魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（五）：減材制造之CNC數(shù)控加工
魔猴君 行業(yè)資訊 531天前
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魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（五）：減材制造之CNC數(shù)控加工
在這一章，魔猴網(wǎng)將向大家
? 介紹CNC數(shù)控加工
? 理解CNC工藝
? 設(shè)計考量
? 后處理
計算機(jī)數(shù)控 (CNC) 加工是數(shù)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(gòu)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(shè)計零件時就需要注意的事項(xiàng)，以及在零件完成后可能需要的后續(xù)處理。
一、了解CNC加工
CNC加工使用計算機(jī)編程來控制機(jī)床的運(yùn)行，從原始塊料或坯料中去除多余的材料，以生產(chǎn)所需的零件。
雖然傳統(tǒng)制造中也經(jīng)常使用CNC數(shù)控加工，但數(shù)字化制造行業(yè)已經(jīng)徹底顛覆了原有模式。 在傳統(tǒng)制造模式里，一個零件的生產(chǎn)需要前期大量CNC 編程以及構(gòu)建合適的夾具等非經(jīng)常性、一次性的成本，這意味著傳統(tǒng) CNC 加工需要比較大的產(chǎn)出才能獲得經(jīng)濟(jì)、合理的長期回報。而現(xiàn)在數(shù)字化制造公司已經(jīng)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(shù)字制造商可以以比過去更合理的價格生產(chǎn)少量的 CNC 加工零件，甚至有些優(yōu)秀的數(shù)字化制造商可以一件起做，大大降低了試生產(chǎn)的成本。
1、工藝流程
CNC 加工工藝從一組指揮機(jī)器操作的計算機(jī)指令開始。 在數(shù)字化制造中，這些指令由專用的計算機(jī)軟件分析零件的3D CAD模型而生成。 這些功能強(qiáng)大的專用軟件還會查找可能導(dǎo)致無法正確加工成型的潛在問題， 例如，分析零件設(shè)計以確保它們不包括無法加工的底切。 當(dāng)然，這種分析還會考慮其他一系列問題。 根據(jù)所加工零件的幾何形狀，可以將胚料固定在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行加工，也可以將胚料相對于刀具旋轉(zhuǎn)加工。
設(shè)備
CNC 加工中使用的實(shí)際設(shè)備會因生產(chǎn)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(zhuǎn)，刀具不同。 對于銑床，零件通常固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫毒咭苿印?在某些情況下，可能需要兩種類型的設(shè)備合用才能完全加工零件。 例如，車床可用于生產(chǎn)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(dāng)?shù)奈锢黻P(guān)系。夾具的生產(chǎn)成本有可能很高，因此您需要在加工前預(yù)先驗(yàn)證夾具成本。 一些像魔猴這樣的數(shù)字化制造公司不會單獨(dú)收取夾具費(fèi)用，這可以為您的零件節(jié)省大量費(fèi)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(yàn)證而生產(chǎn)原型零件外，CNC還對于快速創(chuàng)建生產(chǎn)零件、夾具和固定裝置以及一次性，小批量產(chǎn)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(jù)所生產(chǎn)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(jī)器都是由計算機(jī)控制的，因此它們可以精確地生產(chǎn)出您設(shè)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(xiàn)，兩種加工工藝之間的界限變得模糊。尤其當(dāng)數(shù)控車床獲得現(xiàn)場刀具（live- tool）的能力時，情況變得更加混亂。曾經(jīng)是銑削部門專屬領(lǐng)域的操作現(xiàn)在已經(jīng)完全可以在車床上完成。這導(dǎo)致決定哪臺機(jī)器最適合生產(chǎn)任何給定的零件變得比以前更加復(fù)雜。
有些零件是明顯更適合車床加工，比方說燃?xì)獍l(fā)動機(jī)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(fù)雜的外部幾何形狀和具有挑戰(zhàn)性的內(nèi)部特征，使其成為車床忠實(shí)的用戶。相反，與活塞配合的發(fā)動機(jī)缸體——具有大的銑削表面、精細(xì)的凹槽和相交的孔——這種零件永遠(yuǎn)不會在車床上旋轉(zhuǎn)，無論這臺機(jī)器的現(xiàn)場刀具能力如何強(qiáng)大。
3軸銑床
當(dāng)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(xí)慣用 X、Y 和 Z 來描述3D空間，這使得生產(chǎn)設(shè)計交流變得更加容易。3軸銑床可以兩軸或者三軸聯(lián)動，通過Z軸刀具切削可以創(chuàng)建復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)。 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(zhí)行不同的操作，操作員或機(jī)器本身可以切換不同的刀具來適應(yīng)不同的操作。 除了銑削外，還可以進(jìn)行鉆孔和攻絲操作，只要孔的軸線與機(jī)器的Z軸方向一致，并且刀具能夠到達(dá)不受阻礙。
5軸銑床
另一個加工選項(xiàng)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(jī)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(zhuǎn)。這允許刀具或工件保持在適當(dāng)位置或以適應(yīng)比三軸機(jī)器更復(fù)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(fù)合或懸空表面，或具有復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀，都是五軸銑床的主要對象。由于必須讓旋轉(zhuǎn)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(qiáng)大的操作能力。
車床
傳統(tǒng)上，車床是指通過旋轉(zhuǎn)車削來加工圓（柱）形零件的機(jī)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(zhuǎn)，通過刀具的進(jìn)給來切削成型。而現(xiàn)在，數(shù)字化制造的出現(xiàn)已經(jīng)極大地重新定義了車削工藝?，F(xiàn)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(jī)器將車床的能力與配備現(xiàn)場刀具的三軸銑削相結(jié)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(shè)備加工，我們可以拿一些常見家用物品做一個聯(lián)系。在不考慮材質(zhì)的前提下，比如一個高腳玻璃杯，具有光滑、規(guī)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(shù)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(zhuǎn)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(qū)域可以在車床上用簡單的開槽程序來實(shí)現(xiàn)，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(bǔ)加工既可以在銑床又可以在車床上進(jìn)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(shè)計考量
