CNC-Bearbeitung ist sehr flexibel. Allerdings hat jedes Teil physikalische Größenbeschränkungen. Diese werden durch den Arbeitsbereich, den Achsenverfahrweg und die maximal zulässige Größe von Werkzeugen und Merkmalen bestimmt.
Wer diese Grenzen frühzeitig erkennt, kann bessere Bauteile konstruieren. Die Bauteile passen auf die verfügbaren Maschinen und halten die erforderlichen Toleranzen ein. Dadurch werden kostspielige Nacharbeiten oder Neukonstruktionen vermieden. Dieser Artikel behandelt Größenbeschränkungen für Ingenieure. Er betrachtet Bauteilabmessungen, Prozessgrenzen und minimale Merkmalsgrößen. Außerdem wird erklärt, welche Änderungen im Design erforderlich sind, wenn man sich diesen Grenzen nähert.
Wie die Teilegröße die Ergebnisse der CNC-Bearbeitung beeinflusst
Die Größe des Bauteils beeinflusst welche Maschinen Sie können es verwenden. Es beeinflusst auch, wie fest Sie das Werkstück einspannen können. Dadurch wird es schwieriger, Toleranzen einzuhalten. Ein kleines Teil, das gut in den Arbeitsbereich passt, lässt sich leicht einspannen. Es ist einfach zu erreichen und in ein oder zwei Aufspannungen fertigzustellen.
Mit zunehmender Länge, Breite oder Höhe eines Bauteils wird die Spannvorrichtung schwieriger. Oft sind zusätzliche Aufspannungen erforderlich. Dies erhöht die Abweichungen und die Kosten. Sehr kleine Bauteile stellen ein anderes Problem dar. Hier betritt man die Welt der Mikrobearbeitung. Winzige Werkzeuge und geringe Steifigkeit erschweren den Prozess erheblich.
Allgemeine Größenbeschränkungen
Um die tatsächliche Dimensionsfähigkeit einer CNC-Maschine zu verstehen, müssen Sie hauptsächlich drei Einschränkungen betrachten: den Arbeitsbereich, den Verfahrweg der X-, Y- und Z-Achse und die effektive Werkzeugreichweite.
CNC-Arbeitsbereich und Maschinenstellfläche
Der CNC-Arbeitsbereich ist der dreidimensionale Raum, den eine Maschine bearbeiten kann. Er legt die maximale Werkstückgröße für eine Aufspannung fest. Bei einer Fräsmaschine entspricht dies dem Verfahrweg in X-, Y- und Z-Richtung. Bei einer Drehmaschine entspricht er dem Drehdurchmesser und dem Abstand zwischen den Spitzen.
Sie benötigen außerdem Platz für Vorrichtungen, Klemmen und sichere Werkzeugbewegungen. Ein Werkstück mag zwar von seinen Abmessungen her passen, ist aber in der Praxis dennoch zu groß, wenn kein Platz für Vorrichtungen oder Werkzeugwege vorhanden ist.
Achsenverfahrwege (X/Y/Z) und maximale Bauteilabmessungen
Der Achsverfahrweg ist die lineare Bewegung jeder Achse. Er definiert numerisch den Arbeitsbereich. Der Verfahrweg in X- und Y-Richtung begrenzt die maximale Länge und Breite des Werkstücks. Der Verfahrweg in Z-Richtung begrenzt dessen nutzbare Höhe, nachdem die Dicke der Vorrichtung und die Werkzeuglänge berücksichtigt wurden.
Ist ein Werkstück größer als der Verfahrweg einer Achse, haben Sie zwei Möglichkeiten: Sie können das Werkstück in kleinere Teile aufteilen oder es in mehreren Aufspannungen bearbeiten. Jede zusätzliche Aufspannung erhöht das Ausrichtungsrisiko und erschwert die Einhaltung enger Toleranzen, wie z. B. ±0,01 mm bei langen Elementen.
Werkzeugreichweite, Werkzeughalterfreiraum und Z-Richtungsgrenzen
Die Werkzeugreichweite beschreibt, wie tief ein Fräser vordringen kann, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen oder Kollisionen zu verursachen. Selbst bei großen Verfahrwegen in der Z-Achse wird die effektive Tiefe oft durch das Werkzeug begrenzt. Werkzeuglänge, Haltergröße und die Geometrie der Umgebung sind die wichtigsten Einflussfaktoren.
