如何设计用于数控加工的零件
在本篇完整的数控加工设计指南中，我们汇总了基础和高级设计实践及技巧，以帮助您获得定制零件的最佳效果。
您可以采取一些简单的步骤来优化设计，使其更适合计算机数控 (CNC) 加工。遵循面向制造的设计 (DFM) 原则，您可以充分利用 CNC 加工的强大功能。然而，由于目前尚无行业通用的标准，这可能具有挑战性。
本文全面介绍了数控加工的最佳设计实践。为了汇编这些详尽且最新的信息，我们咨询了行业专家和数控加工服务提供商的意见。如果您正在优化成本，请参阅本指南，了解如何设计经济高效的数控零件。
CNC设计的主要限制是什么？
CNC 提供了极大的设计灵活性，但也存在一些限制。这些限制与切削过程的基本力学有关，主要涉及刀具几何形状和刀具访问。
刀具几何形状
最常见的 CNC 切削刀具（立铣刀和钻头）具有圆柱形状和有限的切削长度。
随着材料从工件上移除，刀具的几何形状会转移到加工部件上。例如，这意味着无论使用的切削刀具有多小，CNC 部件的内角始终具有半径。
工具访问
为了去除材料，切削刀具直接从上方接近工件。无法通过这种方式接近的特征无法进行 CNC 加工。
但也有例外：底切。本文末尾会专门有一节讲解底切。
我们建议您将模型的所有特征（孔、腔、垂直壁等）与六个主方向之一对齐。但是，请将此规则视为建议而非限制，因为五轴数控系统具有先进的工件夹持功能。
当加工具有较大深度与宽度比的特征时，刀具的接近也是一个问题。例如，要到达深腔的底部，您需要具有延伸范围的刀具。这意味着末端执行器的运动范围更大，这会增加机器的颤动并降低可实现的精度。
如果您设计的零件可以使用直径尽可能大、长度尽可能短的工具进行 CNC 加工，那么生产将会简化。
数控设计指南
在设计用于数控加工的零件时，经常会遇到的一个挑战是缺乏行业通用的标准。数控机床和刀具制造商不断改进技术，拓展加工的可能性。下表总结了数控加工零件中最常见特征的推荐值和可行值。
空腔和口袋
建议空腔深度：空腔宽度的 4 倍
立铣刀的切削长度有限（通常为其直径的3-4倍）。当型腔的深宽比较小时，刀具挠曲、排屑和振动等问题会更加突出。
将空腔深度限制在其宽度的四倍以内，可确保获得良好的效果。
如果需要更大的深度，可以考虑设计具有可变腔深的零件。
深腔铣削：腔深大于刀具直径六倍的腔体被认为是深腔。使用专用刀具，刀具直径与腔深之比可达 30:1（使用直径为 1 英寸的立铣刀，最大深度为 35 厘米）。
空腔和口袋
垂直圆角半径
建议用量：牙洞深度的三分之一（或更大）
使用推荐的内角半径值可确保使用合适的直径工具，并符合推荐的腔体深度指南。
将圆角半径略微增大到超过推荐值（例如增大 1 毫米），可以让刀具沿圆形路径而非 90 度角进行切削。这样做可以获得更高质量的表面光洁度。如果需要锐利的 90 度内角，请考虑添加 T 形底切，而不是减小圆角半径。
地板半径
推荐： 半径为 0.5 毫米、1 毫米或无半径
可行： 任意半径
立铣刀的下切削刃是平的或略呈圆弧形。其他底面半径可以使用球头铣刀加工。使用推荐值是一种良好的设计实践，因为这是机械加工人员的首选。
薄壁
最小壁厚
建议厚度：0.8毫米（金属），1.5毫米（塑料）
可行厚度：0.5 毫米（金属），1.0 毫米（塑料）
减小壁厚会降低材料刚度，从而增加加工过程中的振动并降低加工精度。塑料容易发生翘曲（由于残余应力）和软化（由于温度升高），因此建议采用较大的最小壁厚。上述可行值应根据具体情况而定。
孔
直径
推荐：标准钻头
可行：任何大于 1 毫米的直径
孔的加工可以使用钻头或立铣刀。钻头的尺寸是标准化的（公制和英制单位）。铰刀和镗刀用于精加工公差要求严格的孔。对于直径小于 20 毫米的高精度孔，建议使用标准直径的钻头。
最大深度
推荐： 4倍标称直径
典型： 10倍标称直径
可行： 40倍标称直径
非标准直径的孔必须使用立铣刀加工。在这种情况下，必须遵守最大型腔深度限制，并应使用推荐的最大深度值。深度超过典型值的孔则使用专用钻头（最小直径为 3 毫米）加工。用钻头加工的盲孔底部呈锥形（角度为 135 度），而用立铣刀加工的孔底部是平的。
在数控加工中，通孔和盲孔之间没有特别的偏好。
Threads
螺纹尺寸
最小： M1（在某些情况下甚至更低）
推荐： M6 或更大
内螺纹用丝锥攻丝，外螺纹用板牙攻丝。丝锥和板牙可以攻丝至M2规格。数控螺纹加工刀具很常见，也是机械师的首选，因为它们可以降低丝锥断裂的风险。数控螺纹加工刀具可以攻丝至M6规格。
螺纹长度
最小： 1.5倍标称直径
推荐： 3倍标称直径
螺纹上的大部分载荷都由最前面的几个齿（长度不超过标称直径的1.5倍）承担。因此，长度超过标称直径3倍的螺纹是不必要的。
