Что такое производственный дизайн? Шаги, допуски и оборудование с ЧПУ

Что на самом деле означает производственный дизайн

Производственное проектирование — это этап разработки продукта, на котором концепция преобразуется в реализуемую спецификацию. - набор чертежей, допусков, обозначений материалов и технологических записей, которым может следовать производственный цех, включая оборудование с ЧПУ, формовочные прессы, линии обработки листового металла и сборочные станции, чтобы многократно производить одну и ту же деталь без догадок. Он находится между промышленным дизайном, который решает, как продукт выглядит и ощущается на ощупь, и технологией производства, которая решает, как его производить в больших масштабах. Проектирование производства отвечает на один практический вопрос: может ли эта деталь быть надежно изготовлена ​​с запланированной себестоимостью с использованием тех инструментов, которые действительно имеются в цеху?

На практике производственный дизайн затрагивает почти каждое решение, которое формирует деталь еще до того, как она попадет на станок. Толщина стенки, расположение отверстий, угловые радиусы, углы уклона, обозначения шероховатости поверхности и диапазон допуска по каждому размеру не являются произвольным выбором — это решения, принимаемые с учетом конкретного процесса. Кронштейн, предназначенный для 5-осевой ячейки оборудования с ЧПУ, будет отличаться от такого же кронштейна, предназначенного для гибки листового металла, даже если обе версии выполняют одну и ту же функцию.

Результатом производственного проекта обычно является пакет документации, а не один чертеж. Этот пакет обычно включает в себя:

• Двухмерный чертеж с размерами и блоком допусков, охватывающим общие и критические размеры.
• Файл 3D-модели, обычно в формате STEP или собственном формате САПР, используемый непосредственно программным обеспечением для программирования оборудования с ЧПУ.
• Спецификация материала, включая сплав или марку, состояние и любую термическую обработку.
• Требования к качеству поверхности для каждой грани или элемента, для которых требуется нечто большее, чем просто обработанная поверхность.
• Примечания к процессу, включающие ссылки на крепления, базовые поверхности и точки контроля.

Без этого пакета оператор, работающий оборудование с ЧПУ приходится угадывать намерения, что приводит к списанию деталей, повторным циклам ценообразования и допускам, которые либо слишком велики для функционирования, либо слишком малы для экономичного производства.

Четыре столпа надежного производственного дизайна

Большинство решений по проектированию производства делятся на четыре пересекающиеся категории. Относиться к ним как к контрольному списку на ранних этапах проекта, а не исправлять их после того, как первая партия деталей окажется неправильной, — вот разница между плавным наращиванием производства и дорогостоящим циклом модернизации.

Дизайн для технологичности

Проектирование с учетом технологичности означает формирование геометрии так, чтобы она соответствовала тому, что хорошо работает в процессе. Для оборудования с ЧПУ это означает предпочтение характеристикам, которые стандартный режущий инструмент может достичь напрямую: открытые карманы вместо глубоких глухих полостей, равномерная толщина стенок и внутренние углы с радиусом, соответствующим имеющейся концевой фрезе, а не с идеально острым углом в девяносто градусов.

Проектирование для сборки

Проектирование сборки учитывает, как отдельные детали собираются вместе. Производственная конструкция, которая уменьшает количество типов крепежных изделий, стандартизирует размеры отверстий во всем семействе продуктов и ориентирует детали так, чтобы их можно было только правильно собрать, сокращает как время сборки, так и вероятность неправильной сборки на линии.

Анализ сложения допусков

Каждый размер имеет допуск, и допуски суммируются по всей сборке. Производственный проект, в котором жесткие допуски установлены для каждого размера, а не только для тех, которые влияют на посадку или функциональность, увеличивает время цикла оборудования с ЧПУ и затраты на проверку, не улучшая при этом конечный продукт.

Сочетание материалов и процессов

Одинаковую геометрию можно получить из алюминия на станке с ЧПУ, из цинка посредством литья под давлением или из стали посредством штамповки. При проектировании производства решается, какая пара соответствует варианту нагрузки детали, требованиям к отделке и объему производства — и это решение должно быть принято до начала оснастки или программирования, а не после.

Почему оборудование с ЧПУ определяет так много решений при проектировании производства

Оборудование с ЧПУ, то есть фрезерные станки с числовым программным управлением, токарные станки и многоосные обрабатывающие центры, часто является первым процессом, которому должен соответствовать производственный проект, даже если окончательным методом производства будет литье, формование или штамповка. Прототипы, оснастка для мостов и мелкосерийные работы почти всегда выполняются на оборудовании с ЧПУ, поэтому конструкция, противоречащая возможностям ЧПУ, увеличивает стоимость на самой ранней и самой дорогой стадии проекта.

