什么是数控加工？| 定义、流程、组件等

CNC 加工是制造和工业应用中常用的术语。但 CNC 到底是什么？什么是数控机床？

什么是数控加工？

CNC 101：术语 CNC 代表“计算机数控”，CNC 加工定义是一种减材制造工艺，通常采用计算机化控制和机床从库存件中去除材料层 - 称为毛坯或工件——并生产定制设计的零件。此工艺适用于多种材料，包括金属、塑料、木材、玻璃、泡沫和复合材料，并在各种行业中得到应用，例如大型 CNC 加工、电信零件和原型加工以及CNC加工航空零件，这需要比其他行业更严格的公差。请注意，CNC 加工定义和 CNC 机器定义之间存在差异 - 一个是过程，另一个是机器。CNC 机器（有时被错误地称为 C 和 C 机器）是一种可编程机器，能够自主执行 CNC 加工操作。

CNC 加工作为一种制造工艺和服务在全球范围内提供。您可以在欧洲、亚洲、北美和全球其他地方轻松找到CNC 加工服务。

减材制造工艺（例如CNC 加工）通常与增材制造工艺（例如 3D 打印）或成形制造工艺（例如液体注射成型）形成对比. 减材工艺从工件上去除材料层以产生定制的形状和设计，而增材工艺组装材料层以产生所需的形状，而成型工艺将库存材料变形并置换为所需的形状。CNC 加工的自动化特性使得在完成一次性和中等批量生产运行时能够生产高精度和高精度、简单的零件和成本效益。然而，虽然 CNC 加工显示出优于其他制造工艺的某些优势，但零件设计的复杂性和复杂性以及生产复杂零件的成本效益是有限的。

虽然每种类型的制造工艺都有其优点和缺点，但本文重点介绍 CNC 加工工艺，概述工艺的基础知识，以及 CNC 机床的各种组件和工具。此外，本文探讨了各种机械 CNC 加工操作，并提出了CNC 加工工艺的替代方案。

一目了然，本指南将涵盖：

• CNC加工工艺概述
• CNC 加工操作的类型
• 数控加工设备和部件
• 数控加工材料
• CNC 尺寸注意事项
• 使用数控机床的替代方法
• CNC加工的历史

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CNC加工工艺概述

从使用穿孔带卡的数控 (NC) 加工过程演变而来，CNC 加工是一种制造过程，它利用计算机控制来操作和操纵机器和切削工具，以对库存材料（例如金属、塑料、木材、泡沫、复合材料）进行成型等——定制零件和设计。尽管 CNC 加工过程提供了各种功能和操作，但该过程的基本原理在很大程度上保持不变。基本的数控加工过程包括以下阶段：

• 设计 CAD 模型
• 将 CAD 文件转换为 CNC 程序
• 准备数控机床
• 执行加工操作

CAD模型设计

CNC 加工过程从内部或由CAD/CAM 设计服务公司创建 2D 矢量或 3D 实体零件 CAD 设计开始。计算机辅助设计 (CAD) 软件允许设计师和制造商生成其零件和产品的模型或渲染图，以及生产零件或产品所需的技术规格，例如尺寸和几何形状。

CNC 加工零件的设计受到 CNC 机器和工具的能力（或无能力）的限制。例如，大多数 CNC 机床是圆柱形的，因此通过 CNC 加工过程可能的零件几何形状受到限制，因为工具会产生弯曲的拐角部分。此外，被加工材料的特性、工具设计和机器的工件夹持能力进一步限制了设计的可能性，例如最小零件厚度、最大零件尺寸以及内部腔体和特征的夹杂物和复杂性。

CAD 设计完成后，设计人员将其导出为 CNC 兼容的文件格式，例如 STEP 或 IGES。

CNC 加工公差表

在向机加工车间指定零件时，重要的是要包括任何必要的公差。尽管 CNC 机器非常精确，但它们在同一部件的副本之间仍然存在一些细微差异，通常在 + 或 - 0.005 英寸（0.127 毫米）左右，这大约是人类头发宽度的两倍。为节省成本，购买者应仅在需要特别精确的零件区域指定公差，因为它们会与其他零件接触。虽然不同级别的加工有标准公差（如下表所示），但并非所有公差都相等。例如，如果某个零件绝对不能大于测量值，则它可能具有 +0.0/-0.5 的指定公差，以表明它可以稍微小一些，但在该区域不能更大。

