Что такое субтрактивное производство? Методы, материалы и советы по DFM (проектированию с учетом технологичности производства).

От деталей авиационных двигателей до хирургических имплантатов — большинство прецизионных компонентов в мире изготавливаются с использованием методов автоматизированного производства.

Несмотря на все достижения в области 3D-печати, промышленность по-прежнему зависит от методов субтрактивного производства для обеспечения точности, прочности и повторяемости. Поэтому в этой статье мы объясним, что такое субтрактивное производство, как оно осуществляется и почему оно остается важным сегодня.

Что такое субтрактивное производство?

Технология субтрактивного производства позволяет создавать детали путем удаления материала из цельной заготовки. Начинается процесс с блока, заготовки или листа, и с помощью режущих инструментов удаляется излишек материала. Типичные операции включают сверление, шлифовку, фрезерование и токарную обработку, управляемые системами ЧПУ. Этот процесс обеспечивает высокую точность (часто от 0.01 до 0.025 мм) и гладкую поверхность при обработке металлов, пластмасс, а также композитных материалов.

Какое место занимает субтрактивное производство в современном производстве?

Технологии обработки материалов методом вычитания доминируют в прототипировании, массовом производстве и изготовлении нестандартной оснастки. Более 80% деталей автомобильной, аэрокосмической и медицинской промышленности изготавливаются с использованием таких технологий для обеспечения надежности, точности и универсальности материалов. Даже при развитии аддитивных технологий большинство физических изделий — особенно высокопрочные компоненты с жесткими допусками — требуют проведения некоторых операций вычитания перед завершением производства.

Также см: Аддитивное и субтрактивное производство

Как работает субтрактивное производство: от CAD-модели до готовой детали

Преобразование цифрового проекта в физический компонент представляет собой точный многоэтапный рабочий процесс, который основывается на каждом предыдущем шаге.

Проектирование и САПР-моделирование

Процесс субтрактивного производства начинается с детальной 3D CAD-модели, в которой указываются материал, геометрия, а также критические допуски. На этом этапе проектировщик должен учитывать производственные реалии, такие как толщина стенок и доступ к инструменту, чтобы гарантировать возможность изготовления детали без дорогостоящих доработок.

Программирование CAM и генерация траектории инструмента

CAM программное обеспечение Затем такие программы, как Fusion 360 или SolidWorks CAM, используются для преобразования окончательной CAD-модели в машинные инструкции (G-код). Они генерируют оптимальные траектории движения инструмента и рассчитывают такие параметры, как скорость подачи и скорость резания. Например, обработка алюминия может допускать скорость обработки поверхности от 150 до 300 м/мин, в то время как для более твердых сталей требуются более низкие скорости (от 80 до 180 м/мин) для продления срока службы инструмента.

Настройка и крепление машины

Далее токарь закрепляет заготовку в тисках или зажимах и загружает режущие инструменты. Эта настройка имеет решающее значение для установления точной нулевой точки или базовой точки (G54) для всех операций. Также завершается выбор охлаждающей жидкости для регулирования тепловыделения и теплового расширения.

Также см: Методы фиксации заготовок при обработке на станках с ЧПУ

Резка, контроль качества и отделка

Наконец, станок выполняет G-код, удаляя материал и обнажая готовую деталь. Для проверки точности обработки станочники могут проводить контроль качества с помощью штангенциркуля. После обработки деталь проходит следующие этапы финишной обработки: анодированиеудаление заусенцев или термообработка для соответствия окончательным техническим требованиям к внешнему виду и эксплуатационным характеристикам.

At RICHCONNНаши токари управляют всем процессом настройки — от оснастки до смены инструмента — и используют передовые методы метрологии, такие как контрольно-измерительная машина с координатно-измерительной машиной (КИМ). Это помогает гарантировать, что каждая деталь соответствует техническим требованиям с самого первого запуска.

Основные методы субтрактивного производства

Современное производство основано на множестве различных процессов обработки материалов, каждый из которых специализируется на обработке определенных геометрических форм и требованиях к точности.

