魔猴网数字化制造简明手册（五）：减材制造之CNC数控加工
魔猴君 行业资讯 354天前
在这一章，魔猴网将向大家
▶ 介绍CNC数控加工
▶ 理解CNC工艺
▶ 设计考量
▶ 后处理
计算机数控 (CNC) 加工是数字化制造中使用的减材制造工艺。 CNC 不像增材工艺那样通过逐层叠加来构建零件，而是从一大块坚固的材料开始，然后减去不需要的部分。
本章简要介绍了 CNC 加工，以及CNC所包含的工艺类型，讨论了一些您在设计零件时就需要注意的事项，以及在零件完成后可能需要的后续处理。
一、了解CNC加工
CNC加工使用计算机编程来控制机床的运行，从原始块料或坯料中去除多余的材料，以生产所需的零件。
虽然传统制造中也经常使用CNC数控加工，但数字化制造行业已经彻底颠覆了原有模式。 在传统制造模式里，一个零件的生产需要前期大量CNC 编程以及构建合适的夹具等非经常性、一次性的成本，这意味着传统 CNC 加工需要比较大的产出才能获得经济、合理的长期回报。而现在数字化制造公司已经找到了对很多种零件编程自动化和降低夹具成本的方法。这就意味着在许多情况下，数字制造商可以以比过去更合理的价格生产少量的 CNC 加工零件，甚至有些优秀的数字化制造商可以一件起做，大大降低了试生产的成本。
1、工艺流程
CNC 加工工艺从一组指挥机器操作的计算机指令开始。 在数字化制造中，这些指令由专用的计算机软件分析零件的3D CAD模型而生成。 这些功能强大的专用软件还会查找可能导致无法正确加工成型的潜在问题， 例如，分析零件设计以确保它们不包括无法加工的底切。 当然，这种分析还会考虑其他一系列问题。 根据所加工零件的几何形状，可以将胚料固定在适当的位置进行加工，也可以将胚料相对于刀具旋转加工。
设备
CNC 加工中使用的实际设备会因生产的零件而异，但不管是在哪种情况下，刀具和零件都会又相对移动。如果使用车床，零件旋转，刀具不同。 对于铣床，零件通常固定在适当的位置，而刀具移动。 在某些情况下，可能需要两种类型的设备合用才能完全加工零件。 例如，车床可用于生产圆柱形零件，在完成车削后，还需要铣床加工交叉钻孔。
夹具是CNC加工过程的重要组成部分。 它确保零件始终与工具保持适当的物理关系。夹具的生产成本有可能很高，因此您需要在加工前预先验证夹具成本。 一些像魔猴这样的数字化制造公司不会单独收取夹具费用，这可以为您的零件节省大量费用。
使用场景
CNC 加工适用于多个使用场景。 除了为形状、装配和功能验证而生产原型零件外，CNC还对于快速创建生产零件、夹具和固定装置以及一次性，小批量产品也非常有用。
2、了解主要CNC工艺
同3D打印类似，CNC加工不是指一个单一的工艺，根据所生产的零件不同，可以使用几种不同类型的加工工艺。但不管是那种CNC工艺，机器都是由计算机控制的，因此它们可以精确地生产出您设计的零件。
该选用哪种CNC工艺来加工？这问题在以前有一个简单明了的答案，圆形零件在车床上加工，而非圆形零件在铣床上加工。可以随着可轻松加入圆形零件特征的 CNC 加工中心的出现，两种加工工艺之间的界限变得模糊。尤其当数控车床获得现场刀具（live- tool）的能力时，情况变得更加混乱。曾经是铣削部门专属领域的操作现在已经完全可以在车床上完成。这导致决定哪台机器最适合生产任何给定的零件变得比以前更加复杂。
有些零件是明显更适合车床加工，比方说燃气发动机的活塞。这零件具有很大的长径比（长度和直径的比值），加上复杂的外部几何形状和具有挑战性的内部特征，使其成为车床忠实的用户。相反，与活塞配合的发动机缸体——具有大的铣削表面、精细的凹槽和相交的孔——这种零件永远不会在车床上旋转，无论这台机器的现场刀具能力如何强大。
3轴铣床
当您需要CNC加工一个零件时，首先要考虑的 CNC工艺就是3轴铣床。 3轴铣床沿 X、Y 和 Z 三轴移动刀具—— 我们在CNC制造中习惯用 X、Y 和 Z 来描述3D空间，这使得生产设计交流变得更加容易。3轴铣床可以两轴或者三轴联动，通过Z轴刀具切削可以创建复杂的形状和结构。 刀具一般垂直于工作台，工件用夹具或固定装置来固定。为了执行不同的操作，操作员或机器本身可以切换不同的刀具来适应不同的操作。 除了铣削外，还可以进行钻孔和攻丝操作，只要孔的轴线与机器的Z轴方向一致，并且刀具能够到达不受阻碍。
