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如何确定使用哪种加工工艺来实现高度可重复的零件
日期:2022-02-11点击量:299

你如何加工相同的零件?本讨论了公差和可重复性,以及由于构建设置、材料和零件设计因素,公差和可重复性在加工过程中如何变化。它讨论了制造商为补偿变化而进行的优化,并为工程师提供了在为功能原型、装配或生产创建零件时应使用的流程。

 

重复性简介

 

当扩大生产用零件时,终端客户的默认期望是相同设计的零件在每个单元上具有一致的尺寸和特征。换言之,生产方法应在批次之间提供可互换零件。在某种程度上,这是真的。每个制造商都在一定的可重复性范围内运行,即一个零件与具有相同设计和规格的另一个零件的外观程度。重复性是定性和定量的。前者是对制造或着色不一致的目视检查,后者是对生产零件的预期公差范围的测量。

 

现在需要重复吗?

 

开始之前的快速说明:在确定使用什么材料和制造过程之前,考虑项目的发展过程的阶段。当使用早期原型时,可重复性的级别就不那么重要了。事实上,原型设计的全部目的是迭代不同的设计。在这种情况下,制造商在任何过程中的默认公差将导致零件的精度足以使CAD显示概念验证。本文的其余部分将主要关注功能原型、装配零件和生产准备零件的精度公差和可重复性。

 

基于工艺和材料实现可重复性

 

在寻求一定程度的可重复性时,材料和制造工艺是两个最重要的因素。重要的是要注意,由于不同的制造工艺处理材料的方式不同,因此通常首先考虑的是工艺。例如,在两台不同的机器中使用相同的材料,例如3D打印机中的ABS和注塑模具中的ABS,将产生不同的表面纹理、密度和零件性能。

 

然而,对于仍不确定零件所需材料的设计师而言这里有一个提示:固体金属零件是刚性的,可以比塑料保持更严格的公差,这意味着更精确的重复性。塑料的柔韧性在装配时可能是一个优势,因为塑料具有足够的柔韧性,可用于卡舌和其他配合特征。

 

金属零件采用CNC加工、钣金加工或金属3D打印等工艺制造。传统的制造方法,如CNC加工或钣金,可以极其精确地切割或成形金属坯料。CNC加工的标准公差为+/-0.005”,钣金的标准公差为+/-0.005”~“+/-0.030”,具体取决于弯曲的数量。通过使用特殊工具、夹具和机器优化,这两种工具都可以定制为更严格的公差。

 

金属3D打印零件通常与3D打印塑料具有相同的公差。直接金属激光烧结(DMLS)零件将达到与立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积建模(FDM)、PolyJet、碳(DLS)和HP多喷射熔合(MJF)零件相同的精度水平。通常,3D打印材料的第一英寸公差为+/-0.004 0.012”,每英寸公差增加+/-0.002”。

 

常用制造工艺的一般公差表

制造工艺

一般距离公差

CNC加工

对于尺寸(长度、宽度、高度、直径)和位置(位置、同心度、对称性)+/- 0.005的特征。

钣金加工

+/- 0.005+/- 0.030取决于单个平面或多个弯曲上的特征到特征位置。

FDM

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

SLS

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

HP MJF

典型值为每英寸+/- 0.012+/- 0.003,以较大者为准。

注塑成型

加工模具时模腔公差为+/- 0.005,计算收缩率时每英寸额外+/- 0.002

 

 

公差如何在不同过程中变化

 

在每个制造过程中,各种因素都会影响不同制造过程中零件的相同性或可重复性。这些决定了每个过程的公差范围。

 

影响3D打印公差的因素

 

3D打印通常通过逐层将材料熔合在一起以生成最终形状来构建零件。制造商通过调整构建设置和工艺参数实现精确的重复性。CAD修改也有助于改进产品结果。

 

影响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弯曲。当制造的零件在生产后冷却时,或者原材料中存在足以使零件变形的内应力,就会发生曲。

尼龙容易弯曲或扭曲,而聚碳酸酯对于大型或较宽的零件来说更为坚硬和稳定。材料条件,如年龄、回收材料的百分比和水分含量也会影响结果。

温度

构建中的温差会导致打印结果发生变化。

构建板上的其他零件会导致温度升高,而构建板上的较少零件会导致温度下降。这些热变化软化边缘并导致部件的尺寸因构建而略有不同。

建筑密度

构建中的零件数量及其独特形状可能会影响其邻居的结果。

在选择性激光烧结(SLS)等工艺中,密集封装的零件可以将多余的热量保存并分配到构建区域。这可能会影响材料熔合的程度,从而导致较厚的边缘以及冷却过程中可能导致偏转的零件应力。