Обработка на станках с ЧПУ и автоматизация

Обработка на станках с ЧПУ использует предварительно запрограммированный G-код для автоматизации удаления материала с точностью до микрона. В отличие от ручных методов, системы ЧПУ обеспечивают исключительную повторяемость. Это позволяет осуществлять непрерывное производство, при котором каждая деталь соответствует CAD-модели с точностью до ±0.025 мм или лучше. Такая точность достигается за счет нескольких специализированных операций, которые мы сейчас обсудим.

Фрезерные

Фрезерование использует вращающиеся многоточечные фрезы для удаления материала с неподвижной заготовки. Эти станки, часто имеющие от 3 до 5 осей, лучше всего подходят для несимметричных призматических деталей, таких как кронштейны и корпуса. Они могут обрабатывать сложные элементы, такие как пазы, углубления и 3D-контуры, требующие одновременного перемещения осей.

Токарная и фрезерная обработка на станках с ЧПУ

Поворот Токарный станок вращает заготовку на высоких скоростях относительно неподвижного одноточечного режущего инструмента. Этот метод является стандартным для изготовления цилиндрических компонентов, таких как втулки, крепежные элементы и валы. Благодаря поддержанию постоянного контакта токарные станки обеспечивают превосходную концентричность и округлость по сравнению с фрезерованием.

Бурение, расточка и развертывание

Сверление создает первоначальные отверстия, но обеспечивает ограниченную точность (IT11–IT13) и грубую поверхность (Ra 6.3–12.5 мкм). Затем расточка расширяет эти существующие отверстия до точных диаметров с лучшей концентричностью. Развертывание является заключительной операцией чистовой обработки, которая доводит отверстие до жестких допусков (IT7–IT9) и обеспечивает гладкую поверхность (Ra 0.8–3.2 мкм).

Также см: https://richconn.com/cnc-drilling-vs-cnc-boring/

Шлифовка и чистовая обработка поверхностей

Шлифовка использует абразивные круги для удаления минимального количества материала. Это позволяет достичь точности до ±0.002 мм. Этот метод необходим для закаленных металлов, слишком твердых для обычных режущих инструментов. В результате получается сверхтонкая поверхность (Ra <0.4 мкм), что крайне важно для сопрягаемых поверхностей, требующих низкого трения и идеальной герметизации.

Передовые и нетрадиционные процессы субтрактивного производства

Помимо традиционных инструментов, для обработки сложных материалов и сложных геометрических форм используются передовые технологии.

Электроэрозионная обработка (EDM)

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) разрушает проводящие материалы, такие как закаленная инструментальная сталь (HRC 60+), с помощью контролируемых электрических искр, а не физического контакта.

Поддерживая точный зазор между электродом и заготовкой (обычно от 5 до 50 мкм), можно создавать сложные геометрические формы с острыми внутренними углами и достигать допусков до ±0.005 мм. Это обеспечивает исключительное качество поверхности, часто достигающее Ra от 0.1 до 0.8 мкм без полировки.

Лазерная резка и гравировка

Лазерная резка Использует высокоэнергетический луч (от 400 Вт до 12 кВт) для плавления и испарения материала с высокой точностью. Ценится за свою скорость, позволяет создавать тонкие, детализированные элементы с минимальными отходами. Хорошо подходит для металлов и неметаллов, особенно в листовой форме, но может оставлять небольшую зону термического воздействия.

Гидроабразивная резка

Этот метод использует струю воды под высоким давлением (до 90 000 фунтов на квадратный дюйм), часто смешанную с абразивом, например, гранатом. Его главное преимущество заключается в том, что это процесс холодной резки, поэтому он не создает зоны термического воздействия (ЗТВ). Это сохраняет структурную целостность материала, что делает его идеальным для термочувствительных сплавов, композитов, а также камня.

Гибридные системы обработки

Гибридные системы объединяют такие методы, как аддитивная 3D-печать и фрезерование на станках с ЧПУ, в одной установке. Это позволяет создавать сложные детали, близкие к окончательной форме, с помощью аддитивных технологий, а затем обрабатывать критически важные соединения с высокой точностью. Этот процесс значительно сокращает отходы материала и сроки выполнения заказов на высокотехнологичные компоненты для аэрокосмической и медицинской отраслей.

