CNC-koneistuksella voidaan valmistaa erittäin tarkkoja komponentteja, mutta mittatarkkuus ei aina säily muuttumattomana sen jälkeen, kun työstökone pysähtyy.

Osa voi olla koneessa täysin toleranssissa, mutta taipua, kiertyä, kaareutua tai muuttaa mittojaan sen jälkeen, kun se irrotetaan kiinnityksestä, jäähtyy, lämpökäsitellään tai pintakäsitellään.

Tätä ilmiötä kutsutaan koneistuksen aiheuttamaksi muodonmuutokseksi eli deformoitumiseksi.

Useimmiten CNC-osien deformoituminen johtuu siitä, että materiaalissa olevien jäännösjännitysten tasapaino muuttuu materiaalin poiston yhteydessä. Myös koneistuksessa syntyvä lämpö, liian suuret lastuamisvoimat, voimakas kiinnitys, ohuet seinämät ja väärä koneistusjärjestys voivat lisätä muodonmuutosta huomattavasti.

Ilmiön ymmärtäminen on erityisen tärkeää tarkkuuskomponenteissa, kuten suurissa levyissä, ohuissa koteloissa, renkaissa, pitkissä akseleissa ja osissa, joille on määritetty tiukat tasomaisuus-, sijainti- tai mittatoleranssit.

MegaMETA tarjoaa CNC-koneistuspalveluja prototyypeistä sarjatuotantoon, mukaan lukien CNC-jyrsintä, CNC-sorvaus ja tarkkuushionta.

Mikä aiheuttaa CNC-osien deformoitumisen?

Yleisimmät syyt ovat:

raaka-aineessa olevat jäännösjännitykset
koneistuksessa syntyvä lämpö
materiaalin epätasainen poistaminen
liian suuri kiinnitysvoima
ohuet tai heikosti tuetut rakenteet
väärä koneistusjärjestys
materiaalin heikko mittastabiilius
lämpökäsittely
liian pieni viimeistelyvara
lämpötilaerot koneistuksen ja mittauksen välillä

Usein muodonmuutos ei johdu yhdestä ainoasta tekijästä, vaan useiden vaikutusten yhdistelmästä.

Esimerkiksi ohut alumiinilevy voi sisältää jo valmiiksi valssauksesta syntyneitä jäännösjännityksiä. Jos suurin osa materiaalista poistetaan vain toiselta puolelta, jännitykset vapautuvat epäsymmetrisesti.

Jos levy lisäksi pakotetaan voimakkaasti tasoa vasten kiinnityksen aikana, se voi näyttää koneistuksen aikana täysin suoralta. Kun kiinnittimet avataan, osa palautuu omaan tasapainotilaansa ja voi kaareutua.

Tällöin CNC-kone ei välttämättä ole tehnyt virhettä. Osa on muuttanut muotoaan koneistuksen jälkeen.

1. Raaka-aineen jäännösjännitykset

Jäännösjännitykset ovat yksi merkittävimmistä CNC-koneistettujen osien deformoitumisen syistä.

Niitä voi syntyä esimerkiksi:

valssauksessa
taonnassa
pursotuksessa
valussa
hitsauksessa
lämpökäsittelyssä
suoristuksessa

Materiaali voi näyttää täysin suoralta ja vakaalta, vaikka sen sisällä olisi huomattavia jännityksiä.

Nämä jännitykset ovat tasapainossa niin kauan kuin materiaalin rakennetta ei muuteta.

Kun CNC-koneistus poistaa materiaalia, myös jännitysten tasapaino muuttuu.

Jos esimerkiksi levystä poistetaan 5 mm toiselta puolelta mutta vain 1 mm toiselta, jäljelle jäävän materiaalin jännitysjakauma voi muuttua epäsymmetriseksi.

Tämän seurauksena osa voi:

taipua
kiertyä
kaareutua
muuttua soikeaksi
menettää tasomaisuutensa
muuttaa kokonaismittojaan

Mitä suurempi osa alkuperäisestä materiaalista poistetaan, sitä suurempi muodonmuutosriski yleensä on.

2. Miksi osa muuttuu kiinnityksen avaamisen jälkeen?

Kiinnitys voi väliaikaisesti peittää kappaleessa olevan muodonmuutoksen.

