如何設(shè)計(jì)用于CNC加工的零件？

魔猴君  知識(shí)堂   873天前

在這份完整的 CNC 加工設(shè)計(jì)指南中，魔猴匯編了基本和高級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)踐和技巧，以幫助您實(shí)現(xiàn)定制零件的最佳結(jié)果

CNC加工是一種減材制造技術(shù)，使用各種高速旋轉(zhuǎn)的切削工具從實(shí)體塊中去除材料，以生產(chǎn)基于 CAD 模型的零件。 金屬和塑料都可以進(jìn)行 CNC 加工。

CNC 加工零件具有高尺寸精度和嚴(yán)格的公差，并適用于大批量生產(chǎn)和一次性工作。 事實(shí)上，CNC 加工是目前生產(chǎn)金屬原型最具成本效益的方式。

一、CNC設(shè)計(jì)的主要限制是什么？

CNC 提供了極大的設(shè)計(jì)靈活性，但也有一些限制。 這些限制與切削過程的基本力學(xué)有關(guān)，主要涉及刀具幾何形狀和刀具通道。

1、刀具幾何

最常見的 CNC 切削工具（立銑刀和鉆頭）具有圓柱形形狀和有限的切削長度。

隨著從工件上去除材料，工具的幾何形狀被轉(zhuǎn)移到加工零件上。 例如，這意味著 CNC 零件的內(nèi)角始終具有半徑，無論使用多小的切削刀具。

2、工具訪問

為了去除材料，刀具直接從上方接近工件。 無法以這種方式訪問的特征無法進(jìn)行 CNC 加工。不過這條規(guī)則有一個(gè)例外：底切

一個(gè)好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是將模型的所有特征（孔、空腔、垂直墻等）與六個(gè)主要方向之一對(duì)齊。 但是，將此規(guī)則視為建議而非限制，因?yàn)?/span> 五軸數(shù)控系統(tǒng) 提供先進(jìn)的工件夾持能力。

當(dāng)加工具有大深度與寬度比的特征時(shí)，工具訪問也是一個(gè)問題。 例如，要到達(dá)深腔的底部，您需要具有延伸范圍的工具。 這意味著末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)范圍更廣，這會(huì)增加機(jī)器顫振并降低可實(shí)現(xiàn)的精度。

如果您設(shè)計(jì)的零件可以使用具有最大可能直徑和最短長度的工具進(jìn)行 CNC 加工，它將簡化生產(chǎn)。

二、CNC 設(shè)計(jì)指南

在為 CNC 加工設(shè)計(jì)零件時(shí)經(jīng)常遇到的一個(gè)挑戰(zhàn)是不存在全行業(yè)的特定標(biāo)準(zhǔn)。 數(shù)控機(jī)床和工具制造商不斷提高技術(shù)能力，擴(kuò)大可能的極限。 下表總結(jié)了 CNC 加工零件中遇到的最常見特征的推薦值和可行值。

1、空腔和口袋

推薦型腔深度： 4倍型腔寬度

立銑刀的切削長度有限（通常是其直徑的 3-4 倍）。 當(dāng)型腔的深寬比較小時(shí)，刀具偏斜、排屑和振動(dòng)會(huì)變得更加突出。

將空腔的深度限制為其寬度的四倍可確保獲得良好的結(jié)果。

如果需要更大的深度，請(qǐng)考慮設(shè)計(jì)具有可變型腔深度的零件。

深腔銑削： 深度大于刀具直徑六倍的腔被認(rèn)為是深的。 使用專用工具（最大深度：35 厘米，直徑為 1 英寸的立銑刀），可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 30:1 的工具直徑與型腔深度比。

2、內(nèi)部邊緣

垂直角半徑

推薦： ? 倍腔深度（或更大）

使用推薦的內(nèi)角半徑值可確保可以使用合適的直徑工具，并與推薦的型腔深度指南保持一致。

將拐角半徑增加到略高于推薦值（例如增加 1 毫米），允許刀具沿著圓形路徑而不是 90 角進(jìn)行切削。 這是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致更高質(zhì)量的表面光潔度。 如果需要尖銳的 90 度內(nèi)角，請(qǐng)考慮添加 T 型骨底切，而不是減小角半徑。

