什么是CNC加工?
学习通过设计考虑，材料选择和流线型加工过程来创建高效的，可制造的金属和塑料部件
尽管增材制造正在改变我们设计和制造许多产品的方式，但即使是制造领域的新成员3D打印也依赖于机械加工，实际上也要将其存在归功于机械加工。长话短说，机械加工已经存在了，它每天都在变得更好、更快、更准确。事实上，机械加工作为美国的一个产业，最近已经达到了创纪录的增长水平(见侧栏)。
参观机械车间
这些技术支持的制造商与传统的机械车间有很大的不同，传统的机械车间劳动密集型更大，仍然依赖手动机床。像Protolabs这样的数字制造商正在前所未有地拥抱自动化。例如，Protolabs已经开发了专利技术，可以将CAD模型快速转化为加工零件和产品，最快可以在一天内完成。此外，Protolabs还拥有数百个工厂和车床的大规模产能，这确保了零件能够快速、及时和按预算发货。
现在，让我们快速地看看精密机床，加工是如何工作的，这与零件设计有什么关系。由于篇幅有限，本文无法涵盖机床的全部历史，也无法深入研究锯子、磨床、电火花加工(EDM)和其他辅助设备，但任何零件设计师都应该知道的一个关键方面是，大多数金属切割机器(顺便说一下，它们也可以切割塑料)大致可以分为铣床和车床。
每一种技术背后都有大量的技术，但简单地说，车床用卡盘抓住工件并使其与刀具旋转，而铣床恰恰相反，驱动旋转的刀具与夹在虎钳或夹具中的工件旋转。
| 机械加工的死亡?几乎没有 |
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| 虽然3D打印似乎占据了制造业的大部分头条，数控加工已经成为一种固定设备．根据美国制造技术协会的数据，美国制造技术订单继续以两位数的百分比逐月增长，机床订单总额达到21.3亿美元，与2017年同期相比增长26%。 |
另一个值得一提的关键项目是，虽然手动操作的手动曲柄机床仍在使用，但它们的大多数今天是计算机数字控制，或CNC，如在Protolabs。正如前面提到的，你在下面几页所读到的大部分内容都与后者有关。
尽管数控铣床(通常被称为加工中心)和数控车床(车削机)有很多相似之处。所有的轴都有多个运动点，用它来驱动刀具绕过和穿过工件，从而去除材料。所有的车床都使用钻头或立铣刀来钻孔，但当车床配有槽槽铣刀、螺纹铣刀和其他车削工具时，加工中心则使用面铣刀、开槽铣刀和其他旋转工具。
多年来，任何机械车间的标准阵容包括两轴数控车床和三轴加工中心。有些是水平的，有些是垂直的，但大多数情况下，工作在两者之间反弹，直到所有的加工步骤都完成。不过，多亏了一些聪明的机床制造商，车床和铣床之间的界限最近变得相当模糊。所谓的多任务机器是由一个铣削主轴和换刀器、一个车床式的头和转塔(装工具的部分)组成的。类似地，铣削车床结合了旋转和固定切削工具，而具有车削能力的加工中心已变得越来越普遍。例如，Protolabs使用有活工装的车床适应像轴向和径向孔，平，槽和槽的特征。
加工中心也可以有三个以上的轴。一个五轴机例如，它可以同时移动所有的轴，这一特性对于生产叶轮和髋关节植入物等部件非常有用。传统的三轴加工中心可能配备一个可以倾斜和/或旋转的机头。这种3+2的能力是完美的加工一个工件的多个方面在一个单一的处理。无论确切的配置是什么——有很多——每种类型的机床都是为了减少加工操作和增加生产灵活性而设计的。
加工零件优化设计
