14个经过验证的设计技巧可降低CNC加工成本

14个经过验证的设计技巧可降低CNC加工成本

在CNC加工中，设计决策可以显著影响制造成本。本文总结了14个经过验证的设计技巧，从内部边缘处理、型腔深度、壁厚到材料选择等多个方面，帮助读者优化设计，降低制造成本。

CNC加工成本的影响因素

CNC加工零件的报价主要由以下几个因素决定：

• 加工时间：零件加工时间越长，成本越高。加工时间通常是CNC的主要成本驱动因素，特别是对于简单的设计错误会损害规模经济的大规模生产。

• 启动成本：与计算机辅助设计（CAD）文件准备和流程规划相关，启动成本对于小批量产品来说非常重要。幸运的是，它们也是固定的。如果设计和表面光洁度适合成本缩放，您可以通过应用规模经济来降低单价。

• 其他制造成本：要定义严格的公差或设计具有CNC加工困难的特征（例如非常薄的壁）的零件，您可能需要特殊的工具、更严格的质量控制以及在较低加工速度下的更多加工步骤。这也会影响总制造时间和成本。

• 材料成本：散装材料的价格和材料加工的难易程度极大地影响了CNC的总体成本。在仔细考虑材料的同时优化设计可以降低成本。

通过了解驱动CNC加工成本的因素，我们可以优化设计以降低预算。

降低CNC加工成本的具体技巧

1. 在内部垂直边缘添加半径

所有CNC铣刀都具有圆柱形形状，并在切削型腔边缘时产生半径。使用直径较小的工具可以减小拐角半径。这需要以较低的速度进行多次通过，因为较小的工具不能像较大的工具在一次通过中那样快速地去除材料。这会增加加工时间和成本。

尽量降低成本：

• 添加至少为空腔深度三分之一的半径——越大越好。
• 对所有内部边缘使用相同的半径，无需更换工具。
• 在空腔的底部，使用较小的半径（0.5或1毫米）或根本不使用半径。

专业提示：如果您需要带有尖角的内部边缘（例如，当需要将矩形形状的零件放入型腔中时），不要减小内部边缘的半径，而是使用如下图所示的带有底切的形状。

2. 限制型腔深度

加工深腔会极大地影响CNC零件的成本，因为必须去除大量材料。这既费时又浪费。

CNC刀具的切削长度有限。它们通常在切割深度高达其直径两到三倍的型腔时效果最佳。例如，直径为12毫米的铣刀可以安全地切割深度达25毫米的型腔。可以切割更深的型腔（最多为刀具直径的四倍或更大），但这会增加成本，因为需要特殊的刀具或多轴CNC系统。

尽量降低成本：

• 将所有空腔的深度限制为其长度的四倍，即XY平面上的最大尺寸。
• 相应地调整内角半径。如果需要，请使用提示1中的建议。

3. 增加薄壁的厚度

除非重量是一个主要问题，否则制造厚实心型材，因为它们更稳定且加工成本更低。为避免在加工薄壁时发生变形或断裂，请在低切削深度下使用多次走刀。薄特征也很容易产生振动，因此精确加工它们具有挑战性，并且会大大增加加工时间。

尽量降低成本：

• 对于金属零件，设计厚度大于0.8毫米的壁——越厚越好。
• 对于塑料件，保持最小壁厚在1.5毫米以上。

专业提示：在非常靠近零件边缘放置孔（和螺纹）时，薄壁通常是一个问题。在设计CNC加工时要考虑到这一点。

4. 限制线程的长度

由于可能需要特殊工具，因此包括比必要长度更长的螺纹会增加CNC零件的成本。长度超过孔直径1.5倍的螺纹不会增强连接的强度。

为了最大限度地降低成本：

• 设计最大长度为孔直径三倍的螺纹。
• 对于盲孔中的螺纹，在孔的底部添加至少一半的无螺纹长度的直径。

5. 使用标准孔尺寸

孔可以使用标准钻头快速和高精度地进行数控加工。对于非标准尺寸，需要额外的加工步骤，这会增加成本。

如果可能，请使用通孔而不是盲孔，因为它们更容易加工。将孔的深度限制为其直径的四倍。可以制造更深的孔（最大直径的10倍），但它们可能会增加成本，因为它们需要更多的加工时间。

尽量降低成本：

• 设计直径为0.1毫米的孔，直径最大为10毫米。10毫米以上，增量为0.5毫米。
• 以英寸为单位进行设计时，请使用传统的英寸分数或参考分数英寸钻头尺寸表。

6. 仅在必要时指定公差

定义严格的公差会增加加工特征的成本，因此只能在绝对必要时进行。如果技术图纸上未定义特定公差，则使用标准公差（±0.125毫米或更好）加工零件。这对于大多数非关键功能来说已经足够了。

尽量降低成本：

• 仅在绝对必要时定义更严格的公差。
• 将单个基准（例如两条边的横截面）定义为所有具有公差的尺寸的参考。

专业提示：使用几何尺寸和公差（GD&T）在技术图纸中，以降低CNC加工的成本。GD&T包括平面度、直线度、圆度和真实位置等特征。它通常定义了一个较宽松的公差，尽管它需要先进的设计知识才能有效地应用。

7. 尽量减少机器设置的数量

设计可以在尽可能少的机器设置中加工的零件。理想情况下，只使用一种设置。例如，两侧都有盲孔的零件必须在两次装夹中加工，因为它需要旋转才能进入两侧。

旋转或重新定位零件会增加制造成本，因为它通常必须手动完成。此外，复杂的几何形状可能需要定制夹具，从而增加成本。特别复杂的几何形状可能需要多轴数控系统，也增加了成本。