表 1：CNC 加工中的线性公差

表 2：CNC 加工中的角度公差

表 3：CNC 加工中的半径和倒角公差

CAD 文件转换

格式化的 CAD 设计文件通过一个程序运行，通常是计算机辅助制造 (CAM) 软件，以提取零件几何形状并生成数字编程代码，该代码将控制 CNC 机器并操纵工具以生产定制设计的零件。

CNC 机器使用多种编程语言，包括G 代码和M 代码。最著名的 CNC 编程语言，通用代码或几何代码，称为G 代码，控制机床移动的时间、位置和方式——例如，何时打开或关闭，以多快的速度移动到特定位置、采取什么路径等——穿过工件。辅助功能代码，简称M代码，控制机器的辅助功能，如在生产开始和结束时分别自动拆卸和更换机盖。

生成 CNC 程序后，操作员将其加载到 CNC 机器上。

机器设置

在操作员运行 CNC 程序之前，他们必须准备 CNC 机器进行操作。这些准备工作包括将工件直接固定到机器、机械主轴或机器虎钳或类似的工件夹具中，并将所需的工具（例如钻头和立铣刀）连接到适当的机器部件。

一旦机器完全设置好，操作员就可以运行 CNC 程序。

机加工操作执行

CNC 程序充当 CNC 机器的指令；它向机器的集成计算机提交指示工具动作和运动的机器命令，该计算机操作和操纵机器工具。启动程序会提示 CNC 机器开始 CNC 加工过程，程序会在整个过程中引导机器执行必要的机器操作以生产定制设计的零件或产品。

CNC 加工过程可以在内部进行（如果公司投资购买和维护自己的 CNC 设备）或外包给专门的CNC 加工服务提供商。

CNC 加工操作的类型

CNC 加工是一种适用于汽车、航空航天、建筑和农业等多种行业的制造工艺，能够生产一系列产品，例如汽车框架、手术设备、飞机发动机、齿轮以及手和花园工具。该过程包括几种不同的计算机控制的加工操作——包括机械、化学、电气和热处理过程——从工件上去除必要的材料以生产定制设计的零件或产品。虽然化学、电气和热加工工艺将在后面的部分中介绍，但本部分将探讨一些最常见的机械 CNC 加工操作，包括：

• 钻孔
• 铣削
• 车削

数控钻孔

钻孔是一种使用多点钻头在工件上加工圆柱形孔的加工工艺。在CNC 钻孔中，通常 CNC 机床将旋转的钻头垂直于工件表面的平面进给，从而产生垂直对齐的孔，其直径等于用于钻孔操作的钻头的直径。但是，也可以通过使用专门的机器配置和工件夹具来执行角度钻孔操作。钻孔过程的操作能力包括锪孔、锪孔、铰孔和攻丝。

数控铣床

铣削是一种加工工艺，它采用旋转的多点切削工具从工件上去除材料。在数控铣削中，数控机床通常以与刀具旋转相同的方向将工件进给到刀具，而在手动铣削中，机床以与刀具旋转相反的方向进给工件。铣削工艺的操作功能包括面铣削——在工件中切削浅的平面和平底空腔——以及周边铣削——在工件中切削深腔，例如槽和螺纹。

数控车削

车削是一种加工工艺，它使用单点切削工具从旋转的工件上去除材料。在CNC 车削中，机器（通常是CNC 车床）沿着旋转工件的表面以直线运动方式进给切削刀具，去除圆周周围的材料，直到达到所需的直径，以生产具有外部和内部特征的圆柱形零件，例如槽、锥度和螺纹。车削工艺的操作能力包括镗孔、端面、切槽和螺纹切削. 当谈到 CNC 铣床与车床时，铣削及其旋转切削工具更适合更复杂的零件。然而，具有旋转工件和固定切削工具的车床最适合更快、更准确地制造圆形零件。

表 1 – 常见 CNC 加工操作的特征

数控金属旋压

CNC 旋压车床是车床的近亲，它包括一台带有高速旋转的坯料（金属板或管）的车床，同时金属旋压辊将工件塑造成所需的形状。作为一种“冷”工艺，CNC 金属旋压形成预成型金属——旋压车床与滚轮接触的摩擦力产生了使零件成型所需的力。

瑞士机器如何工作？

Swiss machining也称为 swiss screw machining，使用一种特殊类型的车床，允许工件来回移动以及旋转，以在切削时实现更小的公差和更好的稳定性。工件就在支撑它们的衬套旁边切割，而不是离得更远。这样可以减轻正在制造的零件上的压力。瑞士加工最适合大批量的小零件，例如手表螺丝，以及具有临界直线度或同心度公差的应用。您可以在我们关于瑞士螺旋机工作原理的指南中找到有关此主题的更多信息。