如果你是一个以设计零件为生的人，你可能会想:谁在乎呢?只要我能按时拿到零件，而且价格合理，它们是怎么制造的对我来说并不重要，对吧?好吧,不一定。正如你需要对汽车如何安全到达目的地有一个基本的了解一样，对机床技术的合理掌握对任何零件设计师来说都是必要的。当与Protolabs等数字部件供应商合作时，这方面的知识尤其重要，如果遵循特定的设计指导原则，Protolabs可以大大加快加工过程，并常常降低成本。
刚刚提供的入门是一个很好的起点，但最好的建议是，在实际编程和操作机床几年的短时间内，与您的加工零件供应商密切合作。问一些问题，特别是像:“我怎样才能使我的零件更容易加工?”考虑到这一点，在探索方法时，这里有一些关键的考虑优化加工零件设计：
保持简单
即使是有经验的设计工程师和产品开发人员也会犯的一个最常见的错误就是把他们的部分设计过于复杂化。考虑将单件的、多面的“超级部件”分解成可以用螺栓、胶水或螺钉连接在一起的更简单的组件。除非功能性需要，否则避免清扫表面，因为这些通常需要用球鼻铣刀进行长时间、更昂贵的加工。设计零件的特点是，只要有可能，可以从一侧切割。这避免了多次操作和可能的特殊固定，以及不得不使用更昂贵的五轴加工中心，或具有倾斜-旋转(3+2)功能的加工中心。
必要时考虑零件公差
把零件做得比绝对必要的更精确是另一个常见的错误。当公差比需要的更紧时，机械师可能被迫修改零件程序，使用特殊的刀具，甚至执行二次操作以满足该公差。只要有可能，最好坚持默认的“块公差”在任何零件图纸上，或向你的加工伙伴的建议，什么是合理的。
停止发短信
加工的文本看起来很酷。它非常适合永久性地用数字、描述和公司标识标记零件。问题是，它的生产成本相当高。每个字符都必须用一个微小的切割机来描摹，这消耗了宝贵的机器时间。甚至不要考虑凸起的文本，因为这意味着删除所有看起来不像字母或数字的内容。更好的选择是存在的，包括激光打标，甚至橡胶墨水印章。
在高墙和窄口袋时要小心
刀具由硬质材料制成，如碳化钨和高速钢(HSS)。尽管如此，当受到加工力的作用时，它们确实会轻微偏转，这种现象在刀具从刀柄伸出的距离越远时就会变得越来越麻烦——根据操作的不同，硬质合金刀具的“突出度”大约是刀具直径的四倍，在柔软的材料上可能会多一点，而高速钢刀具在大约一半的距离时就会出现问题。这导致了颤振(丑陋的波纹表面)，难以满足零件公差和较差的工具寿命。设计师的教训是什么?注意那些又深又窄的口袋，或者旁边的部分特征高的墙，以免刀具偏斜给加工人员带来麻烦。
对薄壁零件也要谨慎使用
同样，薄壁零件也会发生偏转，但由于大多数工件材料的硬度远不及加工它们的刀具的硬度，因此规则要更加严格一些。同样，这取决于部件的特性和材料，但一个好的经验法则是，设计的墙体深度不超过厚度的两倍，并要明白，任何小于1/32英寸左右的墙体都可能导致问题。一如既往，请向您的加工专家咨询。
深钻可能很棘手
Holemaking是所有加工操作中最常执行的。这通常是用钻头完成的，与你在任何五金店找到的钻头有点不同。随着孔越来越深(比如钻头直径的五到六倍)，清除任何加工过程中形成的金属“碎片”变得越来越具有挑战性。如果你的产品设计需要很深的孔，那就这样吧，只要知道孔相对于直径越深，零件就越贵。
导航尖角
在加工,弯道可能很棘手,太。假设你正在为一个产品设计一个电子外壳。在零件的一边，你需要一个口袋，里面将放置一个2英寸见方的电路板。不熟悉机械加工的人可能会设计一个方角口袋，一个比板本身略大的口袋，以提供间隙。这不是个好主意。那些正方形的角会让你付出高昂的代价，因为产生它们的唯一方法是用电火花(EDM)将它们烧光，这是一种在注塑和工具模具行业中常见的加工过程。2022世界杯足球赛时间表空间允许，考虑过度口袋，以便可以使用立铣刀代替-在这个例子中，1/2英寸的工具可能是合适的，这意味着增加一半的直径(1/4英寸)在所有的电路板，加上任何额外的间隙需要适合电路板。另一种选择是在所有四个角上切浮雕或“狗耳朵”。这可能给口袋一个三叶草或t形外观，但将使加工容易得多。
