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创建高效，可制造的金属和塑料部件
你可能正在电脑上阅读这篇文章。感谢机械师。如果没有精密机床和操作它们的人，你的电脑、桌子、办公椅、停车场里的汽车，以及你周围的建筑都不会存在。事实上，机械加工使现代生活的方方面面成为可能，从冰箱里的食物到你身上的衣服。自从铜和铁等金属被发现和提炼以来，情况一直如此。
当然,bepaly中文网 是一个更广泛的制造业的子集，但重要的是要认识到，钣金制造，注塑成型，铸造，半导体制造，以及所有其他没有加工零件永远不会发展。beplay体育下载ios
尽管增材制造正在改变我们设计和制造许多产品的方式，但即使是制造业的新成员3D打印，也依赖于机械加工，实际上也归功于机械加工。长话短说，机械加工将继续存在，它每天都变得更好、更快、更准确。事实上，机械加工作为一个行业在美国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高，仍然依赖手动机床。像Protolabs这样的数字制造商正以前所未有的方式拥抱自动化。例如，Protolabs开发了专利技术，可以在一天内将CAD模型转化为加工零件和产品，并拥有数百台铣床和车床的大规模产能，确保零件可以快速、按时、按预算发货。
现在，让我们快速地看看精密机床，机械加工是如何工作的，以及这与零件设计有什么关系。这里没有足够的篇幅来讲述机床的完整历史，也没有深入研究锯子、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(顺便说一下，它们也切割塑料)可以大致分为铣床和车床。
每一种技术背后都有大量的技术，但简而言之，车床用卡盘夹住工件，并将其旋转到刀具上，而铣床则完全相反，将旋转的刀具驱动到夹在虎钳或夹具中的工件上。
| 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永久的夹具．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21.3亿美元，比2017年同期增长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，但今天大多数机床都是计算机数字控制的，或CNC，如Protolabs。如前所述，你在下面几页中读到的大部分内容都属于后者。
尽管它们有根本的不同，数控铣床(更常被称为加工中心)和数控车床(车床)有许多相似之处。它们都有多个运动轴点，用这些轴点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打孔，但车床配备了槽槽、螺纹和其他车削工具，加工中心使用面铣刀、开槽刀和其他旋转工具。
多年来，任何机械车间的标准阵容都由两轴数控车床和三轴加工中心组成。有些是水平的，有些是垂直的，但在大多数情况下，工作在两者之间来回切换，直到所有加工步骤都完成。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了。所谓的多任务机器结合了铣削主轴和换刀器，车床式的头和炮塔(持有工具的部分)。类似地，铣刀车床结合了旋转和静止切削工具，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bepaly下载苹果 适应像轴向和径向孔，平，槽，槽等特征。
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，这一属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倾斜和/或旋转的头。这种3+2能力非常适合在一次处理中加工工件的多个面。无论确切的配置是什么(有很多)，每种类型的机床都旨在减少加工操作，增加生产灵活性。
面向机械加工的零件优化设计
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。就像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，合理掌握机床技术对任何零件设计师都是必要的。这种知识在与数字零件供应商(如Protolabs)合作时尤其重要，如果遵循一定的设计准则，它可以大大加快加工过程，并经常降低成本。
刚刚提供的入门知识是一个很好的起点，但在实际编程和操作机床几年之前，最好的建议是与您的加工零件供应商密切合作。问一些问题，特别是像这样的问题:“我怎样才能使我的零件更容易加工?”考虑到这一点，下面是一些关键的考虑因素优化零件的加工设计：
保持简单
即使是经验丰富的设计工程师和产品开发人员也常犯的一个错误是使他们的部件设计过于复杂。考虑将单件、多面“超级部件”分解成更简单的组件，这些组件可以用螺栓、胶水或螺丝固定在一起。除非功能性需要，否则避免扫面，因为这些通常需要用球鼻铣刀进行长时间、更昂贵的加工。设计具有可以从一侧切割的部件。这避免了多次操作和可能的特殊夹具，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
使零件的精度超过绝对必要是另一个常见的错误。当公差比所需的公差更紧时，机械师可能被迫修改零件程序，使用专用刀具，甚至进行二次操作以满足公差要求。在任何可能的情况下，最好坚持任何零件图纸上的默认“块公差”，或向您的加工伙伴询问合理的建议。
停止发短信
加工的文本看起来真的很酷。它非常适合永久地用数字、描述和公司标志标记零件。问题是，它的生产成本相当高。每个字符都必须用一个小切割器来描摹，这消耗了宝贵的机器时间。甚至不要考虑凸起的文本，因为这意味着要剔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，甚至橡胶墨水邮票。
墙高口袋窄时要小心
刀具由硬质材料制成，如碳化钨和高速钢(HSS)。尽管如此，当受到加工力时，它们确实会有轻微的偏转，随着刀具从刀柄伸出的距离越来越远，这种现象变得越来越麻烦——取决于操作，硬质合金刀具的“突出”大约是刀具直径的四倍，可能在柔软的材料上更多，而高速钢刀具在大约一半的距离上就会出现问题。这将导致颤振(丑陋的波纹表面)，难以满足零件公差，以及较差的刀具寿命。设计师的教训是什么?当心那些又深又窄的口袋，或者旁边的部分特征高的墙，以免刀具偏转给加工人员造成问题。
薄壁零件也要小心使用
同样，薄壁零件也容易发生偏转，但由于大多数工件材料远不及用于加工它们的切削工具的刚性，因此规定要更严格一些。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厚度不超过厚度的两倍，并且要明白任何厚度小于1/32英寸左右的墙壁都可能导致问题。与往常一样，请向加工专家咨询。
深钻可能很棘手
Holemaking是所有加工操作中最常执行的。通常使用的钻头与你在任何五金店找到的钻头都略有不同。随着孔洞越来越深(比如钻头直径的5到6倍)，将在任何加工操作中形成的金属“碎屑”抽离出来变得越来越具有挑战性。如果你的产品设计需要深孔，那就这样吧，只要知道它们的直径越深，零件就会越贵。
穿越尖角
