如何設(shè)計(jì)CNC零件？

魔猴君  知識(shí)堂   339天前

CNC工藝介紹

計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)加工是一種減材制造方法，使用許多高速、精密的機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)?；旧?，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(kāi)槽等。

與所有制造工藝一樣，通過(guò)在設(shè)計(jì)階段考慮CNC加工的具體情況可以獲得更好的結(jié)果。在簡(jiǎn)要回顧了數(shù)控機(jī)床的種類之后，本文將詳細(xì)介紹一些設(shè)計(jì)方面。

數(shù)控機(jī)床的類型

臥式銑床。資料來(lái)源：pinterest

一些常見(jiàn)的數(shù)控機(jī)床類型包括：

車床：通常用于制造復(fù)雜的圓柱形形狀，對(duì)于許多設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，車床因其操作的成本效益而成為首選。材料轉(zhuǎn)動(dòng)，而切削刀具保持靜止。幾何形狀的創(chuàng)建依賴于固定工具的運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給速率以及材料的旋轉(zhuǎn)速度控制。

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

臥式銑床：刀具安裝在工作臺(tái)上的水平主軸上。當(dāng)?shù)毒咝枰コ罅坎牧匣驅(qū)纫筝^低時(shí)，可以使用它們。

刳刨機(jī)：與立式銑床類似，切削刀具垂直于機(jī)床床身對(duì)齊，刳刨機(jī)移動(dòng)，而零件保持固定。主要區(qū)別在于工作區(qū)域與機(jī)器的比率，對(duì)于銑機(jī)來(lái)說(shuō)幾乎為1:1，但對(duì)于銑床來(lái)說(shuō)接近1:3。

對(duì)于上述所有機(jī)器，使用各種高速切削工具執(zhí)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(shù)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(zhǎng)度。

當(dāng)材料從工件上去除時(shí)，刀具的幾何形狀被轉(zhuǎn)移到零件上。這意味著CNC加工零件的內(nèi)部特征始終具有圓角半徑，無(wú)論加工過(guò)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(lái)源：oemoffhighway

材料選擇對(duì)于確定零件的成本至關(guān)重要。選擇它們進(jìn)行加工時(shí)要考慮的特性包括硬度、剛性和耐化學(xué)性以及其他機(jī)械和美觀品質(zhì)。

用于機(jī)械加工的常見(jiàn)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(jí)和類型可以滿足多種應(yīng)用。良好的加工等級(jí)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(qiáng)度、韌性和抗疲勞性，可用于軍用和商用飛機(jī)零件）。

鋁：鋁是世界上儲(chǔ)量最豐富的金屬。純鋁質(zhì)地柔軟、延展性好、耐腐蝕且導(dǎo)電性高。鋁還可以與其他金屬形成合金以增強(qiáng)某些特性。用于機(jī)加工的重要牌號(hào)包括6082（優(yōu)異的耐腐蝕性和最強(qiáng)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(qiáng)度、高機(jī)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(yōu)異的導(dǎo)電性使銅成為母線和電機(jī)等電氣產(chǎn)品的理想產(chǎn)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(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，因?yàn)殂~是一種良好的導(dǎo)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(jí)，類似于鋼和鋁。主要特性包括良好的機(jī)械加工性、高抗壓強(qiáng)度和高摩擦阻力。這也是一個(gè)相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的選擇。在某些應(yīng)用中，它可以代替金屬，提供更持久、維護(hù)成本更低的解決方案。

PTFE：PTFE通常稱為特氟龍，具有優(yōu)異的耐摩擦性，是需要耐用性和高沖擊強(qiáng)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(huán)境。主要應(yīng)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(qiáng)度和高剛度應(yīng)用。此外，PEEK具有較高的耐熱性、耐濕循環(huán)性以及耐化學(xué)性，是泵部件、醫(yī)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(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、公差和配合

車后軸上的多個(gè)軸承需要幾何公差。（來(lái)源：cometkartsales）

公差定義了任何給定尺寸的可接受范圍。如果沒(méi)有定義總體公差，大多數(shù)機(jī)械車間將使用±0.125 mm的標(biāo)準(zhǔn)公差，但定義自己的標(biāo)準(zhǔn)通常很重要，因?yàn)閼?yīng)用可能需要比這更嚴(yán)格的公差。

配合可以稱為公差的正確應(yīng)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(gè)零件在組裝時(shí)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。

