CNC加工的16个降本设计技巧
▲CNC加工
沉迷于降本设计太久，以致于看到此情此景，我想到的画面是：
▲这得多烧钱啊！
这一片片废料都是一张张钱买回来的，高速旋转的刀具一圈圈的旋转就是一张张钱的支出。
不错！在众多的零件加工工艺中，CNC加工应当是最昂贵的工艺之一。
本篇文章将会介绍16个CNC加工的降本设计技巧。
1） 加工时间
加工时间越长，CNC成本越高。加工时间是CNC成本的主要驱动因素。
2）材料成本
坯料材料成本是CNC成本的重要组成部分。通过优化的设计以尽量使用标准化的坯料以及减少废料等可以降低材料成本。
3）安装时间
当批量较小时，几何模型的准备以及加工过程的规划严重影响CNC成本。这一部分成本是固定成本，可以通过大批量生产来分摊。
4） 其它设计因素
当CNC零件设计具有特殊要求时（例如精密公差要求和薄壁设计），需要使用特殊的刀具、更精密的质量管控、更低的加工速度、以及更复杂的加工步骤，这些都会严重影响CNC成本。
当我们清楚CNC成本动因后，就可以采取相应的降本设计手段来降低CNC成本。
降本设计#1--内部垂直直角处倒圆
所有的CNC刀具都有一个圆柱体外形，在加工槽体时会在槽体垂直的面与面连接处产生一个与外形大小一致圆角。
如果产品设计时，槽体垂直面连接处圆角过小则需要使用小的刀具，这意味着增加加工工时，因为小的刀具加工效率比不上大的刀具----这会导致加工时间和成本的增加。
▲内部圆角至少是1/3槽体深度
为降低成本：
+ 圆角大小至少是槽体深度的1/3，越大越好；
+ 所有圆角大小相同；这样整个加工可以使用同一刀具；
+ 在槽体根部，设计一个很小的圆角（0.5mm或1mm），或者不倒圆。
+ 理想的圆角大小应该稍微大于刀具的半径，这会减少加工时作用在刀具上的载荷，继而减少加工成本。例如，槽体深度为12mm，圆角设计为5mm或更大，加工时可以使用直径为8mm的刀具（半径为4mm），可以保证加工效率。
+ 如果因为设计要求不能倒圆，例如此处需要与另外一个方形零件配合，为了避免较小圆角，可以进行如下设计：
▲方形零件配合的圆角设计
槽体加工极大影响零件成本，这是因为大量的材料需要加工去除，这会使得加工时间大幅增加。
CNC刀具的加工深度都有一定的限制，槽体深度是刀具直径的2~3倍时，加工表现最好。例如，一个直径为12mm的铣刀能够加工槽体的安全深度最大为25mm。
当然，加工更深的槽体也是可能的，最大不超过4倍刀具直径，但这会增加成本，特别是当使用多轴数控机床加工时。
为降低成本：
+ 槽体深度不超过4倍的长度。
▲槽体深度不超过长度的4倍
除非特殊要求，应当避免薄壁设计，因为薄壁强度不够，同时加工成本高。
薄壁加工时容易变形甚至破裂，为了避免这种情况的发生，需要增加更复杂的加工路径，这会耗费更多的加工工时。薄壁更容易产生振动，高精度的加工薄壁是一个很大的挑战。
为降低成本：
+ 对于金属零件，墙的厚度至少是0.8mm，越厚越好。
+ 对于塑胶零件，墙的厚度至少是1.5mm，越厚越好。
+ 金属零件最小可以做到0.5mm，塑胶零件最小可以做到1mm，当然这是不推荐的；
当在零件边缘设计孔（包括通孔和螺丝孔）或槽时，常常会出现薄壁，需要确保遵循上述设计指南。
▲避免薄壁以缩短加工时间
不必要的螺纹深度会增加CNC加工成本，因为需要使用特殊的刀具。
请记住：螺纹深度过长（超过3倍孔直径）并不会增加连接强度。
为降低成本：
+ 螺纹深度最多可以做到螺孔直径的3倍。
+ 对于盲孔攻牙，最好在孔根部至少增加1/2孔螺径的额外长度。
▲螺纹深度不超过3倍螺孔直径
使用标准钻头，可以快速高精度的加工孔；对于非标准的孔，使用端铣刀会增加成本。
另外，孔的深度应该不超过其直径的4倍。深孔（最多超过直径10倍）可以被加工，但这会急剧增加成本，因为加工困难。
▲设计标准尺寸的孔
精密公差要求会增加成本，因为这会要求复杂的加工工序，增加加工时间，同时需要更多的检查。
定义零件尺寸公差时必须认真加以对待，避免任意尺寸都标注公差，只有在有需要时才标注公差，只有在万不得已时才标注精密公差。
如果在零件工程图中没有定义公差，那么零件就会按照标准公差进行加工（± 0.2mm或更宽松），对于多数的非关键尺寸已经足够，这会大幅降低加工成本。
对于那些内部特征来说，精密公差更难以保证。例如，在加工内部相交的孔或槽时，因为受力变形，很容易在边缘出现一些小的缺陷例如毛刺。
