如何設計CNC零件？

魔猴君  知識堂   274天前

CNC工藝介紹

計算機數控(CNC)加工是一種減材制造方法，使用許多高速、精密的機器來實現所需的結構。基本上，使用各種方法逐漸剝離材料塊的一部分，包括切割、鉆孔、斜切和開槽等。

與所有制造工藝一樣，通過在設計階段考慮CNC加工的具體情況可以獲得更好的結果。在簡要回顧了數控機床的種類之后，本文將詳細介紹一些設計方面。

數控機床的類型

臥式銑床。資料來源：pinterest

一些常見的數控機床類型包括：

車床：通常用于制造復雜的圓柱形形狀，對于許多設計來說，車床因其操作的成本效益而成為首選。材料轉動，而切削刀具保持靜止。幾何形狀的創建依賴于固定工具的運動和進給速率以及材料的旋轉速度控制。

立式銑床：主軸軸線（以及切削刀具）垂直于機床床身對齊。與車床的不同之處在于切削刀具是移動的。

臥式銑床：刀具安裝在工作臺上的水平主軸上。當刀具需要去除大量材料或對精度要求較低時，可以使用它們。

刳刨機：與立式銑床類似，切削刀具垂直于機床床身對齊，刳刨機移動，而零件保持固定。主要區別在于工作區域與機器的比率，對于銑機來說幾乎為1:1，但對于銑床來說接近1:3。

對于上述所有機器，使用各種高速切削工具執行所需的不同工藝，從固體金屬或塑料塊中去除材料。大多數用于CNC加工的刀具都具有圓柱形柄，具有特定的刀尖形狀和有限的總切削長度。

當材料從工件上去除時，刀具的幾何形狀被轉移到零件上。這意味著CNC加工零件的內部特征始終具有圓角半徑，無論加工過程中選擇的切削刀具有多小。

CNC材料介紹

各種黃銅液壓配件來源：oemoffhighway

材料選擇對于確定零件的成本至關重要。選擇它們進行加工時要考慮的特性包括硬度、剛性和耐化學性以及其他機械和美觀品質。

用于機械加工的常見金屬包括：

鋼：所有鋼均由鐵和碳組成。碳和任何附加合金的含量決定了每種鋼種的性能。有大量不同的等級和類型可以滿足多種應用。良好的加工等級包括不銹鋼304和316（提供可成形性、可焊性和耐腐蝕性）以及4130（提供足夠的強度、韌性和抗疲勞性，可用于軍用和商用飛機零件）。

鋁：鋁是世界上儲量最豐富的金屬。純鋁質地柔軟、延展性好、耐腐蝕且導電性高。鋁還可以與其他金屬形成合金以增強某些特性。用于機加工的重要牌號包括6082（優異的耐腐蝕性和最強的6000系列合金）和6061（良好的耐腐蝕性、成型性和焊接性）。

黃銅：黃銅可以提供高強度、高機械加工性和耐腐蝕性。這些特性使其成為低壓液壓連接器和低摩擦物品（例如鎖和彈藥）的理想材料。由于其與黃金相似，它也被廣泛用于裝飾目的。

銅：優異的導電性使銅成為母線和電機等電氣產品的理想產品，但由于其耐腐蝕性，也可用于散熱器、屋頂和排水溝。加工銅通常是一個簡單的過程，因為銅是一種良好的導熱體，易于成型。

可用于加工的塑料范圍包括：

尼龍：尼龍是一種合成熱塑性線性聚酰胺，有一系列等級，類似于鋼和鋁。主要特性包括良好的機械加工性、高抗壓強度和高摩擦阻力。這也是一個相當經濟的選擇。在某些應用中，它可以代替金屬，提供更持久、維護成本更低的解決方案。

PTFE：PTFE通常稱為特氟龍，具有優異的耐摩擦性，是需要耐用性和高沖擊強度的零件的理想選擇。與尼龍等其他加工塑料不同，PTFE的吸濕率非常低，非常適合潮濕環境。主要應用包括絕緣體、閥門部件、軸承和墊片。

PEEK：聚醚醚酮(PEEK)非常適合高強度和高剛度應用。此外，PEEK具有較高的耐熱性、耐濕循環性以及耐化學性，是泵部件、醫療植入物和航空航天部件的理想選擇。

其它如ABS/PC塑料等

設計要點

1、公差和配合

車后軸上的多個軸承需要幾何公差。（來源：cometkartsales）

公差定義了任何給定尺寸的可接受范圍。如果沒有定義總體公差，大多數機械車間將使用±0.125 mm的標準公差，但定義自己的標準通常很重要，因為應用可能需要比這更嚴格的公差。

