Ao projetar peças usinadas em CNC, como podemos reduzir os custos de usinagem por meio da otimização estrutural?

Ao projetar peças usinadas por CNC, a redução dos custos de usinagem por meio da otimização estrutural é fundamental para equilibrar os requisitos funcionais e a acessibilidade de fabricação. As seguintes estratégias específicas de otimização são fornecidas a partir de múltiplas dimensões:

1. Otimização da Seleção de Materiais
   • Priorize Materiais de Fácil Usinagem: Materiais com boa usinabilidade, como ligas de alumínio e aço de baixo carbono, podem reduzir o desgaste da ferramenta e o tempo de usinagem. Por exemplo, a substituição do aço inoxidável por liga de alumínio 6061 pode reduzir os custos de usinagem em mais de 30% (se a resistência permitir).
   • Minimize o Uso de Metais Preciosos: Use projetos de reforço local (como usar liga de titânio apenas em áreas solicitadas) em vez de estruturas gerais de metais preciosos.
   • Combine a Forma do Material: Escolha peças em bruto que estejam próximas da forma final da peça (como barras ou placas) para reduzir as tolerâncias de usinagem. Por exemplo, o uso de uma peça em bruto retangular para usinar uma peça quadrada pode evitar desperdícios excessivos de uma peça em bruto redonda.
2. Controle da Complexidade Geométrica
   • Evite Cavidades Profundas e Ranhuras Estreitas:
     • Cavidades profundas (profundidade > 5 vezes o diâmetro da ferramenta) exigem usinagem em várias camadas e são propensas à vibração e quebra da ferramenta. Considere o uso de combinações de cavidades rasas ou estruturas divididas.
     • Ranhuras estreitas exigem ferramentas de diâmetro pequeno, que têm baixa eficiência de usinagem. Recomenda-se que as larguras das ranhuras sejam ≥ 1,2 vezes o diâmetro da ferramenta.
   • Simplifique Paredes Finas e Ângulos Agudos:
     • Paredes finas (espessura < 3 mm) são propensas à deformação e exigem parâmetros de corte reduzidos ou suporte adicional. A otimização pode ser alcançada por meio de espessamento local ou adição de nervuras de reforço.Ângulos agudos (ângulos internos < R1mm) exigem várias passagens com fresas de topo esférico. A mudança para filetes com um raio de R2mm ou maior pode reduzir o tempo de usinagem.
     • Reduza a Dependência Multi-Eixos: Evite superfícies curvas ou furos inclinados desnecessários; em vez disso, use estruturas escalonadas ou ângulos padrão (como 45°, 90°) para concluir a usinagem com uma máquina de três eixos.Racionalização de Tolerâncias e Rugosidade da Superfície
   • Relaxe as Tolerâncias Não Críticas: Relaxar as tolerâncias em superfícies não acopladas de ±0,05 mm para ±0,1 mm pode reduzir o número de etapas de acabamento. Por exemplo, a tolerância posicional dos furos de montagem pode ser moderadamente relaxada, enquanto apenas as posições críticas de apoio mantêm alta precisão.
3. Menor Rugosidade da Superfície em Superfícies Não Funcionais: Reduzir a rugosidade da superfície de superfícies não estéticas de Ra1.6 para Ra3.2 pode reduzir o tempo de acabamento. Por exemplo, as superfícies estruturais internas não precisam ser polidas.
   • Especifique Tolerâncias Econômicas: Consulte os padrões de precisão média na ISO 2768 para evitar especificações excessivas.
   • Padronização e Design Modular
   • Unifique as Dimensões dos Recursos: Use tamanhos de broca padrão (como furos roscados M6, M8) em vez de furos não padronizados para reduzir a frequência de troca de ferramentas.
4. Decomposição Modular: Divida peças complexas em vários subcomponentes mais simples, que podem ser usinados separadamente e, em seguida, montados por meio de parafusos ou soldagem. Por exemplo, uma concha com uma cavidade profunda pode ser dividida em um "corpo principal + placa de cobertura".
   • Design de Interface Universal: Empregue flanges padrão, chavetas ou estruturas de encaixe para reduzir a necessidade de ferramentas personalizadas.
   • Otimização de Usinagem Assistida por Software
   • Reconhecimento Automático de Recursos CAM: Utilize software para identificar automaticamente recursos como furos e ranhuras para reduzir o tempo de programação. Por exemplo, a função de reconhecimento de recursos no Fusion 360 pode reduzir o tempo de programação em 30%.
5. Otimização do Caminho da Ferramenta: Implemente estratégias de usinagem de alta velocidade (HSM), como entrada helicoidal da ferramenta e corte contínuo, para reduzir o tempo de não corte. Por exemplo, caminhos otimizados podem reduzir o tempo de usinagem em 15%.
   • Verificação de Simulação: Use usinagem virtual para verificar interferências e cortes excessivos, evitando sucata de corte de teste.
   • Equilibrando Leveza e Resistência
   • Otimização Topológica e Escavação: Use análise de elementos finitos (FEA) para determinar os caminhos de carga e reter apenas os materiais necessários (como estruturas ósseas biomiméticas).
6. Tratamento Térmico Localizado para Fortalecimento: Aplique endurecimento a laser em áreas de alta tensão (como raízes de engrenagens) em vez de tratamento térmico geral.
   • Combinação de Processos Híbridos: Após a usinagem CNC da estrutura principal, adicione grades leves por meio de fabricação aditiva (impressão 3D) para equilibrar a redução de peso e a resistência.
   • Sugestões de Etapas de Implementação
   • Análise DFM (Design for Manufacturing): Comunique-se com a fábrica de usinagem no estágio inicial do projeto para identificar recursos de alto custo.

• Verificação de Protótipo: Teste a funcionalidade com protótipos CNC impressos em 3D ou simples para evitar retrabalho após a produção em massa.
• Ao implementar as estratégias acima, os custos de usinagem CNC podem ser reduzidos em 20%-50%, garantindo a funcionalidade, particularmente adequado para necessidades de redução de custos em produção em massa ou peças de alta complexidade.