这些特征需要检测以及去毛刺工序，而且均只能通过人工进行，人工成本高，而且很耗时，从而成本高。
为降低成本：
+ 只有在万不得已时才定义精密公差。
+ 所有尺寸标注均通过同一基准标注。
+ 请记住：公差中的小数点很重要，它定义了精确的程度以及需要使用哪种测量工具。例如，两位小数点可以使用游标卡尺测量，三位小数点可以使用千分尺或者三坐标测量仪。为降低成本，尽量避免增加不必要的小数点位数。
+ 可以通过优化的产品设计，例如缩短尺寸链、使用定位特征等方式来避免精密公差要求，具体请参考《面向制造和装配的产品指南》一书第七章的内容。
▲仅仅在有需要时才标注公差
尽可能减少零件装夹次数，最好只需装夹一次。
例如，一个两侧具有盲孔的零件就需要两次装夹，一侧加工完成后再旋转重新装夹，才可以加工另一侧。
旋转或重新定位零件会增加加工成本，因为装夹动作一般是通过人工完成。另外，对于复杂零件结构，需要定制装夹治具，更进一步增加成本。特别复杂的零件结构可能需要多轴数控机床，再进一步增加成本，因为多轴数控机床的小时费率很高。
可以考虑把复杂零件结构分成多个零件进行CNC加工，然后再通过螺纹或焊接紧固成一体。
为降低成本：
+ 设计零件仅需装夹一次。
+ 如果不可能，把复杂零件分成多个零件，通过后续工艺紧固成一体。
▲示例零件需要两次装夹
在CNC加工时，一些具有较大高宽比的小特征容易发生振动，使得很难精确的加工。
为避免这种情况的方式，这些小的特征应当与一些较厚的壁连接或者通过一些加强筋来支撑。
为降低成本：
+ 避免设计高宽比超过4的特征。
+ 小特征与较厚的壁连接或者增加加强筋来支撑。
▲避免较大高宽比
零件表面上的文字和符号会大幅增加CNC成本，因为需要额外的加工工序和耗费更多的加工时间。
可以使用一些表面处理技术在CNC零件上添加文字和符号，例如丝印或喷漆，这是一种成本上更划算的方法。
为降低成本：
+ 去除所有零件表面上的文字和符号；
+ 如果文字和符号是必须的，选择凹进而不是凸起，因为后者需要去除更多的材料。
▲零件表面的文字和符号增加成本
材料的加工工艺性是指材料加工时的难易程度。
加工工艺性越好，零件更容易进行CNC加工，成本更低。
材料的加工工艺性取决于材料的物理属性。一般来说，材料越软、延展性越高，则越容易加工。
例如，黄铜C360就有最高的加工工艺性，可以进行高速加工；铝合金（铝6061和7075）也可以很容易的加工。
钢的加工工艺性很低，相对于铝合金，钢需要2倍以上的加工时间。当然，不同钢之间的加工工艺性不同，不锈钢304的加工工艺性指数为45%，而不锈钢303的指数为78%，后者更容易加工。
塑胶材料的加工工艺性能取决于其刚度和热性能。在CNC加工时，塑胶材料很容易在高温下溶化和变形。
POM是最容易CNC加工的材料，ABS次之；PEEK和尼龙是常见的很难加工的工程塑胶材料。
为降低成本：
+ 在可能的情况下，尽量选择加工工艺性好的材料。
原材料坯料价格是CNC成本的另一个关键因素。
下表显示了常见金属和塑胶原材料坯料的价格，坯料尺寸为150 x 150 x 25 mm。
原材料 | 坯料价格（数值仅用于对比） |
铝 6061 | ￥170 |
铝 7075 | ￥540 |
不锈钢 304 | ￥610 |
不锈钢 303 | ￥1000 |
黄铜 C360 | ￥1006 |
ABS | ￥115 |
尼龙 6 | ￥204 |
POM | ￥180 |
PEEK | ￥ 2000 |
铝6061显然是性价比很高的材料，不但坯料价格低，同时加工工艺性好，非常适用于制作原型。
不锈钢303和黄铜C360的加工工艺性也很好，加工效率高、时间短，但坯料价格很高，因此仅仅适用于大批量生产。通过批量效应，高的坯料价格被短的加工时间平衡。
塑胶材料，例如ABS、尼龙和POM的价格同铝6061的价格接近。然而，它们更难被加工，因此CNC成本更高。PEEK是一种非常昂贵的材料，仅仅在必要时才使用。
为降低成本：
+ 尽可能选取坯料价格低的材料，特别是在批量较小时。
坯料尺寸会影响CNC成本：为确保尺寸精度，零件的所有面的材料必须加工去除，这会大幅增加材料成本，特别是在批量较大时。
一般来说，坯料尺寸至少比零件大3mm。例如，一个零件的外形尺寸为30X30X30mm，那么可以选取尺寸为35X35X35mm的坯料；而外形尺寸为27X27X27mm，那么可以选取尺寸为30X30X30mm的坯料，这可以节省一部分材料材料成本。
