CNC 加工可能是工程師需要理解的最重要的制造工藝。不僅因?yàn)閱蝹€(gè)零件設(shè)計(jì)，還因?yàn)?CNC 加工被用于制造其他制造工藝（如注塑成型、沖壓、鍛造、某些鑄造工藝和擠壓）中使用的絕大多數(shù)工裝。我們認(rèn)為 CNC 加工是“母工藝”，因?yàn)樗沃圃旖?jīng)濟(jì)。正因?yàn)槿绱耍鳛楣こ處?，具備扎?shí)的 CNC 加工可制造性設(shè)計(jì)（DFM）知識(shí)至關(guān)重要。

在這篇文章中，我們將深入探討 CNC 加工 DFM。我們將從了解現(xiàn)代 CNC 銑床的工作原理和典型功能開始，然后通過關(guān)注工具、裝夾和加工策略來深入加工過程本身。掌握了這些知識(shí)后，我們將闡述影響 CNC 加工零件成本的因素，以及如何在設(shè)計(jì)中控制成本。最后，我們將通過一些示例零件，在特征特定級(jí)別上檢查 DFM 指南，并將所有概念綜合起來。到文章結(jié)束時(shí)，您應(yīng)該掌握了 CNC 加工 DFM 的基本知識(shí)，而不僅僅是套用的設(shè)計(jì)規(guī)則。

CNC 銑床概述

如今的主流加工車間普遍配備 3 軸及 5 軸數(shù)控銑床，這類設(shè)備憑借多元化性能成為材料加工的核心力量。以典型機(jī)型為例，其標(biāo)準(zhǔn)配置包括：

• 刀具管理系統(tǒng)：可裝載 20-50 把刀具并支持自動(dòng)換刀，通過智能化刀具庫實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工序的連續(xù)加工；

• 冷卻系統(tǒng)：結(jié)合空氣與液體雙重冷卻，既能降低切削溫度防止材料熱變形，又能通過高壓液體沖刷控制切屑流動(dòng)路徑；

• 運(yùn)動(dòng)性能：X/Y 軸快速移動(dòng)速度達(dá) 25米 / 分鐘，主軸轉(zhuǎn)速覆蓋 8000-15000 轉(zhuǎn) / 分鐘，形成剛?cè)岵?jì)的加工能力 —— 既能對(duì)超高分子量聚乙烯（UMHWPE）等軟質(zhì)工程塑料進(jìn)行精細(xì)切削，也能勝任鋼材、鈦合金及鎳等航空合金的高強(qiáng)度加工。

精度控制技術(shù)方面，車間設(shè)備常配備：

• 自動(dòng)刀具設(shè)定系統(tǒng)：通過激光或接觸式測(cè)量，實(shí)時(shí)校準(zhǔn)刀具長度與直徑偏差，對(duì)磨損或安裝誤差進(jìn)行幾何補(bǔ)償；

• 雷尼紹 OMP60 接觸探頭：用于工件裝夾時(shí)的坐標(biāo)定位、加工中工序檢測(cè)及成品質(zhì)量測(cè)量，例如在航空零件加工中，可通過探頭實(shí)時(shí)掃描曲面輪廓，確保復(fù)雜結(jié)構(gòu)的公差控制在 ±0.01mm 以內(nèi)。

這些技術(shù)配置使數(shù)控銑床突破材料限制，在醫(yī)療植入物（如鈦合金關(guān)節(jié)）、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片（鎳基合金）及半導(dǎo)體設(shè)備陶瓷基座等高精度零件加工中發(fā)揮關(guān)鍵作用

機(jī)器架構(gòu)概述

1. 3軸立式銑床

一臺(tái)三軸銑床，如 Haas VF-2，具有簡單的架構(gòu)，由底座和立柱鑄件組成。立式銑床配備矩形銑削工作臺(tái)，可在 X 軸和 Y 軸方向移動(dòng)，通常 X 軸的行程幾乎是 Y 軸行程的兩倍（例如：VF-2 的行程約為 1米 x0.5米）。Z 軸運(yùn)動(dòng)是通過將懸臂式主軸在立柱上上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

2. 五軸銑床

五軸銑床具有更多樣化的配置，但通常包括在 X、Y 和 Z 線性軸運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度（通常稱為 B 軸和 C 軸）。一些銑床設(shè)計(jì)更適用于使用 B 軸和 C 軸進(jìn)行部件索引（用于 3+2 加工策略），而另一些則設(shè)計(jì)用于完全同步的五軸運(yùn)動(dòng)（用于更復(fù)雜的幾何形狀，如渦輪葉片、葉輪和復(fù)雜曲面）。

