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终极CNC加工指南

在 12 分钟内了解您需要的CNC加工知识

什么是CNC机器?

CNC代表“计算机数字控制”,是指机器由控制器发出的一组命令进行控制。控制器发出的命令代码通常为坐标列表的形式,称为 G 代码。由此类代码控制的任何机器都可称为CNC机器,包括铣削机、车床甚至等离子切割机。在本文中,我们将重点介绍不同类型的CNC铣床和车床及其组合。CNC机器的移动可由它们的轴来定义,包括 X 轴、Y 轴和 Z 轴,比较先进的机器还包括 A 轴、B 轴和 C 轴。X 轴、Y 轴和 Z 轴表示主要的笛卡尔向量,A 轴、B 轴和 C 轴代表轴的旋转。CNC机器通常使用最多 5 个轴。下面列出了典型的CNC机器。

  • CNC车床 – 此种车床的工作方式是在车床的卡盘中旋转材料。然后工具在 2 个轴上移动,切割出圆柱形部件。CNC车床能够形成曲面,而手动车床则很难甚至不可能形成曲面。工具通常是不旋转的,但如果是动力工具,则也可移动。
  • CNC铣床 –CNC铣床通常用于制造平坦的部件,但比较复杂的机器具有更多的自由度,能够产生复杂的形状。材料是静止不动,主轴随着工具旋转,工具沿着 3 个轴方向移动以切割材料。某些情况下,主轴是静止的,而材料则会移动。
  • CNC钻孔 – 此种机器类似于CNC铣床,但它经过专门设计,只沿一个轴方向进行切割,也就是只沿 Z 轴向下钻入材料中,而从不沿 X 轴和 Y 轴方向切割。
  • CNC磨床 – 此种机器让打磨砂轮接触到材料中,产生高质量的表面。其设计目的是除去硬质金属上的少量材料;因而被用作一种表面处理操作。

减材制造

CNC机械加工通过减材制造来生产部件。此种加工基本上是将材料从实心坯上除去,最终形成需要的形状。它可通过我们上面提到的任何方法完成,例如铣削、车削、研磨或钻孔。增材制造则是相反的工艺,从无到有添加材料,最终形成部件,例如 3D 打印。

工装

工装执行所有切割工作。工具通常根据需要安装在工具架上,或者装载到主轴上。在制造完整部件的过程中,需要用到很多不同的工具,不存在任何万能通用的制造方法。下面列出了在典型机械加工中常用的工具。

铣削工具

立铣刀立铣刀是一种常见的工装,通常能够在 3 个方向上进行切割。它分为不同的样式,例如平头、圆角半径、球头和锥柄等;具有不同的刃数、螺旋角、基材和涂层材料。

面铣刀面铣刀可在很大的表面区域上进行切割,也就是正平面铣削。它的切割边缘通常是工具边缘上,铣齿通常为硬质合金刀片。

螺纹铣刀螺纹铣刀可产生螺纹,其工作方式是围绕轮轴以螺纹方式旋转,从而切割出螺纹形状。

切口铣刀使用此类铣刀可沿着部件长度方向形成 T 形槽。由于此种工具的几何形状,它必须从材料的开口端进入和退出。

车床工具

外径车削顾名思义,此种工装设计用于在部件的外径上进行切割。它可能是实心工装,可将部件加工为所需的形状,也可能是硬质合金刀片。

内径切槽和螺纹此类工具通常比较细,能够在钻孔后进入部件内部,在内径上进行切槽,或者在内部形成螺纹。

切断切断工具用于在其他所有操作完成之后切断部件,作为最终的操作。

钻孔用于在部件的纵向上钻孔,所钻的孔必须铰除或钻出,以达到最终的公差

工装材料

可按照工具本身的材质对工具类型作进一步细分。下面列出了常用的工装材质:

  • 高碳钢它是成本最低的机械加工工具,使用寿命不长。它会在大约 200℃ 温度下失去硬度。
  • 高速钢 (HSS) – 它比碳钢工具更加常用,因为它的使用寿命更长,在 600°C 温度下才会失去硬度,因而能够以更快的速度进行切割。
  • 硬质合金硬质合金工具比 HSS 的硬度更大,但刚性较低,如果操作不当,可能出现断裂。它可耐受高达 900℃ 的温度。
  • 陶瓷此类切割工具的硬度极大,通常仅用于在很高温度下切割硬质材料。它有两种常见的材料,也就是氮化铝和氮化硅。
  • 立方氮化硼此类工具非常适合淬火钢和高温合金,具有出色的耐摩擦性和热阻性。