Карман, обработанный концевой фрезой диаметром 6 мм, не может иметь внутренний угловой радиус менее 3 мм. Указание острого внутреннего угла на детали, обработанной на станке с ЧПУ, требует использования инструмента меньшего размера, более низкой скорости подачи и во многих случаях отдельной операции. просто чтобы очистить материал, который оригинальный инструмент не мог достать.

Количество осей — еще одно ограничение, которое учитывается при хорошем производственном проектировании на ранних стадиях. Установка 3-осевого оборудования с ЧПУ может обрабатывать деталь только в одном направлении для каждого приспособления. Обработка элемента на противоположной стороне означает разжатие, переворачивание и повторное привязывание детали, что увеличивает время наладки и приводит к ошибке выравнивания. Ячейка 5-осевого оборудования с ЧПУ может обрабатывать несколько сторон за одну установку, поэтому детали с элементами на нескольких сторонах часто перепроектируются, где это возможно, для консолидации операций, а не просто передаются в 3-осевой цех как есть.

Рабочий диапазон, максимальный размер детали, которую может вместить данная машина, также учитывается при проектировании производства. Деталь, длина которой на несколько миллиметров превышает стандартный размер стола оборудования с ЧПУ, возможно, придется разделить на два компонента и соединить позже, что меняет всю стратегию сборки. Проектировщики, которые перед окончательным определением размеров проверяют пределы размеров по вероятным спецификациям оборудования с ЧПУ, избегают такого рода редизайна на поздней стадии.

Рабочий процесс производственного проектирования от концепции до запуска производства

Проектирование производства редко происходит за один проход. Он проходит через последовательность этапов, каждый из которых добавляет детали и каждый является контрольной точкой, где дизайн можно скорректировать, прежде чем его изменение станет дорогостоящим. В таблице ниже показана типичная последовательность обработки детали, которая в конечном итоге будет выполняться на оборудовании с ЧПУ, с примечанием о том, что меняется на каждом этапе.

Каждый из этих этапов производит что-то, от чего зависит следующий этап. Например, пропуск прохода DFM часто означает, что прототип работает на поверхностях оборудования с ЧПУ, например, недоступные внутренние элементы, которые должны были быть обнаружены на экране, а не на станке.

Выбор материала на этапе производственного проектирования

Выбор материала является одним из самых ранних и наиболее важных решений при проектировании производства, поскольку он определяет, как деталь ведет себя под нагрузкой, как она выглядит и насколько эффективно ее можно разрезать на оборудовании с ЧПУ. В таблице ниже сравниваются пять материалов, которые часто встречаются при обработке на станках с ЧПУ, с общими сведениями о обрабатываемости и о том, где каждый из них подходит.

Общее правило, которому следуют при проектировании производства, заключается в выборе самого мягкого и стабильного материала, который по-прежнему соответствует требованиям к прочности, коррозии и внешнему виду детали. Более мягкие материалы быстрее разрезаются на оборудовании с ЧПУ, вызывают меньший износ инструмента и обеспечивают более строгий контроль размеров. потому что они меньше отклоняются под действием силы резания. Переход детали из нержавеющей стали на алюминий, когда это позволяет применение, может заметно сократить время обработки, а также сократить частоту замены инструмента.

Шесть привычек производственного проектирования, которые замедляют программирование оборудования с ЧПУ

Некоторые конструктивные решения выглядят безобидными на чертеже, но превращаются в длительные сеансы программирования, медленное время цикла или дополнительные настройки, когда деталь попадает в цех оборудования с ЧПУ. В списке ниже представлены привычки, которые чаще всего возникают во время проверки дизайна.

1. Глубокие, узкие карманы с соотношением глубины к ширине более четырех к одному, для которых требуются длинные гибкие инструменты, которые прогибаются и дребезжат во время резки.
2. Острые внутренние углы на элементах карманов, которые невозможно получить с помощью круглого режущего инструмента без оставления материала или перехода на инструмент гораздо меньшего размера.
3. Неодинаковые размеры отверстий в семействе деталей, что вынуждает оператора оборудования с ЧПУ загружать и индексировать дополнительные инструменты для повторяемой операции.
4. Жесткие допуски применяются к каждому размеру на чертеже, а не только к тем, которые контролируют посадку, что увеличивает время проверки и процент брака без функционального преимущества.
5. Элементы, расположенные на нескольких гранях детали, предназначенной для установки 3-осевого оборудования с ЧПУ, что приводит к необходимости многократного разжима и повторной привязки, а также увеличивает вероятность несоосности.
6. Тонкие, не имеющие опоры стенки из металла толщиной менее 1 мм, которые прогибаются под давлением резания и образуют детали, не соответствующие размерам модели после снятия с приспособления.

