Fazowanie w projektowaniu produktów | Seria Product Design

W projektowaniu produktów szczegóły często decydują o sukcesie lub porażce produktu. Modyfikacja narożników, pozornie niewielki element projektu, w rzeczywistości odgrywa kluczową rolę. Najczęściej stosowane modyfikacje narożników dzielą się na filetowanie i fazowanie.

Projektowanie zaokrągleń i faz jest jedną z podstawowych umiejętności projektantów produktów. W porównaniu z ostrymi narożnikami, zaokrąglenia i fazowania są bardziej przyjazne dla użytkownika, wizualnie gładsze i bardziej zdolne do pokazania prostoty i piękna produktu. Co więcej, kreatywne wykorzystanie zaokrągleń i fazowania może sprawić, że produkt będzie się wyróżniał.

Dziś porozmawiamy o zaokrągleniach i fazowaniach w projektowaniu produktów, z dużą ilością zdjęć zaokrągleń załączonych na końcu artykułu.

Czym są filety i fazki?

Frezowanie odnosi się do łączenia dwóch zakrzywionych powierzchni części ze styczną powierzchnią kołową. Standardowe zaokrąglenie jest zwykle reprezentowane przez wartość promienia R, aby wskazać jego rozmiar.

Fazowanie odnosi się do łączenia dwóch zakrzywionych powierzchni części z powierzchnią nachyloną pod kątem. Standardowa faza jest zwykle reprezentowana przez wartość odległości C, aby wskazać jej rozmiar, a standardowy kąt wynosi 45°.

W projektowaniu produktu oba te pojęcia oznaczają proces wycinania ściętej krawędzi na rogach lub krawędziach obiektu. To skośne przejście może być proste lub zakrzywione, w zależności od wymagań projektowych i celów funkcjonalnych.

Funkcje fazowania i filetowania w produktach

Bezpieczeństwo:

Fazowania i zaokrąglenia mogą zmniejszyć ostrość krawędzi produktów, zapobiegając zranieniom użytkowników podczas użytkowania. Jest to szczególnie ważne przy projektowaniu urządzeń przenośnych lub zabawek dla dzieci.

Estetyka:

Odpowiednie fazowanie lub filetowanie może poprawić wygląd produktu, wygładzając jego linie.

Ergonomia:

W projektowaniu urządzeń ręcznych lub narzędzi, fazowania lub zaokrąglenia mogą poprawić chwyt, ułatwiając obsługę produktu i zwiększając komfort użytkowania.

Trwałość:

Fazowania i zaokrąglenia pomagają zmniejszyć koncentrację naprężeń, zmniejszając w ten sposób prawdopodobieństwo pęknięcia materiału w tych obszarach i wydłużając żywotność produktu.

Uproszczenie montażu:

Gdy różne części produktu muszą do siebie pasować, fazki i zaokrąglenia mogą działać jako prowadnice, pomagając w prawidłowym ustawieniu części, upraszczając proces montażu i zwiększając wydajność produkcji.

Spójność w języku projektowania:

Fazowania i zaokrąglenia mogą być częścią elementów projektu, tworząc jednolity styl z innymi cechami, takimi jak zaokrąglone rogi i krzywe, zwiększając rozpoznawalność marki produktu.

Różnice między filetami i fazkami

Zarówno zaokrąglenia, jak i sfazowania mogą być używane do tępienia ostrych krawędzi lub tworzenia stopniowego przejścia między dwiema sąsiadującymi powierzchniami. Pod tym względem są one wymienne. Jednak w wielu zastosowaniach istnieją wyraźne różnice między zaokrągleniami i fazami.

1. Metody przetwarzania

W przypadku standardowej obróbki, pionowe wewnętrzne i zewnętrzne zaokrąglenia mogą być łatwo obrabiane, podczas gdy wewnętrzne fazowania nie. Zaokrąglenia wymagają specjalnych narzędzi, aby uzyskać różne rozmiary promienia (dobrą praktyką jest, aby promień zaokrąglenia był większy niż promień narzędzia w procesie obróbki). W przeciwieństwie do tego, fazki nie wymagają narzędzi o określonych rozmiarach; różne rozmiary fazek można uzyskać poprzez kontrolowanie głębokości skrawania.

Poziome zaokrąglenia wewnętrzne i zewnętrzne wymagają więcej czasu na obróbkę (chyba że używane są specjalne narzędzia do zaokrąglania), podczas gdy fazowanie zajmuje znacznie mniej czasu.

Należy zauważyć, że w przypadku Obróbka CNCCzas obróbki filetów i faz jest porównywalny.

2. Funkcjonalność

Zarówno zaokrąglenia, jak i sfazowania mogą zmniejszyć koncentrację naprężeń i zoptymalizować przepływ. Jednak zaokrąglenia zapewniają ciągłe przejście, podczas gdy fazowania zapewniają liniowe przejście, pozostawiając krawędź po fazowaniu. W porównaniu do fazowania, zaokrąglenia oferują niższą koncentrację naprężeń i mniejszy opór przepływu, co czyni je preferowanymi w częściach z tworzyw sztucznych, chyba że krawędzie fazowania są dalej zaokrąglane.

