数控加工简介

CNC 被称为计算机数控加工，是一种广泛使用的预编程制造工艺，可指导工厂设备的技术和方法。从数控磨削、车床加工到数控刳刨等多种复杂工序都首选这种加工方式。事实上，数控加工可以毫不费力地进行三维切割。

最重要的是，数控加工与手工操作不同，手工操作需要人力通过轮子、杠杆和按钮发出指令。对于普通人来说，这种计算机数控加工可能看起来像普通设备，但软件控制台和程序却使其适用于数控目的。

什么是 CNC 加工？

数控系统根据二进制命令和图形指令进行操作，这些命令和指令被下放到相应的机械和工具上。与机器人一样，该系统也能高效地完成多维任务，从而生产出精确而实用的产品。

尽管在多维任务中会出现错误，但对于代码生成器来说，数值系统往往仍是完美无瑕的--这一切都归功于控制系统的布置。

数控机床使用打孔卡来获取指令，而数控机床则需要小键盘来输入信息。数据保存在存储卡中，而代码则由数控程序员输入或编辑。制造商必须确保数控机床具有强大的计算能力，数控程序员可以访问所有数据，并根据要求进行修改。(林奇，2022 年）

数控加工的历史背景

数控机床的发明深深植根于 NC（数控）机床的理念。1949 年，约翰-T-帕森斯设计了一种数控机床，用于直接在打孔卡上工作，以实现更好的运动。

帕森斯的数控机床为 1952 年提出数控加工概念的研究团队奠定了基础。在 J.F. Reintjes 的带领下，这个来自麻省理工学院（MIT）的团队设计出了第一台数控机床原型。后来，他们与理查德-克雷格（Richard Kregg）合作，在市场上推出了第一台商用数控机床。他们被命名为辛辛那提 Milacron Hydrotel，成为第一家计算机数控机床制造商。

数控机床的设计初衷是在不产生巨额成本的情况下制造形状复杂、精确且可重复的零件。制造商可以自由开发传统铣削加工无法实现的任何复杂形状。事实上，非线性曲线的加工精度可超过 90%。

数控机床的类型

自 1940 年发明以来，计算机数控机床取得了长足的进步。技术的进步用数字控制取代了模拟控制，从而带来了更好的性能、效率和批量生产。

如今，大多数数控机床都已实现自动化，并在多种电子操作（尤其是打孔、激光切割和超声波焊接）中证明了其完美性。制造商只需根据生产要求选择合适的数控加工类型即可。

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数控铣床

计算机数控铣床 这些设备能够读取数字或字母指令，在多台机器上加工工件。常用的语言是 G 代码，也可能是制造团队创建的独特媒介。基本的数控铣床可以轻松读取三维图像，即 X、Y 和 Z，但如果生产需要多维机器，市场上也有一些先进的铣床。

车床

对于圆形产品而言，没有哪台机器能像它一样高效地工作。 数控车床 可转位刀具。在加工对速度和精度要求极高的复杂设计时，数控车床的能力已得到验证。不过，数控车床的控制系统与数控铣床类似，因此制造商可以随时轻松升级到数控车床（从数控铣床升级到数控车床）。事实上，数控车床也使用 G 代码或独特的专有命令，但使用的是两个轴，即 X 轴和 Z 轴。

等离子切割机

这些切割机是处理金属材料的理想选择，因为等离子割炬能产生足够的能量和速度来切割金属。等离子切割机是电弧和压缩空气的结合，可以完成许多繁重的任务。

放电加工机

放电加工机 电火花成形加工又称火花加工和沉模加工。电火花加工利用电火花将原材料加工成所需形状。当两个电极碰撞并产生电流时，材料就会被切割成所需的工件。事实上，制造商可以很容易地增加或减少两个电极之间的距离，以分别加强或减弱电场。

喷水切割机

与放电加工机和等离子切割机一样，水射流切割机也可以完成高难度的切割工作，尤其是金属和花岗岩切割。区别在于其切割剂--顾名思义，水刀切割机采用水作为切割剂，然后与沙子或任何磨料结合，以获得更好的性能。水射流切割机对于矿业和航空航天业等不耐高温的材料尤为重要。需要用水射流切割机对材料进行雕刻和切割，使其固有特性不会发生任何变化。

数控加工系统的类型

数控加工使用 G 代码语言，其主要目的是最大限度地实现相应机器的行为控制，如进给速度、协调性和速度。

实际上，通过软件对数控机床的位置和速度进行重复循环的预先编程是非常容易的，只需最少的人工监督。制造商只需绘制二维或三维 CAD 图，并将其转换为计算机代码，使数控系统能够读取。