对于用丝锥攻丝的盲孔螺纹（即所有小于 M6 的螺纹），应在孔底增加一段长度为孔径标称直径 1.5 倍的无螺纹长度。当可以使用数控螺纹刀具时（即螺纹大于 M6），则可以对整个孔进行螺纹加工。
小特点
最小孔径
推荐： 2.5毫米（0.1英寸）。
可行： 0.05毫米（0.005英寸）。
大多数机械加工车间都能使用直径小至 2.5 毫米（0.1 英寸）的刀具精确加工型腔和孔。低于此尺寸的加工都属于微加工。由于切削过程的物理原理会随着尺寸的缩小而改变，因此加工此类特征需要专用刀具（微型钻头）和专业知识。除非绝对必要，否则建议避免进行此类加工。
公差
典型： +-0.1毫米
可行： +-0.02毫米
我们的公差标准为2768中等或精细。如果未指定公差，制造合作伙伴将使用选定的2768牌号。
公差定义了可接受尺寸的边界。可实现的公差取决于基准尺寸和零件的几何形状。以上数值仅供参考。
文字和刻字
建议：字体大小 20 号（或更大），雕刻厚度 5 毫米
雕刻文字比浮雕文字更受欢迎，因为雕刻文字去除的材料更少。建议使用最小尺寸为 -20 的无衬线字体（例如 Arial 或 Verdana）。许多 CNC 机器都为这些字体预先编程了程序。
CNC 机床设置和零件定位
需要多次设置的零件示意图
刀具进给是数控加工的主要设计限制之一。为了加工模型的所有表面，工件必须多次旋转。
每当工件旋转时，都必须重新校准机器并定义新的坐标系。
在设计时，出于以下两个原因，必须考虑机器的设置：
机床装夹次数会影响成本。旋转和重新对准零件需要人工操作，会增加总加工时间。如果零件只需旋转三到四次，这通常是可以接受的，但超过这个次数就太多了。
为了实现最大的相对位置精度，两个特征必须在同一工况下加工。这是因为新的校准步骤会引入一个虽小但不可忽略的误差。
什么是五轴数控加工？
五轴数控机床可同时沿五个轴移动切削刀具或工件。多轴数控机床由于增加了两个旋转轴，因此可以加工几何形状复杂的零件。这些机床无需多次装夹。
五轴数控加工的优势和局限性是什么？
五轴数控加工使刀具始终与切削面保持切线方向。刀具路径可以更加复杂高效，从而获得表面光洁度更高、加工时间更短的零件。
尽管如此，五轴数控机床也有其局限性。基本的刀具几何形状和刀具进给限制仍然存在（例如，无法加工具有内部几何形状的零件）。此外，使用此类系统的成本也更高。
CNC加工底切
底切是无法使用标准切削刀具加工的特征，因为它们的某些表面无法从上方直接接触。
有两种主要类型的倒扣：T 型槽和燕尾槽。倒扣可以是单面的，也可以是双面的，使用特殊工具加工而成。
T 型槽切削刀具由安装在垂直轴上的水平切削刀片制成。底切的宽度可在 3 毫米至 40 毫米之间变化。我们建议使用标准宽度尺寸（即整毫米增量或标准英寸分数），因为很可能已经有合适的刀具可用。
对于燕尾槽切割工具而言，角度是决定特征尺寸的标准。45 度和 60 度燕尾槽工具都被视为标准。角度为 5 度、10 度和高达 120 度（以 10 度为增量）的工具也存在，但不太常用。
内壁上的 T 形槽（左）、燕尾槽（中）和单侧槽（右）。
用于数控加工的底切设计
在设计内壁带有倒扣的零件时，务必预留足够的刀具间隙。一个好的经验法则是，在加工壁与其他内壁之间，预留的空间至少应为倒扣深度的四倍。
对于标准刀具，切削直径与刀杆直径的典型比值为 2:1，从而限制了切削深度。当需要非标准底切时，机加工车间通常会自行制造定制的底切刀具。这会增加交货时间和成本，因此应尽可能避免。
绘制技术图纸
工程师有时会使用技术图纸向机械师传达具体的制造要求。
请随报价单上传技术图纸。
我们平台通常不要求订单提供技术图纸，但在某些情况下，技术图纸可以为报价请求提供重要的背景信息。某些设计规范无法包含在 STEP 或 IGES 文件中。例如，如果您的模型包含螺纹孔或轴，和/或尺寸公差比所选 2768 等级更严格，则必须提供二维技术图纸。
如果您添加了技术图纸，请确保其与上传文件的规格相符。如果技术图纸与上传的文件或报价规格不符：
报价规格被视为技术、材料和表面处理的参考点。
技术图纸被视为螺纹规格、公差规格、表面光洁度细节、零件标记要求和热处理规格的参考依据。
CAD 文件被视为零件设计、几何形状、尺寸和特征位置的参考点。
数控加工的最佳实践是什么？
设计能够使用直径最大的刀具进行加工的零件。
在所有内部垂直角上添加大圆角（至少为空腔深度的三分之一）。
空腔深度应限制在其宽度的 4 倍以内。
将设计的主要特征与六个主方向之一对齐。如果无法做到这一点，则可选择五轴数控加工。
如果您的设计包含螺纹、公差、表面光洁度规格或其他供机器操作员参考的说明，请随图纸一起提交技术图纸。
您有需要CNC加工的零件吗？请联系我们的Gazfull团队。