为降低成本：
+ 坯料尺寸一般至少比零件尺寸大3mm。
+ 可以向供应商咨询标准坯料尺寸规格，尽量设计零件靠近坯料尺寸规格以减少材料浪费。
▲坯料尺寸一般比零件尺寸至少大3mm
表面处理可以改善CNC零件的外观和提高抵抗严酷环境的能力，但同时也增加成本。
如果CNC零件需要多种不同的表面处理，这会更进一步增加成本，因为这需要更多的工序，例如有些表面需要被遮蔽。
为降低成本：
+ 取消表面处理。
+ 避免多重表面处理。
▲避免多重表面处理
在CNC加工中，零件批量影响加工成本，这是因为在批量需求较少时，CNC加工的初始安装成本分摊到每一个零件上就比较高。当批量较大时，安装成本分摊到每一个零件上就比较小。
零件批量越多，CNC成本越低，这在零件批量很小时更为明显：即使是数量的少量增加就会大幅降低成本。
零件批量从1个增加到5个，零件成本降低50%以上。
为降低成本：
+ 大批量生产可降低成本，可以下一个较大数量的订单，而不是多个零散的订单。
▲大批量生产降低成本
轴向对称的零件可以使用车床或铣床加工，其机器小时费率远小于3轴或5轴加工中心。
为降低成本：
+ 尽量设计轴对称的零件。
正如在本文开头所说，CNC加工是一种昂贵的加工工艺。
因此，无论如何去降低成本，其成本始终较高。
在现代加工工艺日新月异的今天，应当去思考使用其它工艺代替CNC，而不是固化思维，上一代产品使用CNC加工，新一代产品就必须使用CNC加工。
▲3D打印
如下图所示，在批量较小时，3D打印成本低于CNC加工；批量较大时，成型工艺例如熔模铸造和注塑成型等，成本低于CNC加工。
下表显示了零件不同数量时的工艺选择：
零件数量 | <10 | 10~100 | 100~1000 | >1000 |
塑料 | 3D打印 | 3D打印 | CNC | 注塑成型 |
金属 | 3D打印 & CNC | CNC | CNC | 熔模铸造 或压铸 |
正如古诗所云 ：
天涯何处无芳草，下个工艺会更好。
在很多场合3D打印就比CNC加工更好:
3D打印可加工几何形状更为复杂的零件。
3D打印可以在24小时内提供样品。
数量很少时3D打印通常更便宜。
3D打印可加工CNC难以加工的材料例如超合金等。
为降低成本：
+ 使用其它工艺代替CNC。
注：对其它任何制造和紧固工艺也是如此，包括注塑成型、冲压成型、焊接和铆接等，在产品设计初期选择工艺时，默念古诗“天涯何处无芳草，下个工艺会更好”N遍，努力去寻找，一定会存在一个更好的工艺，只不过您当前不知道而已。
《面向成本的产品设计：降本设计之道》会有三章内容来介绍如何选取制造和紧固工艺。
降本设计是一项非常有挑战性的工作，目前国内工程师普遍缺乏这方面知识。我在最初几年的实际产品开发经历中，设计时也基本不考虑成本，片面认为“客户第一”、“客户至上”，工程师设计天职是满足客户需求，至于成本则交给制造部门。
这是对产品成本的错误认知：
1）产品成本在产品开发中具有非常高的地位
正如集成产品开发（IPD）所倡导的，产品开发是一项投资行为，如果因为产品成本过高不能给企业带来盈利、甚至亏损，即使客户对产品很满意，这样的产品开发完全是浪费企业资金资源和人力资源，不产生任何价值。在这种方式下，企业终将被淘汰。
2） 85%以上的产品成本是由产品设计决定的，剩下15%是由产品制造决定
如果在产品设计时不进行面向成本的产品设计，这必将注定产品最终生产时成本过高。从“中国制造”到“中国制造2025”的转变过程中，必须进行面向成本的产品设计。
进行面向成本的产品设计，企业和工程师必须首先改变思维方式，提高成本意识，当有一天工程师会为产品设计的每一个细节而“长夜漫漫、无心睡眠”时，例如：
+ 零件壁厚应该是4mm还是5mm？
+ 圆角应该设计为0.3mm还是0.5mm？
+ 重要尺寸公差应该是0.05mm还是0.1mm？
可以说工程师具有了初步的成本意识。
如果没有这样的成本意识，工程师并不是工程师，仅仅是一个会用Creo、UG或Solidworks的绘图员。
工程师如果不做改变，不去努力学习，只把自己定位为绘图员，那么永远也无法取得职业生涯的突破，在将来的有一天醒来发现自己的工作会被AI取代。
还有工程师认为成本是企业的事情，企业盈利不盈利与自己关系不大。
对此，我只能祝福在企业裁员的时候不会裁到您。
--全文完--
来源：降本设计
