【原创】CNC加工的降本设计--下：天涯何处无芳草，下个工艺会更好

重要的事情写在前面：

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。钟工在前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，钟工只能祝福在企业大规模裁员的时候不会裁到您。

降本设计#1~#8请参考如下链接：

CNC加工的降本设计--上

降本设计#9--去除零件表面的文字和符号

零件表面的文字和符号增加成本

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。

降本设计#10--考虑材料的加工工艺性

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。

降本设计#11--考虑原材料坯料价格

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。

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。

降本设计#12--考虑坯料尺寸

坯料尺寸一般比零件尺寸至少大3mm

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。

降本设计#13--避免多重表面处理

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。

 降本设计#14--大批量生产

大批量生产降低成本

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。

降本设计#15--设计轴向对称的零件

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。

降本设计#16--使用其它加工工艺替代CNC加工

3D打印

正如在上篇位置开头所说，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。

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：

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。