設計師必知:優化產品外觀降低 CNC 加工成本入門

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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

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最後修改日期: 28 12 月, 2020