Eine gängige Regel besagt, dass die Frästiefe das Drei- bis Vierfache des Fräserdurchmessers nicht überschreiten sollte. Dies gewährleistet einen stabilen Schnitt. Längere Werkzeuge sind zwar möglich, erhöhen aber das Rattern, die Durchbiegung und die Kosten. Sie sollten daher nur im Notfall eingesetzt werden.
Prozessspezifische Größenbeschränkungen: Fräsen, Drehen und Bohren
Bei gleicher Teilegeometrie weisen Fräsen, Drehen und Bohren sehr unterschiedliche Bearbeitungsgrößenbereiche und -grenzen auf. Daher ist es wichtig, die typischen Kapazitätsgrenzen jedes CNC-Verfahrens separat zu verstehen.
CNC-Fräsen
In Mahlen, Die Tischgröße und der Achsverfahrweg begrenzen den Werkstückumfang. Dies ist das größte Werkstück, das Sie in einer Aufspannung bearbeiten können. Werkstück und Spannvorrichtung müssen auf den Tisch passen und das zulässige Maschinengewicht nicht überschreiten.
Tiefe Aussparungen und hohe Wände werden oft durch die Reichweite und Steifigkeit des Werkzeugs begrenzt, nicht durch die Maschine selbst. Breite, flache Teile sind leichter zu handhaben. Schmale, tiefe Gehäuse können Stabilitäts- und Oberflächenqualitätsprobleme verursachen, wenn die Konstruktion nicht angepasst wird.
CNC-Drehen
Für Drehen, Der Abstand zwischen den Spitzen bestimmt die maximale Wellenlänge. Die Welle muss zwischen Spindel und Reitstock abgestützt werden. Ist das Werkstück länger, benötigen Sie eine größere Maschine oder eine Konstruktionsänderung. Planen Sie Ihr Projekt mit einem Online-Angebot für CNC-Drehen Mit diesem Tool können Sie schnell die Machbarkeit und die Kosten der Bearbeitung Ihres Teils innerhalb dieser Rahmenbedingungen bewerten.
Der Schwenkbereich über dem Bett und der Schwenkbereich über dem Querschlitten definieren den maximalen Durchmesser. Dies ist der größte Durchmesser, der sich drehen kann und dennoch vom Werkzeug erreicht werden kann. Der nutzbare Durchmesser ist etwas kleiner als diese Werte, um ausreichend Freiraum zu gewährleisten. Große Flansche oder Scheiben können, selbst wenn sie kurz sind, aufgrund ihres Durchmessers begrenzt sein.
CNC-Bohren
Beim Bohren begrenzt der Arbeitsbereich die Gesamtgröße des Werkstücks. Bohrlänge und -steifigkeit begrenzen die Bohrtiefe. Ein sicherer Grenzwert liegt bei etwa dem Zehnfachen des Bohrdurchmessers. Darüber hinaus werden Spanabfuhr und Durchbiegung zu erheblichen Problemen.
Der minimale Bohrungsdurchmesser hängt vom kleinsten zuverlässigen Bohrer ab. Bei Bohrungen im Mikrobohrbereich spielen weitere Faktoren eine entscheidende Rolle. Dazu gehören Spindelrundlauf, Kühlmittelzufuhr und Materialkonsistenz. Auch die Zykluszeiten verlängern sich deutlich.
Minimale Bauteilgröße, Wandstärke und Hohlraumtiefe
Gängige Konstruktionsfragen wie “Ist das zu klein, zu dünn oder zu tief?” lassen sich im Wesentlichen darauf reduzieren, ob die minimale Merkmalsgröße, die minimale Wandstärke und die Hohlraumtiefe innerhalb eines stabilen technischen Bereichs liegen.
Minimale Merkmalsgröße und Überlegungen zur Mikrobearbeitung
Die minimale Merkmalsgröße wird durch den Werkzeugdurchmesser, die Maschinenpräzision und die Stabilität der Vorrichtung bestimmt. Sehr schmale Nuten, dünne Rippen oder winzige Stufen erfordern kleine Fräser. Diese Fräser sind weniger steif und empfindlicher gegenüber Werkzeugrundlaufungenauigkeiten.
