設計師必知:優化產品外觀降低 CNC 加工成本入門

CNC 銑削加工是重要的產品加工方式之一,本篇文章將透過簡單的圖文介紹 CNC 的加工方式,了解如何優化產品,同時降低成本,包含了圓角、倒角、設置、鑽孔到文字的加工建議,設計師看完後絕對能對 CNC 有更進一步的認識!

CNC 銑削加工

關於 CNC 銑床

CNC 是一種由電腦控制的銑削工具,透過刀具切削的方式將原料加工。先來看圖了解一下個部分的名稱:

主軸(Spindle)、刀具 (Tool or Cutter)、工件(Part)、虎鉗、夾具(Vise)、XYZ 運動軸(3 axes of motion)

cnc 銑床通常有 3 個軸向:X:左右、Y:前後、Z:上下。

通常師傅會將待加工的「工件(Part)」先以「夾具(Vise)」固定,再固定在 CNC 工作台上,機台上的「刀具(Tool、Cutter)」就能夠以三個軸向自由切削物料。雖然還有更先進的 4 軸、5 軸的加工機,但了解三軸銑床,是掌握製造工藝的第一步。

刀具(Tools)

CNC 加工領域中有許多類型的刀具,這裡介紹幾種基本的類型:

由左至右為平銑刀、牛鼻銑刀、球型銑刀、鑽頭。

平銑刀(Flat End Mill):或稱平底刀,是最常見的銑刀,可用於材料挖空和垂直壁的加工。

牛鼻銑刀(Bull Nose End Mill):或稱圓鼻刀,與平銑刀相似,但是轉角處的半徑較小,可提高刀具強度,適用於快速去除材料,或在工件上保留較小的底部半徑。

球形銑刀(Ball End Mill) :適合用於複雜的 3D 形狀,以及較大的底部半徑加工。

鑽頭(Drill):僅用於在零件上製作垂直孔。

低縱橫比刀具(Low Aspect End Mills

因為銑刀是懸臂,相同直徑的銑刀長度每增加 1 倍,「撓度(Deflection)」就會增加 8 倍,需要大幅降低加工時間才能保證工件的精度。因此加工時通常會希望選擇最短長度與最大直徑的刀具,即為低縱橫比刀具。

在下圖可以看到,兩個銑刀施加了相同的力,但右邊的銑刀的長度是它的兩倍,導致更大的撓度。

因此設計師在設計零件的時候,可考慮工件所需的銑刀長度,使用大直徑的短銑刀將縮短加工時間,自然也能讓零件的成本下降。

內圓角(Internal Fillets)

內圓角盡可能大,就可以使用大直徑的刀具,就有助於減少加工時間。根據經驗法則,R 應大於 H 的 1/3。因此一個 12 毫米深的凹槽,應使用至少 4 毫米的內圓角,當然也可以設計較小的內部圓角,但是零件成本也會相對增加。

圓角細節(Fillet Specifics)

依照自己所用的刀具尺寸,盡可能維持較大的內圓角半徑,這樣當刀具移動到角落時,就不會迅速增加其切削量,而導致刀具斷裂。因此如果使用的工具是直徑 10 mm 的銑刀(半徑 5 mm),零件角落的圓角就要比較大些,例如 6 mm。

狗骨型角(Dog Bone Corners)

如果接合的零件必須有一個方形角,則應使用狗骨型角。 保持圓角切割的直徑盡可能大。

特徵高度(Feature Height

加工特徵的高度應小於寬度的 4 倍。高瘦的外觀將在加工過程中劇烈振動,導致較差的公差和表面光滑度。

螺孔(Tapped Holes

通孔(thru hole)比盲孔 (blind hole) 更好加工,因為通孔可把切屑排出。但要注意攻牙的深度不要超過孔徑 3 倍,超過不但不會增加強度,反而難以製造和穿入緊密物件。

另外同一種攻牙器很難將螺紋攻到孔的最底部,需要技師更換。因此盲孔的深度需多延伸直徑的 0.5 倍,

通孔、盲孔

原料尺寸(Stock Size

設計師可跟供應商聯繫取得型錄,確保成品零件適用現成的原料尺寸。

為了讓夾具能夠抓住,材料下方需留出 3mm 的距離,並且至少多保留 1mm 的距離,才會有多餘可以空間加工,確保零件外觀良好且尺寸精確。

原料(Stock Size)、 成品(Finished Part)