Ajatellaan esimerkiksi hieman kaarevaa alumiinilevyä, joka kiinnitetään tasaiselle koneistuspöydälle.

Kiinnittimet pakottavat levyn suoraksi.

CNC-koneistaa pinnan samalla, kun kappale on pakotettuna tähän asentoon.

Kun kiinnittimet poistetaan, materiaalin sisäiset voimat pääsevät jälleen vaikuttamaan.

Levy voi nousta tai kaareutua.

Tätä ilmiötä kutsutaan usein takaisinjoustoksi.

Siksi erittäin tiukoissa toleransseissa komponentin mittaaminen voimakkaasti kiinnitettynä ei välttämättä kerro, mikä sen todellinen geometria on vapaassa tilassa.

3. Epätasainen materiaalin poisto

Suuren materiaalimäärän poistaminen vain yhdeltä puolelta kasvattaa deformoitumisriskiä.

Esimerkiksi 30 mm paksu alumiinilevy voi olla tarkoitus koneistaa 20 mm:n lopulliseen paksuuteen.

Jos lähes kaikki 10 mm poistetaan yhdeltä pinnalta, materiaalissa olevien jäännösjännitysten tasapaino voi muuttua voimakkaasti.

Mittastabiilimpi koneistusstrategia voi olla esimerkiksi:

koneista puolta A
käännä kappale
koneista puolta B
anna kappaleen stabiloitua
viimeistele puoli A
viimeistele puoli B

Tämä ei poista kaikkia jäännösjännityksiä, mutta niiden vapautuminen tapahtuu tasaisemmin.

Tarkkuuskoneistuksessa koneistusjärjestys voi olla lähes yhtä tärkeä kuin itse CNC-koneen tarkkuus.

4. CNC-koneistuksessa syntyvä lämpö

Lastuaminen tuottaa lämpöä kitkan ja materiaalin plastisen muodonmuutoksen seurauksena.

Lämpöä siirtyy:

työkaluun
lastuihin
työkappaleeseen
koneen rakenteisiin

Kun kappale lämpenee, se laajenee.

Kun se myöhemmin jäähtyy, se kutistuu takaisin.

Tavallisissa koneistustoleransseissa muutos voi olla merkityksetön, mutta tarkkuuskoneistuksessa jo muutaman asteen lämpötilaero voi vaikuttaa mittaustulokseen.

Lämpölaajeneminen voidaan arvioida kaavalla:

ΔL = α × L × ΔT

missä:

ΔL = mitan muutos
α = materiaalin lämpölaajenemiskerroin
L = kappaleen pituus
ΔT = lämpötilan muutos

Alumiini reagoi lämpötilaan erityisen voimakkaasti suhteessa moniin teräksiin.

Esimerkki: lämpötilan vaikutus alumiiniosaan

Oletetaan, että alumiiniosan pituus on noin 500 mm.

Jos kappaleen lämpötila muuttuu 10 °C, mittamuutos voi olla noin:

0,115 mm

tarkasta alumiiniseoksesta riippuen.

Tämä on huomattavasti enemmän kuin esimerkiksi ±0,02 mm:n toleranssi.

Se ei tarkoita, etteikö alumiinia voisi koneistaa erittäin tarkasti.

Se tarkoittaa, että lämpötila on otettava huomioon, kun toleranssit muuttuvat erittäin tiukoiksi.

5. Ohuet seinämät ja pohjat

Ohuet rakenteet kuuluvat vaikeimpiin CNC-koneistettaviin geometrioihin.

Paksu metallikappale on jäykkä.

1–2 mm paksu seinämä ei ole.

Ohut rakenne voi deformoitua esimerkiksi:

lastuamisvoiman
kiinnitysvoiman
jäännösjännityksen
värähtelyn
lämpölaajenemisen
riittämättömän tuennan

vuoksi.

Työkalu voi jopa painaa ohutta seinämää hieman pois paikaltaan koneistuksen aikana.

Kun työkalu poistuu, seinämä palautuu.