過(guò)渡配合：孔的尺寸與軸相同或稍小，安裝或拆卸時(shí)需要很小的力。

過(guò)盈配合：孔比軸小，組裝或拆卸時(shí)需要很大的力（或熱量）。

僅當(dāng)需要控制兩個(gè)或多個(gè)配合零件的配合時(shí)才應(yīng)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(nèi)圈允許旋轉(zhuǎn)，需要過(guò)盈配合或過(guò)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(guò)渡配合或微小間隙配合，以允許任何軸的設(shè)計(jì)為整數(shù)。在CAD包中檢查軸承規(guī)格和裝配體非常重要，以便在制造前快速標(biāo)記任何潛在問(wèn)題。

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

但是，假設(shè)外殼是跨較大框架設(shè)置的三個(gè)外殼之一，并且有一根長(zhǎng)軸（或軸）穿過(guò)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(hào)語(yǔ)言來(lái)明確描述標(biāo)稱幾何形狀和允許的變化。對(duì)于上面的示例，您可以使用同心度或位置特征來(lái)控制配合。

雖然標(biāo)準(zhǔn)公差通常足以滿足零件設(shè)計(jì)的要求，但對(duì)于特征相互影響的更復(fù)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(yán)格公差，因?yàn)檫@可能會(huì)降低機(jī)器速度、需要額外的夾具或使用特殊的測(cè)量工具，從而增加零件成本。

2、孔和螺紋

機(jī)加工零件上的螺紋孔。（來(lái)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(yè)工具，除非完全必要，否則不要指定平底孔

延伸孔：對(duì)于延伸孔，可以從零件的兩側(cè)鉆孔。不過(guò)，重要的是要認(rèn)識(shí)到兩個(gè)孔相遇的地方會(huì)存在不匹配，這可以通過(guò)使用夾具來(lái)解決，但會(huì)增加零件成本。

邊緣鉆孔：對(duì)于邊緣鉆孔，確保鉆頭的整個(gè)直徑包含在零件內(nèi)。如果直徑的任何部分位于外部，則鉆頭可能會(huì)折斷，表面光潔度會(huì)很差，并且在拐角處產(chǎn)生的鋒利邊緣可能會(huì)折疊。如果完全必要，請(qǐng)先對(duì)零件進(jìn)行鉆孔，然后銑掉材料以留下部分孔。

線程數(shù)

方法：創(chuàng)建線程主要有三種方法。

切割絲錐：通過(guò)從孔中去除材料來(lái)形成配合對(duì)的母部分。

成型絲錐：通過(guò)孔內(nèi)材料的位移來(lái)創(chuàng)建螺紋。

螺紋銑刀：使用螺旋插補(bǔ)沿主軸軸線插入以創(chuàng)建螺紋。

孔類型：對(duì)于螺紋孔，通孔是理想的選擇，因?yàn)檫@樣可以使絲錐完全穿過(guò)零件并確保創(chuàng)建精確的螺紋。對(duì)于盲孔，在螺紋長(zhǎng)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(qǐng)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(chǎn)過(guò)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(zhǎng)度，因?yàn)楦畹穆菁y會(huì)增加成本，而現(xiàn)成的尺寸可以降低成本。請(qǐng)咨詢您選擇的機(jī)械廠，他們擁有哪些螺紋。

圖紙?jiān)敿?xì)信息：表示要添加到報(bào)價(jià)中的螺紋，并包含詳細(xì)說(shuō)明所有螺紋的準(zhǔn)確2D圖紙，以避免混淆并確保您收到的零件與設(shè)計(jì)相符。

3、倒角和圓角

帶有狗骨角的機(jī)加工托盤。（來(lái)源：Alex Haysler）

倒角：兩個(gè)表面在銳邊相交處進(jìn)行斜切，目的是簡(jiǎn)化組裝（將螺栓插入孔中），并降低處理尖銳物體時(shí)受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

圓角：零件內(nèi)角或外角的倒圓角，此特征通常是刀具半徑的結(jié)果。保持零件上的任何半徑大于刀具半徑非常重要，因?yàn)檫@將使加工過(guò)程更加簡(jiǎn)單。

去毛刺：注意倒角和去毛刺是有區(qū)別的。機(jī)械師只會(huì)打破零件的邊緣以去除毛刺，但如果需要特定尺寸，則會(huì)對(duì)材料進(jìn)行倒角。倒角邊緣應(yīng)保持45°，除非必須使用不同的角度。

內(nèi)部圓角：內(nèi)部圓角應(yīng)盡可能大，以便使用大直徑刀具，從而減少加工時(shí)間。一般情況下，內(nèi)部圓角半徑應(yīng)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(yīng)盡可能大。

底部邊緣圓角：在型腔底部創(chuàng)建半徑時(shí)，使用小于壁上半徑的半徑進(jìn)行加工會(huì)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(dòng)。