理解加工過程

為了理解我們?cè)O(shè)計(jì)的部件和特征之間的關(guān)系，以及它們相關(guān)的成本和制造復(fù)雜性，了解完整的加工過程很有幫助。

CNC 加工過程中的典型步驟

數(shù)控加工過程始于對(duì)工作的詳細(xì)規(guī)劃以及對(duì)機(jī)床的精準(zhǔn)編程，這一步驟作為非重復(fù)性工程工作（NRE），為每項(xiàng)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。接下來，選擇合適的原材料進(jìn)行切削，同時(shí)對(duì)用于零件生產(chǎn)的機(jī)床進(jìn)行設(shè)置。這一設(shè)置階段涵蓋了一系列精細(xì)操作，包括工具的裝載與設(shè)置、夾具及工作夾持元件的安裝，以及針對(duì)每個(gè)程序的測(cè)量和工作偏移量的設(shè)定。在完成上述準(zhǔn)備工作后，還需切割任何定制夾具組件（如軟夾爪），之后即可逐一執(zhí)行工作的各項(xiàng)操作。零件生產(chǎn)完畢后，在最終包裝并交付給客戶之前，可能會(huì)進(jìn)行一系列測(cè)量和質(zhì)量檢驗(yàn)，以確保產(chǎn)品的精度與可靠性。

通用車間工具

從可制造性設(shè)計(jì)（DFM）的角度出發(fā)，深入了解各大工廠的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)有工裝設(shè)備顯得尤為關(guān)鍵。這將確保你能夠設(shè)計(jì)出可以依托這些工裝進(jìn)行高效加工的產(chǎn)品特性。通過挑選適宜的工裝，不僅能夠顯著提升定位的精準(zhǔn)程度，有效減少因重復(fù)定位而產(chǎn)生的誤差，還能大幅節(jié)省加工時(shí)間并降低材料浪費(fèi)，從而優(yōu)化整個(gè)制造流程。

常見的裝夾方案和加工策略

1. 三軸銑削長方體零件

任何車間中最常見的設(shè)置是基本的機(jī)床虎鉗和定位塊。這用于固定邊緣平整的材料，如棒材和長方體零件。

虎鉗在 x 方向定位零件，而工作臺(tái)在 y 方向設(shè)定位置?；Q夾口可以使用平行墊塊來控制夾持工件的高度。

2. 三軸銑削使用軟夾具

在現(xiàn)代車間中，軟夾具作為一種常見的定制夾具，廣泛應(yīng)用于各類加工場(chǎng)景。軟夾具是根據(jù)待加工零件的輪廓量身定制的虎鉗夾口，能夠精確匹配并穩(wěn)固夾持零件，確保加工精度。在雙虎鉗的設(shè)置中，軟夾具通常配置在一個(gè)虎鉗上使用。零件首先在第一個(gè)虎鉗上進(jìn)行初步加工，隨后被翻轉(zhuǎn)裝夾到配備軟夾具的虎鉗上，以進(jìn)行第二道工序的切割。通過這種流程，整個(gè)零件的加工可在兩道工序中高效完成。

這套設(shè)置中的關(guān)鍵 DFM 概念是：零件的所有特征都必須可以從兩個(gè)相對(duì)的面進(jìn)行加工。通過采用標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，并運(yùn)用對(duì)置特征加工方式，不僅能夠降低零件的成本，還能有效提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

3. 三軸銑削與定制夾具板

在批量加工零件時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器利用率的最大化變得尤為重要，這通常通過同時(shí)處理多個(gè)零件來實(shí)現(xiàn)。定制夾具板——配備如 Mitee Bite Pitbull Clamp 等先進(jìn)夾持裝置——能夠精確而穩(wěn)固地夾住常用的毛胚材料，這些材料通常用于零件加工的第一道工序，即粗加工。此外，這些夾具通常與多虎鉗軟爪設(shè)置結(jié)合使用，以適應(yīng)不同機(jī)器的精加工需求，從而確保在整個(gè)加工流程中，零件都能被精準(zhǔn)且安全地夾持。

4. 五軸銑削與燕尾夾具

燕尾夾具通常應(yīng)用于五軸機(jī)床，以實(shí)現(xiàn)在單一設(shè)置下對(duì)零件五個(gè)面的加工。盡管在原材料上加工出燕尾特征需要額外的時(shí)間，但通過確保高效利用工廠中更為昂貴的五軸CNC機(jī)床，它們顯著節(jié)省了時(shí)間和成本。