还有很多事情需要考虑。就像深口袋是一个禁忌的铣削零件，过深的凹槽可能是具有挑战性的转弯，和长，细长的轴也可能是棘手的。在有半径或倒角的车削零件上打破边缘不是什么大问题，但需要对铣削零件进行额外的加工步骤。既然我们谈到了这个话题，一定要询问你的机加工供应商他们首选的去毛刺的方法——有些人使用砂轮，有些人用小石头“滚”零件，或者用小玻璃珠或胡桃壳碎片炸它们。每一种都有自己的优点，可能会影响成品的外观，以及它的成本。
设计精确的螺纹
添加螺纹的特性加工零件也是一个挑战。内螺纹可以用丝锥来制造，丝锥是一种类似于螺栓或紧固件的切削工具，会在某一点上拧入工件，或者是一种被称为螺纹磨的特殊刀具。无论哪种方式，深螺纹都很难，原因和深孔很难一样，即切屑排出，在螺纹铣削的情况下，径向切削压力。在大多数情况下，两倍直径的螺纹深度可以提供足够的强度，而且生产成本更低。如果这是不够的，考虑使用插入，如螺旋线圈或关键插入，以加强螺纹的完整性，特别是在塑料数控部分．最后，用“H”限制指定螺纹公差，最常见的是H2或H3。后者有一个更严格的容忍，然而，因此是有点昂贵的生产，所以最好的赌注是呼吁H2除关键应用程序。
确定正确的加工材料
用于零件的原金属或塑料与零件的加工方式同样重要;选择错误的可能会不必要地膨胀零件成本。例如，高温合金和航空航天界的宠儿钛是很难加工的，用它制成的零件几乎肯定比用铝或不锈钢制成的零件要贵。意义呢?如果不是真的需要，选择更便宜的金属。
聚醚醚酮(PEEK)是聚合物中的“超人”，在某些应用中，它的强度足以取代金属，但你要做好心理准备，因为PEEK的价格通常是其他高性能热塑性塑料的5倍左右。其他对你有帮助的技术考虑选择合适的材料对于你的零件的应用包括特定的测量，如拉伸强度，热挠度，和整体硬度。这里有一些多用于加工零件的常见材料，以及它们的主要属性:
铝与所有金属一样，铝合金种类繁多，但最常见的是6061-T6(被认为是通用合金)或7075-T6(航空航天工业的最爱)。两者都易于加工，耐腐蚀，并显示高强度重量比。请记住，Protolabs为铣削零件提供可追溯的ut测试铝。它是相同的标准铝6061-T6，但超声波测试和保证符合ASTM B 594和AMS- STD-2154规范。铝适用于飞机部件、计算机部件、炊具、建筑部件等(如果你想知道，T-6指的是铝的脾气，或它在工厂的加工方式)。
钴铬合金需要做膝关节或髋关节置换手术吗?它很有可能是由钴铬(CoCr)制成的，这是一种坚韧耐磨的合金。这种具有生物相容性的金属也以其品牌名钨铬钴合金而闻名，它也被广泛用于涡轮叶片和其他需要高强度和耐热性的部件。不幸的是，它很难切割，其可加工性评级约为15%(相比之下，1212低碳钢的可加工性为100%，铝的可加工性高达400%)。
铬镍铁合金铬镍铁合金是另一种耐热超级合金(HRSA)，在极端温度或腐蚀性环境下是一个极好的选择。除了在喷气发动机中使用，Inconel 625和它更坚硬、更坚固的兄弟Inconel 718还被用于核电站、石油和天然气钻井平台、化学处理设施等。这两种材料都是可焊接的，但都很昂贵，甚至比CoCr更难以加工，所以应该避免使用，除非有必要。