Wenn die Größe eines Merkmals sich dem Werkzeugdurchmesser annähert, spricht man von Mikrobearbeitung. In diesem Bereich können bereits kleine Änderungen in der Aufspannung oder im Material große Fehler verursachen. Es empfiehlt sich, die Merkmalsgrößen deutlich über dem theoretischen Minimum zu halten, es sei denn, die Funktion des Bauteils erfordert dies.
Dünne Wände
Dünne Wände stoßen an ihre Grenzen, da sie sich unter Schnittkräften nur geringfügig verbiegen. Verbiegt sich eine Wand während der Bearbeitung, springt sie anschließend in ihre ursprüngliche Form zurück. Dies führt zu Maßabweichungen, selbst bei einem optimalen Werkzeugweg.
Die praktische Mindestwandstärke hängt von der Materialsteifigkeit und der Wandhöhe ab. Kurze Aluminiumwände können dünner sein als hohe Stahlwände. Jede Wand mit einem hohen Seitenverhältnis birgt jedoch Risiken. Durch das Anbringen von Rippen, die Reduzierung der freitragenden Höhe oder die Verstärkung kritischer Bereiche lassen sich die Sicherheitsgrenzen einhalten.
Tiefe Hohlräume und Löcher
Die Tiefenbegrenzung ergibt sich aus dem Verhältnis von Bearbeitungstiefe zu Werkzeugdurchmesser. Eine sehr tiefe, schmale Kavität wirkt wie ein langes Rohr. Sie verstärkt jede Vibration und erschwert die Spanabfuhr.
Beim Fräsen erfordert das Bohren tieferer Bohrungen als einige Werkzeugdurchmesser spezielle Verfahren. Dazu gehören beispielsweise Absetzgänge oder die Verwendung langer Werkzeuge ausschließlich für die Schlichtbearbeitung. Beim Bohren sind für sehr tiefe Bohrungen oft Tiefbohrzyklen oder die Verwendung von Kühlmittel durch das Werkzeug notwendig. Gegebenenfalls muss auch die Konstruktion angepasst werden, um größere Durchmesser oder geringere Bohrtiefen zu ermöglichen.
Konstruktionsrichtlinien innerhalb der CNC-Größenbeschränkungen
Es besteht eine deutliche Diskrepanz zwischen dem, was theoretisch auf dem Papier bearbeitbar ist, und dem, was in der Fertigung robust und wirtschaftlich ist. Um diese Diskrepanz zu schließen, sind gezielte Designoptimierungen bei der Teileaufteilung, der Ausrichtung der Vorrichtungen sowie der Festlegung von Toleranzen und Strukturdetails erforderlich.
Teilen von übergroßen Teilen und Planen von Verbindungen
Ist ein Werkstück zu groß für die verfügbaren Maschinen, ist es oft am besten, es zu teilen. Jedes kleinere Teil kann dann so gefertigt werden, dass es in eine Standardmaschine und -vorrichtung passt.
Platzieren Sie Verbindungen dort, wo die Toleranzen leichter einzuhalten sind. Nutzen Sie Montagehilfen wie Positionierstifte oder -schultern. Dadurch verringern Sie das Risiko von Fehlern durch Kompensation und bleiben innerhalb realistischer Maßgrenzen.
Ausrichtung von Bauteilen und Nutzung der Mehrachsenbearbeitung zur Verbesserung des Zugangs
Eine geschickte Teileausrichtung kann schwierige Arbeiten deutlich erleichtern. Durch Drehen des Modells in der Vorrichtung lassen sich dessen X- oder Y-Abmessungen verringern. Außerdem werden dadurch Details freigelegt, die mit kürzeren Werkzeugen erreichbar sind.
4- und 5-Achs-Maschinen verbessern dies durch zusätzliche Drehachsen. Sie ermöglichen die Bearbeitung mehrerer Flächen ohne erneutes Einspannen des Werkstücks. Dies verbessert den Zugang innerhalb desselben Arbeitsbereichs und reduziert die Anzahl der Aufspannungen.
Toleranzen und Merkmale an die Maschinenleistung anpassen
Größe und Toleranz hängen zusammen. Bei einem kleinen Merkmal nahe einer Vorrichtung lässt sich eine Genauigkeit von ±0,01 mm leichter einhalten. Bei einem langen Merkmal, das den größten Teil des Achsenverfahrwegs einnimmt, ist dies deutlich schwieriger. Hier summieren sich Faktoren wie Geradheit, Wärmeausdehnung und Werkzeugdurchbiegung.
