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如何確定使用哪種加工工藝來實現高度可重復的零件
日期:2022-02-11點擊量:528

你如何加工相同的零件?本討論了公差和可重復性,以及由于構建設置、材料和零件設計因素,公差和可重復性在加工過程中如何變化。它討論了制造商為補償變化而進行的優化,并為工程師提供了在為功能原型、裝配或生產創建零件時應使用的流程。

 

重復性簡介

 

當擴大生產用零件時,終端客戶的默認期望是相同設計的零件在每個單元上具有一致的尺寸和特征。換言之,生產方法應在批次之間提供可互換零件。在某種程度上,這是真的。每個制造商都在一定的可重復性范圍內運行,即一個零件與具有相同設計和規格的另一個零件的外觀程度。重復性是定性和定量的。前者是對制造或著色不一致的目視檢查,后者是對生產零件的預期公差范圍的測量。

 

現在需要重復嗎?

 

開始之前的快速說明:在確定使用什么材料和制造過程之前,考慮項目的發展過程的階段。當使用早期原型時,可重復性的級別就不那么重要了。事實上,原型設計的全部目的是迭代不同的設計。在這種情況下,制造商在任何過程中的默認公差將導致零件的精度足以使CAD顯示概念驗證。本文的其余部分將主要關注功能原型、裝配零件和生產準備零件的精度公差和可重復性。

 

基于工藝和材料實現可重復性

 

在尋求一定程度的可重復性時,材料和制造工藝是兩個最重要的因素。重要的是要注意,由于不同的制造工藝處理材料的方式不同,因此通常首先考慮的是工藝。例如,在兩臺不同的機器中使用相同的材料,例如3D打印機中的ABS和注塑模具中的ABS,將產生不同的表面紋理、密度和零件性能。

 

然而,對于仍不確定零件所需材料的設計師而言這里有一個提示:固體金屬零件是剛性的,可以比塑料保持更嚴格的公差,這意味著更精確的重復性。塑料的柔韌性在裝配時可能是一個優勢,因為塑料具有足夠的柔韌性,可用于卡舌和其他配合特征。

 

金屬零件采用CNC加工、鈑金加工或金屬3D打印等工藝制造。傳統的制造方法,如CNC加工或鈑金,可以極其精確地切割或成形金屬坯料。CNC加工的標準公差為+/-0.005”,鈑金的標準公差為+/-0.005”~“+/-0.030”,具體取決于彎曲的數量。通過使用特殊工具、夾具和機器優化,這兩種工具都可以定制為更嚴格的公差。

 

金屬3D打印零件通常與3D打印塑料具有相同的公差。直接金屬激光燒結(DMLS)零件將達到與立體光刻(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、熔融沉積建模(FDM)、PolyJet、碳(DLS)和HP多噴射熔合(MJF)零件相同的精度水平。通常,3D打印材料的第一英寸公差為+/-0.004 0.012”,每英寸公差增加+/-0.002”。

 

常用制造工藝的一般公差表

制造工藝

一般距離公差

CNC加工

對于尺寸(長度、寬度、高度、直徑)和位置(位置、同心度、對稱性)+/- 0.005的特征。

鈑金加工

+/- 0.005+/- 0.030取決于單個平面或多個彎曲上的特征到特征位置。

FDM

典型的第一英寸為+/- 0.004”,此后每英寸加上+/- 0.002”。Z平面:典型的第一英寸為+/- 0.010”,此后每英寸加上+/- 0.002”。

SLS

典型的第一英寸為+/- 0.005,此后每英寸加上+/- 0.002”。

SLA

第一英寸+/- 0.005”,此后每英寸加上+/- 0.002”。Z平面:第一英寸為+/- 0.010”,此后每英寸加上+/- 0.002”。

HP MJF

典型值為每英寸+/- 0.012+/- 0.003,以較大者為準。

注塑成型

加工模具時模腔公差為+/- 0.005,計算收縮率時每英寸額外+/- 0.002

 

 

公差如何在不同過程中變化

 

在每個制造過程中,各種因素都會影響不同制造過程中零件的相同性或可重復性。這些決定了每個過程的公差范圍。

 

影響3D打印公差的因素

 

3D打印通常通過逐層將材料熔合在一起以生成最終形狀來構建零件。制造商通過調整構建設置和工藝參數實現精確的重復性。CAD修改也有助于改進產品結果。

 

影響3D打印零件公差的因素

因素

描述

例子

材料

有些材料比其他材料更容易彎曲。當制造的零件在生產后冷卻時,或者原材料中存在足以使零件變形的內應力,就會發生曲。

尼龍容易彎曲或扭曲,而聚碳酸酯對于大型或較寬的零件來說更為堅硬和穩定。材料條件,如年齡、回收材料的百分比和水分含量也會影響結果。

溫度

構建中的溫差會導致打印結果發生變化。

構建板上的其他零件會導致溫度升高,而構建板上的較少零件會導致溫度下降。這些熱變化軟化邊緣并導致部件的尺寸因構建而略有不同。

建筑密度

構建中的零件數量及其獨特形狀可能會影響其鄰居的結果。

在選擇性激光燒結(SLS)等工藝中,密集封裝的零件可以將多余的熱量保存并分配到構建區域。這可能會影響材料熔合的程度,從而導致較厚的邊緣以及冷卻過程中可能導致偏轉的零件應力。