Jeśli jednak projekt obejmuje otwory na śruby, otwory ustalające lub kołki ustalające, użycie zaokrągleń nie jest dobrym wyborem. W porównaniu do zaokrągleń, fazowania z mniejszymi, ostrzejszymi krawędziami mogą pomóc w płynniejszym przesuwaniu się w dół otworu, ułatwiając montaż.

Dodatkowo, fazki mogą tworzyć pogłębiacze stożkoweczego filety nie potrafią.

3. Estetyka

Z estetycznego punktu widzenia zaokrąglenia są często preferowane we wzornictwie przemysłowym ze względu na ich przyjemne wizualnie właściwości. Zaokrąglenia są miękkie i wygodne, dając poczucie bezpieczeństwa i bliskości. W przeciwieństwie do nich, sfazowania dają ostre, agresywne wrażenie. W produktach konsumenckich rzadko stosuje się duże fazowania, ale mogą one nadać unikalny wygląd niektórym detalom, dodając wykończenia.

W zależności od wymagań projektowych, na krawędziach zewnętrznych można stosować zarówno zaokrąglenia, jak i fazy. Jeśli wygląd nie jest ważny, na przykład w przypadku części obrabianych maszynowo, można wybrać proste fazowanie w celu stępienia ostrych krawędzi, zmniejszając koszt części.

Z drugiej strony, jeśli estetyka jest ważna, a zaokrąglenia są konieczne, należy rozważyć rozmiar promienia wewnętrznego zaokrąglenia. Zbyt mały promień może wymagać zastosowania droższych i bardziej czasochłonnych procesów, takich jak EDM lub cięcie drutu. Większe promienie są łatwiejsze w obróbce (można użyć większych narzędzi, skracając czas obróbki i zwiększając głębokość obróbki).

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze między filetowaniem a fazowaniem

Inżynierowie konstrukcyjni często nie są pewni, czy w swoich projektach stosować zaokrąglenia czy sfazowania. Aby uniknąć tego zamieszania, należy wziąć pod uwagę następujące kwestie:

Dla części obrabianych

Czas i koszt przetwarzania

Jeśli celem jest po prostu stępienie ostrych krawędzi, aby zapobiec obrażeniom, fazki są lepszym wyborem, ponieważ wymagają mniej czasu i są bardziej opłacalne. Jeśli jednak zamiast tradycyjnego frezowania stosowana jest obróbka CNC, nie ma znaczącej różnicy w czasie między zaokrągleniami i fazami; jedyna różnica czasu wynika z wymiany narzędzi.

W przypadku takich krawędzi (wklęsłych zaokrągleń) produkcja na maszynach CNC jest szczególnie trudna, ponieważ wymagają one specjalistycznych narzędzi, takich jak frezy kulowe, które są delikatne i tną z mniejszą prędkością. Zwiększa to koszty produkcji, więc najlepiej jest unikać zaokrągleń na takich krawędziach. Jeśli zaokrąglenia są konieczne, powinny być jak największe.

Pokrycie powłoką

Flety są łatwiejsze do pokrycia powłokami niż fazki. Wynika to z faktu, że zaokrąglenia przechodzą płynnie i stycznie do sąsiednich powierzchni, co pozwala częściom na przyleganie do grubszych, bardziej jednolitych powłok w porównaniu z krawędziami faz.

Koncentracja stresu

Jeśli celem projektowym jest zmniejszenie koncentracji naprężeń, lepszym wyborem są zaokrąglenia. Zaokrąglenia rozprowadzają naprężenia na większej powierzchni w porównaniu ze sfazowaniami o tym samym rozmiarze.

Otwory lub kołki

W przypadku otworów na śruby, otworów ustalających lub kołków ustalających lepszym wyborem jest fazowanie krawędzi.

Dla części plastikowych

Części z tworzyw sztucznych są formowane inaczej niż części obrabiane maszynowo, a ich konstrukcja faworyzuje zaokrąglenia ze skosami używanymi do określonych celów (takich jak estetyczne detale lub wskazówki strukturalne). Zalety zaokrągleń w częściach z tworzyw sztucznych obejmują:

Płynność

W procesie formowania wtryskowego kluczowe znaczenie ma płynność stopionej żywicy. Zaokrąglenia zapewniają mniejszy opór przepływu, a większe zaokrąglenia ułatwiają napełnianie. Ostre narożniki w oryginalnym projekcie mogą powodować uwięzienie powietrza z powodu wirów podczas wtrysku, prowadząc do miejscowego przegrzania i spalonego wyglądu. Optymalizacja z większymi promieniami zapewnia płynny przepływ stopionego tworzywa sztucznego.

Wytrzymałość części z tworzyw sztucznych

Kiedy stopiony polimer przepływa przez ostre krawędzie, powoduje to ścinanie, które przerywa łańcuchy polimerowe. Krótsze łańcuchy polimerowe skutkują niższą średnią masą cząsteczkową, zmniejszając wytrzymałość i wydajność części z tworzywa sztucznego. Dodanie nawet niewielkich promieni pomaga w przepływie i zapobiega ścinaniu.

