Análisis DFM para el mecanizado CNC de una pieza de aluminio con cavidad compleja

En la industria manufacturera, el Diseño para la Fabricación (DFM) desempeña un papel importante en la optimización de los procesos de producción y la minimización de costes. Sirve como un puente fundamental entre el diseño y la producción, garantizando una transición fluida desde el prototipado hasta la producción en masa.

Tomando como ejemplo una pieza de aluminio con cavidad típica, este artículo analiza su DFM desde una perspectiva de mecanizado y aborda cómo optimizar la eficiencia de producción y lograr el control de calidad.

Descripción general del proyecto

El producto es una pieza de cavidad grande con dimensiones de 328×272×87,5 mm. Fabricado con material AL6061, este componente presenta aletas en su superficie A para la disipación del calor. Hay dos orificios profundos (superficies de orificio en naranja) en la parte frontal y trasera como canales de circulación de refrigerante, formando un circuito a través de pequeñas cavidades en la superficie B (superficie naranja). La cavidad interna está ahuecada principalmente para proporcionar espacio de montaje a otros componentes. Y los orificios roscados y los pilares distribuidos en el exterior y dentro de la cavidad sirven como fijaciones para el montaje de otras piezas.

Además, la pieza utiliza mecanizado CNC durante las etapas de prototipo y producción de lotes pequeños, mientras que para la producción en masa se emplea la fundición a presión combinada con mecanizado CNC. A continuación, compartiremos las soluciones de diseño para la fabricabilidad de esta pieza en el mecanizado CNC desde las perspectivas del diseño estructural y las tolerancias.

Análisis del diseño estructural

Dado que la producción en masa de este componente implica fundición a presión combinada con mecanizado CNC, el diseño inicial del diseñador se basa en la fundición a presión. Sin embargo, durante las etapas de verificación de ingeniería y producción de lotes pequeños, el uso exclusivo del mecanizado CNC hace que algunas estructuras no sean del todo adecuadas para este método.

Pilares roscados en la superficie A y limitaciones de las herramientas

Los pilares roscados de la superficie B se extienden hasta la superficie A, con múltiples estructuras estrechas y profundas entre ellos. Para mecanizar completamente estas zonas, se requieren herramientas especialmente esbeltas de pequeño diámetro, pero la personalización de esta herramienta supera el límite de lo que puede fabricarse.

Además, su rigidez es demasiado débil durante el mecanizado, lo que provoca problemas como el traqueteo de la herramienta. Por lo tanto, tras comunicarnos con el cliente, solo se utilizaron herramientas generales esbeltas de pequeño diámetro para el achaflanado, y los pilares roscados de la superficie A no penetran completamente hasta las aletas.

Estructuras estrechas en la cavidad de la superficie B

La dimensión de profundidad de los pilares roscados en la cavidad de la superficie B es grande, y el espacio con las superficies adyacentes forma un espacio estrecho, lo que hace que la dificultad de mecanizado sea similar a la mencionada en el punto 1. De este modo, existen ciertas diferencias entre el resultado práctico del mecanizado y el modelo 3D.

Radios de esquina interna y ángulos de desmoldeo en las cavidades

Hay muchos radios de esquina interna en la cavidad de la superficie B. Según el proceso de fundición a presión, los radios de esquina de cavidades profundas combinados con ángulos de desmoldeo pueden lograrse fácilmente. Sin embargo, en el mecanizado CNC, el tamaño del radio R en las esquinas depende del diámetro de la herramienta seleccionada para el acabado o el achaflanado.

Por lo general, recomendamos controlar la relación entre el valor límite del radio de esquina y la profundidad dentro de 10 veces. Para este componente, la relación alcanza aproximadamente 40 veces en el punto más profundo. Por lo tanto, es necesario aumentar el radio R durante el mecanizado real.

