您所在位置：你如何加工相同的零件？本文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(guò)程中如何變化。它討論了制造商為補償變化而進(jìn)行的優(yōu)化，并為工程師提供了在為功能原型、裝配或生產(chǎn)創(chuàng )建零件時(shí)應使用的流程。
重復性簡(jiǎn)介
當擴大生產(chǎn)用零件時(shí)，終端客戶(hù)的默認期望是相同設計的零件在每個(gè)單元上具有一致的尺寸和特征。換言之，生產(chǎn)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(gè)制造商都在一定的可重復性范圍內運行，即一個(gè)零件與具有相同設計和規格的另一個(gè)零件的外觀(guān)程度。重復性是定性和定量的。前者是對制造或著(zhù)色不一致的目視檢查，后者是對生產(chǎn)零件的預期公差范圍的測量。
現在需要重復嗎？
開(kāi)始之前的快速說(shuō)明：在確定使用什么材料和制造過(guò)程之前，請考慮項目的發(fā)展過(guò)程的階段。當使用早期原型時(shí)，可重復性的級別就不那么重要了。事實(shí)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(guò)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(guān)注功能原型、裝配零件和生產(chǎn)準備零件的精度公差和可重復性。
基于工藝和材料實(shí)現可重復性
在尋求一定程度的可重復性時(shí)，材料和制造工藝是兩個(gè)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(chǎn)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(gè)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(zhù)更精確的可重復性。但塑料的柔韌性在裝配時(shí)可能是一個(gè)優(yōu)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(guò)使用特殊工具、夾具和機器優(yōu)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(cháng)度、寬度、高度、直徑）和位置（位置、同心度、對稱(chēng)性）“+/- 0.005”的特征。 |
鈑金加工 | “+/- 0.005”到“+/- 0.030”取決于單個(gè)平面或多個(gè)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”或“+/- 0.003”，以較大者為準。 |
注塑成型 | 加工模具時(shí)模腔公差為“+/- 0.005”，計算收縮率時(shí)每英寸額外“+/- 0.002”。 |
公差如何在不同過(guò)程中變化
在每個(gè)制造過(guò)程中，各種因素都會(huì )影響不同制造過(guò)程中零件的相同性或可重復性。這些決定了每個(gè)過(guò)程的公差范圍。
影響3D打印公差的因素
3D打印通常通過(guò)逐層將材料熔合在一起以生成最終形狀來(lái)構建零件。制造商通過(guò)調整構建設置和工藝參數實(shí)現精確的可重復性。CAD修改也有助于改進(jìn)產(chǎn)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(chǎn)后冷卻時(shí)，或者原材料中存在足以使零件變形的內應力，就會(huì )發(fā)生彎曲。 | 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(lái)說(shuō)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(huì )影響結果。 |
溫度 | 構建中的溫差會(huì )導致打印結果發(fā)生變化。 | 構建板上的其他零件會(huì )導致溫度升高，而構建板上的較少零件會(huì )導致溫度下降。這些熱變化會(huì )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(huì )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(huì )影響材料熔合的程度，從而導致較厚的邊緣以及冷卻過(guò)程中可能導致偏轉的零件應力。 |
幾何學(xué) | 與溫度和建筑密度背后的原理類(lèi)似，截面較厚的零件在這些區域的保溫時(shí)間將比較薄的幾何體更長(cháng)。這可能會(huì )導致標準印刷品的收縮率發(fā)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(shí)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(huì )顯著(zhù)影響其結果。大多數3D打印過(guò)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(guò)程中創(chuàng )建懸垂幾何體。與無(wú)支撐結構的特征相比，這可能會(huì )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(chuàng )建每層的標準打印時(shí)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(dòng)移除支撐結構，并在連接支撐的地方留下一個(gè)小突起網(wǎng)格。 |
制造商如何實(shí)現一致的3D打印公差
這并不是說(shuō)3D打印部件非常不可靠。制造商在零件上機生產(chǎn)之前，都會(huì )對機器進(jìn)行校準，以確保能夠生產(chǎn)出符合特定CAD尺寸的零件。標準化和校準工業(yè)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(shù)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(gè)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(yè)3D打印平臺使用傳感器自動(dòng)跟蹤和加熱特定區域，以幫助平衡熱失衡。
制造商用來(lái)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(xiàn)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(lái)實(shí)現可重復的零件？
在使用 3D 打印時(shí)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)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(gè)甚至數百個(gè)零件上做到這一點(diǎn)。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(gè) 3D 打印過(guò)程以不同方式構建零件，因此必須針對特定過(guò)程校準CAD 設計以實(shí)現關(guān)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(wù)必在備注部分指定零件方向和任何關(guān)鍵特征，以確保每個(gè)零件與下一個(gè)零件相同。