几何学

与温度和建筑密度背后的原理类似,截面较厚的零件在这些区域的保温时间将比较薄的几何体更长。这可能会导致标准印刷品的收缩率发生偏移或偏差。

SLS中较厚的横截面将导致这些特定层上的熔合时间增加,这可能由于高热暴露而导致零件厚度略微增加。

方向和支持

由于3D打印逐层构建零件,因此构建中零件的方向会显著影响其结果。大多数3D打印过程都需要支撑结构,这些支撑结构是牺牲性特征,以便在3D打印过程中创建悬垂几何体。与无支撑结构的特征相比,这可能会影响该区域的表面光洁度或公差。

通常情况下,零件的方向应尽量减少支撑或减少厚横截面,以创建每层的标准打印时间。立体光刻(SLA)或直接金属激光烧结(DMLS)等工艺中的支撑区域将需要手动移除支撑结构,并在连接支撑的地方留下一个小突起网格。

 

制造商如何实现一致的3D打印公差

 

这并不是说3D打印部件非常不可靠。制造商在零件上机生产之前,都会对机器进行校准,以确保能够生产出符合特定CAD尺寸的零件。标准化和校准工业增材制造机器的标准操作程序包括比例和偏移校准,其中3D打印技术人员将构建测试零件,测量结果,并将结果输入机器以构建准备软件。该软件可调整零件的比例和边缘偏移,以使CAD更好地适合打印。

 

另一个标准3D打印校准程序是设置热控制。这可能包括加热构建室、零件床和传感器。例如,SLS或HP MJF等工业3D打印平台使用传感器自动跟踪和加热特定区域,以帮助平衡热失衡。

 

制造商用来调节3D打印公差的最终标准是仔细储存和搬运材料。原材料通常储存在干燥、黑暗的地方,以防止吸湿、暴露于紫外线和氧化,从而降低其性能和熔合能力。

 

原则:您是否应该使用3D打印来实现可重复的零件?

 

在使用 3D 打印时,经过专业校准的打印机将在一般公差范围内获得精确的零件净形状,并且可以在数十个甚至数百个零件上做到这一点。但与传统制造工艺相比,影响标准3D打印公差的因素更多,标准公差一般更高。此外,由于每个 3D 打印过程以不同方式构建零件,因此必须针对特定过程校准CAD 设计以实现关键尺寸。最终,3D 打印是放大需要不太严格公差的零件的不错选择,但请务必在备注部分指定零件方向和任何关键特征,以确保每个零件与下一个零件相同。

 

当使用3D打印时,经过专业校准的打印机将在一般公差范围内实现零件的准确净形状,并且可以在数十个甚至数百个零件上实现。但与传统制造工艺相比,影响标准3D打印公差的因素更多,标准公差通常更高。此外,由于每个3D打印过程构建零件的方式不同,因此必须根据特定过程校准CAD设计,以实现关键尺寸。最终,3D打印是一个很好的选择,可以放大需要较少严格公差的零件,但请确保在“注释”部分中指定零件方向和任何关键特征,以确保每个零件与下一个零件相同。

 

影响CNC加工公差的因素

 

一般来说,数控加工比3D打印具有更高的重复性,因为机械师对所生产的特征保持着严格的控制。机械师在每次作业前使用基于坐标的g代码对机器进行编程,并且可以停止机器进行过程中检查,以验证零件是否符合规范。

 

但是,与3D打印一样,也有一些因素会影响CNC加工零件的公差。

 

影响CNC加工零件公差的因素

因素

描述

例子

机器设置

如果必须在不同的时间在不同的机器上重新创建设置,零件可能会有所不同。

零件可以在3轴机床上创建为原型。当零件以更大的数量重新订购用于生产时,并且这些零件是在更高效的5轴机床上创建的,这将引入不同的刀具路径,并将略微改变零件的外观。

刀具磨损

刀具磨损或不那么锋利可能会导致零件特征发生轻微变化。

零件表面的线性不规则可能表明刀具磨损,以及在过程检查期发现的尺寸不规则。

手工整理

喷砂、涂层和安装嵌件等手动过程可能会因喷砂粒度、涂层厚度等不同而产生变化。

机械师在喷砂时握住零件时可能会留下“拇指印”,他们的拇指会遮住表面的一部分。精加工方面的标准和最佳实践有助于缓解这些差异,并使用同一供应商进行后加工精加工。

 

如何实现一致的CNC加工公差

 

制造商可以通过各种方式防止零件之间的公差变化。在机械师的定期零件取样和测量过程中,经常会发现刀具磨损,如果磨损严重,导致偏离客户规范,则更换刀具。

 

为了减少外观和测量偏差,工程师可以通过图纸和注释传达可接受的变化水平。客户选择的加工检验计划,如ASQC Z1.4 2008二级零拒收,可帮助制造商了解可接受的公差极限。

 

原则:您是否应该使用CNC加工来获得可重复的零件?