Материалы для субтрактивного производства

Технология обработки материалов без обработки требует выбора правильного материала для эффективного и результативного производства. Выбор материала влияет на стоимость, оснастку и конечное качество обработанной детали.

Металлы и сплавы

К хорошо известным металлам, обрабатываемым методом вычитания, относятся алюминий, титан, стали, нержавеющая сталь, медные сплавы и никелевые суперсплавы. Алюминий и медные сплавы обрабатываются быстро, в то время как стали, титан и суперсплавы в первую очередь отличаются жесткостью, прочностью и коррозионной стойкостью.

Инженерные пластмассы и композиты

Конструкционные пластмассы предлагают легкую альтернативу с хорошей химической стойкостью. Такие материалы, как нейлон и PEEK, обрабатываются для изготовления деталей по индивидуальному заказу, требующих высокой производительности и жестких допусков. Композиты с наполнителями, такими как стекловолокно, обеспечивают повышенную прочность, но требуют специальной оснастки.

Формы и выбор заготовок

Технология обработки материалов начинается с заготовки, называемой прутком. Это сырье может иметь различные формы, например, прутки, блоки или пластины. Правильный выбор размера и формы заготовки помогает минимизировать время обработки, сократить отходы материала и снизить общие производственные затраты.

Как свойства материалов влияют на инструменты и параметры

Твердость, химические свойства и теплопроводность каждого материала напрямую влияют на скорость резания, выбор инструмента и требования к смазке. Для более твердых материалов, таких как титан, необходимы твердосплавные инструменты и контролируемая скорость подачи, чтобы предотвратить перегрев. В отличие от них, более мягкие материалы, такие как алюминий, позволяют обрабатывать материал быстрее, но требуют острых геометрических форм для получения чистой поверхности.

Проектирование с учетом технологичности производства в субтрактивном производстве.

Проектирование с учетом технологичности производства (DFM) позволяет контролировать затраты в любом процессе обработки материалов, требующем удаления части материала.

Допуски, посадки и геометрические размеры

В технологиях обработки материалов более жесткие допуски не всегда лучше, поскольку они увеличивают затраты и время на удаление материала. Например, допуск ±0.025 мм может обойтись в четыре раза дороже стандартного из-за необходимости точной резки. Поэтому жесткие допуски следует применять только там, где это функционально необходимо.

Конструктивные особенности для фрезерования и токарной обработки

Конструкция должна учитывать возможности стандартных инструментов. Используйте большие внутренние радиусы — в идеале более одной трети глубины полости — чтобы обеспечить возможность использования более крупных и жестких фрез. Избегайте глубоких углублений; распространенным ориентиром является соотношение глубины к ширине 4:1.

Если вы поделитесь с нами проектом своей детали, RICHCONN может указать на особенности, которые могут увеличить стоимость и время обработки, и предложить небольшие, практичные корректировки, чтобы облегчить фрезерование или токарную обработку детали.

Минимизация настроек, смен инструментов и сложности в установке оснастки.

Каждая настройка станка в процессе обработки материалов методом вычитания увеличивает затраты, время и риск ошибок. Проектируйте детали таким образом, чтобы доступ ко всем элементам осуществлялся с минимального количества направлений. Это упрощает крепление заготовки во время обработки.

Советы по снижению затрат при проектировании прототипов и серийном производстве

Стандартизируйте такие параметры, как размеры отверстий, чтобы свести к минимуму смены инструмента. Проектируйте детали с размерами, соответствующими стандартным размерам заготовок из сырья. Это уменьшает объем удаляемого материала, экономит время и минимизирует отходы.

Распространённые ошибки инженеров и как их избежать

В производстве с использованием методов удаления материалов большая часть брака и переделок возникает из-за нескольких повторяющихся ошибок проектирования, которые мы сейчас обсудим.

1. Завышенные требования к допускам и качеству поверхности.

Применение жестких допусков ко всем элементам приводит к завышенным ценам. Например, ужесточение допуска со стандартных ±0.1 мм до ±0.01 мм может утроить затраты из-за необходимости проверок и снижения скорости обработки. Для обеспечения экономичности обработки следует применять жесткие допуски только к критически важным уплотнительным или сопрягаемым поверхностям.

