魔猴網數字化制造簡明手冊（五）：減材制造之CNC數控加工
魔猴君 行業資訊 562天前
在這一章，魔猴網將向大家
? 介紹CNC數控加工
? 理解CNC工藝
? 設計考量
? 后處理
計算機數控 (CNC) 加工是數字化制造中使用的減材制造工藝。 CNC 不像增材工藝那樣通過逐層疊加來構建零件，而是從一大塊堅固的材料開始，然后減去不需要的部分。
本章簡要介紹了 CNC 加工，以及CNC所包含的工藝類型，討論了一些您在設計零件時就需要注意的事項，以及在零件完成后可能需要的后續處理。
一、了解CNC加工
CNC加工使用計算機編程來控制機床的運行，從原始塊料或坯料中去除多余的材料，以生產所需的零件。
雖然傳統制造中也經常使用CNC數控加工，但數字化制造行業已經徹底顛覆了原有模式。 在傳統制造模式里，一個零件的生產需要前期大量CNC 編程以及構建合適的夾具等非經常性、一次性的成本，這意味著傳統 CNC 加工需要比較大的產出才能獲得經濟、合理的長期回報。而現在數字化制造公司已經找到了對很多種零件編程自動化和降低夾具成本的方法。這就意味著在許多情況下，數字制造商可以以比過去更合理的價格生產少量的 CNC 加工零件，甚至有些優秀的數字化制造商可以一件起做，大大降低了試生產的成本。
1、工藝流程
CNC 加工工藝從一組指揮機器操作的計算機指令開始。 在數字化制造中，這些指令由專用的計算機軟件分析零件的3D CAD模型而生成。 這些功能強大的專用軟件還會查找可能導致無法正確加工成型的潛在問題， 例如，分析零件設計以確保它們不包括無法加工的底切。 當然，這種分析還會考慮其他一系列問題。 根據所加工零件的幾何形狀，可以將胚料固定在適當的位置進行加工，也可以將胚料相對于刀具旋轉加工。
設備
CNC 加工中使用的實際設備會因生產的零件而異，但不管是在哪種情況下，刀具和零件都會又相對移動。如果使用車床，零件旋轉，刀具不同。 對于銑床，零件通常固定在適當的位置，而刀具移動。 在某些情況下，可能需要兩種類型的設備合用才能完全加工零件。 例如，車床可用于生產圓柱形零件，在完成車削后，還需要銑床加工交叉鉆孔。
夾具是CNC加工過程的重要組成部分。 它確保零件始終與工具保持適當的物理關系。夾具的生產成本有可能很高，因此您需要在加工前預先驗證夾具成本。 一些像魔猴這樣的數字化制造公司不會單獨收取夾具費用，這可以為您的零件節省大量費用。
使用場景
CNC 加工適用于多個使用場景。 除了為形狀、裝配和功能驗證而生產原型零件外，CNC還對于快速創建生產零件、夾具和固定裝置以及一次性，小批量產品也非常有用。
2、了解主要CNC工藝
同3D打印類似，CNC加工不是指一個單一的工藝，根據所生產的零件不同，可以使用幾種不同類型的加工工藝。但不管是那種CNC工藝，機器都是由計算機控制的，因此它們可以精確地生產出您設計的零件。
該選用哪種CNC工藝來加工？這問題在以前有一個簡單明了的答案，圓形零件在車床上加工，而非圓形零件在銑床上加工。可以隨著可輕松加入圓形零件特征的 CNC 加工中心的出現，兩種加工工藝之間的界限變得模糊。尤其當數控車床獲得現場刀具（live- tool）的能力時，情況變得更加混亂。曾經是銑削部門專屬領域的操作現在已經完全可以在車床上完成。這導致決定哪臺機器最適合生產任何給定的零件變得比以前更加復雜。
有些零件是明顯更適合車床加工，比方說燃氣發動機的活塞。這零件具有很大的長徑比（長度和直徑的比值），加上復雜的外部幾何形狀和具有挑戰性的內部特征，使其成為車床忠實的用戶。相反，與活塞配合的發動機缸體——具有大的銑削表面、精細的凹槽和相交的孔——這種零件永遠不會在車床上旋轉，無論這臺機器的現場刀具能力如何強大。
3軸銑床
當您需要CNC加工一個零件時，首先要考慮的 CNC工藝就是3軸銑床。 3軸銑床沿 X、Y 和 Z 三軸移動刀具—— 我們在CNC制造中習慣用 X、Y 和 Z 來描述3D空間，這使得生產設計交流變得更加容易。3軸銑床可以兩軸或者三軸聯動，通過Z軸刀具切削可以創建復雜的形狀和結構。 刀具一般垂直于工作臺，工件用夾具或固定裝置來固定。為了執行不同的操作，操作員或機器本身可以切換不同的刀具來適應不同的操作。 除了銑削外，還可以進行鉆孔和攻絲操作，只要孔的軸線與機器的Z軸方向一致，并且刀具能夠到達不受阻礙。