配合可以稱為公差的正確應用，并且指定為基于軸的配合或基于孔的配合。適合可以分為三類：

間隙配合：孔比軸大，允許兩個零件在組裝時滑動或旋轉。

過渡配合：孔的尺寸與軸相同或稍小，安裝或拆卸時需要很小的力。

過盈配合：孔比軸小，組裝或拆卸時需要很大的力（或熱量）。

僅當需要控制兩個或多個配合零件的配合時才應使用特定公差。以下示例包含所有三種擬合：

軸承到外殼：將軸承插入外殼，其中外圈保持靜止，內圈允許旋轉，需要過盈配合或過渡配合（取決于外殼中使用的材料）。

軸到軸承：軸承通常指定為過渡配合或微小間隙配合，以允許任何軸的設計為整數。在CAD包中檢查軸承規格和裝配體非常重要，以便在制造前快速標記任何潛在問題。

安裝外殼：假設外殼剛性地安裝在框架上，則用于配合兩個部件的孔需要滿足特定的間隙。

但是，假設外殼是跨較大框架設置的三個外殼之一，并且有一根長軸（或軸）穿過所有外殼，如何控制安裝孔的間隙以及軸軸承的同心度？

這就是幾何尺寸和公差(GD&T)的用武之地，它使用符號語言來明確描述標稱幾何形狀和允許的變化。對于上面的示例，您可以使用同心度或位置特征來控制配合。

雖然標準公差通常足以滿足零件設計的要求，但對于特征相互影響的更復雜的零件，GD&T中使用的某些幾何特征（平面度、直線度、圓柱度、同心度等）是必要的。確保避免任何不必要的嚴格公差，因為這可能會降低機器速度、需要額外的夾具或使用特殊的測量工具，從而增加零件成本。

2、孔和螺紋

機加工零件上的螺紋孔。（來源：micro-machine-shop）

洞

鉆孔深度：保持較低的鉆孔深度以避免使用專業工具，除非完全必要，否則不要指定平底孔

延伸孔：對于延伸孔，可以從零件的兩側鉆孔。不過，重要的是要認識到兩個孔相遇的地方會存在不匹配，這可以通過使用夾具來解決，但會增加零件成本。

邊緣鉆孔：對于邊緣鉆孔，確保鉆頭的整個直徑包含在零件內。如果直徑的任何部分位于外部，則鉆頭可能會折斷，表面光潔度會很差，并且在拐角處產生的鋒利邊緣可能會折疊。如果完全必要，請先對零件進行鉆孔，然后銑掉材料以留下部分孔。