Bei der Konstruktion sollten enge Toleranzen nur dort eingesetzt werden, wo sie wirklich notwendig sind. Für alle anderen Bereiche sind allgemeine Toleranzen, wie beispielsweise nach ISO 2768, zu verwenden. Durch die Vereinfachung kleiner Details und die Lockerung der Toleranzen bei größeren Spannweiten lässt sich ein stabiler und kosteneffizienter Konstruktionsprozess wiederherstellen.
Kurz-Checkliste für Größenbeschränkungen:
- Passen das Werkstück und die Vorrichtung innerhalb des Arbeitsbereichs und der Gewichtsgrenze der Maschine?
- Liegen die tiefen Taschen und Löcher in einem sinnvollen Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser?
- Sind minimale Merkmalsgrößen mit Standardwerkzeugdurchmessern kompatibel?
- Sind dünne Wände für das Material und die Wandhöhe ausreichend steif?
Wie Größenbeschränkungen Kosten und Maschinenauswahl beeinflussen
Die Bauteilgröße und der Merkmalsmaßstab entscheiden nicht nur darüber, ob ein Teil auf einer bestimmten CNC-Maschine bearbeitet werden kann, sondern beeinflussen auch die Maschinenklassenwahl, die Komplexität der Vorrichtungen und die Stückkosten. Daher müssen sie frühzeitig in der Prozessplanung und Angebotserstellung bewertet werden.
Zuordnung des Teileumschlags zur Maschinenklasse (Klein/Mittel/Groß)
Die Teilegröße entscheidet oft darüber, ob eine kleine, mittlere oder große CNC-Maschine benötigt wird. Kleinere Maschinen haben in der Regel niedrigere Stundensätze und sind auch günstiger in der Anschaffung. Kleine Teile reduzieren häufig die Kosten.
Wenn eine Konstruktion sehr große Portalfräsmaschinen oder Hochleistungsdrehmaschinen erfordert, müssen Sie mit höheren Kosten rechnen. Dies gilt auch dann, wenn Sie die zusätzliche Kapazität nicht voll ausnutzen. Diese Maschinen haben komplexere Spannvorrichtungsanforderungen.
Auswirkungen von übergroßen Teilen auf Rüstvorgänge, Vorrichtungen und Umpositionierungen
Teile, die sich nahe an den Grenzen des Achsenverfahrwegs oder der Tischgröße befinden, benötigen spezielle Vorrichtungen. Sie erfordern zudem mehrere Spannpositionen. Jede zusätzliche Einrichtung kostet Zeit und erhöht das Risiko kleiner Fehlausrichtungen.
Schwere Werkstücke erfordern zudem eine sorgfältige Kontrolle der Tischbelastung und Gewichtsverteilung. Wird die Tragfähigkeit der Maschine nicht beachtet, kann dies die Genauigkeit beeinträchtigen und die Lebensdauer der Maschine verkürzen, selbst wenn das Werkstück technisch passt.
Abwägung zwischen engen Toleranzen, Größe und Bearbeitungszeit
Große Teile mit enge Toleranzen Diese Teile sind am schwierigsten zu bearbeiten. Das Einhalten enger Toleranzen über lange Strecken erfordert langsamere Vorschübe und geringere Schnittgeschwindigkeiten. Die Zerspanungsmechaniker benötigen möglicherweise mehr Werkzeugwege und führen häufigere Kontrollen durch. All dies verlängert die Zykluszeit.
Wenn möglich, können größere Toleranzen bei größeren Bauteilen die Bearbeitungszeit und den Ausschuss erheblich reduzieren. Besprechen Sie diese Abwägungen frühzeitig mit Ihrem Fertigungspartner. Das ist der schnellste Weg, Funktion und Kosten in Einklang zu bringen.
Abschluss
Die Größenbeschränkungen in der CNC-Bearbeitung umfassen mehr als nur die Tischabmessungen. Sie setzen sich aus dem Arbeitsbereich, dem Verfahrweg, der Werkzeugreichweite und der minimalen Merkmalsgröße zusammen. Auch die Wandstärke und realistische Toleranzgrenzen spielen eine Rolle. Die Berücksichtigung dieser Beschränkungen bei der Konstruktion macht die Bearbeitung berechenbarer und kostengünstiger. Zudem reduziert sie das Risiko von Nachbesserungen in späten Entwicklungsphasen erheblich.