Tämän seurauksena voi syntyä:

väärä seinämäpaksuus
kartiomaisuus
aaltoilu
heikko tasomaisuus
mittavaihtelua

Sama ongelma voi esiintyä syvissä taskuissa, joissa pohjamateriaalia jää vain vähän.

6. Miksi ohutseinäiset CNC-osat ovat haastavia?

Ajatellaan alumiinikoteloa, jonka sisään koneistetaan suuri tasku.

Työstön alussa aihio on jäykkä.

Kun materiaalia poistetaan, seinät ohenevat ja kokonaisrakenne menettää jäykkyyttään.

Lastuamisvoima, joka ei vaikuttanut juuri lainkaan rouhinnan alkuvaiheessa, voi aiheuttaa selvästi mitattavaa taipumaa viimeistelyvaiheessa.

Siksi ohutseinäisten osien viimeistelyssä käytetään usein:

pieniä lastuamissyvyyksiä
pienempää sivuttaista lastuamista
teräviä työkaluja
hyvää kappaleen tuentaa
tasapainoista materiaalin poistoa
useampia kevyitä viimeistelyajoja

7. Liian suuri kiinnitysvoima

Suurempi kiinnitysvoima ei automaattisesti tarkoita parempaa koneistusta.

Kiinnityksen täytyy estää kappaleen liikkuminen, mutta liian suuri voima voi itsessään deformoida kappaletta.

Tämä on erityisen yleistä:

ohuissa levyissä
renkaissa
putkissa
ohutseinäisissä koteloissa
muoviosissa
suurissa alumiinikomponenteissa

Hyvä esimerkki on ohut rengas, joka kiinnitetään kolmileukaistukkaan.

Leukojen paine voi muuttaa renkaan hieman soikeaksi.

Sisähalkaisija koneistetaan täysin pyöreäksi siinä tilassa, jossa rengas on kiinnitettynä.

Kun leuat vapautetaan, ulkohalkaisija pyrkii palautumaan alkuperäiseen muotoonsa.

Samalla juuri koneistettu sisähalkaisija voi muuttua hieman soikeaksi.

Siksi tarkkuussorvauksessa kiinnitysmenetelmä on erittäin tärkeä osa prosessisuunnittelua.

8. Materiaali ja materiaalin toimitustila

Eri materiaalit käyttäytyvät eri tavalla koneistuksen aikana.

Myös saman metalliseoksen eri toimitustiloilla voi olla suuri vaikutus mittastabiiliuteen.

Alumiinissa esimerkiksi toimitustilat:

T6
T651
T6511

voivat käyttäytyä eri tavalla koneistuksen jälkeen.

Jännitystenpoistettu levy on usein parempi vaihtoehto voimakkaasti koneistettaville tarkkuusosille, koska jäännösjännitysten määrä on pienempi.

Mikään materiaalin toimitustila ei kuitenkaan poista deformoitumisriskiä kokonaan.

Geometria, materiaalin poiston määrä ja koneistusstrategia vaikuttavat edelleen ratkaisevasti.

9. Valssattu levy ja valettu työkalulevy eivät käyttäydy samalla tavalla

Kaksi alumiinilevyä voivat näyttää samanlaisilta ja niiden mekaaniset ominaisuudet voivat olla lähellä toisiaan, mutta niiden mittastabiilius koneistuksessa voi olla hyvin erilainen.

Valssattuun alumiinilevyyn voi jäädä valmistuksesta ja suoristamisesta jäännösjännityksiä.

Tarkkuusvalettu työkalulevy puolestaan valmistetaan erityisesti hyvää tasomaisuutta ja mittastabiiliutta varten.

Kun valmistetaan osia, joissa on:

suuria taskuja
paljon materiaalin poistoa
suuria tasopintoja
tiukat tasomaisuustoleranssit

materiaalivalinnassa kannattaa arvioida hinnan ja lujuuden lisäksi myös mittastabiiliutta koneistuksen jälkeen.

10. Taotut komponentit voivat myös deformoitua

Taonta parantaa monien metallien mekaanisia ominaisuuksia, mutta taontaprosessi voi synnyttää monimutkaisen sisäisen jännitystilan.

Kun taotusta aihiosta poistetaan suuria määriä materiaalia, tämä tasapaino voi muuttua.