倒角與去毛邊(Chamfer and Deburr

如果零件上需要銳利邊角,只需在電腦工程圖上標記為「斷邊」即可,技師將可以對該邊緣去毛邊。

當你確實需要特定尺寸時才需要倒角建模,若是使用 45 度倒角,就可以使用最常見的刀具,而且不同寬度的倒角都可以使用同一工具製作。

減少「架機」(Reduce Setups

每次將零件固定在夾具並定位時,稱為「架機」。減少架機次數就可減少加工時間,是減少成本最重要的關鍵之一。

由於三軸 CNC 所有刀具路徑都來自垂直方向,要加工側面就需要把工件從夾具取下翻面,需要人力且會花費一些時間,並且會帶來出錯的機會。

外圓角(Fillet External Corners

你可以在零件的所有外邊角都導小圓角,不會增加任何成本。這樣可以減少鋒利的邊緣,並消除容易損壞或刮擦其他零件的弱角。

用凸台增加平整度(Bosses for Tight Tolerance Areas

如果產品底面需要很高的平整度,建議設計面積較小的小凸台,這樣可以縮小需要低公差的面積,可以較輕鬆地調整零件以滿足所需的公差。

高平整度(High flatness)

鑽孔(Drilling

鑽頭深度應小於孔徑的 6 倍,否則需要特殊工具,或是需從工件的兩側鑽孔接合,不過接合處可能會有誤差。非必要別指定平底的孔,不但不容易加工,也需要特別的刀具。

紅色:平底孔(Flat Bottom)、綠色:兩邊接合可能會不準確

底邊圓角(Bottom Edge Fillets

在底部很深的情況下,要避免沿著凹槽底部導角,因為可能很難製造,如果需要的話,請選擇牛鼻銑刀的常見刀角半徑,可以讓技師在加工時有一定的靈活性。若不確定使用的刀具,則盡量加大圓角。

邊緣折角(Fillets for Edge Breaks

不要在零件的頂面邊緣倒圓角, 因為加工需要特別針對此圓角半徑的工具,或需要用球形銑刀緩慢處理曲面,可以的話改用較容易加工的 C 角,可降低成本。

邊緣鑽孔(Edge Drilling

盡量確保鑽頭的整個直徑在工件內,否則鑽孔可能會破裂,並且表面平滑度將變差。如果必要,可以先鑽孔,然後再削至孔的部分。

3D 曲面(3D Surfaces)

CNC 要切削複雜曲面,需要用較大的球形刀緩慢地來回處理,加工速度非常慢。

內凹轉角(Undercut)

通常很難加工且需要特殊刀具,或者將要重複架機達成。 如果絕對必要的話,內凹量要盡量少。

文字和字母(Text and Letters

盡量避免設計凸起的文字,以可用 V 型刀切削的內凹文字取代。要加工出凸起的文字需要切削周圍所有材料,而且文字通常有許多方形內角,需要非常小直徑的銑刀才能加工。

不良零件範例(Bad Part Example

以下為設計不佳的零件,它有 3 面造型,因此需要 3 次架機才能製成,另外它的內圓角(internal fillets)小,不容易加工速度也較慢,可能需要其他特殊工具協助。而所有邊角都導圓角,將需要 3D 曲面處理或專用工具來實現。

將不良零件優化( Redesigning A Bad Part into a Good Part

刪除所有頂面與底面圓角,再增加內圓角直徑,可以的話建議減少架機次數,將原本側面的孔洞變成可在第一次架機加工的插槽。

以上大致簡單介紹了 CNC 加工流程以及需要注意的地方,讓設計師了解適合的加工方式,並順利運用在自己所設計的產品上,更容易製造。不過,實際上 CNC 加工的成本還很大程度受到材料硬度、精度的影響,還是需要經過與工廠量產會議過後實際確認喔!

本文獲得 adambender 授權轉載編譯

更多 CNC 專家:利鴻國際揚恩科技麗澤模型


加點製造為產品開發的專業知識互助交流社群,專業的問答討論功能提供各種產品開發過程中的線上討論或專家諮詢,也可從開發所屬階段、品項、地區、使用的加工技術或材料等,透過特製篩選器,快速的搜尋由所有使用者推薦的優秀廠商

對「設計師必知:優化產品外觀降低 CNC 加工成本入門」的一則回應

Add yours

  1. 作為一個模具設計者與產品設計者來說,本身也才接觸加工.

    以台灣現況來說,設計師如果懂這些可以大加分.(甚麼都要會)

    但我同時也婉惜,這也是代工為導向的方針,也等於把設計師歸屬在製造優先的角色.
    以便在設計創作時可以將成本考量. 其實沒有對錯,到後來就會發現設計師都會這些以後,也不太需要機械結構或是工程師了.

發表迴響

在下方填入你的資料或按右方圖示以社群網站登入:

WordPress.com 標誌

您的留言將使用 WordPress.com 帳號。 登出 /  變更 )

Google photo

您的留言將使用 Google 帳號。 登出 /  變更 )

Twitter picture

您的留言將使用 Twitter 帳號。 登出 /  變更 )

Facebook照片

您的留言將使用 Facebook 帳號。 登出 /  變更 )

連結到 %s

在WordPress.com寫網誌.

向上 ↑