CNC數(shù)控加工提供了一個可靠的數(shù)字制造解決方案，但像所有的制造工藝一樣，有一些設(shè)計上需要考慮的因素需要牢記。了解這些考慮事項(xiàng)將使你能夠更好的設(shè)計出最好的零件。
不要忽視細(xì)節(jié)。在考慮如何使用數(shù)字制造工藝制造零件時，很容易只關(guān)注零件的主要形狀和特征。 但在考慮使用 CNC 加工進(jìn)行數(shù)字制造過程時，還必須考慮一些細(xì)節(jié)。
螺紋孔
螺紋孔經(jīng)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(jìn)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(jìn)行處理。正因?yàn)槿绱?，大量的孔可能會放慢周轉(zhuǎn)速度或者需要考慮使用不同的制造工藝。
數(shù)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(cè)孔或銑一個平面就在其能力范圍之內(nèi)。如果可以鉆孔，在必要時對螺紋孔攻絲也可能在機(jī)器的能力范圍內(nèi)。
在零件上刻字
在單個零件上添加公司名稱、徽標(biāo)或零件編號的情況并不少見。根據(jù)你的需要，這些可以作為凸起的字符出現(xiàn)，也可以刻在零件的表面。在零件上添加文字、標(biāo)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(nèi)可以創(chuàng)建的寬度、深度和細(xì)節(jié)都有限制。因此在數(shù)字化快速制造中，向零件添加小文本往往是可能產(chǎn)生問題的。
4、材料
一系列材料都適用于數(shù)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(zhì)或軟質(zhì)，具體取決于所選的金屬或合金。
常見的硬質(zhì)金屬包括：
? 不銹鋼
? 鋼
? 鈦
軟質(zhì)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(yè)中很常見，尤其是金屬零件。熱處理提高了強(qiáng)度并消除了在原材料加工和重型加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。碳鋼如 1018 可以通過滲氮或滲碳進(jìn)行表面硬化，而 4140 通過淬火和回火方法很容易達(dá)到 50 Rc 或更硬。 17-4 PH 可以制成相當(dāng)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(yuǎn)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(jìn)行低溫應(yīng)力消除或老化。
電鍍是另一種常見的后加工工藝。鋁通常經(jīng)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(hù)，化學(xué)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(xué)物質(zhì)。銅和黃銅在暴露于氧氣時會變色，因此如果需要保護(hù)，可以進(jìn)行化學(xué)鍍鎳或鍍鉻。不銹鋼和超合金不需要這種保護(hù)，但鋼通常進(jìn)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(zhǔn)備，以便在噴漆前提供干凈、無銹的表面。
機(jī)加工的塑料零件可能還需要一些后期處理，但可用的選項(xiàng)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(zhì)來達(dá)到相同的效果。
根據(jù)訂單數(shù)量和零件配置，這些流程可能會使產(chǎn)品交付時間增加幾個小時到一周或更長時間。在大多數(shù)情況下，客戶可以在之后立即對其零件進(jìn)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(yīng)用于使用第 4 章討論的增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件
注塑（注射）成型
注塑成型有其特殊的設(shè)計考慮，你需要注意的是。我將在本節(jié)中介紹這些內(nèi)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(shè)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(xì)觀察，會發(fā)現(xiàn)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(diǎn)角度，最上面稍微大點(diǎn)，最小面稍微小點(diǎn)。如果是直上直下的設(shè)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(cè)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(shí)現(xiàn)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(jù)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(shù)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(chǎn)生作為支撐的外表面和內(nèi)表面。根據(jù)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(dǎo)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(guān)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(yīng)力，并盡量減少材料冷卻時的收縮差異。見圖6-2。尖銳的轉(zhuǎn)角也會造成零件的應(yīng)力上升，成為潛在的故障點(diǎn)。
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(nèi)凍結(jié)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(dǎo)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(xiàn)凹陷或下沉的現(xiàn)象。設(shè)計一致的壁厚和使用壁而不是封鎖的區(qū)域可以提高質(zhì)量并減少沉陷引起的問題。
倒角
塑料零件的尖銳內(nèi)角會產(chǎn)生應(yīng)力集中，零件最終可能斷裂。一個設(shè)計合理的注塑件在每個內(nèi)角都有一個半徑。數(shù)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(nèi)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(jīng)驗(yàn)法則更容易被應(yīng)用。