不常見/定制刀具

作為設(shè)計(jì)師，了解以下兩點(diǎn)至關(guān)重要：

• 設(shè)計(jì)功能是否能通過市面上現(xiàn)有所售的特種刀具來實(shí)現(xiàn)加工；

• 是否需要定制專屬刀具以切割特殊幾何形狀。

盡管幾何復(fù)雜性有時(shí)不可避免，但掌握小眾刀具類型應(yīng)成為 ** 可制造性設(shè)計(jì)（DFM）** 知識(shí)體系的一部分 —— 這可能直接影響加工方案的選擇（例如在昂貴的多軸加工與經(jīng)濟(jì)的三軸加工之間決策），從而顯著節(jié)省時(shí)間與成本。

本節(jié)將介紹幾種非常規(guī) CNC 刀具，并簡要分析定制刀具的幾何設(shè)計(jì)邏輯。

1. 長行程端銑刀

關(guān)于CNC機(jī)床DFM（Design for Manufacturing，可制造性設(shè)計(jì)）的許多文章，通常會(huì)為特征的深度與用于切割該特征的端銑刀直徑之間的關(guān)系提供一些指導(dǎo)原則。這些原則無疑具有重要的參考價(jià)值，然而，技藝嫻熟的機(jī)師們往往能夠運(yùn)用多種巧妙的方法來加工那些具有狹窄內(nèi)部半徑的深凹槽。擴(kuò)展型端銑刀，憑借其較之刀具直徑更為修長的葉片長度，完美實(shí)現(xiàn)了在相對(duì)較小的內(nèi)部半徑下進(jìn)行深輪廓切割的可能性。以下是一個(gè)簡明的圖表，粗略展示了刀具的有效切割長度與其直徑之間的比值關(guān)系。

2. 緩解型柄部端銑刀

3. 深孔鉆

專為極深孔設(shè)計(jì)的深齒刀具，其切削刃上設(shè)有冷卻液通道，用于將切屑從孔中排出。使用這些刀具，孔深可達(dá)直徑的20倍。

4. 錐形端銑刀

錐形端銑刀具備錐形側(cè)壁結(jié)構(gòu)，這一特性使得其在加工凹槽時(shí)可以利用拔模角，尤其適用于深腔加工以及難以觸及區(qū)域的表面處理。此外，錐形端銑刀能夠與五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)深度凹槽的高效切割。其優(yōu)勢(shì)之一在于，盡管在整體行程中會(huì)有一定限制，但它們?nèi)阅茉跈M向保持較高的剛度，從而允許更高的材料去除率，加快整體加工速度。然而，這種高效性能的背后，也需要面對(duì)編程復(fù)雜度增加的挑戰(zhàn)。

5. 球形端銑刀

棒狀切割器可提供高達(dá)300o的球形切割范圍。這可用于復(fù)雜的三維去毛刺操作，以及在三軸設(shè)置中切割凹槽倒角和凹槽表面。

6. 燕尾和燕尾 O 型環(huán)切割器

燕尾刀可在簡單的三軸加工設(shè)備上實(shí)現(xiàn)銑削燕尾輪廓與槽特征。多數(shù)工廠配備標(biāo)準(zhǔn) 60o 燕尾刀。若需其他角度的燕尾刀，需與具體制造商確認(rèn)是否有貨。

需注意，部分制造商生產(chǎn)專用于加工 O 型圈槽的燕尾槽刀，因此建議將 O 型圈槽設(shè)計(jì)為與刀具幾何形狀精確匹配。由于這類刀具通常不會(huì)儲(chǔ)備，最佳做法是：

• 直接與刀具廠家溝通，確認(rèn)刀具輪廓參數(shù)；

• 或在工程圖的特征詳圖中標(biāo)注所需銑刀的品牌和型號(hào)。

7. 鋸片切槽刀

切槽刀可以用來在零件上切出深窄槽。由于直徑較大，相對(duì)于端銑刀來說效率非常高，還可以減少零件的二次裝夾?？紤]到鋸片刀切削部分的強(qiáng)度，硬避免受力不均衡狀態(tài)，以免刀具崩裂。

8. 定制刀具幾何形狀

大多數(shù)的切削刀具公司可以研磨定制刀片以匹配您所需的幾何形狀。通常，當(dāng)生產(chǎn)量足夠大，花費(fèi)定制刀具的時(shí)間和精力是合理的，并且當(dāng)定制工具可以顯著簡化加工操作或降低加工難度時(shí)（例如，將五軸零件適合三軸銑削）才會(huì)使用這種方法。