Erityisesti suuret:

taotut renkaat
akselit
laipat
raskaat koneenosat

voivat liikkua rouhinnan jälkeen.

Siksi vaativissa komponenteissa voidaan käyttää prosessia:

rouhinta → jännitystenpoisto → puoliviimeistely → viimeistely

sen sijaan, että aihio koneistettaisiin suoraan lopullisiin mittoihin yhdellä kertaa.

11. Hitsauksen vaikutus koneistettavan osan muodonmuutokseen

Hitsatuissa rakenteissa voi olla erittäin suuria jäännösjännityksiä.

Hitsauksen aikana pieni materiaalialue kuumenee voimakkaasti samalla kun ympäröivä materiaali pysyy huomattavasti kylmempänä.

Kun hitsi jäähtyy, materiaali kutistuu.

Tästä syntyy sekä jäännösjännityksiä että muodonmuutosta.

Kun hitsattu rakenne myöhemmin koneistetaan, materiaalin poistaminen voi vapauttaa osan näistä jännityksistä ja muuttaa kappaleen geometriaa uudelleen.

Tarkkuutta vaativissa hitsatuissa rakenteissa voidaan käyttää esimerkiksi:

hallittua hitsausjärjestystä
symmetristä hitsausta
tarkoitukseen suunniteltuja kiinnittimiä
jännitystenpoistohehkutusta
rouhintaa ennen lopullista viimeistelyä

MegaMETAn hitsauspalveluissa käytetään muun muassa hitsausjärjestyksen ja kiinnityksen hallintaa muodonmuutosten minimoimiseksi, ja hitsattuja kokoonpanoja voidaan koneistaa hitsauksen jälkeen lopullisten toleranssien saavuttamiseksi.

12. Suoraan rouhinnasta lopulliseen mittaan koneistaminen

Suuren materiaalimäärän poistaminen ja kappaleen viimeisteleminen välittömästi lopulliseen mittaan voi olla riskialtista.

Mittastabiilimpi prosessi on usein:

rouhinta → stabiloituminen → puoliviimeistely → viimeistely

Rouhinnassa poistetaan suurin osa materiaalista.

Tämän jälkeen kappale saa vapauttaa osan sisäisistä jännityksistään.

Jos kappale liikkuu, jäljellä on edelleen materiaalia, jonka avulla geometria voidaan korjata viimeistelyssä.

Tarvittava viimeistelyvara riippuu esimerkiksi:

materiaalista
kappaleen koosta
geometriasta
vaadituista toleransseista
lämpökäsittelystä
poistettavan materiaalin määrästä

Yhtä oikeaa viimeistelyvaraa ei ole olemassa kaikille CNC-osille.

13. Koneistusjärjestyksellä on merkitystä

Myös ominaisuuksien koneistusjärjestys vaikuttaa lopulliseen geometriaan.

Ajatellaan komponenttia, jossa on:

suuri tasku
useita tarkkuusreikiä
tiukat sijaintitoleranssit

Jos tarkkuusreiät viimeistellään ensin ja suuri tasku koneistetaan vasta sen jälkeen, materiaalin poisto voi deformoida kappaletta ja siirtää valmiiden reikien sijaintia.

Parempi järjestys voi olla:

ulkopintojen rouhinta
suurten taskujen rouhinta
kappaleen stabiloituminen
kriittisten pintojen puoliviimeistely
peruspintojen viimeistely
tarkkuusreikien ja muiden kriittisten ominaisuuksien viimeistely viimeisenä

Yleisenä periaatteena kriittiset ominaisuudet kannattaa viimeistellä vasta sen jälkeen, kun suurimmat muodonmuutosriskit aiheuttavat työvaiheet on tehty.

14. Kappaleen geometria vaikuttaa deformoitumisriskiin

Tietyt geometriat ovat luonnostaan herkempiä deformoitumiselle.

Suuret levyt

Suuret ja suhteellisen ohuet levyt voivat kaareutua tasojyrsinnän tai taskujen koneistuksen jälkeen.

Renkaat

Ohuet renkaat voivat muuttua soikeiksi kiinnitysvoimien tai jäännösjännitysten vuoksi.

