如何設計用於CNC加工的零件
在本篇完整的數控加工設計指南中，我們彙整了基礎和進階設計實務及技巧，以幫助您獲得客製化零件的最佳效果。
您可以採取一些簡單的步驟來優化設計，使其更適合電腦數控 (CNC) 加工。遵循製造導向的設計 (DFM) 原則，您可以充分利用 CNC 加工的強大功能。然而，由於目前尚無行業通用的標準，這可能具有挑戰性。
本文全面介紹了數控加工的最佳設計實務。為了彙編這些詳盡且最新的信息，我們諮詢了行業專家和數控加工服務提供者的意見。如果您正在優化成本，請參閱本指南，以了解如何設計經濟高效的CNC零件。
CNC設計的主要限制是什麼？
數控加工提供了極大的設計彈性，但也存在一些限制。這些限制與切削過程的基本力學原理有關，主要涉及刀具幾何形狀和刀具進出通道。
刀具幾何形狀
最常見的數控切削刀具（立銑刀和鑽頭）呈圓柱形，切削長度有限。
當工件材料被移除時，刀具的幾何形狀會傳遞到加工零件上。這意味著，例如，無論使用的切削刀具多麼小，數控零件的內角始終具有圓角半徑。
工具訪問
為了去除材料，切削刀具直接從上方接近工件。無法以這種方式加工的特性無法進行數控加工。
但也有例外：底切。本文最後會特別有一節講解底切。
我們建議您將模型的所有特徵（孔、腔、垂直壁等）與六個主方向之一對齊。但是，請將此規則視為建議而非限制，因為五軸數控系統具有先進的工件夾持功能。
加工深寬比大的特徵時，刀具進給也是一個問題。例如，要到達深腔底部，需要使用長臂刀具。這意味著末端執行器的運動範圍更大，從而增加工具機顫振並降低加工精度。
如果設計的零件能夠使用直徑最大、長度最短的刀具進行數控加工，那麼生產就會變得簡單。
CNC設計指南
在設計用於數控加工的零件時，經常會遇到的一個挑戰是缺乏業界通用的標準。數控工具機和刀具製造商不斷改進技術，拓展加工的可能性。下表總結了數控加工零件中最常見特徵的建議值和可行值。
齲洞和牙周袋
建議空腔深度：空腔寬度的 4 倍
立銑刀的切削長度有限（通常為其直徑的3-4倍）。當型腔的深寬比較小時，刀具撓曲、排屑和振動等問題會更加突出。
將空腔深度限制在其寬度的四倍以內，可確保獲得良好的效果。
如果需要更大的深度，可以考慮設計具有可變腔深的零件。
深腔銑削：腔深大於刀具直徑六倍的腔體被認為是深腔。使用專用刀具，刀具直徑與腔深之比可達 30:1（使用直徑 1 英吋的立銑刀，最大深度為 35 公分）。
齲洞和牙周袋
垂直圓角半徑
建議用量：牙洞深度的三分之一（或更大）
使用建議的內角半徑值可確保使用合適的直徑工具，並符合建議的腔體深度指南。
將圓角半徑略微增加到超過建議值（例如增加 1 毫米），可以讓刀具沿著圓形路徑而非 90 度角進行切削。這樣做可以獲得更高品質的表面光潔度。如果需要銳利的 90 度內角，請考慮添加 T 形底切，而不是減少圓角半徑。
樓層半徑
推薦： 半徑為 0.5 毫米、1 毫米或無半徑
可行： 任意半徑
立銑刀的下方切割刃是平的或略呈圓弧形。其他底面半徑可以使用球頭銑刀加工。使用建議值是一種良好的設計實踐，因為這是機械加工人員的首選。
薄壁
最小壁厚
建議厚度：0.8毫米（金屬），1.5毫米（塑膠）
可行厚度：0.5 毫米（金屬），1.0 毫米（塑膠）
減小壁厚會降低材料剛度，從而增加加工過程中的振動並降低加工精度。塑膠容易發生翹曲（由於殘餘應力）和軟化（由於溫度升高），因此建議採用較大的最小壁厚。上述可行值應依具體情況而定。
孔
直徑
推薦：標準鑽頭
可行：任何大於 1 毫米的直徑
孔的加工可以使用鑽頭或立銑刀。鑽頭的尺寸是標準化的（公制和英制單位）。鉸刀和鏜刀用於精加工公差要求嚴格的孔。對於直徑小於 20 毫米的高精度孔，建議使用標準直徑的鑽頭。
最大深度
推薦： 4倍標稱直徑
典型： 10倍標稱直徑
可行： 40倍標稱直徑
非標準直徑的孔必須使用立銑刀加工。在這種情況下，必須遵守最大型腔深度限制，並應使用建議的最大深度值。深度超過典型值的孔則使用專用鑽頭（最小直徑為 3 毫米）加工。用鑽頭加工的盲孔底部呈錐形（角度為 135 度），而用立銑刀加工的孔底部是平的。
在數控加工中，通孔和盲孔之間沒有特別的偏好。
Threads
螺紋尺寸
最低配置： M1（在某些情況下甚至更低）
推薦： M6 或更大
內螺紋用絲錐攻絲，外螺紋用板牙攻絲。絲錐和板牙可以攻牙至M2規格。數控螺紋加工刀具很常見，也是機械師的首選，因為它們可以降低絲錐斷裂的風險。數控螺紋加工刀具可攻絲至M6規格。
螺紋長度
最低配置： 1.5倍標稱直徑
推薦： 3倍標稱直徑
螺紋上的大部分負荷都由最前面的幾個齒（長度不超過標稱直徑的1.5倍）承擔。因此，長度超過標稱直徑3倍的螺紋是不必要的。