5軸銑床
另一個加工選項是五軸銑床。三軸銑軸在X、Y和Z維度上移動刀具，而五軸銑削在操作上增加了兩個軸。在這些機器上，刀具、工件或兩者都可以在任一或所有其他三軸移動時圍繞額外的軸旋轉。這允許刀具或工件保持在適當位置或以適應比三軸機器更復雜的幾何形狀移動的方式移動。
具有極端幾何形狀的零件，如渦輪葉片、復合或懸空表面，或具有復雜的內部幾何形狀，都是五軸銑床的主要對象。由于必須讓旋轉刀具躲避任何懸臂，或在任何方向上加工特征孔，因此五軸比三軸需要有更強大的操作能力。
車床
傳統上，車床是指通過旋轉車削來加工圓（柱）形零件的機器。零件被固定在車床的頭架和尾架之間，然后對著固定的刀具旋轉，通過刀具的進給來切削成型。而現在，數字化制造的出現已經極大地重新定義了車削工藝。現在，車床仍被用于制造圓（柱）形零件，特別是那些長徑比較大的零件。而且一些較新的CNC機器將車床的能力與配備現場刀具的三軸銑削相結合，車床和銑床的界限變得更加模糊。
如果您仍然不確定哪些零件適合用什么設備加工，我們可以拿一些常見家用物品做一個聯系。在不考慮材質的前提下，比如一個高腳玻璃杯，具有光滑、規則的外部形狀和比外徑大幾倍的長度，這種形狀明顯會適合在車床上加工，而不需要去更貴的數控加工中心。另一方面，如果我們加工一個咖啡杯，帶有突出的把手，不對稱的外形是無法旋轉加工的，所以咖啡杯更適合使用銑床加工。還有你那些在壁櫥里吃灰的啞鈴，可以在車床上很容易地被加工。手柄部分寬而相對較深的凹陷區域可以在車床上用簡單的開槽程序來實現，而這種功能在銑床上很難完成。
一個茶杯碟子可以選擇任一種方式，同心脊和弧形表面的插補加工既可以在銑床又可以在車床上進行。幾乎可以肯定的是，車削茶碟的速度會更快，而且在材料的使用上也更有效率。
你可能會發現，車削后的表面比銑削后的表面更光滑、更圓潤。銑削的完成表面可能有明顯的刀具痕跡，你可以通過噴砂來使其表面呈現出一致的亞光效果。并打掉加工過程中殘留的任何小毛刺。
3、設計考量
CNC數控加工提供了一個可靠的數字制造解決方案，但像所有的制造工藝一樣，有一些設計上需要考慮的因素需要牢記。了解這些考慮事項將使你能夠更好的設計出最好的零件。
不要忽視細節。在考慮如何使用數字制造工藝制造零件時，很容易只關注零件的主要形狀和特征。 但在考慮使用 CNC 加工進行數字制造過程時，還必須考慮一些細節。
螺紋孔
螺紋孔經常被用來把別的物件連接到零件上。這些類型的孔通常需要進行二次操作，有時需要將零件從夾具上拆下來，以不同的方式進行處理。正因為如此，大量的孔可能會放慢周轉速度或者需要考慮使用不同的制造工藝。
數字制造公司所使用的較新的CNC車床通常具有銑削能力。只要該特征與零件的長軸平行或垂直，鉆一個側孔或銑一個平面就在其能力范圍之內。如果可以鉆孔，在必要時對螺紋孔攻絲也可能在機器的能力范圍內。
在零件上刻字
在單個零件上添加公司名稱、徽標或零件編號的情況并不少見。根據你的需要，這些可以作為凸起的字符出現，也可以刻在零件的表面。在零件上添加文字、標識或特殊字符可能需要改變夾具或改變工具，這將大大降低加工速度。最重要的是，在合理的時間內可以創建的寬度、深度和細節都有限制。因此在數字化快速制造中，向零件添加小文本往往是可能產生問題的。
4、材料
一系列材料都適用于數字化制造，涵蓋了從各種類型的塑料到金屬的范圍。 在加工金屬時，它們通常分為硬質或軟質，具體取決于所選的金屬或合金。
常見的硬質金屬包括：
? 不銹鋼
? 鋼
? 鈦
軟質金屬選擇包括：
? 鋁
? 黃銅
? 銅
? 鎂
常見的的塑料包括：
? 乙縮醛
? 亞克力
? 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)