當使用3D打印時(shí)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)校準的打印機將在一般公差范圍內實(shí)現零件的準確凈形狀，并且可以在數十個(gè)甚至數百個(gè)零件上實(shí)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(gè)3D打印過(guò)程構建零件的方式不同，因此必須根據特定過(guò)程校準CAD設計，以實(shí)現關(guān)鍵尺寸。最終，3D打印是一個(gè)很好的選擇，可以放大需要較少?lài)栏窆畹牧慵?，但請確保在“注釋”部分中指定零件方向和任何關(guān)鍵特征，以確保每個(gè)零件與下一個(gè)零件相同。
影響CNC加工公差的因素
一般來(lái)說(shuō)，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(chǎn)的特征保持著(zhù)嚴格的控制。機械師在每次作業(yè)前使用基于坐標的g代碼對機器進(jìn)行編程，并且可以停止機器進(jìn)行過(guò)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(huì )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(shí)間在不同的機器上重新創(chuàng )建設置，零件可能會(huì )有所不同。 | 零件可以在3軸機床上創(chuàng )建為原型。當零件以更大的數量重新訂購用于生產(chǎn)時(shí)，并且這些零件是在更高效的5軸機床上創(chuàng )建的，這將引入不同的刀具路徑，并將略微改變零件的外觀(guān)。 |
刀具磨損 | 刀具磨損或不那么鋒利可能會(huì )導致零件特征發(fā)生輕微變化。 | 零件表面的線(xiàn)性不規則可能表明刀具磨損，以及在過(guò)程檢查期中發(fā)現的尺寸不規則。 |
手工整理 | 噴砂、涂層和安裝嵌件等手動(dòng)過(guò)程可能會(huì )因噴砂粒度、涂層厚度等不同而產(chǎn)生變化。 | 機械師在噴砂時(shí)握住零件時(shí)可能會(huì )留下“拇指印”，他們的拇指會(huì )遮住表面的一部分。精加工方面的標準和最佳實(shí)踐有助于緩解這些差異，并使用同一供應商進(jìn)行后加工精加工。 |
如何實(shí)現一致的CNC加工公差
制造商可以通過(guò)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(guò)程中，經(jīng)常會(huì )發(fā)現刀具磨損，如果磨損嚴重，導致偏離客戶(hù)規范，則會(huì )更換刀具。
為了減少外觀(guān)和測量偏差，工程師可以通過(guò)圖紙和注釋傳達可接受的變化水平?？蛻?hù)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(lái)獲得可重復的零件？
當使用CNC加工時(shí)，零件的公差變化大概率比3D打印零件要小。由于前期加工過(guò)程中的可變性較小，并且能夠指定高度復雜的檢查選項，零件的功能和外觀(guān)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(gè)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(lǐng)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(chēng)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(gè)相同的零件。該模具通常由金屬制成，通過(guò)多次切削和調整來(lái)完善。一旦您有了最終的工具，它可以使零件具有極高的精度“+/-0.004”或更好。這個(gè)過(guò)程是可重復的，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(huì )在零件完全相同的位置上顯示。
像3D打印和CNC加工一樣，各種因素都會(huì )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(jìn)行調整，例如進(jìn)入模具的熔融塑料注射量、工具合模 注塑過(guò)程使用同一工具，該工具根據特定的機器參數進(jìn)行調整，例如進(jìn)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(chǎn)停止并在另一時(shí)間重新開(kāi)始，這些參數將保持不變。 | 注射量和注射壓力都會(huì )影響成型零件中特征的分解方式。例如，低壓會(huì )導致短射，這意味著(zhù)沒(méi)有足夠的材料注入模具，從而導致不完整的特征。生產(chǎn)設置的一部分是進(jìn)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(dòng)流程 | 注塑成型可以結合手動(dòng)過(guò)程，例如手動(dòng)加載插入件或手動(dòng)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(chǎn)運行，流道需要手動(dòng)移除。通常這是用手工工具完成的。在大批量生產(chǎn)中，這可以通過(guò)改用熱流道澆口來(lái)緩解，無(wú)需手動(dòng)修整。 |
刀具磨損 | 模制研磨材料的工具會(huì )在工具的特征上留下磨損。這通?？梢栽跐部趨^域周?chē)业?，在那里材料以非常高的壓力注入?/span> | 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(chǎn)模具采用更硬的材料制造，從而緩解了這一問(wèn)題。 |
物質(zhì)條件 | 材料條件，從顆粒均勻性到濕度水平，會(huì )影響它在熔化和注入零件腔時(shí)的表現。 | 許多塑料會(huì )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(jiàn)條紋，甚至影響整個(gè)零件填充。成型前干燥原料可以防止這種變化。 |
如何實(shí)現一致的注塑公差
如果工具是新創(chuàng )建的，則可使用生產(chǎn)運行樣本進(jìn)行驗證，也稱(chēng)為 T1 測試。當一個(gè)工具可以從一個(gè)模具中創(chuàng )建10個(gè)好零件時(shí)，該工具被批準。當機器重置以進(jìn)行后續運行時(shí)，通常會(huì )使用相同的工具bio將一個(gè)原始樣品作為模板，以對照新批次進(jìn)行檢查。此外，由于一次注射成型可能需要數千個(gè)零件，因此該批次的每個(gè)零件幾乎都保證外觀(guān)相同。
原則：您應該使用注塑成型來(lái)獲得可重復的零件嗎？
總的來(lái)說(shuō)，注射成型仍然是最可重復的制造過(guò)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(jìn)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(pán)到儀表板，都是注塑成型的，這意味著(zhù)所有產(chǎn)品都能正常工作、合適，并且易于大規模生產(chǎn)。
創(chuàng )建高度相同的定制零件的秘訣
最終，實(shí)現可重復性可以歸結為幾個(gè)關(guān)鍵概念。每一個(gè)制造過(guò)程都有復雜之處，需要專(zhuān)門(mén)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(guān)鍵特征，并優(yōu)化特定制造工藝的零件設計。一般來(lái)說(shuō)，最可重復和最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(kāi)發(fā)過(guò)程中所處的位置，其次是零件的應用和所需材料。
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