Ни одну из этих проблем нетрудно устранить, если они обнаружены во время проверки производственного проекта. Стоимость каждого из них растет по мере того, как позднее они обнаруживаются. Угловой радиус — это пятиминутное редактирование модели перед выпуском, но это может означать списание партии и повторную резку после того, как детали уже прошли программу оборудования с ЧПУ.

Соответствие выбора производственного проекта объему производства

Правильный производственный проект для десяти деталей редко бывает правильным проектом для десяти тысяч. Объем меняет то, какой процесс имеет экономический смысл, и какие правила проектирования имеют наибольшее значение. Приведенное ниже сравнение показывает, как меняются приоритеты в трех общих диапазонах объемов.

Распространенной ошибкой является проектирование детали так, как будто она всегда будет обрабатываться на оборудовании с ЧПУ, даже если производственный план предусматривает литье или формование в больших объемах. Элементы, которые легко добавить в программу ЧПУ, такие как острый внутренний угол или подрез, могут сделать литейную матрицу намного более дорогой или сделать ее невозможной для аккуратного освобождения. Производственный дизайн, который предвидит скачок объема от прототипа к производству, позволяет избежать повторной реорганизации при изменении процесса.

Допуски и качество поверхности: где производственный дизайн соответствует возможностям оборудования с ЧПУ

Обозначения допусков и качества поверхности — это те области, где производственный дизайн напрямую связан с возможностями оборудования с ЧПУ. Каждое затягивание поля допуска и каждое уменьшение шероховатости поверхности увеличивает машинное время, часто за счет более низких скоростей подачи, дополнительных чистовых проходов или полной отдельной операции. В таблице ниже общие классы допусков сопоставлены с тем, что стандартное оборудование с ЧПУ обычно может выдерживать без вторичной обработки.

Практический вывод при проектировании производства заключается в том, чтобы зарезервировать тонкие и прецизионные ряды для тех размеров, которые действительно в них нуждаются, например, для отверстия подшипника или сопрягаемой поверхности, а для всего остального по умолчанию использовать средний класс. Чертеж, в котором каждый размер выдерживается с точностью плюс-минус 0,05 мм, посылает в цех оборудования с ЧПУ тот же сигнал, что и чертеж без каких-либо допусков. : магазин не может определить, какие размеры действительно имеют значение, поэтому ему приходится относиться ко всем из них так, как будто они имеют значение.

Контрольный список перед отправкой файлов производственного проекта в цех оборудования с ЧПУ

Прежде чем пакет производственного проекта будет отправлен на коммерческое предложение или в производство, в ходе короткой проверки выявляются проблемы, которые в противном случае превращаются в электронные письма с разъяснениями, задержки ценового предложения или первую партию, требующую доработки. В приведенном ниже контрольном списке перечислены элементы, которые возникают наиболее часто.

1. Убедитесь, что 3D-модель и 2D-чертеж точно совпадают, включая любые изменения, внесенные в последнюю минуту в один, но не в другой.
2. Убедитесь, что радиусы внутренних углов достаточно велики для стандартного диаметра концевой фрезы относительно глубины кармана.
3. Убедитесь, что жесткие допуски применяются только к размерам, которые влияют на посадку, функцию или сборку.
4. Подтвердите, что в обозначении материала указаны марка, состояние и необходимая термообработка.
5. Перечислите требования к качеству поверхности для конкретных граней или элементов, а не оставляйте всю деталь неуказанной.
6. Определите исходные поверхности и справочную геометрию, которую приспособление оборудования с ЧПУ будет использовать для выравнивания.
7. Обратите внимание на все функции, требующие доступа более чем с одной стороны, чтобы мастерская могла спланировать настройку или при необходимости предложить 5-осевую ячейку оборудования с ЧПУ.
8. Проверьте толщину стенки выбранного материала, чтобы убедиться, что детали сохранят свои размеры после механической обработки.

Пакет производственного проектирования, учитывающий каждый из этих пунктов, прежде чем он попадет в цех оборудования с ЧПУ, обычно быстрее проходит процедуру ценообразования, возвращается с меньшим количеством запросов на разъяснения и производит первые детали, соответствующие модели, с первой попытки.