 

当使用CNC加工时,零件的公差变化大概率3D打印零件要小。由于前期加工过程的可变性较小,并且能够指定高度复杂的检查选项,零件的功能和外观可能几乎相同。综上所述,如果项目需要非常高的精度、低公差和相同设计零件之间的高一致性,那么CNC加工是一个很好的选择。

 

影响注塑件公差的因素

 

在可重复性方面,注射成型是领先者。这是因为注射成型熔化了粒状材料,并将其注射到模具(也称为成型工具)中。模具弹出零件,然后一次又一次地重复,直到您拥有数百或数千个相同的零件。该模具通常由金属制成,通过多次切削和调整来完善。一旦有了最终的工具,它可以使零件具有极高的精度+/-0.004或更好。这个过程是重复,即使是微小的细节,比如金属工具上的纹理或图案,每次都会在零件完全相同的位置上显示。

 

3D打印和CNC加工一样,各种因素都会影响注塑零件的公差。

 

影响注塑件公差的因素

因素

描述

例子

机器设置

注塑运行使用相同的工具,根据特定的机器参数进行调整,例如进入模具的熔融塑料注射量、工具合模

注塑过程使用同一工具,该工具根据特定的机器参数进行调整,例如进入模具的熔融塑料丸的尺寸、工具夹紧力和材料供给部分的温度。这些都是工具“bio”的一部分,必须为该零件的机器参数指定所有这些参数,如果零件生产停止并在另一时间重新开始,这些参数将保持不变。

注射量和注射压力都会影响成型零件中特征的分解方式。例如,低压会导致短射,这意味着没有足够的材料注入模具,从而导致不完整的特征。生产设置的一部分是进行“测试研究”以测试不同的参数,直到达到预期的结果并用于剩余的运行。

手动流程

注塑成型可以结合手动过程,例如手动加载插入或手动修剪浇口的流道。零件的这些特征可能有轻微偏差。

对于大多数小批量生产运行,流道需要手动移除。通常这是用手工工具完成的。在大批量生产中,这可以通过改用热流道浇口来缓解,无需手动修整。

刀具磨损

模制研磨材料的工具会在工具的特征上留下磨损。这通常可以在浇口区域周围找到,在那里材料以非常高的压力注入。

由铝制成的原型模具更柔软,更容易与玻璃填充尼龙等磨料磨损。生产模具采用更硬的材料制造,从而缓解了这一问题。

物质条件

材料条件,从颗粒均匀性到湿度水平,会影响它在熔化注入零件腔时的表现。

许多塑料会自然地吸收空气中的水分。如果粒装材料在成型前未干燥,则成型零件将具有高湿度。这可能导致零件中出现可见条纹,甚至影响整个零件填充。成型前干燥原料可以防止这种变化。

 

如何实现一致的注塑公差

 

如果工具是新创建的,则使用生产运行样本进行验证,也称为 T1 测试。当一个工具可以从一个模具中创建10个好零件时,该工具被批准。当机器重置以进行后续运行时,通常会使用相同的工具bio将一个原始样品作为模板,以对照新批次进行检查。此外,由于一次注射成型可能需要数千个零件,因此该批次的每个零件几乎都保证外观相同。

 

原则:您应该使用注塑成型来获得可重复的零件吗?

 

总的来说,注射成型仍然是最可重复的制造过程。如果您需要一套可重复性极强的大型零件加工工艺,那么对模具工具进行前期沟通和成本投资通常是值得的。大多数消费品,从键盘到仪表板,都是注塑成型的,这意味着所有产品都能正常工作、合适,并且易于大规模生产。

 

创建高度相同的定制零件的秘诀

 

最终,实现可重复性可以归结为几个关键概念。每一个制造过程都有复杂之处,需要专门的调整和校准。一旦制造商调整机器以达到标准公差,工程师必须传达关键特征,并优化特定制造工艺的零件设计。一般来说,最可重复和精确的工艺是注射成型,然后是CNC加工,然后是3D打印。零件的最佳工艺取决于其在开发过程中所处的位置,其次是零件的应用和所需材料。

 

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