什么因素導(dǎo)致 CNC 加工零件的成本上升？

理解制造工作的驅(qū)動(dòng)因素以及相關(guān)的零件成本是 CNC 加工 DFM（面向制造的設(shè)計(jì)）的關(guān)鍵方面。在本節(jié)中，我們將分解 CNC 加工零件的成本函數(shù)，根據(jù)其影響成本隨制造量變化的方式對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行分組。這將幫助您更好地理解如何在從原型過渡到生產(chǎn)過程中應(yīng)用 DFM 指南和針對(duì)特定特征的推薦。

1. 固定成本因素

流程中的以下步驟按生產(chǎn)零件總數(shù)分?jǐn)偂?/span>

• 編程和非重復(fù)工程（NRE）

規(guī)劃加工任務(wù)和編程刀具路徑是每個(gè)任務(wù)的一次性重大成本。對(duì)于復(fù)雜零件的原型制作，這可能代表總?cè)蝿?wù)成本的一個(gè)顯著部分。從 CNC 加工的可制造性設(shè)計(jì)（DFM）角度來看，特征復(fù)雜度與編程復(fù)雜度之間存在直接關(guān)系。設(shè)計(jì)的零件采用最簡單的加工策略和工裝夾具，并使用常用工具，是節(jié)約成本的有效方式。

• 工藝設(shè)定（在機(jī)器上）

2. 與生產(chǎn)量線性相關(guān)的因素

以下因素導(dǎo)致 CNC 加工零件的成本與生產(chǎn)零件的數(shù)量成正比。

• 材料

每個(gè)部件都需要從一塊原材料中加工而成。從 CNC 加工的可制造性設(shè)計(jì)（DFM）角度來看，只有大批量生產(chǎn)（1000 件以上）時(shí)，才需要考慮節(jié)省原材料來制造部件。通常情況下，CNC 加工中原材料能夠得到高效回收，因此優(yōu)化材料使用并不是 CNC 加工中 DFM 成本降低的主要驅(qū)動(dòng)力。

• 工件裝夾

每個(gè)部件都需要在夾具中設(shè)置，這項(xiàng)工作幾乎總是由人工完成。盡管一些 CNC 機(jī)床由機(jī)器人操作，但絕大多數(shù)部件設(shè)置時(shí)間都是操作員的手動(dòng)勞動(dòng)，此時(shí)機(jī)床并未運(yùn)行。簡單的夾具更容易可靠地裝夾，因此請(qǐng)專注于簡化您的設(shè)計(jì)設(shè)置。請(qǐng)注意，由于高公差要求會(huì)增加操作員清理碎屑和清除夾具和工作臺(tái)任何雜物的負(fù)擔(dān)，因此部件設(shè)置時(shí)間可能會(huì)增加。

• 刀具

無論切割的材料是什么，刀具最終都會(huì)磨損。這種工具磨損的成本會(huì)計(jì)入你的零件中。切割的零件越多，刀具磨損就越多。從 CNC DFM 的角度來看，這里的最佳方法是最大程度降低原材料的切削量。在極端情況下，可減少零件的加工余量，例如標(biāo)準(zhǔn)擠壓型材。在樣品加工或小批量加工時(shí)，刀具磨損通常不值得擔(dān)心，但在大批量或超大批量生產(chǎn)中（例如 iPhone 機(jī)身）可能會(huì)變得至關(guān)重要。

• 加工時(shí)間

加工時(shí)間直接取決于零件的幾何形狀。作為一名希望降低零件成本同時(shí)保持或提高零件質(zhì)量的設(shè)計(jì)師，了解你設(shè)計(jì)的特征將如何影響加工時(shí)間是很有幫助的。從根本上說，你想了解零件的特征如何影響材料去除率。材料去除率（MRR）受刀具能力驅(qū)動(dòng)，較大的剛性刀具如面銑刀能夠去除大量材料，而較小的特定功能刀具如 1/8 英寸球頭銑刀則以很慢的進(jìn)給率和最小的接觸切割。要注意的是，當(dāng)?shù)毒咦冃r(shí)，這種影響是非線性的。MRR 也可能受夾持限制。非常柔軟且柔性的零件有時(shí)無法在虎鉗中牢固夾持，因此進(jìn)給率和速度通常會(huì)被降低，以減少施加在零件上的切削力。