2. Игнорирование ограничений доступа к инструменту и фиксации заготовки.

Глубокие пазы, острые внутренние углы, а также скрытые элементы ограничивают доступ инструмента. Использование длинных инструментов для обработки глубоких элементов увеличивает количество отходов и вибраций, а для подрезов требуются специальные инструменты или 5-осевые станки. Это повышает затраты. Поэтому всегда проверяйте обрабатываемость на ранних этапах с помощью моделирования в CAD/CAM-системах и проектируйте элементы, обеспечивающие стандартный доступ инструмента, чтобы сократить время на переналадку и производство.

3. Использование труднообрабатываемых марок материалов.

Выбор труднообрабатываемых материалов без явной необходимости увеличивает стоимость и время выполнения заказа. Суперсплавы и закаленные стали медленно режут и быстро изнашивают инструменты. Это увеличивает время цикла и затраты на оснастку. Во многих случаях более мягкий и распространенный сплав может выполнить работу с меньшими затратами.

At RICHCONN Мы можем помочь вам оценить варианты материалов и предложить альтернативы, которые по-прежнему будут соответствовать вашим требованиям, но при этом будут обрабатываться более эффективно.

4. Непредоставление четких геометрических допусков и размеров, чертежей или производственных примечаний.

Нечеткие чертежи без ясных базовых точек вынуждают токарей гадать о выравнивании. Это часто приводит к браку партий продукции. Внедрите... Определение геометрических размеров и допусков (GD&T) Четко определить взаимосвязи между опорными плоскостями и критически важными элементами. Кроме того, четкая документация исключает ошибки интерпретации и сокращает дорогостоящий обмен информацией.

5. Контроль за постобработкой, финишной обработкой и вторичными операциями.

Инженеры часто забывают, что обработка поверхности, такая как анодирование, увеличивает физическую толщину детали. Это накопление может привести к тому, что прецизионные элементы после финишной обработки окажутся меньше требуемых размеров. Для компенсации всегда вычитайте ожидаемую толщину покрытия из исходных размеров детали, предназначенной для механической обработки.

Преимущества и ограничения субтрактивного производства

Субтрактивные методы обеспечивают непревзойденную точность, но сталкиваются с теми же геометрическими ограничениями, что и аддитивные методы.

Сильные стороны

• Обработка на станках с ЧПУ обычно обеспечивает допуски ±0.025 мм или лучше, что превосходит типичные показатели. 3D печать.
• Он обеспечивает исключительно высокое качество обработки поверхности с шероховатостью Ra от 1.6 до 3.2 мкм и до 0.4 мкм с тонкой шлифовкой.
• Обработанные механическим способом компоненты сохраняют изотропную прочность и обладают равномерными свойствами во всех направлениях.

Ограничения

Методы вычитания с трудом справляются со сложными внутренними или органическими формами. Режущие инструменты с трудом достигают внутренних каналов, глубоких полостей или других замкнутых объемов. Необычные конструкции также затрудняют оснастку. В этих случаях аддитивное производство или 3D-печать чаще всего оказываются более эффективными.

Сроки выполнения, масштабируемость и стоимость.

Хотя затраты на настройку оборудования при производстве с использованием станков с ЧПУ высоки из-за программирования и оснастки, себестоимость единицы продукции снижается с увеличением объема производства. При объемах более 100 единиц обработка на станках с ЧПУ обычно оказывается экономичнее, чем... Аддитивные производстваОднако высокие потери материала при изготовлении сложных деталей могут снизить экономическую эффективность.