Pitkät akselit

Pitkä ja hoikka akseli voi taipua lastuamisvoimien ja sisäisten jännitysten vuoksi.

Ohutseinäiset kotelot

Suuret taskut voivat poistaa suurimman osan alkuperäisestä aihiosta ja vähentää rakenteen jäykkyyttä huomattavasti.

Epäsymmetriset kappaleet

Jos yhdeltä alueelta poistetaan huomattavasti enemmän materiaalia kuin toiselta, jännitysten vapautuminen tapahtuu epätasaisemmin.

CNC-kone voi olla erittäin tarkka, mutta epävakaa komponentti voi silti deformoitua koneistuksen jälkeen.

15. Lämpökäsittely voi muuttaa mittoja

Esimerkiksi:

karkaisu
hiiletys
typetys
hehkutus
jännitystenpoisto

voivat muuttaa komponentin mittoja ja geometriaa.

Erityisesti karkaisussa metallin mikrorakenteen muutokset voivat aiheuttaa sekä tilavuuden muutoksia että vääntymistä.

Kun lämpökäsittelyn jälkeen vaaditaan erittäin tarkkoja mittoja, osaan jätetään usein tarkoituksellisesti koneistus- tai hiontavaraa.

Tyypillinen prosessi voi olla:

rouhinta → lämpökäsittely → hionta tai kovasorvaus → lopputarkastus

Paras työjärjestys riippuu materiaalista, kovuudesta ja toleranssivaatimuksista.

16. Pintakäsittely voi vaikuttaa lopullisiin mittoihin

Osa pintakäsittelyistä lisää materiaalia kappaleen pinnalle.

Tällaisia prosesseja ovat esimerkiksi:

kova-anodisointi
kemiallinen nikkelöinti
sinkitys
kromaus

Jos esimerkiksi reiällä on tiukka sovitetoleranssi, pinnoitteen paksuus täytyy huomioida jo ennen koneistusta.

Teknisessä piirustuksessa tulisi siksi määrittää selkeästi, koskeeko annettu mitta:

mittaa ennen pintakäsittelyä

vai

lopullista mittaa pintakäsittelyn jälkeen.

Tämä on erityisen tärkeää tarkkuusrei’issä, laakeripinnoissa ja liitospinnoissa.

MegaMETAn pintakäsittelypalveluihin kuuluvat muun muassa anodisointi, sinkitys, sähkökiillotus ja muut teolliset pintakäsittelyt.

17. Myös koneistetut muoviosat voivat deformoitua

Metallit eivät ole ainoita materiaaleja, jotka voivat muuttaa muotoaan koneistuksen jälkeen.

Tekniset muovit, kuten:

POM
PEEK
PA
PTFE
UHMW-PE

voivat olla erittäin herkkiä deformoitumiselle.

Muoveissa voi olla jäännösjännityksiä pursotuksen tai ruiskuvalun seurauksena, ja niiden jäykkyys on yleensä huomattavasti metallia pienempi.

Lisäksi monien muovien lämpölaajeneminen on suurta.

Liiallinen lämpö koneistuksessa voi aiheuttaa:

paikallista laajenemista
pehmenemistä
mittaepävakautta
heikkoa pinnanlaatua

Jotkin muovit voivat jatkaa mittamuutoksia myös koneistuksen jälkeen lämpötilan tai kosteuden muuttuessa.

Miten CNC-osien deformoitumista voidaan vähentää?

Yhtä yksittäistä ratkaisua ei yleensä ole.

Hyvä deformoitumisen hallinta perustuu materiaalin, koneistusstrategian, kiinnityksen, lämpötilan ja tarkastuksen yhdistelmään.

1. Käytä mittastabiilia tai jännitystenpoistettua materiaalia

Jos mittastabiilius on kriittinen vaatimus, valitse materiaali, joka soveltuu tarkkuuskoneistukseen.

Tämä on erityisen tärkeää silloin, kun suuri osa alkuperäisestä aihiosta poistetaan.

2. Rouhi ennen viimeistelyä

Poista suurin osa materiaalista erillisessä rouhintavaiheessa.

Jätä riittävästi materiaalia viimeistelyä varten.