不锈钢通过添加最低10.5%的铬，将碳含量降低到最高1.2%，并加入一些合金元素，如镍和钼，冶金学家将普通的易生锈的钢转化为不锈钢，制造世界的耐腐蚀开关敲击器。但是，由于有几十个年级和班级可供选择，因此可能很难决定哪一个最适合特定的应用程序。例如，奥氏体不锈钢304和316L具有晶体结构，使它们具有非磁性、不可硬化、延展性和相当坚韧。另一方面，马氏体不锈钢(420级是其中之一)具有磁性和可硬化性，使其成为外科器械和各种磨损部件的良好选择。也有铁素体不锈钢(大多数在400系列)，双相钢(考虑石油和天然气)，沉淀硬化不锈钢15-5 PH值和17-4 PH值，都因其优异的机械性能而受到青睐。可加工性范围从相当好的(416 SS)到中等差的(347 SS)。
钢与不锈钢一样，它有太多的合金和性能，在这里无法涵盖。但有四个重要问题需要考虑:
- 钢的成本一般低于不锈钢和高温合金
- 在空气和潮湿的情况下，所有的钢都会腐蚀
- 除了一些工具钢外，大多数钢都是可加工的
- 含碳量越低，所能制造出的钢的硬度就越低(用合金的前两位数字表示，如1018、4340或8620，这是三个常见的选择)。也就是说，钢和铁是目前所有金属中最常用的，铝紧随其后。
这个名单没有提到红色金属铜、黄铜和青铜，如果没有它们，人类的进程将会大不相同。它漏掉了另一种超级重要的高温合金，钛，你可以把它想象成类固醇上的铝。它也没有深入研究聚合物。ABS，乐高积木和排水管的材料，既可塑又可加工，具有优异的韧性和抗冲击性。工程级塑料——缩醛就是一个著名的例子——适用于从齿轮到体育用品的所有产品。尼龙是用来制造尼龙的(当然)，但它的强度和灵活性的结合改变了第二次世界大战的进程，当它取代丝绸成为降落伞的首选材料时。还有聚碳酸酯，聚氯乙烯(PVC)，高密度和低密度聚乙烯，等等。关键是材料的选择是广泛的，所以作为一个零件设计师，探索什么是可用的，什么是好的，以及如何处理它是有意义的。Protolabs提供超过40种不同等级的塑料和金属材料。
在数字加工供应商寻找5件事
设计考虑因素和最佳实践?检查。原材料?检查。机器商店吗?这是下一个。那么，如何才能找到“合适的东西”呢?一家拥有工程专业知识、合理定价、快速周转、包括可制造性设计(DFM)分析在内的在线/交互式报价系统，以及最重要的是，在一致的基础上生产好零件的能力?考虑以下:
- 一些商店专门生产小批量和原型部件，如Protolabs，而另一些商店则面向数以万计甚至更多的生产运行。确定任何给定制造商最具竞争力的零部件数量是重要的第一步。
- 最高效的商店是那些使用标准化流程和工具集的商店。这减少了设置时间、工具成本，最重要的是减少了意外。不要害怕去问商店是什么让它运转的。
- 然而，标准工具集是有代价的。例如，拥有固定数量工具的车床或加工中心可能需要使这些工具发挥双重作用——例如，使用立铣刀钻孔，或使用开槽工具旋转轴颈或轴。然而，这种方法通常会产生您所需要的低成本或快速周转。
- Protolabs有一个基于web的自动报价系统，它可以在任何生产开始前识别出对机器具有挑战性的特性。这种针对可制造性(DFM)反馈的设计通过允许在设计过程的早期进行修改，有助于避免返工。
- 寻找一家能看到大局并提供多种制造选择的商店。例如，你可能认为3D打印是快速交付原型部件的明确途径。这可能是情况，但如果你的零件设计允许，加工通常是一个更实惠的原型选择。当部分体积上升时会发生什么?为一种特定的制造技术设计零件很可能会让你陷入昂贵的境地。而且，说到大局，一定要考虑供应商的准时交货率，它的整体加工能力，它是内部生产的服务提供商还是代理，以及它从原型量到小批量生产的能力。