Optimierung der CNC-Bearbeitung:Prozess- und Vorrichtungsdesign für dünnwandige Komponenten

Die Gestaltung von Prozessen und Vorrichtungen zur Bearbeitung dünnwandiger Komponenten in CNC-Operationen erfordert eine sorgfältige Planung, um Verformungen zu verhindern, Präzision aufrechtzuerhalten und Effizienz sicherzustellen. Diese Komponenten werden häufig in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Elektronikindustrie eingesetzt. Aufgrund ihrer geringen Steifigkeit und dünnen Wände sind sie jedoch anfällig für Verformungen, Oberflächenabsplitterungen und Vibrationsspuren.

Wenn der Prozess oder die Vorrichtungskonstruktion unzureichend ist, kann keine kontinuierliche und stabile Serienproduktion erreicht werden, selbst wenn die Schnittbelastung reduziert und die Bearbeitungszeit verlängert wird. In diesem Artikel werden Prozess- und Vorrichtungslösungen für eine echte Fallstudie zur Dünnwandbearbeitung vorgestellt und praktische Einblicke geboten.

Herausforderungen bei der Bearbeitung dünnwandiger Teile

Dünnwandige Baugruppen, wie zum Beispiel Drohnengehäuse und Elektronikgehäuse, weisen meist Wandstärken unter 2 mm auf. Sie reduzieren das Gewicht und verbessern das Wärmemanagement im fertigen Produkt. Ihre mangelnde strukturelle Steifigkeit während der CNC-Bearbeitung führt jedoch häufig zu Instabilität der Baugruppenabmessungen, schlechter Oberflächengüte und lokaler oder allgemeiner Verformung.

Verformung nach der Bearbeitung

Bei dünnwandigen Teilen besteht die Gefahr, dass sie sich unter dem Werkzeugdruck oder der Spannkraft verbiegen. Selbst geringe Schnittkräfte können nicht unterstützte Bereiche verformen, was zu Wandverbiegungen und Werkzeugablenkungen während der Bearbeitung führen kann. Das Risiko ist besonders hoch, wenn Merkmale in der Nähe von dünnen Kanten oder Hohlräumen bearbeitet werden.

Rattermarken auf der Oberfläche

Aufgrund ihrer geringen Masse und Steifigkeit geraten dünnwandige Bauteile bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung leicht in Vibration. Dies kann zu Rattermarken auf der Oberfläche, beschleunigtem Werkzeugverschleiß und schlechter Maßhaltigkeit führen.

Praktisches Gehäuse:Gehäuse aus Aluminiumlegierung für E-Zigaretten

Hier betrachten wir die Bearbeitung eines E-Zigarettengehäuses aus einer Aluminiumlegierung und zeigen, wie sich dünne Wände und enge Toleranzen auf die Produktion auswirken.

Produktspezifikationen

• Material:AL6063-T6
• Abmessungen:92,8 × 40,8 × 22,8 mm
• Wandstärke:0,9–1,5 mm
• Produktionsmengen:1000 Stück

Bearbeitungsanforderung

• Der Montageabstand beträgt ≤0,1 mm zwischen den tiefblauen Vorder-/Hinterflächen und anderen Komponenten.
• T-förmige Schnappnuten an den Innenwänden müssen einen Falltest aus 3 Metern Höhe bestehen, ohne dass sie sich nach der Montage lösen.
• Die Oberfläche muss mit 200er-Körnung sandgestrahlt und anschließend eloxiert werden. Werkzeugspuren oder Vibrationsmuster dürfen nicht auf den sichtbaren Stellen sichtbar sein.

Herausforderungen bei der Verarbeitung

• Der 0,9–1,2 mm dicke Wandabschnitt ist der Montagebereich mit anderen Strukturbauteilen. Unter Verformung ist es daher schwierig, das erforderliche Montagespiel von 0,1 mm einzuhalten.
• Der Randbereich ist eine sichtbare Oberfläche der Güteklasse A, die frei von Fehlern sein muss, aber der gesamten Hohlstruktur mangelt es an Steifigkeit, insbesondere im Mittelteil, wo es sehr wahrscheinlich zu Problemen mit der Durchbiegung des Schneidwerkzeugs und zu Vibrationen kommt.
• Die schwache Wandsteifigkeit wirkt sich auch auf die Dimensionskonsistenz des Schnappverschlusses aus, was die Falltestleistung beeinträchtigen kann.