我們將在這篇文章的特定功能指南部分涵蓋影響加工時(shí)間的要素，但一些基本原則在此值得提及。

1. 設(shè)計(jì)所有特征以便使用盡可能大的工具進(jìn)行加工。
2. 盡量使大部分材料去除工作在第一次操作時(shí)完成，當(dāng)時(shí)夾持最穩(wěn)固，且正在加工的零件仍然較硬。
3. 表面光潔度要求會(huì)降低切削速度，并對(duì)加工時(shí)間產(chǎn)生非線性影響。
4. 零件越小 = 加工越少。
5. 零件體積與原材料體積之比大的設(shè)計(jì) = 加工量少。
6. 更大的公差=更快的加工。
7. 更安全的裝夾 = 更快的加工。
8. 更剛硬的零件 = 更快的加工。
9. 更軟的材料 = 更快的加工。
10. 非標(biāo)準(zhǔn)倒角角度、外部圓角和復(fù)雜曲面可能需要使用球形或牛角形端銑刀以非常小的重疊量進(jìn)行表面插補(bǔ)，這意味著創(chuàng)建這些特征所需的機(jī)器時(shí)間會(huì)大幅增加。雖然使用現(xiàn)代 CAM 軟件生產(chǎn)它們?cè)诩夹g(shù)上并不困難，但它們可能會(huì)非常慢。

• 嚴(yán)格的公差

看起來更嚴(yán)格的公差會(huì)增加機(jī)器時(shí)間似乎是直觀的，但公差要求對(duì)加工時(shí)間產(chǎn)生非線性且主導(dǎo)性影響的程度值得研究。下表顯示了不同公差范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化成本與公差對(duì)比，請(qǐng)注意 x 軸是 logarithmic scale！

成本增加的非線性現(xiàn)象是由在公差顯著收緊時(shí)需要控制多個(gè)工藝變量所驅(qū)動(dòng)的。在某個(gè)階段，必須考慮 CNC 機(jī)床本身的精度和可重復(fù)性，以及工具和工裝夾具的撓度，甚至工件和冷卻液的溫度！非常精密的加工（精度達(dá)到±0.0005 英寸）會(huì)涉及這些工藝控制因素，而一些工廠并沒有很好地配備來處理它們（例如沒有空調(diào)的情況）。這就是為什么你的< a id=0 >公差絕不能是事后考慮 ，而全面審查它們應(yīng)成為你圖紙審查過程的一部分。

• 檢驗(yàn)

檢驗(yàn)要求與公差密切相關(guān)。從可制造性設(shè)計(jì)成本降低的角度來看，完全消除檢驗(yàn)要求，或?qū)⑵湎拗圃陉P(guān)鍵功能尺寸上，對(duì)檢驗(yàn)工作量有重大影響。此外，特征的復(fù)雜性會(huì)決定需要使用何種量具來測(cè)量該特征。孔的通/止規(guī)檢驗(yàn)比需要精確到 0.005毫米的孔徑規(guī)檢驗(yàn)更便宜。同樣，卡尺測(cè)量比三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢驗(yàn)及相關(guān)報(bào)告的成本要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。不合適的 GD&T（幾何尺寸和公差）往往會(huì)成為檢驗(yàn)成本的主要驅(qū)動(dòng)因素，因?yàn)樗茨軐⒘慵墓δ芎凸钕嗥ヅ?，并?dǎo)致不必要檢測(cè)工作量。

特定功能指南和設(shè)計(jì)原則

在這一部分，我們將逐項(xiàng)概述指導(dǎo)方針。請(qǐng)記住，DFM（可制造性設(shè)計(jì)）指南具有連續(xù)性。每個(gè)零件都有獨(dú)特的要求，每個(gè)制造商都有獨(dú)特的制造能力。由于這個(gè)原因，我們通常避免使用一刀切的規(guī)則，而是選擇概述每個(gè)特征的 DFM 原則。理解特定特征的 CNC 加工 DFM 指南的目標(biāo)是簡化制造，同時(shí)滿足功能要求，從而降低零件成本，提高我們?cè)O(shè)計(jì)的零件和產(chǎn)品的質(zhì)量與一致性。

1. 加工策略

零件的外部輪廓由平行于機(jī)器 z 軸的面組成。

該輪廓的深度受限于能夠切割該輪廓的最大刀具的 切削刃長度。最大刀具尺寸由輪廓上的最小內(nèi)部半徑?jīng)Q定。對(duì)于具有深輪廓的零件，可以從零件的兩端分別進(jìn)行兩次操作來切割零件的輪廓。這需要兩次操作之間的夾持精度足夠，以便將兩個(gè)不同操作的輪廓融合。