幾何學

與溫度和建筑密度背后的原理類似,截面較厚的零件在這些區域的保溫時間將比較薄的幾何體更長。這可能會導致標準印刷品的收縮率發生偏移或偏差。

SLS中較厚的橫截面將導致這些特定層上的熔合時間增加,這可能由于高熱暴露而導致零件厚度略微增加。

方向和支持

由于3D打印逐層構建零件,因此構建中零件的方向會顯著影響其結果。大多數3D打印過程都需要支撐結構,這些支撐結構是犧牲性特征,以便在3D打印過程中創建懸垂幾何體。與無支撐結構的特征相比,這可能會影響該區域的表面光潔度或公差。

通常情況下,零件的方向應盡量減少支撐或減少厚橫截面,以創建每層的標準打印時間。立體光刻(SLA)或直接金屬激光燒結(DMLS)等工藝中的支撐區域將需要手動移除支撐結構,并在連接支撐的地方留下一個小突起網格。

 

制造商如何實現一致的3D打印公差

 

這并不是說3D打印部件非常不可靠。制造商在零件上機生產之前,都會對機器進行校準,以確保能夠生產出符合特定CAD尺寸的零件。標準化和校準工業增材制造機器的標準操作程序包括比例和偏移校準,其中3D打印技術人員將構建測試零件,測量結果,并將結果輸入機器以構建準備軟件。該軟件可調整零件的比例和邊緣偏移,以使CAD更好地適合打印。

 

另一個標準3D打印校準程序是設置熱控制。這可能包括加熱構建室、零件床和傳感器。例如,SLS或HP MJF等工業3D打印平臺使用傳感器自動跟蹤和加熱特定區域,以幫助平衡熱失衡。

 

制造商用來調節3D打印公差的最終標準是仔細儲存和搬運材料。原材料通常儲存在干燥、黑暗的地方,以防止吸濕、暴露于紫外線和氧化,從而降低其性能和熔合能力。

 

原則:您是否應該使用3D打印來實現可重復的零件?

 

在使用 3D 打印時,經過專業校準的打印機將在一般公差范圍內獲得精確的零件凈形狀,并且可以在數十個甚至數百個零件上做到這一點。但與傳統制造工藝相比,影響標準3D打印公差的因素更多,標準公差一般更高。此外,由于每個 3D 打印過程以不同方式構建零件,因此必須針對特定過程校準CAD 設計以實現關鍵尺寸。最終,3D 打印是放大需要不太嚴格公差的零件的不錯選擇,但請務必在備注部分指定零件方向和任何關鍵特征,以確保每個零件與下一個零件相同。

 

當使用3D打印時,經過專業校準的打印機將在一般公差范圍內實現零件的準確凈形狀,并且可以在數十個甚至數百個零件上實現。但與傳統制造工藝相比,影響標準3D打印公差的因素更多,標準公差通常更高。此外,由于每個3D打印過程構建零件的方式不同,因此必須根據特定過程校準CAD設計,以實現關鍵尺寸。最終,3D打印是一個很好的選擇,可以放大需要較少嚴格公差的零件,但請確保在“注釋”部分中指定零件方向和任何關鍵特征,以確保每個零件與下一個零件相同。

 

影響CNC加工公差的因素

 

一般來說,數控加工比3D打印具有更高的重復性,因為機械師對所生產的特征保持著嚴格的控制。機械師在每次作業前使用基于坐標的g代碼對機器進行編程,并且可以停止機器進行過程中檢查,以驗證零件是否符合規范。

 

但是,與3D打印一樣,也有一些因素會影響CNC加工零件的公差。

 

影響CNC加工零件公差的因素

因素

描述

例子

機器設置

如果必須在不同的時間在不同的機器上重新創建設置,零件可能會有所不同。

零件可以在3軸機床上創建為原型。當零件以更大的數量重新訂購用于生產時,并且這些零件是在更高效的5軸機床上創建的,這將引入不同的刀具路徑,并將略微改變零件的外觀。

刀具磨損

刀具磨損或不那么鋒利可能會導致零件特征發生輕微變化。

零件表面的線性不規則可能表明刀具磨損,以及在過程檢查期發現的尺寸不規則。

手工整理

噴砂、涂層和安裝嵌件等手動過程可能會因噴砂粒度、涂層厚度等不同而產生變化。

機械師在噴砂時握住零件時可能會留下“拇指印”,他們的拇指會遮住表面的一部分。精加工方面的標準和最佳實踐有助于緩解這些差異,并使用同一供應商進行后加工精加工。

 

如何實現一致的CNC加工公差

 

制造商可以通過各種方式防止零件之間的公差變化。在機械師的定期零件取樣和測量過程中,經常會發現刀具磨損,如果磨損嚴重,導致偏離客戶規范,則更換刀具。

 

為了減少外觀和測量偏差,工程師可以通過圖紙和注釋傳達可接受的變化水平。客戶選擇的加工檢驗計劃,如ASQC Z1.4 2008二級零拒收,可幫助制造商了解可接受的公差極限。

 

原則:您是否應該使用CNC加工來獲得可重復的零件?