Näin suuri osa jäännösjännitysten uudelleenjakautumisesta tapahtuu ennen kriittisten pintojen viimeistelyä.

3. Koneista molempia puolia asteittain

Levymäisissä komponenteissa kannattaa mahdollisuuksien mukaan välttää kaiken materiaalin poistamista vain yhdeltä puolelta.

Koneistamalla pintoja vuorotellen jännitysten vapautuminen voidaan pitää tasaisempana.

4. Vältä tarpeettoman suuria kiinnitysvoimia

Kiinnitysvoiman täytyy olla riittävä pitämään osa paikallaan, mutta sitä ei pidä käyttää enempää kuin on tarpeen.

Mahdollisia ratkaisuja ovat:

pehmeät leuat
alipainekiinnittimet
useaan pisteeseen jaettu kiinnitys
muotoon valmistetut erikoiskiinnittimet
matalan deformaatioriskin leukaratkaisut

Hyvä kiinnitin tukee kappaletta ilman, että se pakottaa sen keinotekoiseen muotoon.

5. Pienennä lastuamisvoimia viimeistelyssä

Viimeistelyssä käytetään yleensä pienempiä lastuamisvoimia kuin rouhinnassa.

Niitä voidaan pienentää esimerkiksi:

pienemmällä lastuamissyvyydellä
pienemmällä sivuttaissyötöllä
terävillä työkaluilla
sopivalla työkalun geometrialla
optimoiduilla syöttö- ja nopeusarvoilla

Tämä on erityisen tärkeää ohuissa seinämissä ja pitkissä, joustavissa ominaisuuksissa.

6. Hallitse lämpötilaa

Oikeat lastuamisparametrit ja tehokas jäähdytys auttavat rajoittamaan kappaleen lämpenemistä.

Erittäin tarkat komponentit kannattaa lisäksi antaa stabiloitua ennen lopullista mittausta.

7. Viimeistele kriittiset ominaisuudet viimeisenä

Tarkkuusreiät, referenssipinnat ja erittäin tiukasti toleroidut ominaisuudet kannattaa yleensä viimeistellä vasta suurten materiaalinpoisto-operaatioiden jälkeen.

Muuten myöhempi koneistus voi muuttaa niiden sijaintia tai geometriaa.

8. Harkitse jännitystenpoistoa työvaiheiden välillä

Erittäin vaativissa komponenteissa lämpökäsittelynä tehtävä jännitystenpoisto rouhinnan ja viimeistelyn välillä voi parantaa mittastabiiliutta huomattavasti.

Se lisää kustannuksia ja läpimenoaikaa, mutta erittäin tiukoissa toleransseissa se voi olla tarpeellinen osa prosessia.

CNC-osan deformoituminen ei ole sama asia kuin CNC-koneen epätarkkuus

Tämä ero on tärkeä ymmärtää.

Jos osa taipuu kiinnityksen avaamisen jälkeen, se ei automaattisesti tarkoita, että CNC-kone olisi epätarkka.

On erotettava toisistaan kolme asiaa:

Koneen tarkkuus

Kuinka tarkasti työstökone pystyy liikuttamaan akseleitaan ja asemoimaan työkalun.

Prosessin tarkkuus

Kuinka hyvin työkalut, kiinnitys, ohjelmointi ja lastuamisparametrit tuottavat halutun ominaisuuden.

Kappaleen mittastabiilius

Säilyttääkö materiaali koneistetun geometrian myös koneistuksen, kiinnityksen avaamisen ja jäähtymisen jälkeen.

Mikrometrien tarkkuuteen kykenevä CNC-kone ei voi estää epästabiilin materiaalin sisäisten jännitysten vapautumista.

Miksi osa voi olla koneessa toleranssissa mutta hylätty myöhemmin tarkastuksessa?

Tyypillinen tilanne on seuraava:

kappale kiinnitetään voimakkaasti
koneistus suoritetaan
mitat tarkistetaan kappaleen ollessa edelleen kiinnitettynä
kappale irrotetaan
sisäiset jännitykset aiheuttavat liikettä
lopputarkastuksessa havaitaan tasomaisuus- tai mittavirhe

Myös lämpötila voi aiheuttaa vastaavan tilanteen.