在夾具過程中出現(xiàn)錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)不連續(xù)性，如下面的幾何形狀所示。

2. 凹槽和扁平底部孔

與刀片輪廓類似，凹槽的深度和平底孔的深度受限于能夠切割凹槽的最大刀具的刀片長度。最大刀具尺寸由凹槽上的最小內(nèi)半徑?jīng)Q定。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使用半徑小于最小凹槽半徑的刀具來切割凹槽，這是一種最佳實(shí)踐。這樣可以確保在整個(gè)凹槽輪廓中切削刀片更均勻地接觸，并獲得更好的表面光潔度。

通常情況下，口袋深度應(yīng)控制在最大不超過 6 倍刀具直徑。超過這個(gè)深度，大多數(shù)工廠將需要購買專用工具，會(huì)影響進(jìn)度和成本。深度達(dá)到 10 倍 D 的口袋，無論使用何種工具，都會(huì)開始變得具有挑戰(zhàn)性。顯然，這些指導(dǎo)都取決于材料、工具和幾何形狀，但作為工程師，你應(yīng)該了解這些制造難度閾值。你越是挑戰(zhàn)極限，就需要越需要與供應(yīng)商合作確認(rèn)加工制造的可行性。

3. 圓角和倒角

主軸軸線不平行于銑床主軸的圓角通常會(huì)用曲面加工路徑來切割。曲面加工需要使用球頭銑刀進(jìn)行 3D 輪廓加工，并且需要較小的步距。用現(xiàn)代的刀具路徑生成軟件編程相對(duì)簡單，但結(jié)果會(huì)形成由刀具路徑步距寬度驅(qū)動(dòng)的微小波浪形幾何形狀。在設(shè)計(jì)這些特征時(shí)，你應(yīng)該知道它們會(huì)消耗更多的機(jī)加工時(shí)間，并且表面光潔度會(huì)有明顯的差異。如果采用專用的外圓角銑刀，可能存在圓角和相鄰的面不相切的情況，對(duì)于外觀要求高的零件來說相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。

同樣的指導(dǎo)原則適用于非標(biāo)準(zhǔn)角度的倒角。倒角工具通常有60o、82o和90o的夾角。如果你確實(shí)需要32.5度的倒角角度，那將是一個(gè)表面特征。

由于倒角是 CAD 中非常容易添加的功能，設(shè)計(jì)師通常出于美觀原因會(huì)添加它們，而較少深入考慮加工影響。對(duì)于在多個(gè)不同平面上連續(xù)的倒角零件，需要使用曲面加工或連續(xù)五軸刀具路徑。這是一種更具挑戰(zhàn)性的加工操作，會(huì)限制能夠加工您零件的設(shè)備數(shù)量，并可能增加生產(chǎn)周期和成本。雖然可以加工這些幾何形狀，但需要付出大量努力，因此務(wù)必確認(rèn)它們是否必要。下例展示了三個(gè)難度遞增的倒角特征。第一個(gè)（綠色標(biāo)記）可以通過使用倒角銑刀進(jìn)行簡單的二維銑削加工。第二個(gè)（橙色標(biāo)記）可以使用球頭銑刀進(jìn)行曲面加工，或使用連續(xù)五軸操作進(jìn)行加工。第三個(gè)，也是最難的倒角（紅色標(biāo)記），需要使用多工位曲面加工，或進(jìn)行連續(xù)五軸操作并配合一些巧妙的夾具（因?yàn)榈菇锹窂酱嬖谙虑泻投嗥矫嫣匦裕？梢詼p小倒角的尺寸，采用手工倒角或機(jī)器去毛刺的方法來去除尖銳的邊角，從而降低加工難度。

4. 設(shè)計(jì)不同的公差

在可能的情況下，具有相對(duì)嚴(yán)格公差的特性應(yīng)設(shè)計(jì)為在同一個(gè)工裝中加工。由于 CNC 機(jī)床具有高定位精度（約±10 微米），當(dāng)特性在同一個(gè)工裝中加工時(shí)，嚴(yán)格公差很容易實(shí)現(xiàn)。這種方法消除了在夾具和軟夾具中進(jìn)行二次操作時(shí)引入的定位不確定性。從實(shí)際角度來看，設(shè)計(jì)人員應(yīng)專注于使關(guān)鍵特性共面，并使用標(biāo)準(zhǔn)工具易于加工。