 

當使用CNC加工時,零件的公差變化大概率3D打印零件要小。由于前期加工過程的可變性較小,并且能夠指定高度復雜的檢查選項,零件的功能和外觀可能幾乎相同。綜上所述,如果項目需要非常高的精度、低公差和相同設計零件之間的高一致性,那么CNC加工是一個很好的選擇。

 

影響注塑件公差的因素

 

在可重復性方面,注射成型是領先者。這是因為注射成型熔化了粒狀材料,并將其注射到模具(也稱為成型工具)中。模具彈出零件,然后一次又一次地重復,直到您擁有數百或數千個相同的零件。該模具通常由金屬制成,通過多次切削和調整來完善。一旦有了最終的工具,它可以使零件具有極高的精度+/-0.004或更好。這個過程是重復,即使是微小的細節,比如金屬工具上的紋理或圖案,每次都會在零件完全相同的位置上顯示。

 

3D打印和CNC加工一樣,各種因素都會影響注塑零件的公差。

 

影響注塑件公差的因素

因素

描述

例子

機器設置

注塑運行使用相同的工具,根據特定的機器參數進行調整,例如進入模具的熔融塑料注射量、工具合模

注塑過程使用同一工具,該工具根據特定的機器參數進行調整,例如進入模具的熔融塑料丸的尺寸、工具夾緊力和材料供給部分的溫度。這些都是工具“bio”的一部分,必須為該零件的機器參數指定所有這些參數,如果零件生產停止并在另一時間重新開始,這些參數將保持不變。

注射量和注射壓力都會影響成型零件中特征的分解方式。例如,低壓會導致短射,這意味著沒有足夠的材料注入模具,從而導致不完整的特征。生產設置的一部分是進行“測試研究”以測試不同的參數,直到達到預期的結果并用于剩余的運行。

手動流程

注塑成型可以結合手動過程,例如手動加載插入或手動修剪澆口的流道。零件的這些特征可能有輕微偏差。

對于大多數小批量生產運行,流道需要手動移除。通常這是用手工工具完成的。在大批量生產中,這可以通過改用熱流道澆口來緩解,無需手動修整。

刀具磨損

模制研磨材料的工具會在工具的特征上留下磨損。這通常可以在澆口區域周圍找到,在那里材料以非常高的壓力注入。

由鋁制成的原型模具更柔軟,更容易與玻璃填充尼龍等磨料磨損。生產模具采用更硬的材料制造,從而緩解了這一問題。

物質條件

材料條件,從顆粒均勻性到濕度水平,會影響它在熔化注入零件腔時的表現。

許多塑料會自然地吸收空氣中的水分。如果粒裝材料在成型前未干燥,則成型零件將具有高濕度。這可能導致零件中出現可見條紋,甚至影響整個零件填充。成型前干燥原料可以防止這種變化。

 

如何實現一致的注塑公差

 

如果工具是新創建的,則使用生產運行樣本進行驗證,也稱為 T1 測試。當一個工具可以從一個模具中創建10個好零件時,該工具被批準。當機器重置以進行后續運行時,通常會使用相同的工具bio將一個原始樣品作為模板,以對照新批次進行檢查。此外,由于一次注射成型可能需要數千個零件,因此該批次的每個零件幾乎都保證外觀相同。

 

原則:您應該使用注塑成型來獲得可重復的零件嗎?

 

總的來說,注射成型仍然是最可重復的制造過程。如果您需要一套可重復性極強的大型零件加工工藝,那么對模具工具進行前期溝通和成本投資通常是值得的。大多數消費品,從鍵盤到儀表板,都是注塑成型的,這意味著所有產品都能正常工作、合適,并且易于大規模生產。

 

創建高度相同的定制零件的秘訣

 

最終,實現可重復性可以歸結為幾個關鍵概念。每一個制造過程都有復雜之處,需要專門的調整和校準。一旦制造商調整機器以達到標準公差,工程師必須傳達關鍵特征,并優化特定制造工藝的零件設計。一般來說,最可重復和精確的工藝是注射成型,然后是CNC加工,然后是3D打印。零件的最佳工藝取決于其在開發過程中所處的位置,其次是零件的應用和所需材料。

 

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