这种加工方式尤其适用于塑料和金属制造。只需根据以下细节选择正确的数控编程即可：

开环或闭环加工系统

通过开环或闭环系统确保位置控制非常重要。在开环系统中，信号是单向流动的，即在电机和 CNC 控制器之间流动，而在闭环系统中，很容易接收到来自任何方向的反馈。这种效率使制造商和加工系统能够轻松地尽可能减少误差，尤其是定位和速度方面的误差。

在这里，值得一提的是，操作是在两个轴上进行的，即 X 轴和 Y 轴。在功能上，工具采用伺服电机或步进电机来复制 G 代码指示的运动。对于速度和力都很小的有限数控机床运动，开环系统是理想的选择，而闭环系统则非常适合工业用途。闭环系统可确保更高的精度、速度和一致性，以处理金属加工等重型工作。

自动化 CNC 加工

新兴技术使得通过预编程软件最大限度地提高产量成为可能。如今，制造商不需要招募大量劳动力来进行操作。数控协议使制造商能够通过 CAD 设计启动自动化生产。通过 CAD 或先进的计算机辅助设计软件输入的这些图表上清楚地标明了尺寸。然后，在 CAM 或计算机辅助制造软件的帮助下，这些图表被有效地转换成成品。

有时，生产过程中可能需要使用切割机或钻孔机等机床，以避免产品质量受到任何影响。制造商既可以使用具有多种数控加工功能的设备，也可以安装多台机床和机械手来进行操作。为此，需要一个单独的程序来指挥机器人将工件从一个地方转移到另一个地方。

不同的数控加工工艺

根据不同的工业要求，数控机床制造商发现了多种数控加工工艺，这些工艺以不同的方式高效工作。让我们来看看其中的一些：

数控车削

数控车床用于数控车削，将塑料和金属成型为所需的尺寸和形状。这些车床在生产坚固的数控车削零件方面效果显著，可为医疗设备、汽车、电子、航空航天等行业提供高精度零件。

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数控铣床

数控铣削是指将大块金属或塑料切割成具有不同几何形状的小块的过程。这种减法工艺使用 3 轴、4 轴和 5 轴机床生产公差为 0.01 毫米的零件。制造商只需记住一条规则--轴数越多，切割角度和复杂零件的能力就越强。从原型设计到定制产品，他们必须选择合适的数控铣床来生产高质量、高精度的产品。

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线切割和放电加工

这种数控切割工艺使用钼丝、铜丝或石墨丝来获得所需的尖角、凹槽，甚至去除工件上的废料。事实上，电火花加工被广泛用于快速模具和成型。电火花加工可进一步分为以下几类：

• 粗剪（第一遍）： Rough Cut EDM 以加工粗糙表面以实现特定设计而著称，其公差为 0.002 (+/-)。第一道加工的精度为 90%，其公差水平非常适合满足表面精加工的要求。
• 精剪（第二道）： 为了获得更好的效果，精加工切割作为第二步工序出现，公差可达 0.0005 (+/-)。表面光洁度也有望达到 72 µin，其差异肉眼难以分辨。
• 细粒度细节（第三遍）： 这种方法非常适合于航空航天和医疗设备零件等敏感应用领域，实现最精细的光洁度和精致的线切割。这种三步工艺可帮助制造商将光洁度降低到 35 µin 以制造出卓越的产品。