Probleme mit der konventionellen Bearbeitungslösung

Für den Rohling wird Profilmaterial verwendet, wobei den zu bearbeitenden Wandflächen die gleiche Bearbeitungszugabe hinzugefügt wird. Mit einem 3+2-Achsen-Rundtisch werden zunächst die Front- und Umgebungsstrukturen bearbeitet. Nachdem das Teil abgeschnitten wurde, wird eine 3-Achsen-CNC verwendet, um die umgekehrte Struktur zu bearbeiten.

Der Vorteil dieser Lösung ist der „kurze“ Prozess, da nur zwei Schritte erforderlich sind. Allerdings liegen auch die Nachteile und Einschränkungen klar auf der Hand:

Einschränkungen des Ansatzes

• Obwohl der 3+2-Fünf-Achsen-Drehtisch die Möglichkeit zur Mehrflächenbearbeitung bietet, kann er jeweils nur ein Produkt bearbeiten.
• In den meisten Bearbeitungsbetrieben ist die Anzahl der 5-Achsen-Maschinen viel geringer als die der 3-Achsen-Maschinen. Daher ist es aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von 5-Achsen-Maschinen für den Chargenbetrieb schwierig, die Produktionskapazität zu erhöhen.
• Außerdem treten bei diesem Ansatz weiterhin alle bereits erwähnten Bearbeitungsherausforderungen dünnwandiger Teile auf. Ohne Qualität kann die Lieferfähigkeit nicht gewährleistet werden.

Optimierte Bearbeitungslösung

1. Optimierter Bearbeitungsablauf

Die Bearbeitungsreihenfolge wird angepasst an:

• CNC1 (3-Achsen für Frontstruktur)
• CNC2 (4-Achsen für Seitenstruktur)
• CNC3 (3-Achsen für umgekehrte Struktur)

2. Den Rohling verstärken

Im Hohlraum des Rohlings sind drei Verstärkungsrippen angebracht, die eine brückenartige Verbindungsstruktur bilden und für starken Halt bei der Außenbearbeitung sorgen.

3. Vorgebohrtes Befestigungsloch

Um eine Zugstangen-Spannposition für die Zylindervorrichtung bereitzustellen, wird in der Mitte des Rohlings ein kürbisförmiges Loch vorgebohrt, was auch den Automatisierungsgrad der Hebevorgänge der Vorrichtung verbessert.

4. Sichere Teiletrennung

Nachdem CNC3 die Rückseitenbearbeitung abgeschlossen hat, bietet die rot markierte Oberfläche der Vorrichtung Positionierungs- und nach innen gerichtete Stützpunkte, die über den Umfang verteilt sind.

Wenn das Werkstück vom Rohling getrennt werden muss, arbeiten zwei Zylinder:Einer hält den Ausschussbereich, während der andere das fertige Teil trägt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich das fertige Teil nicht bewegt und das Werkzeug beim Trennen nicht durch den Ausschuss beschädigt wird.

5. Verbessern Sie die Produktionseffizienz

Die Bearbeitungsvorgänge, die ursprünglich auf der 3+2-Fünf-Achsen-Maschine durchgeführt wurden, sind jetzt auf CNC1 (drei Achsen) und CNC2 (vier Achsen) aufgeteilt. Dadurch wird die Lieferfähigkeit bei Kleinserien erheblich verbessert, sodass die Tagesleistung 300 % des vorherigen Niveaus erreicht.

Dünnwandige Strukturbauteile sind aufgrund ihrer geringen Steifigkeit und Vibrationsempfindlichkeit schwierig zu verarbeiten. Bei unterschiedlichen Geometrien erfordert jedes Teil oft einen individuellen Ansatz.

Durch die Integration von Profiloptimierung, Prozessplanung und Vorrichtungsdesign stellt dieser Artikel eine praktische Lösung vor, die sowohl die Bearbeitungsqualität als auch die zuverlässige Lieferung von Kleinserien gewährleistet.

WayKen bietet CNC-Bearbeitungsdienstleistungen für Metall- und Kunststoffkomponenten, einschließlich dünnwandiger Strukturen. Durch fortschrittliche Ausrüstung, optimierte Prozesse und strenge Qualitätskontrolle stellt unser Team Genauigkeit und Konsistenz sicher und hilft Kunden dabei, reibungslos vom Prototyping zur Kleinserienproduktion mit zuverlässigen Ergebnissen überzugehen.