фрезерование с ЧПУ обычно позволяет получать детали размером 0,1 мм, например, мелкие канавки или отверстия. Тонкие и глубокие канавки сложно обрабатывать из-за жёсткости инструмента. Для обработки более мелких деталей используется микрофрезерование. Конструкторам следует учитывать минимальный диаметр инструмента, чтобы избежать сбоев при обработке.

В4: У меня есть только идея или набросок концепции. Могу ли я воспользоваться вашими услугами?

Конечно. Однако для обеспечения точности обработки мы рекомендуем вам предоставить готовый 2D-чертеж или 3D-модель CAD. Если у вас есть только идея или начальная модель, команда дизайнеров JS Precision будет рада помочь вам воплотить её в стандартизированную конструкторскую документацию . Мы будем сопровождать вас на каждом этапе проектирования, чтобы обеспечить бесперебойную обработку на станках с ЧПУ.

Краткое содержание

Фрезерная и токарная обработка с ЧПУ — это нечто большее, чем традиционные технологии производства, это мощные и незаменимые инструменты в сфере современного быстрого прототипирования с ЧПУ .

Они обеспечивают идеальное сочетание абсолютной свободы компьютерного проектирования и реальных характеристик реальных материалов, предлагая самый надежный и быстрый путь от проверки концепции до вывода на рынок.

Независимо от того, требуются ли вашему изделию сложные формы для токарной обработки или прецизионные вращающиеся компоненты для фрезерования, или и то, и другое, к вашим услугам наш полный спектр услуг по токарной и фрезерной обработке с ЧПУ.

Загрузите свой CAD-файл сегодня, получите профессиональный анализ технологичности и мгновенное предложение всего за несколько минут. Давайте работать вместе, чтобы ускорить воплощение ваших инновационных идей в реальность.