5轴铣床
另一个加工选项是五轴铣床。三轴铣轴在X、Y和Z维度上移动刀具，而五轴铣削在操作上增加了两个轴。在这些机器上，刀具、工件或两者都可以在任一或所有其他三轴移动时围绕额外的轴旋转。这允许刀具或工件保持在适当位置或以适应比三轴机器更复杂的几何形状移动的方式移动。
具有极端几何形状的零件，如涡轮叶片、复合或悬空表面，或具有复杂的内部几何形状，都是五轴铣床的主要对象。由于必须让旋转刀具躲避任何悬臂，或在任何方向上加工特征孔，因此五轴比三轴需要有更强大的操作能力。
车床
传统上，车床是指通过旋转车削来加工圆（柱）形零件的机器。零件被固定在车床的头架和尾架之间，然后对着固定的刀具旋转，通过刀具的进给来切削成型。而现在，数字化制造的出现已经极大地重新定义了车削工艺。现在，车床仍被用于制造圆（柱）形零件，特别是那些长径比较大的零件。而且一些较新的CNC机器将车床的能力与配备现场刀具的三轴铣削相结合，车床和铣床的界限变得更加模糊。
如果您仍然不确定哪些零件适合用什么设备加工，我们可以拿一些常见家用物品做一个联系。在不考虑材质的前提下，比如一个高脚玻璃杯，具有光滑、规则的外部形状和比外径大几倍的长度，这种形状明显会适合在车床上加工，而不需要去更贵的数控加工中心。另一方面，如果我们加工一个咖啡杯，带有突出的把手，不对称的外形是无法旋转加工的，所以咖啡杯更适合使用铣床加工。还有你那些在壁橱里吃灰的哑铃，可以在车床上很容易地被加工。手柄部分宽而相对较深的凹陷区域可以在车床上用简单的开槽程序来实现，而这种功能在铣床上很难完成。
一个茶杯碟子可以选择任一种方式，同心脊和弧形表面的插补加工既可以在铣床又可以在车床上进行。几乎可以肯定的是，车削茶碟的速度会更快，而且在材料的使用上也更有效率。
你可能会发现，车削后的表面比铣削后的表面更光滑、更圆润。铣削的完成表面可能有明显的刀具痕迹，你可以通过喷砂来使其表面呈现出一致的亚光效果。并打掉加工过程中残留的任何小毛刺。
3、设计考量
CNC数控加工提供了一个可靠的数字制造解决方案，但像所有的制造工艺一样，有一些设计上需要考虑的因素需要牢记。了解这些考虑事项将使你能够更好的设计出最好的零件。
不要忽视细节。在考虑如何使用数字制造工艺制造零件时，很容易只关注零件的主要形状和特征。 但在考虑使用 CNC 加工进行数字制造过程时，还必须考虑一些细节。
螺纹孔
螺纹孔经常被用来把别的物件连接到零件上。这些类型的孔通常需要进行二次操作，有时需要将零件从夹具上拆下来，以不同的方式进行处理。正因为如此，大量的孔可能会放慢周转速度或者需要考虑使用不同的制造工艺。
数字制造公司所使用的较新的CNC车床通常具有铣削能力。只要该特征与零件的长轴平行或垂直，钻一个侧孔或铣一个平面就在其能力范围之内。如果可以钻孔，在必要时对螺纹孔攻丝也可能在机器的能力范围内。
在零件上刻字
在单个零件上添加公司名称、徽标或零件编号的情况并不少见。根据你的需要，这些可以作为凸起的字符出现，也可以刻在零件的表面。在零件上添加文字、标识或特殊字符可能需要改变夹具或改变工具，这将大大降低加工速度。最重要的是，在合理的时间内可以创建的宽度、深度和细节都有限制。因此在数字化快速制造中，向零件添加小文本往往是可能产生问题的。
4、材料
一系列材料都适用于数字化制造，涵盖了从各种类型的塑料到金属的范围。 在加工金属时，它们通常分为硬质或软质，具体取决于所选的金属或合金。
常见的硬质金属包括：
✓ 不锈钢
✓ 钢
✓ 钛
软质金属选择包括：
✓ 铝
✓ 黄铜
✓ 铜
✓ 镁
常见的的塑料包括：
✓ 乙缩醛
✓ 亚克力
✓ 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)