CNC加工的优缺点

CNC加工已逐渐成为制造业的主流,因为它比使用手动操作的机器更加高效。下面列出了CNC机器的一些优缺点。

优点缺点
比人工操作更快机器成本昂贵
人工操作在速度和精度上无法与CNC机器相提并论。在大批量生产环境中,使用手动机器只会导致经济损失CNC机器是非常先进的设备,具有非常高的公差和刚性。它让用户能够制造数百万计的部件,并且保证高质量。但高质量也意味着高成本;而且机器越先进,成本也越高。
生产成本降低需要高技能操作人员
如果材料的装卸进一步实现自动化,CNC机器将能够不间断运行,而无需人员值守。另外,一名操作人员可操作多台机器,从而抵消较高的人力成本。虽然需要的操作人员数量较少,但CNC机器需要高技能操作人员,因而也会增加人力成本。
效率提高维护成本增加
CNC机器可在不到一秒时间内从一个操作切换到下一个操作。工具的更换可非常快速地完成,因为一些机器的转塔上预安装了很多工具,或者有工具库,可在需要时将新工具装载到主轴上。由于CNC机器的复杂性,其维护成本远高于手动机器。
安全性提升

CNC铣削和车削机器的类型

CCNC铣削机器

  • 立式加工中心(VMC) – 立式加工中心的主轴保持在同一个位置,车床在它下方移动。某些情况下,车床向上移动,与主轴接触,或者主轴可沿 Z 轴方向上下移动。此类机器的刚性很高,因而能够生产高精度的组件。它的缺点是工作区域相对较小。VMC 可能有 3 个轴(X、Y、Z)、4 个轴(X、Y、Z、A)甚至 5 个轴(X、Y、Z、A、B)。
  • 卧式加工中心(HMC) – HMC 机器的主轴为水平方向,而不是垂直方向。此类机器非常适合长期生产,因为只要有足够的工作量,它能够加工的部件数量达到 VMC 的 3 倍。HMC 的价格远比 VMC 昂贵。当另一个部件正在制造时,可将一块材料固定在机器的车床上。因此可实现连续生产,主轴能够轻松移动到准备就绪的下一块材料,迅速完成更换。

CNC车床

CNC车床能够在只有一个卡盘和两个轴的情况下进行加工。CNC车床分为以下几种类型:

  • 普通车床它基本上是一种标准车床,相对比较通用。它的英文名称中包含“Engine”一词,因为此类车床过去是通过安装在机器外的引擎的滑轮驱动。普通车床就是车床上有电机的车床。
  • 转塔车床转塔车床可显著加快生产速度,因为所有需要用到的工具在制造之前已经装载到转塔上。当需要新工具时,只需旋转到相应位置即可。
  • 工具室车床工具室车床用于高精度、小批量的作业。顾名思义,此类车床用于制作工具和模具。工具室车床的功能也非常通用。
  • 高速车床此类车床主要用于轻作业,它的结构非常简单,包括主轴箱、尾座和刀架。
  • CNC车削中心此类车床非常先进,提供一系列功能,包括铣削和转塔刀架,甚至还有第二条主轴。车削中心也分为立式和卧式。卧式车床让从部件落下的切屑进入切屑输送机,而立式车床则在部件卡入卡盘时,让重力帮助除去切屑。立式车床更容易实现自动化。至于哪种类型的车床更加适用,要视具体的应用而定。

材料

CNC机器能够处理多种材料,从铝到高温合金(例如铬镍铁合金)。每种材料都有自身的一系列挑战,需要特定的工装、速度和进给方式。

由于铝是一种非常柔软的金属,因而存在粘在切割工具上的风险。鉴于铝的熔点低,对铝进行适当的回火以提高硬度,能构改善它的可加工性。

碳钢

由于钢材分为很多等级,因而很多因素都会影响材料的整体可加工性,比如冷作、化学成分、显微组织等因素。一般来说,由于润滑作用,铅和锡等元素能够提高切割速度,硫可减少切屑的应变硬化。

