数控设计指南

通用设计技巧

尽量避免使用薄墙：这里指的是长宽比方面的指导原则，而非具体的厚度限制。一般来说，墙体的垂直高度不应超过其厚度的三倍。

虽然通常需要薄壁结构，但这会给加工带来困难；

• 它们在切削过程中可能会振动，从而增加颤振。
• 它们可能会偏离切割位置，因此需要进行更多次更薄的切割才能保持尺寸精度。
• 当它们支撑设计中的其他元素时，这些元素就更容易出现错误和质量问题。

一般而言，金属墙体的最小标准厚度为 0.8 毫米，塑料墙体为 1.5 毫米。然而，这些并非绝对限制——如果墙体由多个面支撑，则可以安全地减小其厚度。

如果薄壁且支撑不足是设计上的必然要求，可以考虑用切割或二维加工的板材组件来代替机加工零件。

避免选择无法用数控机床加工的特征。

并非所有特征都适合数控加工。了解机床性能、刀具类型和零件夹紧装置可以避免添加无法编程/切割的特征。

CNC加工无法复制的一个典型例子是内部弧形通道。如果此类通道必不可少或无法避免，您可以考虑将零件分割成两部分来制作通道，或者使用金属3D打印技术打印该部件或整个组件，以实现其他方法无法实现的特征。

避免公差过小

根据所设计的加工工艺，采用通用公差可以实现最快的加工速度。如果需要更严格的公差，则应仔细考虑，并尽可能扩大到设计极限。

严格的公差会增加刀具消耗和加工时间，需要更多更精细的切削和更严格的检验。此外，过大的公差也会导致废品率上升，这些因素都会显著增加成本。

将功能精简到最基本的形式

减小曲率可能会导致外观不佳，但如果成本是主要考虑因素，那么简化设计是控制外观缺陷的有效方法，因为这可以减少加工时间。此外，美观性要求也可能迫使使用五轴加工，从而增加编程成本和加工时间。

一般来说，建议尽量减少机加工零件上的文字、字母和雕刻——这些特征应在必要时添加，但这会增加换刀成本并降低切削速度。

应避免使用凸起文字，而应使用凹陷文字，因为凹陷文字所需的材料去除量更少，工序也更少。如果需要小于 20 磅的字体，请使用无衬线字体并考虑其他雕刻工艺，因为这需要使用非常小的刀具。

考虑空腔的深度与宽度关系

加工腔深度超过刀具直径六倍即为过深。一般而言，加工腔深度应控制在刀具直径的四倍以内。

深孔特征会增加刀具卡住的风险，允许刀具过度偏转，降低精度，增加清除切屑的难度，并大大增加刀具断裂的风险。

钝化的刀具轴内刃，半径

切削刀具是圆柱形的，因此不垂直于刀具轴线的刃口无法保持锋利，尽管通过大量的额外加工可以使其锋利。为了减少刀具磨损/应力，一个好方法是使用半径至少为预期刀具半径1.2倍的内圆角。

除非万不得已，否则不建议使用较小的工具来加工较小的内角半径/圆角。一种避免这种情况的方法是，在问题区域进行少量倒角处理，使虚拟内角呈直角。

避免敲击过深

攻丝直径超过孔径三倍通常不利于强度，应避免。这样可以降低丝锥断裂的风险，避免造成昂贵的损失。盲孔攻丝时，最好留出一段未攻丝的孔段，以防止丝锥触底，无论是触底还是触底物都可能导致丝锥断裂。丝锥触底是导致其断裂的常见原因。

减少小型内部特征

通常情况下，不建议使用小于 2.5 毫米的刀具，因为这会导致无法加工尺寸小于或等于 2.5 毫米的内部特征。外部特征在某些方面可以比刀具更小——但请记住，小刀具需要浅切削，并且会显著增加加工时间。

尽量使用标准尺寸的孔。

尽可能采用毫米级的钻孔尺寸增量，并尽量减少零件上不同尺寸孔的数量。这样可以避免使用专用钻头/刀具（通常需要定制），并减少刀具垂直于切削方向的运动，从而降低加工速度。

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具体设计建议

一般公差

在设计零件时，请记住，默认情况下边缘会进行去毛刺处理——因此，如果您想要边缘锋利，请在图纸上加以说明。

假设一般公差如下：

您应根据设计要求，为各个特征和尺寸指定公差。请注意，更严格的公差要求会降低加工速度，并可能导致更多的换刀次数和更高的废品率。

特别是，孔基准和轴基准公差对于运动部件的功能至关重要，因此应按如下方式规定。

需要注意的是，由于塑料材料具有一定的柔韧性，因此在塑料加工中保持高精度公差要困难得多，除非所加工的塑料非常坚硬——例如Tufnol/Garolite这种可以实现高精度公差的塑料。此外，塑料坯料内部的应力往往会在加工过程中释放，从而导致零件出现严重的变形或精度误差。

材料选择

毛坯（或称材料坯料）是指用于切割零件的原材料。在设计多零件数控加工时，考虑供应商提供的毛坯尺寸是减少浪费的有效方法。零件的材料成本取决于毛坯成本，而非剩余材料的重量/体积。