Bei Yonglihao Machinery, Wir prüfen jedes Projekt sorgfältig. Wir gleichen die Geometrie des Bauteils mit den tatsächlichen Möglichkeiten unserer Maschinen ab. Wir prüfen den Arbeitsbereich, den Spitzenabstand, den Drehdurchmesser über dem Maschinenbett, die Werkzeugreichweite und die Spannmöglichkeiten. Dies geschieht, bevor wir uns für einen Bearbeitungsprozess und eine Vorrichtung entscheiden. Dieser Ansatz hilft uns, die praktischen Größenbeschränkungen einzuhalten. Er ermöglicht uns außerdem, gleichbleibende Qualität und kurze Lieferzeiten zu gewährleisten. Wenn Sie prüfen möchten, ob ein Bauteil für die CNC-Bearbeitung geeignet ist, besprechen Sie diese Größenbeschränkungen frühzeitig mit Ihrem Bearbeitungspartner. Dies ist der schnellste Weg, Nacharbeiten zu vermeiden, Kosten zu kontrollieren und die Herstellbarkeit des Designs sicherzustellen.
Häufig gestellte Fragen
Wie groß kann ein CNC-gefrästes Bauteil realistischerweise sein?
Ein Bauteil kann so groß sein, wie es der Arbeitsbereich und die Tragfähigkeit zulassen, inklusive zusätzlichem Platz für Vorrichtungen und Werkzeugzugang. Wenn ein Bauteil den Verfahrweg oder die Tragfähigkeit fast vollständig ausnutzt, wird die Verwaltung von Rüstvorgängen und Kosten sehr schwierig. Die Aufteilung großer Konstruktionen in kleinere Teile ist oft zuverlässiger als die Fertigung eines einzigen großen Teils.
Wie klein dürfen Strukturen sein, bevor eine Mikrobearbeitung erforderlich wird?
Merkmale fallen in den Bereich der Mikrobearbeitung, wenn ihre Größe nahe am kleinsten Werkzeug liegt, das Ihr Lieferant verwenden kann. Ab diesem Punkt bestimmen Werkzeugbruch und Materialprobleme den Prozess. Konstruieren Sie nach Möglichkeit schmale Schlitze und kleine Bohrungen, die zu Standardwerkzeugdurchmessern passen, anstatt zum absoluten Minimum.
Was ist eine praktikable Mindestwandstärke für die CNC-Bearbeitung?
Eine praktikable Mindestwandstärke ist jene, die Schnittkräften standhält, ohne sich zu stark zu verbiegen. Sie hängt vom Material und der Wandhöhe ab. Kurze Aluminiumwände können dünner sein als hohe Stahlwände, jedoch birgt jede Wand mit einem hohen Aspektverhältnis Risiken. Sind sehr dünne Wände erforderlich, empfiehlt sich das Anbringen von Verstärkungsrippen oder eine Überarbeitung des Bauteils, um die Wand während der Bearbeitung abzustützen.
Wie tief können Löcher und Hohlräume präzise bearbeitet werden?
Bohrungen und Hohlräume werden üblicherweise durch das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser begrenzt, nicht nur durch die Z-Verfahrstrecke. Beim Bohren liegt die gängige Obergrenze bei Tiefen von etwa dem Zehnfachen des Bohrungsdurchmessers. Beim Fräsen ist die stabile Taschentiefe in der Regel deutlich geringer. Für tiefere Strukturen können Spezialwerkzeuge, Einzelpulsfräszyklen oder Konstruktionsänderungen erforderlich sein, um den Durchmesser zu vergrößern oder die Tiefe zu verringern.
Wie verändern 3-, 4- und 5-Achs-Maschinen die Größenbeschränkungen?
Mehrachsige Maschinen verändern den physischen Arbeitsbereich nicht, nutzen ihn aber durch verbesserte Zugänglichkeit effizienter. Eine 4- oder 5-Achs-Maschine kann das Werkstück drehen und neigen. Dadurch können kürzere, steifere Werkzeuge mehrere Flächen und komplexe Formen erreichen. Dies reduziert Rüstzeiten, erhöht die Genauigkeit und erweitert die Möglichkeiten innerhalb derselben Maschinengröße.