钛有很多合金类型,每种合金都面临着自身的挑战。理想情况下,工具必须与材料不断发生作用,因为停留在某个区域将会导致摩擦、热量聚积、加工硬化和工具磨损。纯钛的特性类似于铝,也会粘上切割工具,但它的合金通常硬度更大,可能导致热量聚积和工具磨损。低转速和高切屑载荷可延长工具使用寿命,因为能让温度得以降低。

高温合金

高温合金在高温下具有很高的强度,因而很难进行加工。要对此类材料进行加工,必须有性能更强大的机器。高温合金会很快发生加工硬化,使得随后的加工更加困难。通常建议保持较低切割速度。

众所周知,铜是一种非常难加工的材料,因为它具有展延性,经常会卷在工具四周,而无法切割。它主要用于需要高导电性和高传热系数的电力组件和热交换器组件。对于纯铜,通常可采用高速进给。与纯铜相比,铜合金的加工容易得多。

塑料

塑料分为数千种,从热固性塑料到普通热塑性塑料等。塑料的硬度和机械特性也是千差万别。只有刚性塑料可很好地进行加工,保持在公差范围内,而软质塑料在通过切割工具时经常发生变形,导致部件的外形尺寸不符合规格。由于塑料是一种绝缘体,因而热量经常在切割边缘聚积,如果不小心,塑料将会熔化。

可能出现什么问题?

虽然CNC机器实现的用途和功能非常多,但也存在一些风险。下面列出了在CNC加工中经常出现的一些错误。

CNC系统崩溃CNC机器是不会自主思考的;它只会依照人的指令进行操作。如果编程不正确,机器可能在一毫秒时间内让切割工具切割到自身。机器通常会检测到系统崩溃,并且停止运行,但此时可能已经造成损害。有多种软件工具可帮助降低此类风险。在将代码上传到机器之前,可对工具操作路径进行仿真模拟。使用标准的计算机辅助制造 (CAM) 软件,很难模拟比较复杂的 5 轴机器,在 CAM 代码编写和将代码上传到机器之间的环节,需要使用其他的软件。

不当的速度和进给速度和进给对于生产高质量加工组件至关重要。如果使用错误的设置,将会加快工具磨损,导致表面处理和公差达不到标准。速度和进给的正确设置是一个复杂的主题,因为每种材料及其合金都需要不同的设置,才能达到理想的切割效果。要达到合理设置,通常需要经过几次尝试。

缺少维护与任何复杂机器一样,缺少维护会导致CNC机器很快损坏。机器必须保持清洁,且严格遵守 OEM 维护计划。

使用CNC技术的主要行业

凡涉及组件生产的任何行业都会受到CNC加工的直接或间接影响。下面列出了使用CNC加工的一些主要行业。

航空航天航空航天需要具有很高精度和可重复性的组件,包括引擎中的涡轮叶片,用于制作其他组件的工装,甚至火箭引擎中使用的燃烧室。

汽车和机器制造汽车行业需要制造高精度的模具,用于铸造部件(例如发动机座)或加工高公差部件(例如活塞)。龙门式机器可铸造粘土模块,在汽车的设计阶段中使用。

军工军工行业使用公差要求严格的高精度组件,包括导弹组件、枪筒等。军工行业的所有加工部件都能从CNC机器的精度和速度中受益。

医疗医疗植入装置通常设计为适合人体器官的形状,必须采用高级合金制造。由于没有手动机器能够生成此类形状,因此CNC机器成为必需品。

能源能源行业涵盖所有工程领域,从蒸汽涡轮到核聚变等尖端技术。蒸汽涡轮需要高精度的涡轮叶片,用以维持涡轮中的平衡,核聚变中的 R&D 等离子体抑制空腔的形状非常复杂,采用先进材料制造,需要CNC机器的支持。

随着近年的科技发展步伐加快,我们感觉增材制造将成为CNC加工的主流,但更可能出现的情况是越来越多的新兴制造中心将多种技术组合到一台机器上,从而充分利用减材和增材制造机器的优势,开发出功能强于两者之和的机器。目前已经出现了此类机器的早期应用。

此外,通过第四次工业革命,自动化取得了极大进步,将开发出自动化程度更高的系统,能够进行自我诊断和自化优化,很少需要人工干预。将来,产品有望按照消费者的个人要求进行制造,而CNC机器凭借出色的灵活性,能够让此愿景变为现实。