数控磨削

在加工平面或圆形工件时，数控磨削是最佳选择。此外，根据生产需求，此类产品的公差为 0.005 毫米（+/-）。

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瑞士机械加工

对于复杂或薄型零件，制造商必须选择瑞士加工，因为其切削效率高。该工艺可以轻松地在狭窄空间和夹具附近切割材料，防止变形。

瑞士机械加工公司可以处理塑料和金属材料从原型设计到批量生产的整个过程。所开发的产品可在更长的时间内实现预期的功能。

数控刳刨

数控镂铣可加工 EVA、EPS 泡沫、甚至木材等软质材料以及一些金属或塑料部件。这些机器可以加工出公差小、边缘锋利的产品。

数控加工中的多轴

工业化给数控加工技术、方法和流程带来了巨大变化。多轴数控加工技术的应用简化了复杂形状、复杂特征和惊人制造精度的制造过程。

这种现代化的加工系统被称为多轴数控加工，可以让制造商通过最简单的步骤加工出复杂的形状。

与传统的 X 轴、Y 轴和 Z 轴加工不同，这种多轴加工概念将更多的轴放在工件或刀具上，从而实现多轴运动。它使制造商能够做出简单加工技术无法实现的现代时尚设计。

根据应用领域的不同，人们将多轴数控加工分为以下几类：

3 轴数控加工

三轴加工是围绕三个机构进行的典型加工过程。首先是上下旋转，然后是侧面移动和前后移动。

三轴加工侧重于三个 X、Y 和 Z 轴，它们根据经典的切割原理切割出均匀的工件。但是，它无法加工难以触及的部分，而且机器必须对单个工件进行多次加工，最终降低了生产率和效率。

4 轴数控加工

考虑到三轴加工的局限性，四轴和五轴加工可以很好地替代三轴加工。

虽然四轴数控加工遵循相同的机制，但它涉及一个额外的轴，使工作变得更容易一些。工作时，主轴在前后、左右和上下三个轴上移动，同时保持工件静止不动。

在四轴加工中，主轴沿 A 轴（或 X 轴）移动，以处理切口或钻孔等情况。这一额外的轴还能提高生产的精度和效率。

5 轴数控加工

该版本的三轴数控机床增加了 2 个轴，可提供令人难以置信的性能和满意度。

在五轴加工系统中，切削工具和主轴在三个轴上工作，而 Z 轴（也称为 C 轴）、Y 轴（B 轴）和 X 轴（A 轴）则可进一步旋转。系统可根据需要利用任意两个旋转轴。

五轴加工又分为以下几种：

3 + 2 轴数控加工

3 + 2 轴加工被称为五轴加工的子类型，介于五轴加工和三轴加工之间，是一种高效、有益的加工方法。有时，它也被称为定位五轴加工。

3+2 轴加工的最大优点是不会随着工作台或主轴的旋转而改变刀具的位置。因此，切削工具不会进行完美切削，有助于获得复杂和不规则的形状。

4 + 1 轴数控加工

在这种五轴加工配置中，固定轴处于工作状态，即一个轴将基板固定在一个位置上。4+1 轴是最简单的五轴加工形式，因为它采用 1 个旋转轴和 3 个平移轴。

值得一提的是，由于运动的稳定性，制造商无法轻易确定表面角度。这种依赖表面的加工方式降低了速度和效率，因此在圆柱形加工中的应用有限。

5 轴同步数控加工

在这种依赖表面的加工系统中，切削工具被置于基体之上，使切削工具能够沿 3 个主轴移动。另一方面，工件也可沿 3 个旋转轴旋转，从而使铣削或切割工具能够切割难以触及的区域。

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数控加工中使用的材料

数控加工业已成为展示创造力和创新能力的多功能领域之一。它允许制造商加工 150 多种塑料和金属，以满足客户的要求。

材料	说明
铜	铜具有优异的导电性、导热性和可塑性。事实上，铜具有耐腐蚀性、延展性和易焊接性。
铝质	铝具有令人难以置信的强度重量比，是一种延展性很好的金属。制造商可以选择任何类型的作品。
不锈钢	由于碳含量低，不锈钢是工业应用的理想材料。此外，它还含有 10% 铬。
塑料	由于其价格低廉、加工速度快、选择范围广，数控制造商可以用塑料生产出种类繁多的产品。
钛	钛以其抗腐蚀、耐极端温度和化学反应的能力而著称。其中的奥秘在于其惊人的强度重量比。
黄铜	黄铜具有低摩擦性、金黄色外观和导电性等特点。

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为什么选择 CNC 加工？主要优势

与传统加工方法相比，数控精密加工的成本可能要高一些。不过，从长远来看，该工艺所带来的好处绝对使其值得大量投资。

高精度

严格的公差直接表明，精密加工的最终产品将是高精度的。精密加工通常是针对需要与其他零件相互配合的零件进行的。因此，高精度对于这些特定零件在后期完美运行至关重要。

高重复性

可重复性的概念是现代制造业的重要基石之一。在最终用户看来，通过特定工艺制造的每个零件都与其他零件相似。任何与这一复制品的偏差通常都会被视为缺陷。在这方面，精密加工具有很大的吸引力。通过使用高精度数控加工，可以使每个零件与原件完全相同，偏差可以忽略不计。

