面向数控加工的DFM：设计优化和供应商协作的成本节约指南

面向数控加工的可制造性设计（DFM）可以被视为一种有助于弥合设计与制造两方面差距的方法。这是因为制造商通常面临加工复杂度高、成本超支和项目延期等问题，这些问题可能成为项目乃至产品在市场竞争中的主要劣势。

挑战在于，由于设计中缺乏制造知识，生产团队通常不会参与设计过程；而且，生产团队通常在原型中发现缺陷之前，无法将制造优化理念纳入设计过程，因此加入设计过程往往较晚。

CNC加工DFM快速参考

面向数控加工的可制造性设计（DFM）意味着从一开始就采用团队协作的方式，并强调这种积极主动的方法。在设计阶段的第一天，就应该通过尽可能地简化几何形状、控制公差以及优化设计位置等措施，将可制造性作为重点。这样一来，在成本、时间和缺陷率方面，就能获得显著的收益。DFM的目标是将制造过程中可能出现的问题转化为高质量的产品。

为何信赖本指南？来自 LS 制造专家的实践经验

关于面向制造的设计（DFM）的文献汗牛充栋，但我们的指南与众不同之处在于，我们是从生产一线出发进行讲解。作为指南的提供者，我们才是真正实践指南内容的人。我们关注的是设计与生产实际操作的交汇点，包括复杂合金的特性以及日常生产中涉及的微米级精度，而非空谈理论。正是这种生产实践经验，使我们积累了宝贵的经验，并最终形成了这份指南中的实用建议。

我们成功的因素在于我们已生产超过 50,000 个5 轴加工零件，并且每年我们处理来自世界各地的大量订单，无论订单大小，我们都积累了丰富的经验，能够处理 Inconel 718 等合金的复杂材料加工工艺，并进行高速铣削以加工精细特征。之后，我们根据金属粉末工业联合会(MPIF)制定的标准改进我们的技术方法，并且我们还利用维基百科等易于获取的技术知识库。

他们分享了在航空航天、医疗和半导体领域最关键的努力中辛苦积累并证明有效的DFM原则：这些建议来自经验，可以避免昂贵的错误，从而为您省钱：这些建议不是在实验室中证明的，而是通过关键部件的精确性、效率和有效生产来证明的。

图 1： LS Manufacturing 公司提供的精密型腔和孔的 CNC 加工示例

为什么DFM是降低CNC加工成本最有效的方法？

DFM（面向制造的设计）是实现DFM成本节约和整体设计制造成本控制的最有效工具。它的工作原理是主动将生产知识融入设计阶段，在切割任何金属之前就找出成本的根本原因。这种针对CNC加工的DFM战略方法可以避免后期难以修复的昂贵问题，使其成为CNC加工优化的基石。

• 缩短加工时间和降低加工复杂度：数控加工优化的关键因素之一是简化零件形状。上述技术旨在消除零件中不必要的复杂曲面。因此，这将立即降低优化问题中考虑的主要成本因素。
• 实现材料和工艺的明智选择：成本效益高的设计和制造成本控制有助于明智地选择合适的材料类型。DFM 分析会考虑库存尺寸的可用性和可及性，以及所选合金的加工性能。此外，DFM 分析还会考虑是否有更适合多种工艺的更优生产设施，以便在设计阶段选择最佳工艺。
• 标准化零部件和工具：将面向制造的设计 (DFM) 应用于数控加工流程有助于零部件和工具的标准化。企业能够标准化立铣刀、钻头和螺纹类型，从而降低制造专用工具的成本。此外，不同零件相同特征的标准化也有助于大规模生产。

总而言之， DFM（面向制造的设计）之所以能显著降低成本，是因为它着眼于预防而非补救。通过将数控加工优化原则融入设计本身， DFM可以优化生产的每个环节。这将带来更卓越的设计和制造成本控制，从而缩短周期时间、减少浪费并实现更智能的材料利用——最终打造出更具竞争力、更易于制造且利润更高的产品。

如何对数控零件进行可制造性设计分析？

为了确保计算机辅助设计（CAD）设计的产品或理念能够实现经济高效且可靠的生产，进行可制造性设计（DFM）分析至关重要。本质上，DFM 分析是从 DFM 的角度对数控（CNC）零件设计进行多维度评估。其目的是在实际加工之前主动识别并解决潜在的生产问题。该过程依赖于对关键DFM 检查点的结构化审查，以确保零件针对高效、精确的制造进行优化。下表提供了一种结构化的评估方法，同时也可作为实用的数控加工设计指南：