Si realmente se adopta un diseño con una relación extrema, también se recomienda añadir un ángulo de desmoldeo de 3° o más en el mecanizado CNC. Esto puede formar una estructura más ancha en la parte superior y más estrecha en la inferior, lo que facilita la evacuación de virutas y la rigidez de mecanizado de la herramienta CNC.

Diseño de redondeos en las ranuras

Este componente de cavidad presenta diseños de redondeo en la parte superior e inferior de algunas ranuras. Los diseños de redondeo no suponen ningún problema para el proceso de fundición a presión, pero en el mecanizado CNC pertenecen al mecanizado 3D, lo que aumenta la dificultad y el tiempo de mecanizado. Para la misma estructura, si puede procesarse como una estructura regular, se puede generar una trayectoria de herramienta 2D, y la eficiencia de mecanizado será mucho mayor que la del mecanizado 3D. Por lo tanto, a menudo recomendamos a los diseñadores que procesen estas estructuras como estructuras regulares para mejorar la eficiencia.

En conclusión, desde la perspectiva y la experiencia del mecanizado, para los diseños estructurales que necesitan ajustes, los ingenieros de Sendot Technology se comunican plenamente con nuestros clientes para realizar las optimizaciones necesarias, garantizando al mismo tiempo que el montaje y la funcionalidad no se vean afectados.

Definir las especificaciones de tolerancia para la producción

En el diseño inicial de nuevos productos, debido a la falta de referencia de productos maduros, los diseñadores a menudo especifican las dimensiones y tolerancias de forma demasiado estricta. El plano 2D de este componente contiene 267 dimensiones controladas, distribuidas en cinco páginas.

Tras un cuidadoso análisis por parte de los ingenieros de Sendot Technology, comprendemos plenamente que un control dimensional estricto es necesario para las piezas mecanizadas, pero basta con controlar razonablemente solo las dimensiones críticas. Esto garantiza la calidad al tiempo que se considera asequible.

Por lo tanto, mediante una comunicación profunda con nuestro cliente, todos acordamos conservar las dimensiones funcionales relacionadas con el montaje como dimensiones de inspección obligatoria y convertir aproximadamente 2/3 de las dimensiones en dimensiones de referencia.

Estrategias de medición y garantía de calidad

Entonces, ¿cómo garantizamos la fiabilidad de la calidad al tiempo que simplificamos el número total de dimensiones de inspección?

Determinar y medir las dimensiones de inspección obligatoria

Basándonos en las categorías de dimensiones, desarrollamos una tabla de especificaciones de la operación de inspección, especificando las herramientas y métodos de inspección para cada dimensión. Cuando el número de piezas es relativamente pequeño, la máquina de medición por coordenadas (CMM) es la herramienta y el método de medición principal. Ofrecen capacidades de medición completas y son muy adecuadas para piezas con una cantidad pequeña y muchas dimensiones.

Simulación y comparación real

Se utiliza software CAM para una simulación detallada antes del mecanizado con el fin de confirmar la ausencia de sobrecortes o estructuras faltantes. Una vez finalizado el mecanizado, el producto físico se compara con el plano 3D una a una para verificar la integridad estructural y comprobar por muestreo algunas dimensiones de referencia.

Al combinar inspecciones obligatorias estrictas con inspecciones flexibles de dimensiones de referencia, Sendot Technology garantiza la calidad al tiempo que mejora la eficiencia para esta pieza de cavidad grande y profunda.

Conclusión

Este componente de cavidad tiene una estructura compleja, con una tasa de eliminación de material tan alta como el 92%, un largo tiempo de mecanizado, altos costes y numerosas dimensiones que controlar. Gracias a sus capacidades y experiencia de mecanizado profesional, Sendot Technology se comunica activamente con los clientes y realiza algunos ajustes razonables en algunas características estructurales y dimensiones de medición basándose en las características del mecanizado CNC. Logra tanto la rentabilidad como la garantía de calidad. Esperamos que este artículo le aporte conocimientos sobre el puente entre el diseño y la fabricación.