在加工过程中留出余量是一种好的做法，这样就可以将毛坯的外表面全部加工掉，而不是依赖于精确的切削和外表面的匹配。

坯料的选择还必须考虑夹紧方法，以尽量减少生产过程中的设置更改次数。

材料的选择主要取决于设计，但加工难易程度等因素也会影响选择。例如，为了满足现有毛坯库存的要求而使用硬度较高或切削性能较差的材料，会对加工时间、表面光洁度和成本产生显著的负面影响。

塑料和易切削金属（如铝和黄铜）易于加工，这可以缩短加工时间，从而降低成本。而工具钢等硬质材料以及某些不锈钢等易发生加工硬化的材料，则必须使用较低的刀具转速和轴向进给速度进行加工，这会导致加工速度变慢，同时刀具磨损也会显著增加。

铝的切削速度通常是工具钢的 4 倍，是大多数不锈钢的 8 倍。

适用于数控加工的金属材料选项：

• 各种合金和硬度的铝
• 黄铜
• 青铜和船用青铜（镍铝青铜）
• 用于电火花腐蚀电极、接触器部件等的铜
• 不锈钢（奥氏体、马氏体、易切削）
• 各种硬度的工具钢/合金钢（从易切削钢到需要电火花加工的完全硬钢）
• 钛

适用于数控加工的塑料选项

• ABS
• Tufnol（纤维增强浇铸环氧树脂）
• POM（聚甲醛或聚甲醛®）)
• 尼龙
• PEEK
• PTFE
• Polycarbonate（聚碳酸酯）

局限性和表面

内部半径

数控切割会导致所有垂直内角的半径等于或大于切割刀具的半径。刀具本身要么是圆形的，要么是因为旋转而切割出圆形截面。产品和零部件设计必须考虑（或有效地利用）这一限制。

在设计阶段指定这些特征时，最好使用比预期加工该特征的刀具半径略大的半径。立铣刀在车削内角的同时能够持续铣削时效率最高。如果拐角半径与刀具半径相同，刀具将停止移动以改变方向，这容易导致拐角处出现颤纹，而这些颤纹在成品零件中难以修正。

刀具的最小半径通常为 0.5 毫米，但这类刀具既短又易碎。半径为 0.5 毫米的刀具最大切削深度为 1.5 毫米，这严重限制了它们在加工非常小、关键特征方面的应用。使用更大尺寸的刀具以及由此产生的更大内半径可以实现更快的加工速度。

地板圆角

在工件的立面与底面相交处，垂直方向的内半径与刀具直径（加上转角余量）相关。底面圆角应小于垂直方向的转角圆角，以便使用平面铣刀而无需复杂的多次加工。此类平面铣刀的转角半径通常很小，但也可以使用圆头铣刀。底面的圆角半径由刀尖半径决定，如果该圆角半径的公差较小且尺寸小于垂直方向的圆角，则可以提高切削速度。

咬边

倒扣有时是不可避免的，如果遵循某些注意事项，倒扣不会对加工时间或刀具更换造成太大影响。

• 倒扣尺寸应为标准尺寸（以毫米为单位），以避免需要定制工具。
• 底切深度没有实际限制，但较浅的底切更容易操作，也更不容易需要定制刀具。
• 确保所有面上的倒角都能被触及——考虑悬伸部分任何拐角的半径，它们必须为倒角刀具的轴留出间隙。
• 不要指定小于底切刀具半径的圆角半径。

Threads

在数控加工零件中，螺纹成形采用多种技术：普通切削丝锥、螺纹成形丝锥和螺纹铣刀。无论采用哪种方法，都应遵循以下规则：

• 使用适合该功能的最大、最粗的螺纹。较小的螺纹直径需要使用强度较低的刀具，这些刀具更容易断裂。
• 螺纹切割长度应限制在直径的 3 倍以内，如果可能的话，最好更小。
• 明确螺纹规格和深度时要格外小心，避免对加工直径产生误解。
• 规定盲孔中无螺纹孔的深度，以避免钻到底并允许切屑进入。

表面处理

数控机床加工商提供多种表面处理方式：

• 机械加工或工程加工的表面光洁度可以实现最大的实际进给速度，并且可以在单个零件的不同特征之间进行调整。
• 喷砂处理利用气流中的石榴石珠烧蚀工件表面，形成暗淡均匀的哑光效果——通常需要手工操作（除非是大批量生产，可以采用自动化）。为了保持高精度，需要进行遮蔽和孔洞堵塞，这会增加成本。
• 缎面和透明阳极氧化可在铝制零件上形成均匀的哑光或半光泽氧化表面——可以是彩色的，也可以是透明的。
• 硬质阳极氧化层比缎面阳极氧化层或透明阳极氧化层更厚，更耐磨/耐腐蚀。
• 粉末涂装是一种以粉末为基材，采用静电喷涂和热固化工艺的涂装工艺。它形成的涂层坚韧耐用，比溶剂型或环氧涂料更耐磨。