Koncentracja stresu

Uszkodzenie zmęczeniowe jest spowodowane propagacją pęknięć, głównie w punktach koncentracji naprężeń i na powierzchni komponentów. W miejscach, w których wymiary przekroju zmieniają się gwałtownie, takich jak narożniki, należy stosować wystarczająco duże zaokrąglenia. Jak pokazano na powiązanej krzywej, efektywny współczynnik koncentracji naprężeń gwałtownie maleje wraz ze wzrostem promienia. Zaokrąglenia pomagają rozłożyć naprężenia na większej powierzchni, zapobiegając szybkiemu odkształceniu lub pękaniu naprężonych części. Jest to szczególnie ważne w przypadku materiałów takich jak poliwęglanktóre są podatne na pękanie naprężeniowe, jeśli warunki formowania są niewłaściwe lub struktura części jest nieracjonalna.

Łatwość obróbki formy i zwiększona wytrzymałość formy

Projektowanie zaokrągleń w plastikowych częściach zwiększa wytrzymałość formy, ponieważ odpowiednie części formy również będą miały zaokrąglenia. Zapobiega to pękaniu spowodowanemu koncentracją naprężeń podczas hartowania lub użytkowania, zwiększając tym samym wytrzymałość formy.

Mniejsze zużycie elektrod

W obróbce form, w obszarach takich jak martwe narożniki (gdzie narzędzia nie mogą dotrzeć), stosuje się obróbkę elektroerozyjną (EDM), wymagającą elektrod (powszechnie znanych jako narzędzia miedziane). Ostre rogi i krawędzie elektrod zużywają się szybciej podczas wyładowania niż płaskie obszary. W rezultacie faktycznie obrobione martwe rogi mają małe zaokrąglenia (około 0,2), różniące się od projektu. Należy wziąć to pod uwagę, aby zapewnić, że struktura nie zostanie naruszona. Jeśli części z tworzywa sztucznego mają zaprojektowane zaokrąglenia w martwych narożach, zużycie elektrody jest mniejsze, a końcowe obrobione zaokrąglenia ściśle odpowiadają projektowi.

Zasada projektowania zaokrąglenia

1. Zapewnienie jednolitej grubości ścianek na narożnikach

Aby zachować jednolitą grubość ścianki, promień zewnętrzny 𝑅 w narożnikach powinien być równy promieniowi wewnętrznemu 𝑟 plus grubość ścianki 𝑡. Zaleca się, aby minimalny promień wewnętrzny nie był mniejszy niż 0,5 mm. W przypadku fazowania, aby zachować absolutnie jednolitą grubość ścianki, zewnętrzne fazowanie powinno być przesunięte o grubość ścianki 𝑡, aby utworzyć wewnętrzne fazowanie.

2. Ułatwienie przetwarzania formy dzięki projektowaniu zaokrągleń

Zaokrąglenia na liniach podziału komplikują konfigurację formy. W przypadku zaokrąglenia linii podziału, wnęka musi zostać przeniesiona na drugą połowę formy, zwiększając koszty obróbki i potencjalnie tworząc linie podziału, które wpływają na wygląd części z tworzywa sztucznego. Dlatego, o ile nie jest to konieczne, należy unikać zaokrągleń na liniach podziału.

Na poniższym obrazku powierzchnia podziału oryginalnego projektu z małymi zaokrągleniami komplikuje obróbkę i późniejsze polerowanie. Zoptymalizowana konstrukcja usuwa zaokrąglenia powierzchni podziału.

Dodatkowo, za każdym razem, gdy wnęki formy i rdzenie stykają się, tworząc otwory lub inne elementy części, pojawiają się te kwestie i należy je uwzględnić w projekcie.

3. Unikanie wad wizualnych w częściach z tworzyw sztucznych dzięki projektowaniu zaokrągleń

W przypadku wewnętrznych elementów konstrukcyjnych, takich jak żebra, otwory na śruby i zatrzaski połączone z głównymi ścianami, należy dokładnie rozważyć zaokrąglenia. Zaokrąglenia w tych obszarach mogą powodować miejscowe pogrubienie materiału, prowadząc do powstawania śladów zapadania się powierzchni. Jeśli zaokrąglenia są konieczne ze względu na wytrzymałość, materiał powinien zostać najpierw zredukowany przed zaokrągleniem. Na przykład, typową metodą redukcji materiału w otworach na śruby jest utworzenie kształtu "krateru".

4. Operacje oprogramowania do projektowania zaokrągleń

1). Dodawanie filetów na końcu w projektowaniu strukturalnym

• Korzyść 1: Poprawia ogólną szybkość modelowania w oprogramowaniu.
• Korzyść 2: Pozwala uniknąć kłopotliwego usuwania zaokrągleń podczas tworzenia kąta pochylenia.

2). Należy unikać używania pojedynczego polecenia do tworzenia wszystkich zaokrągleń. Grupuj zaokrąglenia według typu lub jednolitego rozmiaru, aby ułatwić późniejsze modyfikacje.

3). Elastyczne korzystanie z funkcji "Complete Fillet"

Galeria różnych wzorów zaokrągleń i fazowania