Juuri koneistettu komponentti voi olla huomattavasti mittaushuonetta lämpimämpi.

Kun se jäähtyy, myös mitat muuttuvat.

Siksi tarkkuusosissa mittausolosuhteiden hallinta on olennainen osa laadunvarmistusta.

MegaMETAn laadunvarmistus- ja CMM-tarkastuspalveluissa kriittisiä mittoja voidaan tarkastaa koordinaattimittauksella sekä muilla kalibroiduilla mittausmenetelmillä.

Kuinka paljon CNC-osan deformoituminen on hyväksyttävää?

Yleistä hyväksyttävää deformoitumisarvoa ei ole.

Hyväksyttävyys määräytyy aina komponentin piirustuksen ja toiminnallisten vaatimusten perusteella.

Esimerkiksi 0,10 mm:n muodonmuutos voi olla täysin merkityksetön suuressa teräskiinnikkeessä, mutta mahdoton hyväksyä:

tarkkuuslaakeripesässä
tiivistyspinnassa
optisessa komponentissa
tarkkuusjigissä
mittalaitteen komponentissa

Siksi suunnittelijan kannattaa käyttää erittäin tiukkoja tasomaisuus-, yhdensuuntaisuus-, sijainti- ja mittatoleransseja vain niissä kohdissa, joissa niitä todella tarvitaan.

Tarpeettoman tiukat toleranssit voivat nostaa koneistuskustannuksia merkittävästi.

Miten deformoitumisen hallinta vaikuttaa CNC-koneistuksen hintaan?

Muodonmuutoksen hallinta voi vaatia useita lisätyövaiheita.

Esimerkiksi:

jännitystenpoistetun materiaalin hankinta
erillinen rouhinta
välitarkastus
useampi kiinnitys
jännitystenpoistolämpökäsittely
stabiloitumisaika
erikoiskiinnittimet
puoliviimeistely
hionta
lopullinen CMM-tarkastus

Tästä syystä esimerkiksi ±0,01 mm:n mittatarkkuutta ja erittäin tiukkaa tasomaisuutta vaativa komponentti voi olla huomattavasti kalliimpi kuin muuten samanlainen osa yleisillä koneistustoleransseilla.

Teknisessä piirustuksessa kannattaa erottaa selkeästi:

toiminnallisesti kriittiset toleranssit

mitat, jotka eivät vaadi poikkeuksellisen suurta tarkkuutta.

Esimerkki: suuri alumiinilevy tiukalla tasomaisuustoleranssilla

Oletetaan, että koneistetaan alumiinilevy.

Aihion paksuus: 30 mm
Lopullinen paksuus: 15 mm
Kappaleen koko: 600 × 400 mm
Tasomaisuusvaatimus: 0,05 mm

Jos kaikki 15 mm poistetaan vain yhdeltä puolelta, deformoitumisriski voi olla huomattava.

Mittastabiilimpi valmistusprosessi voisi olla:

puolen A rouhintajyrsintä
kappaleen kääntö
puolen B rouhintajyrsintä
taskujen rouhinta
kappaleen stabiloituminen
molempien puolien puoliviimeistely
referenssipinnan viimeistely
vastakkaisen pinnan viimeistely
tasomaisuuden lopputarkastus kontrolloiduissa olosuhteissa

Prosessi vaatii enemmän käsittelyä, mutta lopputuloksen mittastabiilius voi olla huomattavasti parempi.

Suunnitteluvinkkejä CNC-osien deformoitumisen vähentämiseen

Suunnittelija voi pienentää muodonmuutosriskiä jo ennen kuin osa saapuu koneistukseen.

Mahdollisuuksien mukaan kannattaa:

välttää erittäin ohuita seinämiä
pitää seinämäpaksuus mahdollisimman tasaisena
välttää tarpeettoman syviä taskuja
välttää lähes kaiken materiaalin poistamista vain yhdeltä puolelta
käyttää jäykistäviä ripoja
määrittää realistiset tasomaisuustoleranssit
valita tarkoitukseen sopiva materiaalin toimitustila
ilmoittaa, koskevatko toleranssit tilaa ennen vai jälkeen pintakäsittelyn
merkitä piirustukseen aidosti kriittiset mitat

Hyvä CNC-rakenne ei ole vain sellainen, jonka työstökone pystyy valmistamaan.