Субтрактивное производство против аддитивного производства и формования

Краткая справочная таблица

Характеристика	Субтрактивный (ЧПУ)	Аддитивные технологии (3D-печать)	Формование (литье под давлением/ковка)
Принцип процесса	Удаление материала	Послойное строительство	Формирование силой/лепка
Материальные отходы	Высокий	Низкий	Минимальные
Стоимость инструмента	Умеренный уровень сложности (резаки/приспособления)	Низкий (инструменты не требуются)	Высокое качество (формы/штампы)
Геометрическая гибкость	Ограничен доступом к инструменту	Практически неограниченный	Зависимость от плесени
Объём	От низкого до среднего	Низкий уровень (прототипирование)	Высокое (массовое производство)
Чистота поверхности	Верхний	Черновой рисунок (линии слоев)	Хороший (гладкий)

Основные выводы

• Выбирайте технологии обработки материалов для получения прецизионных деталей, обладающих исключительной прочностью и гладкой поверхностью.
• Используйте аддитивные технологии для создания сложных внутренних геометрических форм или быстрого прототипирования.
• Выберите процессы формовки для производства простых металлических деталей в очень больших количествах.

Промышленное применение технологии субтрактивного производства

Технология обработки материалов без использования сторонних ресурсов остается основным методом производства высокоэффективных компонентов в критически важных отраслях благодаря своей точности и универсальности материалов.

Автомобильные, аэрокосмические и оборонные компоненты

Эти отрасли промышленности нуждаются в критически важных с точки зрения безопасности деталях, способных выдерживать экстремальные нагрузки и температуры. С помощью методов обработки материалов, таких как титан и инконель, высокопрочные материалы, например, блоки цилиндров двигателей, лопатки турбин, а также планеры, обрабатываются с допусками до ±0.005 мм. Надежность обработки на станках с ЧПУ гарантирует соответствие этих деталей строгим стандартам ISO. Стандарты AS9100.

Медицинские приборы и имплантаты

Производители используют станки с ЧПУ для изготовления биосовместимых имплантатов из титана Ti-6Al-4V и PEEK. Этот процесс создает гладкие, непористые поверхности, необходимые для костных винтов, тазобедренных суставов и хирургических инструментов. В конечном итоге это предотвращает рост бактерий и обеспечивает остеоинтеграцию.

Инструменты, пресс-формы и приспособления для производственных линий

Технология обработки материалов без использования специальных инструментов незаменима для создания долговечной оснастки, необходимой для массового производства. Закаленные инструментальные стали (более 50 HRC) обрабатываются в сложных литьевых формах и штампах с помощью фрезерования на станках с ЧПУ и электроэрозионной обработки для достижения зеркальной поверхности.

Энергетический сектор

Для оборудования, используемого в энергетике, включая газовые и ветровые турбины, необходимы массивные и долговечные компоненты. Станки с ЧПУ для расточки и токарной обработки позволяют изготавливать крупногабаритные валы и корпуса редукторов, способные выдерживать непрерывную работу в суровых условиях.

Детали, изготовленные механическим способом общего назначения

Помимо специализированных областей, технология обработки материалов используется для создания бесчисленного множества универсальных компонентов. Такие изделия, как кронштейны, шестерни нестандартной конструкции, корпуса, шкивы и валы, регулярно обрабатываются для использования во всех типах машин и потребительских товаров.

Сложные обработанные детали

Современные многоосевые станки с ЧПУ также позволяют создавать очень сложные геометрические формы. Эти процессы обработки материалов позволяют изготавливать детали со сложными трехмерными контурами и поверхностями, такие как рабочие колеса, медицинские протезы, а также сложные оптические компоненты.

Воспользуйтесь услугами экспертов в области субтрактивного производства.

Для проектов с высокими ставками крайне важно найти партнера, обладающего сертификатом ISO, подтверждающим точность изготовления. Технология субтрактивного производства требует строгого контроля качества, чтобы гарантировать соответствие деталей жестким техническим требованиям. Компании, сертифицированные по стандарту ISO 9001, такие как [название компании], могут помочь. Richconn Они могут обеспечить эту надежность. Они могут предложить экспертную помощь. Услуги фрезерной и токарной обработки с ЧПУ с допусками до ±0.005 мм.

Подводить итоги

Технология обработки материалов без обработки остается золотым стандартом для достижения жестких допусков и превосходной чистоты поверхности. От аэрокосмических сплавов до конструкционных пластмасс эти процессы обеспечивают непревзойденную структурную целостность критически важных компонентов.

Если вам нужны какие-либо услуги по точной обработке на станках с ЧПУ, то Richconn это ваш лучший вариант. Вы можете Свяжитесь с нами в любой момент.

Смежные вопросы