有效的可制造性设计分析本质上是指基于DFM检查点的系统化流程。工程师可以根据对DFM分析中涵盖几何形状和夹具等各个检查点的系统分析，为CNC零件设计评估提供反馈。这将确保设计不仅具有创新性，而且能够根据CNC加工设计指南，实现可预测的制造过程。

哪些常见的DFM错误会导致CNC加工成本增加？

令人惊讶的是，设计中哪怕是最微小的疏忽，都可能导致成本大幅飙升。避免常见的面向制造的设计 (DFM) 错误是成功控制制造成本的关键。一些以数控 (CNC) 设计优化为重点的主动审查，可以避免落入这些陷阱，确保设计功能完善且能够盈利。很多时候，这意味着更低的成本和更高的可靠性。下表总结了一些常见的错误及其可能造成的影响：

也就是说，有效控制盈利产品的制造成本始于了解常见的面向制造的设计（DFM）错误。通过整合专注于简化设计、使用标准工具和公差的设计优化方案，设计人员将能够在数控设计优化方面取得卓越的性能。这将消除初始DFM流程中常见的代价高昂的错误。

图 2：影响数控加工工作量的因素：几何形状、公差、材料和尺寸（LS Manufacturing 提供）

如何通过简化设计来提高数控加工效率？

设计简化策略是提高加工效率的极其有效的方法之一。其核心在于，最基本的数控加工优化旨在从根本上简化生产的复杂性，从而提高数控加工的可靠性，降低成本，并减少加工时间和潜在误差。

减少设置和操作

提高加工效率最有效的方法之一是设计一个只需更少装夹次数即可加工的零件。这意味着要合理安排所有关键特征的方向，使其能够从尽可能少的侧面进行加工。如果一个零件只需装夹一两次而不是四次，就能大幅减少因更换夹具和重新校准而耗费的非加工时间，从而直接降低数控加工成本并缩短交货周期。

标准化和特征组合

作为一种优秀的简化设计策略，标准化孔径、圆角半径和型腔尺寸至关重要，这样才能仅使用一把刀具加工各种特征，从而减少换刀次数。反之，将较小的独立零件组合成一个更复杂的加工零件，不仅可以避免零件组装，还能防止库存积压，并促进数控加工流程的优化。

几何优化实现平滑刀具路径

此外，几何优化能够实现平稳的刀具运动，这意味着设计更易于制造，从而确保更少、更平滑、更优的刀具路径。因此，几何优化可以消除深而窄的孔，因为最优几何形状能够带来更高的进给率、更强劲的切削力和更低的刀具磨损，而这些都与制造工艺的优化直接相关。

功能优先于不必要的精度

数控加工工艺优化可能需要考虑以下因素：加工时间的大幅增加可能是由于细节精度要求过高造成的，例如加工时间可能增加三倍。在成本节约型数控加工中，采用标准加工公差可以有效解决细节精度要求过高的问题。

总之，精心设计的简化策略是提高制造效率的关键。通过减少设置次数、标准化特征并优化零件几何形状，工程师可以显著提高加工效率。这种整体性的数控加工优化方法不仅能加快生产速度，还能提高质量一致性，从最初的设计迭代阶段就真正实现了数控加工的成本节约目标。

公差设计如何影响数控加工成本和质量？

零件的公差及其成本是影响质量和规格公差的重要因素。智能公差设计优化将功能需求与实际制造需求相结合，是控制加工成本的关键工具。通过全面的面向制造的设计（DFM）材料分析进行智能应用，是实现高效精密加工的有效途径。

1. 精度要求会带来直接的成本溢价：不必要的严格公差是造成成本大幅增加的主要原因。它们需要降低加工速度、增加工序、使用专用刀具以及进行严格的检验。公差设计优化的核心目标是将这种高精度仅用于关键功能或配合特征，从而有效地控制整体加工成本。
2. 差异化公差兼顾性能与经济性：优化具有选择性。因此，某些组件可能需要对阴极射线管（CRT）采用严格的公差要求，而在其他区域则采用商业公差。这种方法既能确保关键区域的功能正常，又能减轻非关键区域的加工成本控制压力，从而在质量和成本之间实现完美平衡。
3. 材料和工艺驱动可行性：公差的实现与材料工艺之间存在着必然联系。面向制造的设计（DFM）材料分析是DFM中极其关键的环节。强度更高的材料意味着更高的加工成本。此外，还必须考虑数控机床的公差限制。过高的公差要求会导致更高的成本。
4. 标准化确保结果可预测：所有零件的公差都必须符合标准化要求，任何偏差都会导致后续成本增加。这种做法是一种简单而有效的公差设计优化方法，有助于有效控制加工成本。