4、底切

重要的底切刀具信息。（來(lái)源：3D中心）

底切是無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)切削刀具加工的特征，因?yàn)樗鼈兊哪承┍砻鏌o(wú)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(qǐng)使用整毫米增量或標(biāo)準(zhǔn)英寸分?jǐn)?shù)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(biāo)準(zhǔn)刀具為45°或60°（也可提供最大120°、增量為10°的刀具）。

加工時(shí)，最好避免底切，因?yàn)樗鼈兒茈y加工并且需要專業(yè)工具或多次設(shè)置。如果完全必要，請(qǐng)保持底切量盡可能小。

對(duì)于內(nèi)壁的底切，請(qǐng)為工具留出足夠的間隙。在機(jī)加工墻和任何其他內(nèi)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(jīng)過(guò)噴砂處理的毛坯活塞（最右側(cè)）可消除加工過(guò)程中的應(yīng)力集中。（來(lái)源：jepistons.com）

CNC加工零件最常見(jiàn)的表面處理如下：

銑削加工：由于CNC加工的性質(zhì)，零件表面上會(huì)出現(xiàn)一些工具痕跡。表面質(zhì)量通過(guò)平均表面粗糙度來(lái)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(yán)格的尺寸公差，并且這種表面處理沒(méi)有額外成本，但銑削產(chǎn)生的可見(jiàn)工具痕跡會(huì)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?？梢云帘侮P(guān)鍵表面和特征，以避免任何不需要的尺寸變化。此過(guò)程的手動(dòng)性質(zhì)意味著精加工質(zhì)量在很大程度上取決于操作員的技能，但根據(jù)所使用的玻璃珠的尺寸（從粗到非常細(xì)，與砂紙等級(jí)類似）可以產(chǎn)生各種不同的精加工效果噴砂還可以幫助緩解加工過(guò)程中留下的一些應(yīng)力集中，這對(duì)于機(jī)械應(yīng)變部件（例如活塞）非常有用，因?yàn)樵诮o定區(qū)域中任何大于材料強(qiáng)度的集中應(yīng)力都有可能產(chǎn)生疲勞裂縫。

陽(yáng)極氧化：在稱為電解質(zhì)的化學(xué)溶液中在鋁或鈦零件上形成氧化膜的過(guò)程。有不同的類型：

I型是一種鉻酸陽(yáng)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(guò)程通常使用黑色染料，因?yàn)槠渌伾荒敲磳?shí)用。該面漆還可用作底漆，以獲得更高質(zhì)量的粉末涂層面漆。

II型涉及稀釋硫酸，被稱為“標(biāo)準(zhǔn)”或“裝飾性”陽(yáng)極氧化，生產(chǎn)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(yán)格公差的零件。

III型也使用稀硫酸，但它是一種“硬涂層”，可產(chǎn)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(dòng)部件和鉸鏈機(jī)構(gòu)以及其他機(jī)械應(yīng)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(hù)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(jiān)固且耐磨的表面處理。粉末涂層零件比陽(yáng)極氧化零件具有更高的抗沖擊性，因?yàn)槎鄬臃勰┩繉涌梢詰?yīng)用多種顏色。然而，與陽(yáng)極氧化相比，這確實(shí)導(dǎo)致尺寸控制較少。此外，由于應(yīng)用的性質(zhì)，對(duì)內(nèi)部特征和表面進(jìn)行涂層并不容易。

電鍍：通過(guò)使帶正電的電流通過(guò)溶解有金屬離子的溶液（陽(yáng)極）以及使帶負(fù)電的電流通過(guò)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(yī)療診斷儀器、電子和光學(xué)器件的精加工。

還可以使用其他專業(yè)表面處理劑，例如干潤(rùn)滑劑（減少摩擦）和其他增強(qiáng)性能的表面處理劑，因此對(duì)您的應(yīng)用進(jìn)行盡職調(diào)查非常重要。

注意事項(xiàng)

在機(jī)加工零件上進(jìn)行雕刻和壓花。（來(lái)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(chǎn)生振動(dòng)，因此加工精確的薄壁非常具有挑戰(zhàn)性且耗時(shí)。

深型腔：型腔深度應(yīng)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(gè)例子（直徑小于2.5毫米），它增加了加工難度和時(shí)間，對(duì)加工過(guò)程中的成本產(chǎn)生負(fù)面影響。

浮雕文字：由于在此過(guò)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(wú)襯線字體，以避免雕刻文本中出現(xiàn)小特征。

非關(guān)鍵特征的特定公差：加工零件所需的精度越高，由于加工時(shí)間和勞動(dòng)力增加，成品零件的成本就越高。應(yīng)謹(jǐn)慎定義具體公差，并且僅在技術(shù)圖紙上使用標(biāo)準(zhǔn)公差不可接受時(shí)才定義。

編譯整理：ALL3DP