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，里面会放一个2英寸见方的电路板。不熟悉加工实践的人可能会设计一个方形的口袋，一个比板本身稍微大一点的口袋，以便提供间隙。这不是个好主意。这些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加工(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工艺。beplay体育下载ios在空间允许的情况下，考虑过大尺寸的口袋，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，这意味着在电路板的所有侧面增加一半的直径(1/4英寸)，加上任何额外的间隙，以适合电路板。另一种选择是在四个角上剪出浮雕或“狗耳朵”。这可能会给口袋一个三叶草或t型外观，但将使加工更容易。
还有很多事情要考虑。就像深口袋是铣削零件的禁忌一样，过深的凹槽可能是车削的挑战，而长而细的轴也可能是棘手的。用半径或倒角切断车削零件的边缘不是什么大问题，但需要在铣削零件上进行额外的加工步骤。既然我们谈到了这个话题，一定要询问您的机械加工供应商首选的零件去毛刺的方法——一些使用砂轮，而另一些则用小石头“翻滚”零件，或者用微小的玻璃珠或核桃壳碎片炸它们。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。
精确螺纹设计
添加螺纹的特性加工零件也可能是一个挑战。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，在某种程度上可以拧入工件，或者是一种被称为螺纹磨的特殊刀具。无论哪种方式，深螺纹是困难的，因为同样的原因深孔是困难的，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，直径两倍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，特别是在塑料数控零件．最后，螺纹公差用“H”限制指定，最常见的是H2或H3。然而，后者的容忍度更低，因此生产成本更高，所以最好的选择是在除关键应用外的所有应用中使用H2。
确定正确的加工材料
用于零件的金属或塑料原料与零件的加工方式同样重要;选择错误可能会不必要地增加零件成本。例如，航空航天界的宠儿，高温合金，钛，很难加工，由它制成的零件几乎肯定会比由铝或不锈钢制成的零件成本更高。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，它的强度足以在某些应用中取代金属，但要做好心理准备，因为PEEK的价格通常是其他高性能热塑性塑料的五倍左右。其他对你有帮助的技术考虑选择合适的材料对于您的零件的应用，包括特定的测量，如抗拉强度，热挠度和整体硬度。这里有一些多用于机加工零件的常用材料，以及它们的主要特性:
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，并表现出高强度重量比。请记住，Protolabs为铣削零件提供可追溯的ut测试铝。它与标准铝6061-T6相同，但经过超声波测试，并保证符合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被称为钨铬钴合金(Stellite)，在涡轮机叶片和其他需要高强度和耐热性的部件上也很受欢迎。不幸的是，它很难切割，其可加工性评级约为15%(相比之下，1212低碳钢的评级为100%，铝的评级为400%以上)。
铬镍铁合金:另一种耐热超级合金(HRSA)，铬镍铁合金是极端温度或环境腐蚀性的绝佳选择。除了用于喷气发动机，铬镍铁合金625和它更坚硬、更坚固的兄弟铬镍铁合金718也被用于核电站、石油和天然气钻井平台、化学处理设施等。两者都是可焊接的，但价格昂贵，甚至比CoCr更难以加工，所以除非需要，否则应该避免使用。
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，冶金学家把普通的易生锈的钢变成了不锈钢，不锈钢是制造业的防腐蚀开关。然而，由于有几十个年级和班级可供选择，可能很难确定哪个最适合某个给定的应用程序。例如，奥氏体不锈钢304和316L具有晶体结构，使它们无磁性，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)既具有磁性又可硬化，使其成为手术器械和各种磨损部件的良好选择。还有铁素体不锈钢(大多数是400系列)，双相钢(想想石油和天然气)，沉淀硬化不锈钢15- 5ph和17- 4ph，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(416 SS)到中等差(347 SS)。
钢与不锈钢一样，这里也有太多的合金和性能。但需要考虑的四个重要问题是:
- 钢通常比不锈钢和高温合金便宜
- 在空气和潮湿的环境下，所有的钢都会腐蚀
- 除一些工具钢外，大多数钢都是可加工的
- 含碳量越低，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，到目前为止，钢和它的兄弟铁是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，人类的历程将会大不相同。它遗漏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，并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东西。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，它有什么好处，以及它如何加工是有意义的。Protolabs提供超过40种不同等级的塑料和金属材料。
在数字加工供应商中寻找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，一个人如何才能找到“合适的东西”呢?一个拥有工程专业知识、合理定价、快速周转的商店，一个包括可制造性设计(DFM)分析的在线/交互式报价系统，以及最重要的是，在一致的基础上制造好零件的能力?考虑以下几点:
- 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或更多的生产。确定任何给定制造商最具竞争力的零件产量是重要的第一步。
- 效率最高的是那些使用标准化流程和工具集的企业。这减少了设置时间、工具成本，最重要的是，减少了惊喜。不要害怕向一家商店询问它的运作方式。
- 然而，使用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的低成本或快速周转。
- Protolabs有一个基于网络的自动报价系统，可以在任何生产开始前识别出对机器具有挑战性的功能。这种可制造性设计(DFM)反馈有助于避免返工，因为它允许在设计过程的早期进行修改。
- 寻找一家能够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。这可能是事实，但如果你的零件设计允许，加工通常是一个更经济的原型选择。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，其整体加工能力，它是一个内部生产的服务提供商还是一个代理商，以及它从原型量扩展到小批量生产的能力。