Корпусные детали и кронштейны: фрезеровка из плиты, гибка листа или сварка

Три способа сделать одну деталь

Возьмём типичную задачу: корпус блока электроники размером 200×150×80 мм со стенками 4 мм, крышкой и посадочными бобышками под плату. Или кронштейн, который держит двигатель и должен точно выставить его вал. Цех может пойти тремя путями.

Фрезеровка из плиты. Заготовку отрезают от плиты или толстой полосы и на фрезерном станке с ЧПУ выбирают всё лишнее: полость, карманы, рёбра, отверстия, резьбу. Получается цельная деталь без швов и стыков.

Гибка листа. Развёртку вырезают лазером из листа, затем на листогибе загибают стенки. Углы оставляют открытыми, закрывают отбортовками или проваривают. О том, как конструировать такие детали, подробно написано в материале о листовых деталях.

Сварка. Корпус или раму собирают из вырезанных пластин, гнутых профилей или проката и сваривают. Посадочные плоскости и отверстия затем часто доводят на фрезерном станке.

Сравнение по главным параметрам

Цифры по точности фрезеровки и толщине стенок взяты из руководства по конструированию для ЧПУ платформы Hubs, допуски листовых деталей — из таблиц Protolabs. Конкретный цех может держать точнее или грубее, поэтому таблица показывает соотношение способов, а не гарантию.

Фрезеровка из плиты: дорого по металлу, точно по размерам

Посчитаем корпус из примера. Заготовка 200×150×80 мм — это 2 400 см³. Готовый корпус со стенками и дном по 4 мм занимает около 328 см³, то есть 14 % заготовки. Остальные 86 % станок превращает в стружку. Из Д16Т плотностью около 2,78 г/см³ заготовка весит 6,7 кг, а деталь — 0,9 кг. Массу заготовок под свои размеры удобно прикинуть в калькуляторе веса металла.

Несмотря на это, фрезерованный корпус часто оказывается разумным выбором: он жёсткий, без стыков, бобышки и рёбра выходят заодно со стенками, а резьбу нарезают прямо в теле детали (размеры отверстий под неё есть в справочнике метрической резьбы). Для штучного изделия и серии в десятки штук такой корпус нередко дешевле сварного или литого, потому что не нужна никакая оснастка.

Ограничения задают инструмент и геометрия. Внутренние углы кармана всегда получаются со скруглением, равным радиусу фрезы. Глубину полости рекомендуют делать не больше четырёх её ширин, иначе понадобится длинная фреза, которая вибрирует и гнётся. Радиус внутренних углов лучше задавать не меньше трети глубины кармана, и тогда цех сможет взять фрезу нормального вылета.

Почему фрезерованную деталь ведёт

В плите после прокатки и закалки остаются внутренние напряжения. Пока металл цельный, они уравновешены. Когда станок снимает до 90 % объёма, равновесие нарушается и тонкие стенки выгибаются, а основание перестаёт быть плоским.

На практике технолог борется с короблением так: оставляет припуск, после черновой обработки раскрепляет деталь, даёт ей «отлежаться» и переворачивает для чистового прохода. Для крупных стальных корпусов между черновой и чистовой обработкой делают отжиг для снятия напряжений.

Гибка листа: дёшево и быстро, но с допусками на гиб

Если корпусу не нужны толстые стенки и встроенные бобышки, гибка обычно дешевле всего. Тот же корпус 200×150×80 мм из листа АМг6 толщиной 2 мм весит около 0,45 кг. Металла уходит в несколько раз меньше, а лазер и листогиб делают деталь за минуты, а не за часы.

Платят за дешевизну точностью. На плоской развёртке лазер держит размеры в пределах примерно ±0,13 мм, но каждый гиб добавляет погрешность. Расстояние от гиба до кромки выдерживают с допуском около ±0,25 мм, между элементами на разных полках набегает до ±0,76 мм, а угол гиба составляет ±1°. Если плата должна встать на стойки на двух соседних стенках, эти допуски закладывают в конструкцию: делают овальные отверстия и регулировку или базируются от одной полки.

Бобышки под винты на гнутом корпусе заменяют запрессовочными гайками и стойками или вытяжкой с нарезкой резьбы. Жёсткость добавляют отбортовками, рёбрами жёсткости и замыканием углов.

Сварка: для крупного и тяжёлого, с поправкой на коробление

Станины, рамы, корпуса редукторов, кронштейны под тяжёлые узлы часто проще сварить, чем выфрезеровать из цельного куска: плиты такого размера дороги, а станок нужен большой. Сварную деталь собирают из готового проката и пластин, вырезанных лазером или плазмой.

Главная проблема — деформация. Металл шва и зоны термического влияния при остывании сокращается. По данным британского института сварки TWI, при сварке углеродисто-марганцевой стали объём расплава уменьшается примерно на 3 % при затвердевании и ещё на 7 % при остывании шва и околошовной зоны. Отсюда продольная и поперечная усадка, угловая деформация полок, выпучивание тонких стенок. Нержавеющая сталь коробится сильнее углеродистой из-за большего коэффициента расширения, алюминий — ещё сильнее.

Сварной корпус обычно проходит такой маршрут: раскрой пластин, сборка в кондукторе, прихватки, сварка в порядке, который уравновешивает усадку, отжиг для снятия напряжений (для конструкционной стали около 600–650 °C), правка и механическая обработка базовых поверхностей. О выборе способа сварки написано в отдельном сравнении видов сварки.

Д16Т или АМг6: какой алюминий под какой способ

Для алюминиевых корпусов чаще всего выбирают между дюралем Д16Т и магналием АМг6. Свойства у них разные, и от них зависит технология.

Отсюда практическое правило: корпус, который фрезеруют из плиты, логично делать из Д16Т, потому что он прочнее и лучше режется, а корпус, который будут гнуть и проваривать по углам, из АМг6 или более мягких сплавов АМг2–АМг3. Подробные свойства и аналоги — на страницах материалов Д16Т и АМг6.

Что выгоднее при разных тиражах

Цену детали складывают подготовка (программа, наладка, оснастка) и время на каждую штуку. У трёх способов эти доли разные, поэтому выбор меняется с тиражом.

• 1–10 штук. Ни один способ не требует дорогой оснастки, решают время и металл. Тонкостенный корпус почти всегда дешевле согнуть, точный и жёсткий — выфрезеровать. Сварку выбирают для крупных деталей, которые не помещаются на станок или в плиту.
• Десятки и сотни. Гибка остаётся самой дешёвой на штуку. Для фрезерованных деталей окупается специальное приспособление и оптимизированная программа. Для сварных окупается сборочный кондуктор, который ускоряет сборку и снижает разброс деформаций.
• Тысячи и больше. Здесь в расчёт входят технологии с дорогой оснасткой: литьё под давлением для корпусов, штамповка для кронштейнов. О том, где проходят эти границы, рассказано в статье о прототипах и сериях, а из чего складывается цена одной детали на ЧПУ, объяснено в отдельном разборе.