Как подготовить 3D-модель для фрезеровки на ЧПУ

Как фреза видит вашу деталь

Модель в CAD можно построить какой угодно. Станок же снимает материал вращающимся круглым инструментом, который подходит к заготовке с одной стороны, чаще всего сверху. Из этого вытекают все ограничения:

• Фреза круглая. Во внутреннем вертикальном углу кармана всегда остаётся радиус, равный радиусу фрезы.
• Фреза имеет конечную длину. Чем глубже карман, тем длиннее нужен инструмент, а длинная тонкая фреза гнётся и вибрирует.
• Фреза подходит с одной стороны. Всё, что не видно сверху, требует переустановки детали, поворотной оси или специального инструмента.
• Заготовку надо закрепить. Деталь держат в тисках или на столе, и зажать её нужно так, чтобы фреза не задела прижимы.

Чем больше ваша модель учитывает эти ограничения, тем меньше операций, переустановок и специального инструмента понадобится. А это прямо определяет цену.

Сводные правила технологичности

Ориентиры ниже взяты из руководства по проектированию деталей для фрезеровки сервиса Protolabs Network (бывший Hubs). У конкретного цеха цифры могут отличаться, но порядок величин везде одинаковый.

Внутренние углы и радиусы

Самая частая ошибка — карман с острыми внутренними углами. Фреза диаметром 10 мм оставит в углу радиус 5 мм, и если сопрягаемая деталь прямоугольная, она в карман не войдёт.

Что делать:

• Скругляйте вертикальные углы кармана радиусом чуть больше радиуса фрезы. Если радиус точно равен радиусу инструмента, фреза в углу работает всей окружностью, нагрузка резко растёт, появляются вибрация и следы на стенке. Радиус на 10–30 % больше радиуса фрезы позволяет ей пройти угол по дуге.
• Учитывайте глубину. Для глубокого кармана нужна толстая фреза, иначе она будет гнуться, а толстая фреза — это большой радиус. Отсюда правило радиуса не меньше трети глубины.
• Если угол нужен прямой, сделайте поднутрение в углу: круглую выемку, которая позволит прямоугольной детали войти до дна. Это выглядит странно, но обходится дешевле электроэрозии.
• Дно кармана можно оставить острым или задать радиус под концевую фрезу со скруглением. Не придумывайте произвольный радиус в 0,7 мм: под него придётся искать инструмент.

Глубина карманов и толщина стенок

Чем глубже карман относительно ширины, тем длиннее нужна фреза. Длинная фреза малого диаметра отжимается от стенки, вибрирует, и стенка выходит с конусностью и волнистостью. Если карман нужен глубокий, сделайте его шире или разбейте деталь на две части.

Тонкие стенки страдают от того же. Металлическая стенка 0,5 мм под фрезой начинает пружинить, а пластик ещё и греется, мягчеет и коробится. Чем выше и тоньше ребро, тем хуже: держитесь соотношения высоты к толщине меньше четырёх.

Отверстия и резьбы

Отверстия стандартных диаметров сверлят обычным сверлом, и это быстро и дёшево. Глухое отверстие после сверла имеет коническое дно с углом при вершине около 118°: если дно должно быть плоским, укажите это, и цех будет обрабатывать его концевой фрезой. Нестандартный диаметр тоже делают фрезой, как карман.

Резьбу в модели не рисуйте витками. Моделируйте отверстие диаметром под метчик и помечайте резьбу в CAD как условную (косметическую): так её видит CAM и правильно покажет чертёж. Диаметры отверстий под метрическую резьбу:

Значения для других резьб и шагов есть в калькуляторе отверстия под резьбу, а размеры самих резьб — в справочнике по метрической резьбе. Резьбу длиннее трёх диаметров не делайте: последующие витки почти не несут нагрузки, а метчик в глубоком отверстии ломается чаще.

Сколько сторон обрабатывать

Каждая переустановка детали — это время наладки и потеря точности между сторонами. Посмотрите на модель и посчитайте, со скольких сторон до неё должна дойти фреза:

• Одна сторона: пластина с карманами и отверстиями, всё видно сверху. Самый дешёвый вариант.
• Две стороны: деталь переворачивают. Нужна базовая поверхность, по которой её выставят точно.
• Наклонные отверстия и грани: нужна поворотная ось или специальное приспособление, и стоимость растёт.
• Сложные поверхности со всех сторон: пятиосевая обработка.

При двусторонней обработке заготовку базируют по двум технологическим отверстиям или штифтам, одинаковым для обеих сторон, и вносят в программу те же координаты базы. Расхождение лица и оборота около 0,1 мм обычно даёт неперпендикулярность оси Z столу, поэтому её проверяют заранее. Лист длиннее стола режут за два установа по тем же двум отверстиям.

Часто достаточно повернуть отверстие на 90° или перенести паз на другую грань, чтобы деталь обрабатывалась с одной стороны. Если без многоосевой обработки не обойтись, почитайте о том, когда она действительно нужна.

Детали из дерева, фанеры и пластика

На фрезерах по дереву те же правила работают с поправками. Фанеру и МДФ обычно раскраивают концевыми фрезами диаметром 3–8 мм, поэтому внутренние углы шипов и пазов в мебели закругляются, и шип в паз не войдёт. Решение — те же поднутрения в углах, которые в мебели на ЧПУ называют «собачьими косточками» (dog-bone). Толщина фанеры по факту отличается от номинала на десятые доли миллиметра, поэтому ширину паза задавайте по замеру конкретного листа.

Для пластиков — акрила, капролона, полиацетала — важнее всего нагрев. Тонкие стенки и мелкие детали плавятся и коробятся, поэтому запас по толщине нужен больше, чем у металла. Оргстекло фрезеруют однозаходными фрезами, чтобы стружка успевала уходить и не налипала.

Как сохранить модель и что отправить

Модель в формате STL для механообработки не отправляйте, если есть исходник: CAM не распознает в сетке отверстия и плоскости.

Допуски: где они действительно нужны

Если на чертеже не указаны допуски, цех держит общий допуск. По ГОСТ 30893.1 это обычно класс «средний»: для размеров от 30 до 120 мм — ±0,3 мм. Многие цеха и без указаний работают точнее, но рассчитывать на это не стоит.

Жёсткий допуск нужен там, где деталь с чем-то сопрягается: посадка подшипника, отверстие под штифт, база под другую деталь. Каждая лишняя сотая на несопрягаемом размере добавляет проход, контроль и время. Посадки и квалитеты смотрите в справочнике допусков и посадок, а обороты и подачу для выбранной фрезы и материала — в калькуляторе режимов резания при фрезеровании.