線程數

方法：創建線程主要有三種方法。

切割絲錐：通過從孔中去除材料來形成配合對的母部分。

成型絲錐：通過孔內材料的位移來創建螺紋。

螺紋銑刀：使用螺旋插補沿主軸軸線插入以創建螺紋。

孔類型：對于螺紋孔，通孔是理想的選擇，因為這樣可以使絲錐完全穿過零件并確保創建精確的螺紋。對于盲孔，在螺紋長度上加上孔底公稱直徑的1.5倍。

螺紋尺寸：由于易于制造，請確保選擇盡可能最大的螺紋尺寸。較小的絲錐意味著在生產過程中斷裂的可能性更大。

螺紋深度：僅將零件加工到必要的長度，因為更深的螺紋會增加成本，而現成的尺寸可以降低成本。請咨詢您選擇的機械廠，他們擁有哪些螺紋。

圖紙詳細信息：表示要添加到報價中的螺紋，并包含詳細說明所有螺紋的準確2D圖紙，以避免混淆并確保您收到的零件與設計相符。

3、倒角和圓角

帶有狗骨角的機加工托盤。（來源：Alex Haysler）

倒角：兩個表面在銳邊相交處進行斜切，目的是簡化組裝（將螺栓插入孔中），并降低處理尖銳物體時受傷的風險。

圓角：零件內角或外角的倒圓角，此特征通常是刀具半徑的結果。保持零件上的任何半徑大于刀具半徑非常重要，因為這將使加工過程更加簡單。

去毛刺：注意倒角和去毛刺是有區別的。機械師只會打破零件的邊緣以去除毛刺，但如果需要特定尺寸，則會對材料進行倒角。倒角邊緣應保持45°，除非必須使用不同的角度。

內部圓角：內部圓角應盡可能大，以便使用大直徑刀具，從而減少加工時間。一般情況下，內部圓角半徑應大于型腔深度的1/3，以免折斷刀具。

狗骨角：如果配合零件需要方角，則可以使用狗骨角去除角周圍的材料。為了便于制造，角直徑應盡可能大。

底部邊緣圓角：在型腔底部創建半徑時，使用小于壁上半徑的半徑進行加工會更容易。這樣就可以使用相同的工具，從而在拐角處形成平滑的流動。

4、底切

重要的底切刀具信息。（來源：3D中心）

底切是無法使用標準切削刀具加工的特征，因為它們的某些表面無法從上方直接觸及。底切特征有兩種主要類型：

T形槽：切削刀具由連接到垂直軸的水平切削刀片組成，為了限制這些情況下的成本增加，請使用整毫米增量或標準英寸分數作為刀具寬度。

燕尾榫：切削刀具使用角度作為定義特征尺寸，標準刀具為45°或60°（也可提供最大120°、增量為10°的刀具）。

加工時，最好避免底切，因為它們很難加工并且需要專業工具或多次設置。如果完全必要，請保持底切量盡可能小。

對于內壁的底切，請為工具留出足夠的間隙。在機加工墻和任何其他內墻之間添加至少等于底切深度四倍的空間。

表面處理

底部經過噴砂處理的毛坯活塞（最右側）可消除加工過程中的應力集中。（來源：jepistons.com）

CNC加工零件最常見的表面處理如下：

銑削加工：由于CNC加工的性質，零件表面上會出現一些工具痕跡。表面質量通過平均表面粗糙度來衡量，平均表面粗糙度定義為加工輪廓與理想理論表面的平均偏差。這種表面處理提供了最嚴格的尺寸公差，并且這種表面處理沒有額外成本，但銑削產生的可見工具痕跡會影響零件的美觀。

噴珠：使用加壓氣槍用小玻璃珠轟擊零件，去除一些材料并使零件的裸露表面光滑，從而獲得均勻的啞光或緞面表面光潔度。可以屏蔽關鍵表面和特征，以避免任何不需要的尺寸變化。此過程的手動性質意味著精加工質量在很大程度上取決于操作員的技能，但根據所使用的玻璃珠的尺寸（從粗到非常細，與砂紙等級類似）可以產生各種不同的精加工效果噴砂還可以幫助緩解加工過程中留下的一些應力集中，這對于機械應變部件（例如活塞）非常有用，因為在給定區域中任何大于材料強度的集中應力都有可能產生疲勞裂縫。

陽極氧化：在稱為電解質的化學溶液中在鋁或鈦零件上形成氧化膜的過程。有不同的類型：

I型是一種鉻酸陽極氧化膜，用于航空航天和其他精密加工部件。它是焊接組件的理想選擇。此過程通常使用黑色染料，因為其他顏色不那么實用。該面漆還可用作底漆，以獲得更高質量的粉末涂層面漆。

II型涉及稀釋硫酸，被稱為“標準”或“裝飾性”陽極氧化，生產的零件具有光滑表面、良好的腐蝕性和有限的耐磨性，但仍然適用于需要嚴格公差的零件。

III型也使用稀硫酸，但它是一種“硬涂層”，可產生具有非常高的耐腐蝕性和耐磨性的厚陶瓷涂層，主要用于滑動部件和鉸鏈機構以及其他機械應力部件，例如閥門和活塞。

粉末涂層：在零件表面添加一層薄薄的保護性“油漆”（是干粉末而不是液體噴霧），提供與所有類型的金屬兼容的堅固且耐磨的表面處理。粉末涂層零件比陽極氧化零件具有更高的抗沖擊性，因為多層粉末涂層可以應用多種顏色。然而，與陽極氧化相比，這確實導致尺寸控制較少。此外，由于應用的性質，對內部特征和表面進行涂層并不容易。

電鍍：通過使帶正電的電流通過溶解有金屬離子的溶液（陽極）以及使帶負電的電流通過部件（陰極），將一層或多層金屬施加到部件上。由于使用了錫、鉛和鋅等單一金屬以及更美觀的金屬（金和銀），因此可以添加定制屬性。該工藝通常用于醫療診斷儀器、電子和光學器件的精加工。

還可以使用其他專業表面處理劑，例如干潤滑劑（減少摩擦）和其他增強性能的表面處理劑，因此對您的應用進行盡職調查非常重要。

注意事項

在機加工零件上進行雕刻和壓花。（來源：datron.com）

薄壁：難以加工且容易斷裂，薄壁加工需要低切削深度的多次走刀，從而增加了成本。薄壁特征也很容易產生振動，因此加工精確的薄壁非常具有挑戰性且耗時。

深型腔：型腔深度應保持在刀具直徑的四倍以下，以減少加工難度和刀具破損的可能性。

小特征：微孔就是這樣的一個例子（直徑小于2.5毫米），它增加了加工難度和時間，對加工過程中的成本產生負面影響。

浮雕文字：由于在此過程中需要去除大量材料，因此最好使用雕刻文字。還建議使用最小尺寸為20磅的無襯線字體，以避免雕刻文本中出現小特征。

非關鍵特征的特定公差：加工零件所需的精度越高，由于加工時間和勞動力增加，成品零件的成本就越高。應謹慎定義具體公差，并且僅在技術圖紙上使用標準公差不可接受時才定義。

編譯整理：ALL3DP