5. 振動(dòng)和薄特征

在加工操作中產(chǎn)生的切削力是具有廣泛頻率范圍的脈沖。這自然地激發(fā)了工件的各種振動(dòng)模式。隨著特征和壁厚尺寸的減小，加工引起的振動(dòng)和損壞成為一個(gè)問題。關(guān)于這個(gè)主題的大部分指導(dǎo)都局限于關(guān)于最小厚度的剛性規(guī)則，但這忽略了局部厚度和剛度并不一定相關(guān)的現(xiàn)實(shí)。以下是一些需要留意的常見特征。

a. 薄底型凹槽

凹槽特征有時(shí)會(huì)形成一層薄壁。從設(shè)計(jì)角度來看，重要因素是考慮未支撐表面積與底部厚度的比例。這個(gè)表面面積的無支撐長度越大，加工過程中的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)就越高。

b. 沒有中間支撐的薄壁

與凹槽薄底類似，航空航天及其他輕型部件中使用的加筋板在加工過程中容易發(fā)生振動(dòng)。關(guān)鍵在于通過利用你對(duì)梁彎曲公式的理解來建立對(duì)這些特征剛度的直覺。隨著加筋板橫截面的截面模量減小，剛度呈現(xiàn)非線性下降，從而增加加工過程中的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

c. 懸臂特征

懸臂特征（如凸臺(tái)和卡扣）在剛度方面需要與筋和薄片相似的直覺。只需記住懸臂梁的剛度遠(yuǎn)低于簡支梁，因此在加工過程中要特別注意這種振動(dòng)。然而，類似的指導(dǎo)原則仍然適用，你應(yīng)該嘗試找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，即凸臺(tái)高度、基座寬度和厚度的組合，以確保該特征能夠承受切削力而不產(chǎn)生顯著變形。

d. 凹槽

作為部件設(shè)計(jì)師在添加凹槽特征時(shí)，需要問自己的關(guān)鍵問題是：“這需要額外的設(shè)置或五軸機(jī)床才能加工嗎？”為了回答這個(gè)問題，你需要知道哪些類型的凹槽特征可以用現(xiàn)成的鍵槽刀和鋸片切割。鍵槽刀的幾何形狀限制了凹槽特征的深度，因?yàn)榈侗赡軙?huì)與部件的側(cè)壁發(fā)生干涉。

鋸片刀的切削直徑相對(duì)于心軸直徑較大，可用于切割深槽。由于鋸片的靈活性，通常不建議在多道工序中加工同一個(gè)深凹槽，因?yàn)樾枰ぞ叩钠胶夂蛯?duì)稱接觸。因此，最佳設(shè)計(jì)是使深槽的寬度等于鋸片鋸的厚度。這里有一個(gè)示例零件，展示了這種最佳實(shí)踐。

e. 翹曲與內(nèi)部應(yīng)力管理

庫存材料幾乎總是具有不均勻的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。例如，擠壓鋁棒通常表面存在拉應(yīng)力，而棒芯存在壓應(yīng)力。當(dāng)從具有內(nèi)部應(yīng)力的庫存材料加工零件時(shí)，加工操作可能會(huì)去除應(yīng)力材料，導(dǎo)致翹曲。

作為一名設(shè)計(jì)師，你應(yīng)該明白，具有非對(duì)稱輪廓和大量材料“被切割掉”的零件，在加工后從夾具中釋放時(shí)更容易出現(xiàn)翹曲。機(jī)械師可以通過平衡零件在原材料中的位置來管理這種情況，但這并不總是可以避免。

f. 設(shè)計(jì)對(duì)于裝夾和（零件合規(guī)性）

CNC 的 DFM 中最困難的一個(gè)方面是理解你的設(shè)計(jì)選擇如何影響裝夾。大多數(shù)零件在一個(gè)直角虎鉗口或一組定制軟鉗中加工最終工序。這意味著當(dāng)零件部分完成時(shí)，它們會(huì)被用相當(dāng)大的力來夾緊。對(duì)于某些設(shè)計(jì)，第一個(gè)加工工序會(huì)大幅降低零件的剛度，使得二次加工的裝夾成為一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。這個(gè)挑戰(zhàn)有兩個(gè)方面：

• 確保零件能夠被夾緊足夠牢固，以抵抗加工力并精確地固定在虎鉗中。
• 確保零件不會(huì)因夾持力而顯著變形。

注意：機(jī)械師可以通過減少加工區(qū)域和增加零件成本（更換材料）來彌補(bǔ)柔性零件的影響。而降低零件柔性對(duì)公差的影響則要困難得多。作為設(shè)計(jì)師，你的總體指導(dǎo)原則應(yīng)該是：如果你希望以低成本或高精度加工幾何形狀，應(yīng)設(shè)計(jì)能夠牢固夾緊的幾何形狀。