5 轴数控机床如何工作？

5 轴 CNC 加工描述了一种数控计算机化制造系统，它在传统机床的 3 轴线性运动（X、Y、Z）的基础上增加了两个旋转轴，使机床能够在单个零件的六个侧面中的五个侧面进行加工手术。通过在工作台上添加一个倾斜、旋转的工件夹具（或耳轴），铣床变成了所谓的 3+2 或分度或定位机床，使铣刀能够接近工件六面中的五面90° 的棱柱形工件，操作员无需重新设置工件。

然而，它不完全是5 轴铣床，因为第四和第五轴在加工操作期间不会移动。将伺服电机添加到附加轴上，再加上对它们的计算机化控制——CNC 部件——就可以成为一个轴。这种能够完全同步轮廓加工的机器有时被称为“连续”或“同步”5 轴 CNC 铣床。两个附加轴也可以合并在加工头上，或分开 - 一个轴在工作台上，一个在头上。

数控车床操作员培训

要操作CNC 车床，机械师应完成一定数量的课程作业并获得认可的工业培训机构的适当认证。CNC 车削加工培训计划通常涉及多个课程或课程，提供分为几个步骤的循序渐进的指导过程。在整个培训过程中，遵守安全协议的重要性得到了加强。

开始的 CNC 车床课程可能不包括实践经验，但可能包括让学生熟悉命令代码、翻译 CAD 文件、刀具选择、切削顺序和其他领域。初学者数控车床课程可能包括：

• 润滑和调度车床维护
• 将指令翻译成机器可读的格式并将它们加载到车床上
• 建立工具选择标准
• 安装处理材料的工具和零件
• 生产样件

后来的 CNC 车床培训通常涉及实际车床操作，以及机器调整、程序编辑和新命令语法的开发。这种类型的车床培训可以包括以下课程：

• 通过将样本零件与其规格进行比较，找出需要编辑的地方
• CNC编程编辑
• 创建多个测试组件周期以优化编辑结果
• 调节冷却液流量、清洁车床以及维修和更换工具

其他数控加工操作

其他机械数控加工操作包括：

• 拉削
• 锯切
• 研磨
• 珩磨
• 包

数控加工设备和部件

如上所述，有多种可用的机加工操作。根据正在执行的加工操作，CNC 加工过程采用各种软件应用程序、机器和机床来生产所需的形状或设计。

CNC加工支持软件的种类

CNC 加工过程使用软件应用程序来确保定制设计的零件或产品的优化、精度和准确度。使用的软件应用程序包括：

• 计算机辅助设计
• 凸轮
• 计算机辅助工程

CAD：计算机辅助设计 (CAD) 软件是用于绘制和生成 2D 矢量或 3D 实体零件和表面渲染图以及与零件相关的必要技术文档和规范的程序。在 CAD 程序中生成的设计和模型通常由 CAM 程序用来创建必要的机器程序，以通过 CNC 加工方法生产零件。CAD 软件还可用于确定和定义最佳零件属性、评估和验证零件设计、在没有原型的情况下模拟产品，以及为制造商和车间提供设计数据。

CAM：计算机辅助制造 (CAM) 软件是用于从 CAD 模型中提取技术信息并生成运行 CNC 机器和操作工具以生产定制设计零件所需的机器程序的程序。CAM 软件使 CNC 机器无需操作员协助即可运行，并有助于自动化成品评估。

CAE：计算机辅助工程 (CAE) 软件是工程师在开发过程的预处理、分析和后处理阶段使用的程序。CAE 软件在设计、模拟、规划、制造、诊断和维修等工程分析应用程序中用作辅助支持工具，以帮助评估和修改产品设计。可用的 CAE 软件类型包括有限元分析 (FEA)、计算流体动力学 (CFD) 和多体动力学 (MDB) 软件。

一些软件应用程序结合了 CAD、CAM 和 CAE 软件的所有方面。这种集成程序通常称为 CAD/CAM/CAE 软件，允许单个软件程序管理从设计到分析再到生产的整个制造过程。

什么是数控机床？数控机床和机床的类型

根据正在执行的机加工操作，CNC 机加工过程采用各种CNC 机器和机床来生产定制设计的零件或产品。虽然设备可能在其他方面因操作和应用而异，但计算机数控组件和软件（如上所述）的集成在所有 CNC 加工设备和工艺中保持一致。

