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加工指南:如何设计CNC加工零件

2021-11-30 阅读 3539

为了充分利用CNC加工的能力,设计师必须遵循特定的制造规则设计。但这可能是一个挑战,因为不存在特定的行业标准。在这篇文章中,我们用CNC加工的最佳设计实践汇编了全面的指南。


我们专注于描述现代 CNC 系统的可行性,而忽略了相关成本。有关为 CNC 设计高性价比零件的指南,请参阅本文。


CNC加工


CNC加工是一种减法加工技术。在CNC中,使用各种高速旋转(数千RPM)的刀具从实体块中去除材料,以根据CAD模型生产零件。金属和塑料都可以CNC加工。




CNC加工零件具有高尺寸精度和严格的公差。CNC适用于大批量生产和一次性工作。事实上,CNC加工是目前生产金属原型最具成本效益的方法,甚至与3D打印相比也是如此。


CNC主要设计限制


CNC提供了极大的设计灵活性,但存在某些设计限制。这些限制与切削过程的基本力学有关,主要与刀具几何形状和刀具访问有关。


1. 刀具几何


最常见的CNC刀具(端铣刀和钻头)为圆柱形,切削长度有限。


当材料从工件上移除时,刀具的几何图形被转移到加工零件上。这意味着,例如,无论使用多小的刀具,CNC零件的内角始终具有半径。


2. 工具访问


为了去除材料,刀具直接从上方接近工件。无法通过这种方式访问的功能无法进行CNC加工。


这条规则有一个例外:咬边。我们将在后一节中了解如何在设计中使用咬边。


一个好的设计实践是将模型的所有特征(孔、空腔、垂直墙等)与6个主要方向之一对齐。将此规则视为建议,而不是限制,因为5轴CNC系统提供先进的工件保持能力。


加工具有大深宽比的特征时,刀具访问也是一个问题。例如,要到达深型腔的底部,需要使用带有长轴的专用工具。这会降低末端执行器的刚度,增加振动并降低可实现的精度。


CNC专家建议设计可使用最大可能直径和最短可能长度的刀具加工的零件。


 CNC设计规则


设计用于CNC加工的零件时经常遇到的一个挑战是,不存在特定的行业标准:CNC机床和工具制造商不断提高技术能力,扩大可能的范围。


在下表中,我们总结了CNC加工零件中遇到的最常见特征的建议值和可行值。


1. 型腔和凹槽


型腔深度推荐:4倍腔宽


端铣刀的切削长度有限(通常为其直径的3-4倍)。当深宽比较小时,刀具偏转、切屑排出和振动变得更加突出。将空腔的深度限制为其宽度的4倍可确保良好的效果。




如果需要更大的深度,请考虑设计具有可变型腔深度的零件(示例参见上图)。


深型腔铣削:深度大于刀具直径6倍的型腔视为深型腔。使用专用工具可使刀具直径与型腔深度之比达到30:1(使用直径为1英寸的端铣刀,最大深度为30 cm)。


2. 内边缘


垂直拐角半径:推荐⅓ x型腔深度(或更大)




使用内角半径的建议值可确保可以使用合适的直径工具,并与建议的型腔深度的指南对齐。将拐角半径稍微增加到建议值以上(例如增加1毫米),允许刀具沿着圆形路径而不是90°角进行切割。这是首选,因为它可以获得更高质量的表面光洁度。如果需要锐度90°的内角,考虑添加T形咬边,而不是减少角半径。


底板半径推荐 0.5毫米、1 毫米或无半径;任何半径立都可行


立铣刀的下刃为平刃或略圆刃。其他地板半径可使用球头工具加工。使用推荐值是一种良好的设计实践,因为这是机械师的首选。


3. 薄壁


最小壁厚推荐:0.8毫米(金属)、1.5毫米(塑料);0.5毫米(金属)、1.0毫米(塑料)都可行




减小壁厚会降低材料的刚度,从而增加加工过程中的振动并降低可达到的精度。塑料容易翘曲(由于残余应力)和软化(由于温度升高),因此建议使用较大的最小壁厚。


4. 孔


直径推荐标准钻头尺寸;任何大于1毫米的直径都可行


使用钻头或端铣刀加工孔。钻头的尺寸标准化(公制和英制单位)。铰刀和镗刀用于精加工要求严格公差的孔。适用于小于⌀20 mm,建议使用标准直径。




最大深度推荐4 x标称直径;典型的为10 x标称直径;可行的为40 x标称直径


非标准直径的孔必须使用端铣刀加工。在这种情况下,适用最大空腔深度限制,并应使用建议的最大深度值。使用专用钻头(最小直径3毫米)加工深度超过典型值的孔。用钻头加工的盲孔有一个锥形底板(135°角),而用端铣刀加工的孔是平的。在CNC加工中,通孔和盲孔之间没有特别的偏好。