DFM 示例零件

在本節(jié)中，我們將分析幾個(gè)示例零件，然后從 DFM 的角度探討可以進(jìn)行的修改，以幫助降低制造復(fù)雜性、減少成本并提高零件質(zhì)量。對(duì)于每個(gè)示例，我們將展示初始幾何形狀，然后根據(jù)我們之前概述的高級(jí)原則和特定特征的 DFM 規(guī)則突出設(shè)計(jì)變更。

• 簡單零件

a. 設(shè)計(jì)簡單的夾具

在這個(gè)例子中，讓我們來看一個(gè)相對(duì)簡單的三軸加工零件，大部分特征在第一次操作中加工完成。

b. 減少加工時(shí)間

在這個(gè)示例中，我們將探討最小圓角尺寸和相對(duì)特征位置如何影響刀具選擇。示例零件具有多個(gè)相鄰的內(nèi)部圓角，以及彼此靠近的支撐特征。

這一部分需要使用9/32英寸的端銑刀來加工小內(nèi)部圓角，這會(huì)增加換刀時(shí)間并增加成本。通過相對(duì)簡單的重新設(shè)計(jì)，增加圓角半徑并消除小特征間隙，可以在可接受的重量增加的情況下顯著降低加工成本。

b. 復(fù)雜零件加工：航天器支架 - 微妙的簡化

這個(gè)示例展示了幾何形狀的細(xì)微變化如何對(duì)加工策略/設(shè)置和加工時(shí)間產(chǎn)生重大影響（無論設(shè)置如何?。?。下面是飛機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)的一個(gè) 7075-t4 鋁合金支架的初始設(shè)計(jì)。H 型梁的幾何形狀對(duì)于預(yù)期的工作負(fù)載非常有效，但它可能會(huì)在夾持工作中增加難度。還要考慮的是，H 型梁翼緣上的減輕孔是垂直于每個(gè)表面的加工，而不是同一個(gè)方向的。

按照當(dāng)前設(shè)計(jì)，這一部分存在一些問題：

• 需要在三軸機(jī)床上或五軸機(jī)床上進(jìn)行多次裝夾才能加工通孔特征幾何形狀
• 由于薄法蘭的振動(dòng)，可能難以或無法快速加工。
• 最終操作很可能需要定制夾具來支撐這種柔性零件。

考慮到這些問題，讓我們來看看一些簡單的可制造性設(shè)計(jì)變更，這些變更可以幫助降低零件成本并提高質(zhì)量。

a. 提高剛度以降低振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)和夾具夾緊載荷下的變形

該結(jié)構(gòu)已經(jīng)有一些平行表面，在最終工序中容易在機(jī)床上夾緊。在這些法蘭之間沒有支撐，零件的中央腹板在加工過程中可能會(huì)振動(dòng)，或者由于夾具夾緊而向外彎曲。在零件上添加橫向加勁肋可以幫助減輕這種振動(dòng)，并允許在雙夾具設(shè)置中進(jìn)行更輕松、更安全的裝夾。

b. 添加并行參考表面以實(shí)現(xiàn)雙夾具裝夾，用于最終工序

這項(xiàng)改動(dòng)雖然簡單，但影響重大。當(dāng)零件沒有平坦的表面可以放置時(shí)，在機(jī)器坐標(biāo)系中重復(fù)定位它們會(huì)變得更加困難。此外，如果接觸面積不足，還可能損壞零件放置的區(qū)域。下面所示的這個(gè)簡單的 DFM 改動(dòng)增加了平坦且平行的參考表面，以便零件可以放置在平行面上。

c. 簡化可加工性

下面所示的一個(gè)簡單改變是確保所有孔特征（包括緊固件孔和輕量化孔幾何）能夠?qū)R，以便可以在一次 3 軸銑削操作中切割。在 CAD 中的拉伸方向有時(shí)是模型完成后，做DFM時(shí)候再綜合考慮的，但它會(huì)對(duì)制造復(fù)雜性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

CNC 零件設(shè)計(jì)評(píng)審

和任何設(shè)計(jì)一樣，錯(cuò)誤在所難免。在這里非常推薦持續(xù)設(shè)計(jì)審查流程的做法。可以減少設(shè)計(jì)對(duì)零件的交貨時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量和成本帶來的挑戰(zhàn)和影響。