数控钻孔设备

钻孔采用旋转钻头在工件上产生圆柱形孔。钻头的设计允许废金属（即切屑）从工件上掉落。有几种类型的钻头，每一种都用于特定的应用。可用的钻头类型包括定位钻（用于生产浅孔或导向孔）、啄钻（用于减少工件上的切屑量）、螺旋机钻（用于生产没有导向孔的孔）和夹紧铰刀（用于扩大以前产生的孔）。

通常，CNC 钻孔工艺还使用支持 CNC 的钻床，这些钻床专门设计用于执行钻孔操作。然而，该操作也可以通过车床、攻丝机或铣床进行。

数控铣床设备

铣削采用旋转的多点切削工具来塑造工件。铣削工具要么是水平的，要么是垂直的，包括立铣刀、螺旋铣刀和倒角铣刀。

CNC 铣削工艺还利用支持 CNC 的铣床，称为铣床或铣床，可以水平或垂直定向。基本铣床能够进行三轴运动，更高级的型号可以容纳额外的轴。可用的铣床类型包括手铣、平面铣、万能铣和万能铣床。

数控车削设备

车削使用单点切削工具从旋转的工件上去除材料。车刀的设计因具体应用而异，可用于粗加工、精加工、端面加工、螺纹加工、成型、底切、切断和切槽应用的刀具。

CNC 车削工艺还使用支持 CNC 的车床或车床。可用的车床类型包括转塔车床、发动机车床和专用车床。

什么是台式数控机床？

专门制造 CNC 机器的公司通常会提供一系列台式机，这些机器体积更小、重量更轻。台式 CNC 机器虽然速度较慢且精度较低，但可以很好地处理塑料和泡沫等软材料。它们也更适用于较小的零件和轻度到中度的生产。台式系列中的机器类似于较大的行业标准，但它们的尺寸和重量使它们更适合小型应用。例如，台式 CNC 车床具有两个轴，可处理直径达 6 英寸的零件，可用于珠宝和模具制造。其他常见的台式 CNC 机器包括绘图仪大小的激光切割机和铣床。

对于较小的车床，区分台式 CNC 车床和台式车床很重要。台式 CNC 车床通常更实惠，但也更小，并且在它们可以处理的应用中有所限制。标准的 CNC 台式车床通常包括运动控制器、电缆和基本软件。具有类似基本套件的标准 CNC 台式车床价格略高。

数控加工材料

CNC加工工艺适用于多种工程材料，包括：

• 金属（如铝、黄铜、不锈钢、合金钢等）
• 塑料（例如PEEK、PTFE、尼龙等）
• 木头
• 泡沫
• 复合材料

选择适用于 CNC 制造应用的最佳材料在很大程度上取决于特定的制造应用及其规格。大多数材料都可以加工，只要它们能够承受加工过程——即具有足够的硬度、拉伸强度、剪切强度以及耐化学性和耐温性。

工件材料及其物理特性用于确定最佳切削速度、切削进给率和切削深度。切削速度以每分钟表面英尺为单位测量，是指机床切入工件或从工件移除材料的速度。进给速率（以英寸/分钟为单位）衡量工件被送入机床的速度，而切削深度是切削刀具切入工件的深度。通常情况下，工件将首先经历一个初始阶段，在这个阶段它被粗加工成近似的、定制设计的形状和尺寸，然后进行一个精加工阶段，在这个阶段它经历更慢的进给速度和更浅的切割深度以实现更精确和更浅的切割深度。准确的规格。

CNC 尺寸注意事项

CNC 加工工艺提供的广泛功能和操作帮助它在汽车、航空航天、建筑和农业等多个行业找到应用，并使其能够生产一系列产品，如液压元件、螺钉, 和轴。尽管该过程具有多功能性和可定制性，但某些部件（例如大型或重型部件）的制造比其他部件面临更大的挑战。下面的表 1 概述了加工大型零件和重型部件的一些挑战。

表 2 – 零件尺寸加工的挑战

使用数控机床的替代方法

尽管 CNC 加工显示出优于其他制造工艺的优势，但它可能并不适合所有制造应用，其他工艺可能更合适且更具成本效益。虽然本文重点介绍使用机床生产定制设计零件或产品的机械 CNC 加工工艺，但 CNC 控制可以集成到各种机器中。其他机械 CNC 加工工艺包括超声波加工、水刀切割和磨料喷射加工。

除了机械工艺外，还可以使用化学、电化学和热加工工艺。化学加工工艺包括化学铣削、冲裁和雕刻；电化学加工工艺包括电化学去毛刺和磨削；热加工工艺包括电子束加工、激光切割、等离子弧切割和电火花加工 (EDM)。