Khi thiết kế các bộ phận gia công CNC, làm thế nào chúng ta có thể giảm chi phí gia công thông qua tối ưu hóa cấu trúc?

Khi thiết kế các bộ phận gia công CNC, việc giảm chi phí gia công thông qua tối ưu hóa cấu trúc là chìa khóa để cân bằng các yêu cầu về chức năng và khả năng chi trả trong sản xuất. Các chiến lược tối ưu hóa cụ thể sau đây được cung cấp từ nhiều khía cạnh:

1. Tối ưu hóa lựa chọn vật liệu
   • Ưu tiên các vật liệu dễ gia công: Các vật liệu có khả năng gia công tốt, chẳng hạn như hợp kim nhôm và thép carbon thấp, có thể làm giảm hao mòn dụng cụ và thời gian gia công. Ví dụ, thay thế thép không gỉ bằng hợp kim nhôm 6061 có thể giảm chi phí gia công hơn 30% (nếu độ bền cho phép).
   • Giảm thiểu việc sử dụng kim loại quý: Sử dụng các thiết kế gia cố cục bộ (chẳng hạn như chỉ sử dụng hợp kim titan ở các khu vực chịu lực) thay vì các cấu trúc kim loại quý tổng thể.
   • Phù hợp với dạng vật liệu: Chọn phôi gần với hình dạng cuối cùng của bộ phận (chẳng hạn như thanh hoặc tấm) để giảm lượng dư gia công. Ví dụ, sử dụng phôi hình chữ nhật để gia công một bộ phận hình vuông có thể tránh lãng phí quá mức từ phôi hình tròn.
2. Kiểm soát độ phức tạp hình học
   • Tránh các khoang sâu và rãnh hẹp:
     • Các khoang sâu (độ sâu > 5 lần đường kính dụng cụ) yêu cầu gia công nhiều lớp và dễ bị rung và gãy dụng cụ. Hãy cân nhắc sử dụng các kết hợp khoang nông hoặc cấu trúc chia nhỏ.
     • Các rãnh hẹp yêu cầu các dụng cụ có đường kính nhỏ, có hiệu quả gia công thấp. Nên để chiều rộng rãnh ≥ 1,2 lần đường kính dụng cụ.
   • Đơn giản hóa các thành mỏng và góc nhọn:
     • Thành mỏng (độ dày<3mm) dễ bị biến dạng và yêu cầu giảm thông số cắt hoặc thêm hỗ trợ. Có thể đạt được sự tối ưu hóa thông qua làm dày cục bộ hoặc thêm gân gia cố.
     • Góc nhọn (góc trong
   • Giảm sự phụ thuộc vào nhiều trục: Tránh các bề mặt cong hoặc lỗ nghiêng không cần thiết; thay vào đó, hãy sử dụng các cấu trúc bậc thang hoặc các góc tiêu chuẩn (chẳng hạn như 45°, 90°) để hoàn thành gia công bằng máy ba trục.
3. Hợp lý hóa dung sai và độ nhám bề mặt
   • Nới lỏng dung sai không quan trọng: Nới lỏng dung sai trên các bề mặt không tiếp xúc từ ±0,05mm đến ±0,1mm có thể làm giảm số bước hoàn thiện. Ví dụ, dung sai vị trí của các lỗ lắp có thể được nới lỏng vừa phải, trong khi chỉ các vị trí chịu lực quan trọng mới giữ được độ chính xác cao.
   • Độ nhám bề mặt thấp hơn trên các bề mặt không chức năng: Giảm độ nhám bề mặt của các bề mặt không thẩm mỹ từ Ra1.6 xuống Ra3.2 có thể cắt giảm thời gian hoàn thiện. Ví dụ, các bề mặt cấu trúc bên trong không cần phải được đánh bóng.
   • Chỉ định dung sai kinh tế: Tham khảo các tiêu chuẩn độ chính xác trung bình trong ISO 2768 để tránh chỉ định quá mức.
4. Tiêu chuẩn hóa và thiết kế mô-đun
   • Thống nhất kích thước tính năng: Sử dụng các kích thước mũi khoan tiêu chuẩn (chẳng hạn như lỗ ren M6, M8) thay vì các lỗ không tiêu chuẩn để giảm tần suất thay đổi dụng cụ.
   • Phân rã mô-đun: Chia nhỏ các bộ phận phức tạp thành nhiều bộ phận phụ đơn giản hơn, có thể được gia công riêng và sau đó được lắp ráp thông qua bu lông hoặc hàn. Ví dụ, một vỏ có khoang sâu có thể được chia thành "thân chính + tấm che".
   • Thiết kế giao diện vạn năng: Sử dụng mặt bích tiêu chuẩn, rãnh then hoặc cấu trúc khớp nối để giảm nhu cầu về dụng cụ tùy chỉnh.
5. Tối ưu hóa gia công với sự hỗ trợ của phần mềm
   • Nhận dạng tính năng tự động CAM: Sử dụng phần mềm để tự động xác định các tính năng như lỗ và rãnh để giảm thời gian lập trình. Ví dụ, chức năng nhận dạng tính năng trong Fusion 360 có thể rút ngắn thời gian lập trình 30%.
   • Tối ưu hóa đường dẫn dụng cụ: Thực hiện các chiến lược gia công tốc độ cao (HSM), chẳng hạn như vào dụng cụ dạng xoắn ốc và cắt liên tục, để giảm thời gian không cắt. Ví dụ, các đường dẫn được tối ưu hóa có thể giảm thời gian gia công 15%.
   • Kiểm tra mô phỏng: Sử dụng gia công ảo để kiểm tra sự giao thoa và cắt quá mức, tránh phế liệu từ việc cắt thử.
6. Cân bằng trọng lượng nhẹ và độ bền
   • Tối ưu hóa tô-pô và khoét rỗng: Sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để xác định đường tải và chỉ giữ lại các vật liệu cần thiết (chẳng hạn như cấu trúc xương bắt chước sinh học).
   • Xử lý nhiệt cục bộ để tăng cường độ bền: Áp dụng làm cứng bằng laser cho các khu vực chịu ứng suất cao (chẳng hạn như gốc bánh răng) thay vì xử lý nhiệt tổng thể.
   • Kết hợp quy trình lai: Sau khi gia công CNC cấu trúc chính, hãy thêm các lưới nhẹ thông qua sản xuất bồi đắp (in 3D) để cân bằng việc giảm trọng lượng và độ bền.

• Phân tích DFM (Thiết kế để sản xuất): Giao tiếp với nhà máy gia công ở giai đoạn thiết kế ban đầu để xác định các tính năng có chi phí cao.
• Sắp xếp ưu tiên: Tối ưu hóa theo thứ tự "lãng phí vật liệu > thời gian gia công > xử lý hậu kỳ".
• Xác minh nguyên mẫu: Kiểm tra chức năng bằng các nguyên mẫu CNC đơn giản hoặc in 3D để tránh làm lại sau khi sản xuất hàng loạt.

Bằng cách thực hiện các chiến lược trên, chi phí gia công CNC có thể giảm từ 20% -50% trong khi vẫn đảm bảo chức năng, đặc biệt phù hợp với nhu cầu giảm chi phí trong sản xuất hàng loạt hoặc các bộ phận có độ phức tạp cao.