CNC加工的降本设计--上

背景

看到CNC加工情形：堆积的废料、漫长的加工工时。作为工程师的您，想到的是什么？

CNC加工

沉迷于降本设计太久，以致于看到此情此景，钟工想到的画面是：

这得花多少MOOOOOOONEY啊！

这一根根废料都是一张张RMB买回来的，高速旋转的刀具一圈圈的旋转就是一张张RMB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。

哪些因素决定了CNC成本

决定CNC成本的因素包括：

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。

当我们清晰的知道CNC成本的决定因素后，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

内部圆角至少是1/3槽体深度

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。

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

降本设计#2--降低槽体深度

槽体深度不超过长度的4倍

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。

降本设计#3--避免薄壁

避免薄壁以缩短加工时间

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。

降本设计#4--降低螺纹深度

螺纹深度不超过3倍螺孔直径

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0.5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。

降本设计#5--设计标准尺寸的孔

计标准尺寸的孔

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。

降本设计#6--避免精密公差要求

仅仅在有需要时才标注公差

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。

降本设计#7--减少装夹次数

示例零件需要两次装夹

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。

降本设计#8--避免较大高宽比的小特征

避免较大高宽比

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。