對於用絲錐攻牙的盲孔螺紋（即所有小於 M6 的螺紋），應在孔底增加一段長度為孔徑標稱直徑 1.5 倍的無螺紋長度。當可以使用數控螺紋刀具時（即螺紋大於 M6），則可以對整個孔進行螺紋加工。
小特徵
最小孔徑
推薦： 2.5毫米（0.1吋）。
可行： 0.05毫米（0.005吋）。
大多數機械加工車間都能使用直徑小至 2.5 毫米（0.1 英吋）的刀具精確加工型腔和孔。低於此尺寸的加工都屬於微加工。由於切削過程的物理原理會隨著尺寸的縮小而改變，因此加工此類特徵需要專用刀具（微型鑽頭）和專業知識。除非絕對必要，否則建議避免進行此類加工。
公差
典型： +-0.1 毫米
可行： +-0.02 毫米
我們的公差標準為2768中等或精細。如果未指定公差，製造合作夥伴將使用選定的2768牌號。
公差定義了可接受尺寸的邊界。可實現的公差取決於基準尺寸和零件的幾何形狀。以上數值僅供參考。
文字和字體
建議：字體大小 20 號（或更大），雕刻厚度 5 毫米
雕刻文字優於凸印文字，因為雕刻文字去除的材料較少。建議使用最小字號為-20的無襯線字體（例如Arial或Verdana）。許多數控機床都預先安裝了這些字體的程式。
CNC工具機設定和零件方向
需要多次設定的零件示意圖
刀具進給是CNC加工的主要設計限制之一。為了加工到模型的所有表面，工件必須多次旋轉。
每當工件旋轉時，都必須重新校準機器並定義新的座標系。
在設計時，基於以下兩個原因，必須考慮機器的設定：
工具機裝夾次數會影響成本。旋轉和重新對準零件需要人工操作，會增加總加工時間。如果零件只需旋轉三到四次，這通常是可以接受的，但超過這個次數就太多了。
為了達到最大的相對位置精度，兩個特徵必須在同一工況下加工。這是因為新的校準步驟會引入一個小而不可忽視的誤差。
什麼是五軸數控加工？
五軸數控工具機可同時沿著五個軸移動切削刀具或工件。多軸數控工具機由於增加了兩個旋轉軸，因此可以加工幾何形狀複雜的零件。這些機床無需多次裝夾。
五軸數控加工的優點和限制是什麼？
五軸數控加工使刀具始終與切削麵保持切線方向。刀具路徑可以更加複雜高效，從而獲得表面光潔度更高、加工時間更短的零件。
儘管如此，五軸CNC工具機也有其限制。基本的刀具幾何形狀和刀具進給限制仍然存在（例如，無法加工具有內部幾何形狀的零件）。此外，使用此類系統的成本也更高。
數控加工倒角
底切是指無法使用標準切削刀具進行加工的特徵，因為它們的某些表面無法從上方直接接觸。
倒角主要有兩種：T型槽和燕尾槽。倒角可以是單面的，也可以是雙面的，需要使用專用工具來加工。
T型槽切割工具由安裝在垂直軸上的水平切割刀片組成。槽口寬度可在3毫米至40毫米之間變化。我們建議使用標準尺寸的寬度（例如，以毫米為單位的整數倍或標準英吋分數），因為這樣更容易找到合適的工具。
對於燕尾榫刀具而言，角度是其決定性特徵。 45度和60度燕尾榫刀具都被認為是標準刀具。角度為5度、10度甚至120度（以10度為增量）的刀具也存在，但使用較少。
內壁上的 T 形槽（左）、燕尾槽（中）和單側槽（右）。
用於數控加工的底切設計
在設計內壁有倒扣的零件時，請務必預留足夠的刀具間隙。一個好的經驗法則是，在加工壁與其他內壁之間，預留的空間至少應為倒扣深度的四倍。
對於標準刀具，切削直徑與刀桿直徑的典型比值為 2:1，從而限制了切削深度。當需要非標準底切時，機械加工車間通常會自行製造客製化的底切刀具。這會增加交貨時間和成本，因此應盡可能避免。
繪製技術圖紙
工程師有時會使用技術圖向機械師傳達具體的製造要求。
請隨報價單上傳技術圖。
我們平台通常不要求訂單提供技術圖紙，但在某些情況下，技術圖紙可以為報價請求提供重要的背景資訊。某些設計規範無法包含在 STEP 或 IGES 文件中。例如，如果您的模型包含螺紋孔或軸，和/或尺寸公差比所選 2768 等級更嚴格，則必須提供二維技術圖。
如果您添加了技術圖紙，請確保其與上傳文件的規格相符。如果技術圖與上傳的文件或報價規格不符：
報價規格被視為技術、材料和表面處理的參考點。
技術圖紙被視為螺紋規格、公差規格、表面光潔度細節、零件標記要求和熱處理規格的參考依據。
CAD 檔案被視為零件設計、幾何形狀、尺寸和特徵位置的參考點。
數控加工的最佳實務是什麼？
設計能夠使用直徑最大的刀具進行加工的零件。
在所有內部垂直角上添加大圓角（至少為空腔深度的三分之一）。
空腔深度應限制在其寬度的 4 倍以內。
使設計的主要特徵與六個主方向之一對齊。如果無法做到這一點，則可選擇五軸數控加工。
如果您的設計包含螺紋、公差、表面光潔度規格或其他供機器操作員參考的說明，請隨圖面一起提交技術圖。
您有需要CNC加工的零件嗎？請聯絡我們的Gazfull團隊。