? 尼龍
? 聚碳酸酯
? 聚丙烯
? 聚氯乙烯 (PVC)
? 聚醚醚酮 (PEEK)
? 聚醚酰亞胺 (PEI)
5、后處理
二次加工在制造業中很常見，尤其是金屬零件。熱處理提高了強度并消除了在原材料加工和重型加工過程中產生的內應力。碳鋼如 1018 可以通過滲氮或滲碳進行表面硬化，而 4140 通過淬火和回火方法很容易達到 50 Rc 或更硬。 17-4 PH 可以制成相當硬，一些 400 系列不銹鋼也可以，但 300 系列不銹鋼只能通過冷加工或通過模具拉制來硬化。鋁和鎂等軟金屬永遠不會硬化，盡管它們可以通過在烤箱烘烤溫度下溫和加熱來進行低溫應力消除或老化。
電鍍是另一種常見的后加工工藝。鋁通常經過陽極氧化處理，使其在陽光下具有幾乎任何顏色的防刮表面。對于非裝飾性保護，化學薄膜或鉻酸鹽是一個不錯的選擇。這些方法也適用于鎂，盡管需要不同的化學物質。銅和黃銅在暴露于氧氣時會變色，因此如果需要保護，可以進行化學鍍鎳或鍍鉻。不銹鋼和超合金不需要這種保護，但鋼通常進行黑色氧化物表面處理，或鍍鎳、鎘、鋅和其他材料。噴漆也是一種流行的選擇，但建議使用噴砂或其他形式的研磨準備，以便在噴漆前提供干凈、無銹的表面。
機加工的塑料零件可能還需要一些后期處理，但可用的選項比金屬零件更有限。
顧名思義，噴砂使用高壓粒子流（例如玻璃珠）來平滑鋒利的邊緣并去除毛刺。翻滾在振動碗中使用小的陶瓷或塑料介質來達到相同的效果。
根據訂單數量和零件配置，這些流程可能會使產品交付時間增加幾個小時到一周或更長時間。在大多數情況下，客戶可以在之后立即對其零件進行電鍍、噴漆或陽極氧化處理。
許多相同的后期制作過程也可以應用于使用第 4 章討論的增材制造技術生產的零件
注塑（注射）成型
注塑成型有其特殊的設計考慮，你需要注意的是。我將在本節中介紹這些內容。
拔模角度
注塑成型的零件需要脫模，也就是在注塑完成后，需要從模具中取出。但是，如果沒有合適的設計，將零件取出將變得很困難。例如，一個零件如果有著深而直的壁，很容易粘在模具里，不容易取出。我們生活中凍冰塊用的冰塊盒，也是一種模具，如果你仔細觀察，會發現凍出來的冰塊并不是真正的直上直下的方塊，而是從上到下有一點角度，最上面稍微大點，最小面稍微小點。如果是直上直下的設計，我們將很難從冰塊盒里將冰塊取出。同樣道理，如果我們想注塑零件能順利從模具中取出，就需要使它們在側面有一個錐形角度，我們稱之為拔模角度。
拔模角度在CNC加工中也有類似的概念，但是對于注塑成型來說更重要，尤其是對于想要實現使用脫模針來自動脫模的零件，拔模角度更是必須的。下圖為拔模角度的一個示例。拔模角度沒有固定值，是根據具體零件的材料，表面光潔度，零件深度等等因素決定的。一個表面光滑的零件，比一個表面有很多紋理的零件所需的拔模角度就小。
由于用大多數注塑工藝制造的零件或多或少都是空心的，因此必須制作壁來產生作為支撐的外表面和內表面。根據材料和壁的高度，這些壁可以有多薄，存在一定的限制。如果墻體太薄，在材料開始凝固之前，它可能無法正確填充。這可能會導致縫隙，甚至使模具的一部分根本無法填充。如果壁太厚，它們會扭曲零件的形狀或具有關鍵位置的面。
因此，如果你需要改變壁的厚度，確保過渡平滑，以限制壁上的應力，并盡量減少材料冷卻時的收縮差異。見圖6-2。尖銳的轉角也會造成零件的應力上升，成為潛在的故障點。
注塑成型中使用的所有材料在冷卻時都會收縮。由于零件是由外向內凍結的，如果零件的某一部分有特別多的材料，冷卻過程可能會導致一部分外表面變形，并低于周圍的表面，這將使零件的某一部分出現凹陷或下沉的現象。設計一致的壁厚和使用壁而不是封鎖的區域可以提高質量并減少沉陷引起的問題。
倒角
塑料零件的尖銳內角會產生應力集中，零件最終可能斷裂。一個設計合理的注塑件在每個內角都有一個半徑。數控銑削工藝也可能在零件的外角留下一個半徑。圖6-3說明了這些半徑。
半徑的大小很重要。內部半徑與它所連接的壁厚相等是很有幫助的。一致的壁厚使這個經驗法則更容易被應用。
來源：中國3D打印網