考虑将零件分成多个几何形状，这些几何形状可以在单个设置中进行CNC加工，并且可以稍后用螺栓连接或焊接在一起。这也适用于口袋很深的零件。

尽量降低成本：

• 设计具有简单2.5D几何形状的零件，可在单个CNC机床设置中制造。
• 如果无法做到这一点，请将零件分成多个几何形状，以便以后组装。

8. 避免具有高纵横比的小特征

具有高宽高比的小特征容易产生振动，因此难以精确加工。

尽量降低成本：

• 宽高比小于四的设计特征。
• 在小特征周围添加支撑或将它们连接到墙壁以提高它们的刚度。

9. 删除所有文字和刻字

在CNC加工零件的表面添加文本会显着提高成本，因为它需要额外的加工步骤，这需要更多时间。丝印或喷漆等表面处理方法是在CNC加工零件表面添加文字的一种更具成本效益的方法。

尽量降低成本：

• 删除CNC加工零件上的所有文字和字母。
• 如果需要文字，请选择雕刻而不是浮雕。
• 使用至少20号无衬线字体（例如Arial或Verdana）。

10. 考虑材料的机械加工性

可加工性是指材料可以被切割的难易程度。可加工性越高，CNC加工材料的速度就越快，从而降低成本。可加工性取决于每种材料的物理特性。通常，金属合金越软、延展性越好，就越容易加工。

C360黄铜是具有最高可加工性的合金，可进行高速加工。铝合金（例如6061和7075）也可以很容易地加工，但需要稍低的速度。

不锈钢的可加工性比铝低10倍，加工时间至少要多一倍。不同的钢种具有不同的切削加工性。例如，304不锈钢具有机械加工性指标45%，而303不锈钢（一种化学成分非常相似的合金）的指数为78%，使其更易于加工。

塑料的可加工性主要取决于它们的热性能和刚度，因为它们在加工过程中容易熔化和弯曲。

POM（德林）是最容易加工的塑料，而ABS紧随其后。PEEK和尼龙6是比较难加工的常见工程塑料。

尽量降低成本：

• 如果您有选择，请选择可加工性更好的材料，尤其是对于较大的订单。

11. 考虑散装物料的价格

大宗材料的价格是另一个影响数控加工零件成本的因素。

下表总结了尺寸为6'' x 6'' x 1''（或大约150 x 150 x 25mm）的板材的CNC常用金属合金和塑料材料的价格。

来源：麦克马斯特

铝6061是迄今为止创建金属原型的最具成本效益的方法，因为它成本低且可加工性非常好。

可加工性更高的金属，例如不锈钢303和C360黄铜，成本更高，因此更适合大批量生产。在这种情况下，规模经济开始发挥作用，因为更高的材料成本被更短的加工时间所抵消。

在塑料方面，ABS、尼龙和POM（德林）的成本与铝6061大致相同。但它们更难加工，因此预计成本会更高。PEEK是一种非常昂贵的材料，只有在绝对必要时才应使用。

为了最大限度地降低成本：

• 选择批量价格低的材料，尤其是小批量订单。

12. 避免多次表面处理

表面处理改善了CNC加工零件的外观及其对恶劣环境的抵抗力，但它们也提高了成本。要求在同一零件上进行多个表面处理会进一步增加成本，因为它需要额外的步骤（例如，遮盖表面）。

尽量降低成本：

• 选择“加工后”的表面光洁度。
• 仅在绝对必要时才请求多个表面处理。

13. 占空白尺寸

坯料（即库存材料）的尺寸可能会影响总成本。根据经验，毛坯必须至少比端部大3毫米。为确保精度，必须从零件的所有边缘去除一些材料。

作为空白尺寸如何影响CNC定价的示例，请考虑设计一个具有30 x 30 x 30毫米包络的零件。这些尺寸需要使用更大的坯料，在这种情况下，通常是从35毫米厚的板材上切割下来的。但是，如果零件的封套为27 x 27 x 27毫米，则可以使用30毫米的片材，从而节省大量材料。

尽量降低成本：

• 设计尺寸比标准毛坯尺寸小3毫米的零件。

14. 利用规模经济

在CNC加工中，数量对单价影响很大。这是因为启动成本相对较高，而且当数量较少时，它们占成本的很大比例。但是，随着数量的增加，单位成本会降低。

在下图中，我们绘制了用不锈钢304加工的12种不同零件的平均单价。单价的下降几乎是指数级的，这意味着即使将数量从1个增加到5个也可以将单价降低一半。此外，大量订购（>1,000个零件）会使单价降低5到10倍。

尽量降低成本：

• 通过订购更多数量来利用规模经济。

降低CNC成本的最佳实践

总之，让您的CNC加工保持简单。

复杂性在CNC中的价格很高。需要特殊工具或夹具、多台机器设置或特殊材料的几何形状成本更高。

因此，为了降低成本，在您提交报价订单之前，请询问以下问题：

• 我的零件是否使用可加工性设计指南进行了优化？
• 我的模型中的所有功能都是绝对必要的吗？或者我可以在保留部件的全部功能的同时删除或简化吗？
• 我的设计是否可以分成多个部分，以便以后进行CNC加工和组装？
• 有没有办法修改我的设计以消除对多台机器设置或特殊工具的需求？
• 有没有更便宜或更容易加工的材料可以满足我的设计要求？

CNC加工的现在和未来

CNC加工的能力不断扩大。例如，CNC工具的最新进展使现代CNC系统能够在其整个长度上进行螺纹加工，并且任何直径的孔都可以通过使用插入式CNC工具和使用轮廓插补（即螺旋刀具路径）。

在本文中，我们重点介绍了具有普遍应用的通用可制造性设计技巧，无论使用何种CNC系统。将这些提示解释为可以帮助您更有效地设计零件的一般良好做法。