生产成本低

由于精密加工不会出现偏差，因此生产出的次品较少。因此，该工艺可大大降低零件的废品率。因此，材料成本较低。此外，自动化计算机辅助制造工艺还能降低劳动力成本。人工成本和材料成本的综合降低意味着数控加工的生产成本低于任何其他替代方案。

速度与效率

精密加工采用高速机器人技术，比传统车床的手工制造速度更快。此外，这些零件的加工精度高、公差小，因此无需进行二次加工。这就缩短了生产时间，提高了车间的生产力和效率。

复杂加工能力

数控机床可以执行复杂的加工操作，如三维曲面铣削、螺旋切削和多轴联动加工。它们可以根据预先编写的程序精确控制刀具和工件的运动，从而实现复杂形状和结构的加工。

安全

数控机床用计算机数控取代了人力，消除了切割过程中人为失误的风险因素，大大降低了工人在使用机器时可能面临的危险。工人还可以转到技能密集型岗位，如数控设计操作。

减少人为错误

由于数控机床的操作由计算机控制，因此减少了人为因素对加工质量的影响。疲劳、不一致的操作和判断等人为错误往往会导致加工效果不佳。使用数控机床可以减少这些错误，提高加工的一致性和准确性。

高度灵活性

通过更改预先编写的程序，数控机床可以适应不同的加工需求。这种灵活性允许在同一台机器上加工许多不同的零件，而无需大量更换或调整设备。

数控加工的应用

应用如此广泛的数控加工可以加工哪些类型的零件？其主要工件分为五类：箱型零件、复杂表面、不规则形状零件、盘/套/板零件和特殊加工操作。

1.盒式部件

箱形部件一般是指具有多孔系统、内腔和规定长宽高比例的部件。

这些零件广泛应用于机床、汽车、飞机制造和其他行业。它们需要对孔系统和平面进行多工位加工，公差要求高，特别是几何尺寸和公差（GD&T）要求严格。

当加工工位较多时，或当加工台需要多次旋转才能完成零件的角度加工时，一般选择卧式镗铣加工中心。

当需要加工的工位较少且跨度不大时，可选择立式加工中心（VMC）从一端开始加工。

2.复杂表面

复杂表面在机械制造业，尤其是航空航天工业中占有特别重要的地位。

值得注意的是，复杂的表面很难用普通的加工方法完成，甚至根本无法完成。传统的方法是使用精密铸造，其精度之低可想而知。

常见的复杂表面部件有各种叶轮、风力涡轮机、球形表面、曲面成型模具、螺旋桨和推进器，以及其他一些自由曲面。

主要亚型：

凸轮和凸轮机构

作为机械信息存储和传输的基本元件，凸轮和凸轮机构被广泛应用于各种自动化机械中。在加工此类零件时，人们可以根据复杂程度选择三轴、四轴或五轴联动加工中心。

整体叶轮

整体叶轮等零件通常用于航空发动机的压缩机、制氧设备的膨胀机、单螺杆空气压缩机等。此类型材的加工只能由四轴或更多轴联动的加工中心完成。对于这样的型材，可以使用四轴以上联动的加工中心来完成。

模具

模具，如注塑模具、橡胶模具、真空发泡模具、压铸模具等。

球形表面

球形表面可以在加工中心上铣削。三轴铣削仅限于使用球头立铣刀进行低效的近似加工，而五轴铣削可使用平面立铣刀进行高效的包络加工，以接近球形轮廓。

使用加工中心加工复杂表面时，编程工作量很大，大多数都需要自动编程技术。

03.不规则形状的组件

不规则形状零件是指形状不规则的零件，其中大部分需要点、线和面的混合加工。

这些零件一般刚性较差。在装夹过程中容易变形，难以控制，加工精度难以保证。即使在某些特殊情况下，用普通机床也很难完成零件的加工。

使用加工中心加工不规则形状的部件时，应采用合理的工艺措施。例如，利用加工中心的单/双设置优化流程，以充分利用其多操作混合功能。

04.圆盘/套筒/平板部件

盘类、套筒类和板类零件是指具有键槽、径向孔或端面分布孔型和曲面的盘类/套筒类或轴类零件。例如，带法兰的轴套、带键槽或方形端面的轴，以及需要大量孔加工的板式零件，如各种电机盖。带有端面孔型和曲面的盘类零件建议使用立式加工中心，而带有径向孔的零件可使用卧式加工中心。

05.特殊处理

在掌握了加工中心的功能后，操作员可以利用适当的夹具和专用工具执行特殊加工，例如在金属表面雕刻文字、线条或图案。

通过在加工中心主轴上配备高频放电加工电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火。

加工中心配备高速磨头，可磨削小型渐开线锥齿轮以及各种曲线和曲面。

数控加工标准和公差

要获得精密加工服务，就必须了解数控加工标准及其公差的重要性。工件的线性和角度测量采用 ISO 2768-1，表面粗糙度则采用 ISO 2768-2。制造商只需确定所需的公差，即可获得可靠、准确的结果。

下面是数控加工公差表，描述了加工过程中的尺寸变化。它能让工程师和机械师清楚地了解表面光洁度、几何特征和尺寸等参数的可接受范围 ^[1].