5. 螺纹


螺纹尺寸最小为 M2;推荐为 M6或更大


内螺纹用丝锥切削,外螺纹用模具切削。丝锥和模具可用于将螺纹切割到M2。


CNC螺纹工具很常见,机械师首选,因为它们限制了丝锥断裂的风险。CNC螺纹工具可用于将螺纹切割至M6。




螺纹长度最小值为1.5 x标称直径;推荐为3 x标称直径


施加在螺纹上的大部分载荷由少数第一个齿承担(最大为标称直径的1.5倍)。因此,不需要超过3倍公称直径的螺纹。


对于用丝锥切割的盲孔中的螺纹(即所有小于M6的螺纹),在孔底部添加等于1.5 x标称直径的无螺纹长度。


当可以使用 CNC 螺纹刀具(即螺纹大于M6)时,孔可以贯穿其整个长度。


6. 小特征


最小孔直径推荐为 2.5毫米(0.1英寸); 0.05毫米(0.005英寸)都可行


大多数机械车间将能够使用直径小于2.5毫米(0.1英寸)的工具精确加工空腔和孔。




低于此限值的任何东西都被视为微加工。加工此类特征(切削过程的物理变化在此范围内)需要专用工具(微型钻头)和专家知识,因此建议避免使用,除非绝对必要。


7. 公差


标准:±0.125毫米(0.005英寸)

典型:±0.025毫米 (0.001英寸)

可行: ± 0.0125毫米(0.0005英寸)




公差定义了可接受尺寸的边界。可达到的公差取决于零件的基本尺寸和几何形状。以上数值是合理的指南。如果未规定公差,大多数机器车间将使用标准±0.125毫米(0.005英寸)公差。


8. 文字和刻字


推荐字体大小为20(或更大),5毫米刻字




雕刻文字优选浮雕文字,因为去除的材料较少。建议使用大小至少为 20磅的无衬线字体(如 微软雅黑, Microsoft YaHei 或 Verdana)。许多CNC机器都有这些字体的预编程例程。


机器设置和零件方向


需要多次设置的零件示意图如下:




如前所述,刀具访问是CNC加工的主要设计限制之一。要到达模型的所有表面,必须多次旋转工件。


例如,上面图像的部分必须总共旋转三次:两次沿两个主方向加工孔,第三次进入零件背面。


每当工件旋转时,必须重新校准机器并定义新的坐标系。


在设计时考虑机器设置很重要,原因有两个:


机器设置的总数会影响成本。旋转和重新对齐零件需要手动操作,并增加总加工时间。如果零件需要旋转3-4次,这通常是可以接受的,但任何超过此限制的都是多余的。


为了获得最大的相对位置精度,必须在同一设置中加工两个特征。这是因为新的呼叫步骤引入了一个小的(但不可忽略的)错误。


五轴CNC加工


当使用5轴CNC加工时,可以消除对多台机器设置的需要。多轴CNC加工可以制造具有复杂几何形状的零件,因为它们提供2个额外的旋转轴。


五轴CNC加工允许刀具始终与切削表面相切。可以遵循更复杂和高效的刀具路径,从而使零件具有更好的表面光洁度和更低的加工时间。


当然,5轴CNC也有其局限性。基本刀具几何形状和刀具访问限制仍然适用(例如,无法加工具有内部几何形状的零件)。此外,使用此类系统的成本更高。


设计底切


底切是无法使用标准切削工具加工的特征,因为它们的某些表面无法从上方直接进入。


有两种主要类型的底切:T形槽和燕尾榫。底切可以是单面或双面,并使用专用工具进行加工。


T形槽切削刀具基本上由连接在垂直轴上的水平切削刀片制成。底切的宽度可以在3毫米和40毫米之间变化。建议对宽度使用标准尺寸(即整毫米增量或标准英寸分数),因为工具更可能已经可用。


对于燕尾榫刀具,角度是定义特征尺寸。45°和60°燕尾榫工具视为标准。


设计内壁有底切的零件时,请记住为工具添加足够的间隙。一个好的经验法则是在机加工壁和任何其他内壁之间增加至少等于底切深度4倍的空间。


对于标准刀具,切削直径与轴直径之间的典型比率为2:1,限制了切削深度。当需要非标准咬边时,机械车间通常会自行制造定制底切工具。这会增加交付周期和成本,因此应尽可能避免。


内壁上的 T 形槽(左)、燕尾槽底切(中)和单侧底切(右)


起草技术图纸


请注意,某些设计规范不能包含在STEP或IGES文件中。如果您的模型包含以下一项或多项,必须提供2D技术图纸:




螺纹孔或轴

有公差的尺寸

特定的表面光洁度要求

CNC机床操作员须知


经验法则


1. 设计可使用最大直径刀具加工的零件。


2. 添加大圆角(至少⅓ x型腔深度)至所有内部垂直角。


3. 将空腔的深度限制为其宽度的4倍。


4. 沿六个主要方向之一对齐设计的主要功能。如果不可能,可选择5轴CNC加工。


5. 当您的设计包括螺纹、公差、表面光洁度规格或机器操作员的其他注释时,请随图纸提交技术图纸。

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