3、地板半徑

推薦： 0.5 mm、1 mm 或無半徑

可行： 任何半徑

立銑刀具有平坦或略圓的下切削刃。 其他地板半徑可以使用球頭工具加工。 使用推薦值是很好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，因?yàn)樗菣C(jī)械師的首選。

4、薄壁

最小壁厚

推薦： 0.8 毫米（金屬）、1.5 毫米（塑料）

可行： 0.5 mm（金屬），1.0 mm（塑料）

減小壁厚會(huì)降低材料的剛度，這會(huì)增加加工過程中的振動(dòng)并降低可達(dá)到的精度。 塑料容易翹曲（由于殘余應(yīng)力）和軟化（由于溫度升高），因此建議使用更大的最小壁厚。 上述可行值應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行檢查。

5、孔

6、直徑

推薦： 標(biāo)準(zhǔn)鉆頭

可行： 任何大于1毫米的直徑

使用鉆頭或立銑刀加工孔。 鉆頭的尺寸是標(biāo)準(zhǔn)化的（公制和英制單位）。 鉸刀和鏜孔工具用于精加工需要嚴(yán)格公差的孔。 對(duì)于直徑小于 20 mm 的高精度孔，建議使用標(biāo)準(zhǔn)直徑。

7、最大深度

推薦： 4 倍公稱直徑

典型值： 公稱直徑的 10 倍

可行： 40倍公稱直徑

非標(biāo)準(zhǔn)直徑的孔必須用立銑刀加工。 在這種情況下，最大腔深度限制適用，并且應(yīng)該使用推薦的最大深度值。 使用專用鉆頭（最小直徑為 3 毫米）加工比典型值更深的孔。 用鉆頭加工的盲孔有一個(gè)錐形底面（135 度角），而用立銑刀加工的孔是平的。

CNC加工中通孔和盲孔之間沒有特別的偏好。

8、線程

螺紋尺寸

最低： M2

推薦： M6或更大

螺紋用絲錐切割，外螺紋用模具切割。 絲錐和模具可用于將螺紋切割至 M2。 CNC 螺紋工具很常見，并且受到機(jī)械師的青睞，因?yàn)樗鼈兿拗屏私z錐斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。 CNC 螺紋刀具可用于將螺紋切削到 M6。

螺紋長度

最?。?/span> 公稱直徑的 1.5 倍

推薦： 3倍公稱直徑

施加在螺紋上的大部分載荷由少數(shù)幾個(gè)第一齒承受（最多為公稱直徑的 1.5 倍）。 因此不需要長于公稱直徑 3 倍的螺紋。

對(duì)于用絲錐切割的盲孔中的螺紋（即所有小于 M6 的螺紋），在孔底部添加等于公稱直徑 1.5 倍的無螺紋長度。 當(dāng)可以使用 CNC 螺紋工具（即螺紋大于 M6）時(shí)，孔可以在其整個(gè)長度上進(jìn)行螺紋加工。

9、小功能

最小孔徑

推薦： 2.5 毫米（0.1 英寸。''）

可行： 0.05 毫米（0.005 英寸。''）

大多數(shù)機(jī)加工車間可以使用直徑小至 2.5 毫米（0.1 英寸）的工具精確加工型腔和孔。 任何低于這個(gè)限制的東西都被認(rèn)為是微加工。 加工這些特征需要專業(yè)工具（微型鉆頭）和專業(yè)知識(shí)，因?yàn)榍邢鬟^程的物理特性會(huì)隨著這種規(guī)模的變化而變化。 因此，除非絕對(duì)必要，否則建議避免使用它們。