线性尺寸范围（毫米）	F（罚款）	M（中型）	C（粗）	V（非常粗糙）
0.5 至 3	+/- 0.05	+/- 0.1	+/- 0.2	–
3 岁以上至 6 岁	+/- 0.05	+/- 0.1	+/- 0.3	+/- 0.5
6 岁以上至 30 岁	+/- 0.1	+/- 0.2	+/- 0.5	+ 1.0
30 个以上至 120 个	+/- 0.15	+/- 0.3	+ 0.8	+ 1.5
120 个以上至 400 个	+ 0.2	+ 0.5	+ 1.2	+ 2.5
超过 400 个，最高达 1000 个	–	+ 0.8	+ 2.0	+ 4.0
超过 1000 至 2000	+ 0.5	+ 1.2	+ 3.0	+ 6.0
2000 多人至 4000 多人	–	+ 2.0	+ 4.0	+ 8.0

单方面宽容

顾名思义，单边公差只允许一个方向。它可以是位置公差，也可以是负公差。例如，单边公差 0.00 / - 0.07 毫米表示产品可能低于 0.07 毫米，但不应超过规定尺寸。

实际上，单边公差适用于涉及多个工件配合的项目设计。这样，测量值始终保持相同，从而使每个零件都能按要求组合在一起。

双边公差

在双侧公差中，与所需外部尺寸的差值可以是任意值，即正值或负值，从而允许零件比测量值小或大。例如，如果双边公差为 +/- 0.06 毫米，这意味着制造的零件可以长或短 0.6 毫米 ^[2].

几何尺寸和公差

与其他加工公差相比，它更加精确和全面。GD&T 既考虑指定的测量值，也考虑合理的偏差。此外，它还强调几何尺寸和公差，以确保更顺利的生产。

众所周知，GD&T 是一种比一般加工更先进、更复杂的加工公差系统，它强调测量和适当的偏差。此外，GD&T 还描述了加工部件的几何特征，如真实位置、平面度和中心度。几何尺寸和公差允许制造商根据所需的测量值指定直径。

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单方面宽容

顾名思义，每次测量的尺寸可以长也可以短。例如，+/-0.06 毫米公差表示制造的零件尺寸只能更小。它特别适用于必须与其他部件配合才能使机器发挥作用的部件。

极限公差

在极限公差中，多个数值总是在一定范围内，这样的零件才有用。例如，当范围为 13 ~ 13.5 时，测量值必须在上限 (13) 和下限 (13.5) 范围内。

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如何选择合适的 CNC 加工供应商？

选择具有丰富经验和技术专长的制造商。精密零件加工需要先进的技能和知识。只有具备相关专业知识的制造商才能提供高质量的产品。通过其网站或直接咨询销售代表，评估其加工经验和能力。

选择拥有现代化设备和高效加工能力的制造商。最先进的设备和工艺对精密加工至关重要。完整的设备配置可确保产品的精度和稳定性，而高效的生产能力则可保证及时交货。

优先考虑实施质量管理体系和标准的制造商。严格的质量控制对于精密加工的合规性至关重要。选择通过 ISO 认证或类似认证的制造商，因为强有力的质量保证可长期节省时间。

选择具有成本效益的制造商。尽管这是一个技术密集型行业，但定价仍然是一个重要的考虑因素。获取多家制造商的报价，不仅要比较成本，还要比较包含的服务和售后支持。

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常见问题 (FAQ)

参考资料

[1] JLCCNC.(n.d.). ISO 2768 数控加工公差标准。 摘自 JLCCNC.com： https://jlccnc.com/help/article/ISO-2768-Tolerance-Standards-for-CNC-Machining

[2] Lynch, M. (1997, January 4). 关键数控概念 1 - 计算机数控的基本原理。 现代机械车间。 https://www.mmsonline.com/articles/key-cnc-concept-1the-fundamentals-of-cnc