Sen täytyy myös säilyttää oikea geometria koneistuksen jälkeen.

Usein kysytyt kysymykset

Miksi alumiini taipuu CNC-koneistuksen jälkeen?

Alumiinissa voi olla valssauksesta, taonnasta tai pursotuksesta syntyneitä jäännösjännityksiä. Kun materiaalia poistetaan, jännitysten tasapaino muuttuu ja osa voi taipua tai kiertyä. Epätasainen materiaalin poisto, lämpö ja voimakas kiinnitys voivat lisätä muodonmuutosta.

Poistaako CNC-koneistus materiaalin sisäiset jännitykset?

Ei välttämättä. Koneistus poistaa materiaalia ja muuttaa olemassa olevien jännitysten tasapainoa. Juuri tämä jännitysten uudelleenjakautuminen voi aiheuttaa kappaleen liikkumista.

Miksi CNC-osa taipuu kiinnityksen avaamisen jälkeen?

Kiinnitin voi pakottaa kappaleen väliaikaisesti tiettyyn muotoon. Kun kiinnitysvoima poistetaan, materiaali pyrkii palautumaan omaan jännitystasapainoonsa.

Voiko jännitystenpoistettu alumiini silti deformoitua?

Kyllä. Jännitystenpoisto pienentää riskiä huomattavasti, mutta geometria, koneistusjärjestys, lämpötila ja kiinnitys voivat edelleen aiheuttaa muodonmuutosta.

Kannattaako CNC-osan antaa stabiloitua rouhinnan ja viimeistelyn välillä?

Joissakin tarkkuusosissa kyllä. Jos kappaleesta poistetaan paljon materiaalia tai toleranssit ovat erittäin tiukat, stabiloitumisaika tai erillinen jännitystenpoisto voi parantaa lopputulosta.

Voiko CNC-koneistuksessa syntyvä lämpö muuttaa osan mittoja?

Kyllä. Lämpölaajeneminen voi vaikuttaa mittaustuloksiin erityisesti suurissa osissa ja tiukoissa toleransseissa.

Miksi ohutseinäiset CNC-osat deformoituvat helposti?

Ohuiden seinämien jäykkyys on pieni. Ne voivat taipua lastuamis- ja kiinnitysvoimien vaikutuksesta, ja samalla ympäröivän materiaalin poistaminen voi vapauttaa jäännösjännityksiä.

Voidaanko koneistusjärjestyksellä vähentää deformoitumista?

Kyllä. Tasapainoinen materiaalin poisto, erillinen rouhinta ja viimeistely, pintojen vuorottainen koneistus ja tarkkuusominaisuuksien viimeistely prosessin loppuvaiheessa voivat parantaa mittastabiiliutta merkittävästi.

Yhteenveto

CNC-osien deformoituminen johtuu harvoin yhdestä ainoasta tekijästä.

Useimmiten kyseessä on materiaalin jäännösjännitysten, lämmön, lastuamisvoimien, kiinnityksen, geometrian ja koneistusjärjestyksen yhteisvaikutus.

Tehokkain tapa vähentää muodonmuutosta on huomioida mittastabiilius jo valmistusprosessin suunnitteluvaiheessa.

Oikea materiaalivalinta, tasapainoinen materiaalin poisto, rouhinnan ja viimeistelyn erottaminen, maltillinen kiinnitys, lämpötilan hallinta ja kriittisten ominaisuuksien viimeistely viimeisenä voivat parantaa lopputuloksen tarkkuutta huomattavasti.

Erittäin tarkkojen komponenttien kohdalla oikea kysymys ei siis ole pelkästään:

Pystyykö CNC-kone valmistamaan tämän toleranssin?

Vielä tärkeämpi kysymys on:

Pystyykö komponentti säilyttämään tämän toleranssin koneistuksen, irrotuksen, jäähtymisen ja viimeistelyn jälkeen?

Juuri tämä ero on yksi tarkkuuskoneistuksen tärkeimmistä periaatteista.

Miksi CNC-osat deformoituvat koneistuksen jälkeen? Syyt ja ratkaisut