公差

典型值： +-0.1 毫米

可行： +-0.02 毫米

我們的公差為 2768 中等或精細(xì)。 如果未指定公差，制造合作伙伴將使用選定的 2768 等級(jí)。

公差定義了可接受尺寸的邊界。 可實(shí)現(xiàn)的公差根據(jù)零件的基本尺寸和幾何形狀而有所不同。 上述值是合理的指導(dǎo)方針。

文字和刻字

推薦： 字體大小 20（或更大），5 毫米刻字

雕刻文字優(yōu)于浮雕文字，因?yàn)槿コ牟牧细佟?/span> 建議使用最小大小為 -20 的無襯線字體（例如 Arial 或 Verdana）。 許多 CNC 機(jī)器都有針對(duì)這些字體的預(yù)編程例程。

CNC 機(jī)床設(shè)置和零件定位

需要多次設(shè)置的零件示意圖

刀具訪問是 CNC 加工的主要設(shè)計(jì)限制之一。 為了到達(dá)模型的所有表面，工件必須旋轉(zhuǎn)多次。

每當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，必須重新校準(zhǔn)機(jī)器并定義新的坐標(biāo)系。

在設(shè)計(jì)時(shí)，出于兩個(gè)原因考慮機(jī)器設(shè)置很重要：

機(jī)器設(shè)置的總數(shù)會(huì)影響成本。 旋轉(zhuǎn)和重新對(duì)齊零件需要手動(dòng)工作，并增加了總加工時(shí)間。 如果零件需要旋轉(zhuǎn)三到四次，這通常是可以接受的，但任何超過此限制的東西都是過度的。

為了獲得最大的相對(duì)位置精度，必須在同一設(shè)置中加工兩個(gè)特征。 這是因?yàn)樾碌男?zhǔn)步驟引入了一個(gè)小的（但不可忽略的）誤差。

三、什么是5軸CNC加工？

5 軸 CNC 機(jī)床同時(shí)沿五個(gè)軸移動(dòng)切削工具或零件。 多軸數(shù)控機(jī)床可以制造具有復(fù)雜幾何形狀的零件，因?yàn)樗鼈兲峁┝藘蓚€(gè)額外的旋轉(zhuǎn)軸。 這些機(jī)器消除了對(duì)多臺(tái)機(jī)器設(shè)置的需要。

5軸CNC加工有哪些優(yōu)勢(shì)和局限？

五軸 CNC 加工使刀具始終與切削表面相切。 刀具路徑可以更加復(fù)雜和高效，從而使零件具有更好的表面光潔度和更短的加工時(shí)間。

也就是說，5 軸 CNC 有其局限性。 基本刀具幾何形狀和刀具訪問限制仍然適用（例如，無法加工具有內(nèi)部幾何形狀的零件）。 

此外，使用這種系統(tǒng)的成本更高。CNC加工底切底切是無法使用標(biāo)準(zhǔn)切削工具加工的特征，因?yàn)樗鼈兊哪承┍砻娌荒苤苯訌纳戏浇佑|。

底切主要有兩種類型：T 形槽和燕尾槽。 底切可以是單面的，也可以是雙面的，并使用特殊工具加工。T 型槽切割工具由連接在垂直軸上的水平切割刀片制成。 底切的寬度可以在 3 毫米到 40 毫米之間變化。 我

們建議對(duì)寬度使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸（即整毫米增量或標(biāo)準(zhǔn)英寸分?jǐn)?shù)），因?yàn)楹芸赡芤呀?jīng)有合適的工具可用。對(duì)于燕尾槽刀具，角度是定義特征尺寸。 45 度和 60 度燕尾工具都被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的。 角度為 5 度、10 度和高達(dá) 120 度（以 10 度為增量）的工具也存在，但不太常用。

CNC加工的底切設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)內(nèi)壁有底切的零件時(shí)，請(qǐng)記住為工具增加足夠的間隙。 一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是在機(jī)加工壁和任何其他內(nèi)壁之間添加至少等于底切深度四倍的空間。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)刀具，切削直徑與軸直徑之間的典型比率為 2:1，從而限制了切削深度。 當(dāng)需要非標(biāo)準(zhǔn)底切時(shí)，機(jī)械車間通常會(huì)制造自己的定制底切工具。 這會(huì)增加交貨時(shí)間和成本，因此請(qǐng)盡可能避免。

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