✓ 尼龙
✓ 聚碳酸酯
✓ 聚丙烯
✓ 聚氯乙烯 (PVC)
✓ 聚醚醚酮 (PEEK)
✓ 聚醚酰亚胺 (PEI)
5、后处理
二次加工在制造业中很常见，尤其是金属零件。热处理提高了强度并消除了在原材料加工和重型加工过程中产生的内应力。碳钢如 1018 可以通过渗氮或渗碳进行表面硬化，而 4140 通过淬火和回火方法很容易达到 50 Rc 或更硬。 17-4 PH 可以制成相当硬，一些 400 系列不锈钢也可以，但 300 系列不锈钢只能通过冷加工或通过模具拉制来硬化。铝和镁等软金属永远不会硬化，尽管它们可以通过在烤箱烘烤温度下温和加热来进行低温应力消除或老化。
电镀是另一种常见的后加工工艺。铝通常经过阳极氧化处理，使其在阳光下具有几乎任何颜色的防刮表面。对于非装饰性保护，化学薄膜或铬酸盐是一个不错的选择。这些方法也适用于镁，尽管需要不同的化学物质。铜和黄铜在暴露于氧气时会变色，因此如果需要保护，可以进行化学镀镍或镀铬。不锈钢和超合金不需要这种保护，但钢通常进行黑色氧化物表面处理，或镀镍、镉、锌和其他材料。喷漆也是一种流行的选择，但建议使用喷砂或其他形式的研磨准备，以便在喷漆前提供干净、无锈的表面。
机加工的塑料零件可能还需要一些后期处理，但可用的选项比金属零件更有限。
顾名思义，喷砂使用高压粒子流（例如玻璃珠）来平滑锋利的边缘并去除毛刺。翻滚在振动碗中使用小的陶瓷或塑料介质来达到相同的效果。
根据订单数量和零件配置，这些流程可能会使产品交付时间增加几个小时到一周或更长时间。在大多数情况下，客户可以在之后立即对其零件进行电镀、喷漆或阳极氧化处理。
许多相同的后期制作过程也可以应用于使用第 4 章讨论的增材制造技术生产的零件
注塑（注射）成型
注塑成型有其特殊的设计考虑，你需要注意的是。我将在本节中介绍这些内容。
拔模角度
注塑成型的零件需要脱模，也就是在注塑完成后，需要从模具中取出。但是，如果没有合适的设计，将零件取出将变得很困难。例如，一个零件如果有着深而直的壁，很容易粘在模具里，不容易取出。我们生活中冻冰块用的冰块盒，也是一种模具，如果你仔细观察，会发现冻出来的冰块并不是真正的直上直下的方块，而是从上到下有一点角度，最上面稍微大点，最小面稍微小点。如果是直上直下的设计，我们将很难从冰块盒里将冰块取出。同样道理，如果我们想注塑零件能顺利从模具中取出，就需要使它们在侧面有一个锥形角度，我们称之为拔模角度。
拔模角度在CNC加工中也有类似的概念，但是对于注塑成型来说更重要，尤其是对于想要实现使用脱模针来自动脱模的零件，拔模角度更是必须的。下图为拔模角度的一个示例。拔模角度没有固定值，是根据具体零件的材料，表面光洁度，零件深度等等因素决定的。一个表面光滑的零件，比一个表面有很多纹理的零件所需的拔模角度就小。
由于用大多数注塑工艺制造的零件或多或少都是空心的，因此必须制作壁来产生作为支撑的外表面和内表面。根据材料和壁的高度，这些壁可以有多薄，存在一定的限制。如果墙体太薄，在材料开始凝固之前，它可能无法正确填充。这可能会导致缝隙，甚至使模具的一部分根本无法填充。如果壁太厚，它们会扭曲零件的形状或具有关键位置的面。
因此，如果你需要改变壁的厚度，确保过渡平滑，以限制壁上的应力，并尽量减少材料冷却时的收缩差异。见图6-2。尖锐的转角也会造成零件的应力上升，成为潜在的故障点。
注塑成型中使用的所有材料在冷却时都会收缩。由于零件是由外向内冻结的，如果零件的某一部分有特别多的材料，冷却过程可能会导致一部分外表面变形，并低于周围的表面，这将使零件的某一部分出现凹陷或下沉的现象。设计一致的壁厚和使用壁而不是封锁的区域可以提高质量并减少沉陷引起的问题。
倒角
塑料零件的尖锐内角会产生应力集中，零件最终可能断裂。一个设计合理的注塑件在每个内角都有一个半径。数控铣削工艺也可能在零件的外角留下一个半径。图6-3说明了这些半径。
半径的大小很重要。内部半径与它所连接的壁厚相等是很有帮助的。一致的壁厚使这个经验法则更容易被应用。
来源：中国3D打印网
