CNC 加工基础知识

CNC 加工是减材工艺。计算机数控系统读取程序，驱动伺服电机，使旋转的刀具或旋转的工件沿编程路径运动。刀具切入毛坯并去除材料，直到剩余形状与 CAD 模型一致。没有模具，也没有成型模，因此首件和第万件出自同一程序。

任何机床上都有三个运动参数重要。进给是刀具或工作台的推进速度，通常以 mm/min 计。转速是主轴旋转速度，以 rpm 计。切削深度是每次走刀去除的材料量。这三个值加上刀具几何形状，决定切屑负载和表面质量。进给推得太高，刀具会断。转速压得太低，材料会加工硬化，尤其是不锈钢和钛合金。

从图纸到零件的链条很短，但有硬性限制。CAD 文件变成 CAM 刀路，刀路变成 G 代码，G 代码在具有特定工作行程的特定机床上运行。如果零件超出该行程，任务就转到更大的机床或拆分为多道工序。这是首先要检查的事，而不是最后才检查。

• 1
  减材，而非增材材料被切走，因此内部特征需要刀具可达。
• 2
  同一程序，同一零件重复性来自代码，而非操作员技能。
• 3
  行程优先零件尺寸决定哪台机床能装下它。

3 轴铣床移动 X、Y 和 Z。刀具始终从一个方向接近，因此侧面或底面的任何特征都需要第二次装夹。两次装夹意味着两个基准，两个基准意味着公差叠加。对于三个面都有孔的支架，这种叠加可能在机床开始切削之前就吃掉公差预算。

4 轴铣床增加一个转台，通常绕 X 轴旋转。这样零件可以旋转而刀具保持不动，因此四个面上的特征可在一次装夹中加工。它适用于带平面的轴、带交叉孔的圆柱零件以及按 90° 分度的壳体特征。我们 4 轴铣床的转台为 Ø400 mm，这决定了实际可加工的零件尺寸。

5 轴机床增加两个旋转轴，因此刀具可相对零件倾斜。这不仅仅是为了够到五个面。倾斜让短而刚性的刀具能够到达深腔，而长 3 轴刀具只能以颤振方式到达。它还让刀具侧刃切削曲面，而不是点切削，从而改善表面质量并延长刀具寿命。十六台五轴联动加工中心承担我们的复杂加工任务。

车铣复合中心将车床主轴和铣削主轴集成在同一壳体内。原本需要车床、再铣床、再第二次车削的零件，通常可在一个循环内完成。这在液压接头、连接器和小型电机壳体中很常见，因为车削内孔与铣削法兰之间的同轴度很重要。

• 1
  3 轴平板、简单型腔、单面特征。
• 2
  4 轴轴类、交叉孔、四面分度。
• 3
  5 轴复杂轮廓、深腔、曲面。
• 4
  车铣复合混合车削内孔和铣削特征的零件。

公差是允许偏离名义尺寸的量。图纸标注 ±0.1 mm 是松的；±0.005 mm 是紧的。紧公差不是免费的。它需要能力足够的机床、稳定的装夹、温度控制和更多检测。在跨距 200 mm 的零件上，仅热膨胀就可能在上午和下午之间使尺寸移动几微米。这就是为什么我们只在需要的特征上保持 ±0.005 mm，而不是图纸上的每个尺寸。

表面质量以 Ra 衡量，即算术平均粗糙度。铝和钢的加工态表面质量通常在 Ra 1.6 至 3.2 μm 之间。更小的步距和锋利的刀具进行更精细切削，可达到 Ra 0.8–1.6 μm。要达到 Ra 0.2–0.8 μm，通常意味着用小刀具、较慢进给进行精加工走刀，或增加磨削、抛光等二次工序。只在关键处指定表面质量，因为每个面都统一标注 Ra 0.4 μm 会显著增加成本。

CNC 加工成本随机床时间增加。增加装夹、在长距离上指定紧公差、在大面积上要求精细表面质量，以及几何形状迫使使用小刀具和慢进给时，时间都会增加。窄于 3 mm 的深腔需要长而细的刀具，必须慢速运行以避免让刀。如果能加宽该型腔或减小其深度，零件会变便宜而不损失功能。

• 1
  按需给公差只对功能特征施加紧公差。
• 2
  按需给表面质量密封面和轴承面才值得精细 Ra。
• 3
  可达性驱动成本深而窄的特征需要小刀具和慢进给。

铝是机加工原型和许多量产件的默认选择。6061 和 6061-T6 切削快、公差稳定、阳极氧化效果好。7075 强度更高，用于航空航天支架，但耐腐蚀性较差、成本更高。2024 切削性能好，但焊接性差。5052 等软质牌号在进给和转速不当时容易粘刀。

不锈钢对进给和转速要求更严。303 和 304 常用；316 和 316L 耐腐蚀性更好，用于医疗和海洋环境。奥氏体不锈钢会加工硬化，钝刀轻切会在表面留下硬化层，影响下一刀。17-4PH（SUS630）是沉淀硬化牌号，用于高强度轴和阀件，在退火状态下加工，之后进行热处理。

1018 和 1045 钢加工直接。4130、4140 和 4340 是合金钢，用于轴、齿轮和结构件，韧性更高，切削速度更慢。钛合金，尤其是 TC4（Ti-6Al-4V），导热性低，热量集中在切削刃，刀具寿命短，需要更低转速、更多切削液和刚性装夹。Inconel 更难加工，只用于成本可接受的高温场合。

塑料的加工特性与金属不同。POM 和 ABS 切削干净。PEEK 高温下保持强度，但价格高且磨损刀具。碳纤维增强塑料磨损刀具快，产生的粉尘需要抽吸。亚克力（PMMA）如果刀具摩擦而非切削，会崩边或开裂，因此需要锋利刀具和轻切削。

• 1
  铝切削快、稳定、阳极氧化好。原型默认选择。
• 2
  不锈钢会加工硬化。需要锋利刀具和稳定进给。
• 3
  钛合金和 Inconel热量集中在刃口。低转速、刚性装夹。
• 4
  塑料注意崩边、熔化和刀具磨损。

为刀具设计，而不只为功能设计。圆角半径等于刀具半径，刀具可一次平滑走完转角。尖锐内角迫使使用更小刀具，必须降速并可能留下接刀痕。型腔底部圆角可降低应力集中，并允许更大刀具通过。小于 M2 的螺纹攻丝可靠性差，可考虑压入嵌件或改为通孔。

壁厚很重要。深腔下方的薄底在切削力下会变形，成品壁可能弯曲或表面振纹。一般规则：型腔较深时，铝件底部厚度至少 1 mm，钢件至少 1.5 mm。设计需要薄壁时，安排粗加工、必要时去应力暂停，再轻切削精加工。

检测形成闭环。来料检验原材料，加工中监控尺寸，出货前 100% 检验。报告可按需提供。首件时，对图纸关键特征出具尺寸报告，是确认批量前工艺稳定的最快方式。特征难以测量时请在图纸上注明，沟通比整批报废成本低。

• 1
  圆角半径匹配刀具尺寸避免小刀具慢切和接刀痕。
• 2
  底部保持足够厚度薄底在切削中会变形和振纹。
• 3
  标注关键尺寸检测聚焦关键位置。