因此，需要采用基于智能的公差设计策略来实现最佳的可制造性设计。此外，正如DFM材料分析所指出的，借助有效的公差策略进行CNC加工公差设计优化至关重要，因为所需的精度水平比最高精度更为重要。这种设计策略能够确保零件的功能性，同时实现最佳的加工成本控制。

图 3： CNC 加工稳定性指南： LS Manufacturing 提供的零件振动示例

如何通过DFM分析实现材料选择的成本优化？

零件的成本和可制造性取决于材料选择。这对于DFM材料分析的标准化以及材料选择优化至关重要。这项工作考虑了材料特性与制造可行性之间的关系，这直接影响到基于可制造性设计的CNC加工成本控制。

直接加工效率的可加工性评估

材料选择优化的核心在于根据可加工性选择材料牌号。面向加工的设计（DFM）材料分析基于多种材料特性，包括硬度、切屑形成和耐热性。根据可加工性选择材料牌号可以提高进给速度、延长刀具寿命并改善表面光洁度。

最大限度地利用标准库存，消除废料

降低成本最简便的方法之一是优化生产流程，其目标是最大限度地利用标准尺寸的原材料。可制造性设计 (DFM) 和数控 (CNC)评估建议考虑某些尺寸偏差，以最大限度地减少废料和边角料。

平衡性能与替代材料

有多种材料可以满足性能要求。深入的面向制造的设计（DFM）材料分析会研究各种可行的替代方案。例如，选择预硬化钢材而非需要加工后热处理的合金，可以避免变形，并优化材料选择，从而简化生产工艺。

拥有成本

更优的材料能够以最低的拥有成本提供所需的性能。例如，这种方法可以解释为什么一种成本相对较高但加工更简单的材料最终能够提供最低的成本，因为加工时间和刀具磨损的价值都得以最小化。这种整体视角对于战略性数控加工成本控制和智能材料选择优化至关重要。

简而言之，材料选择被认为是面向可制造性设计（DFM）中最为关键的决策。DFM材料分析有助于设计人员优化材料选择。这种方法有助于选择能够以最小的浪费轻松加工零件的材料。

供应商早期参与如何提高面向制造的设计 (DFM) 实施效果？

在设计流程初期整合生产专业知识对于实现最佳成果至关重要。积极主动的供应商协作是成功实施面向制造的设计（DFM）的有效策略。这种以早期设计参与为核心的方法，使得制造实际情况能够在设计最终定稿前直接指导和改进设计。高效的数控加工供应商协作能够弥合概念与生产车间之间的鸿沟。

• 减少高成本的重新设计循环：早期设计参与阶段最重要的作用往往在于避免在设计流程后期进行变更。如果供应商能够提前了解设计概念，他们就能轻松识别出哪些区域的材料无法加工。在这个阶段，这项工作无需任何成本。而后期再做则成本过高。
• 提供专业的工艺和材料指导：经验丰富的供应商所掌握的工艺能力和材料性能方面的知识非常有用。通过与供应商合作，设计人员可以充分利用供应商提供的建议，包括最佳加工工艺、可能的材料公差以及更易加工或更具成本效益且功能完备的替代材料。
• 从项目伊始就最大限度地降低成本和缩短交付周期：协同实施面向制造的设计 (DFM) 的一个关键目标是提高效率。数控加工供应商的合作能够让参与方共同开发无需设置、共享工具且加工流程简化的设计。这些努力旨在从项目伊始就尽可能地降低成本和缩短交付周期的主要影响因素。
• 建立共识并确保可制造性：持续的对话和交流有助于达成共识，加深对目标和局限性的理解。其目标是实现可制造的创新设计。因此，共识的建立降低了分歧的风险，有助于制定和实现可控的目标，并顺利推进生产阶段。

总之，通过与供应商合作实现早期设计参与的力量是变革性的。它从根本上改变了制造投入，使其从被动的约束转变为主动的设计优势。这种DFM（面向制造的设计）的协作式实施，尤其是在与专业数控加工供应商合作的情况下，已被证明能够加速开发、降低总成本，并显著提高按时按预算成功推出高质量产品的可能性。

图 4： LS Manufacturing 提供的用于可制造性分析的优化 CNC 零件协同设计

LS制造医疗器械行业：用于骨科植入物的钛合金部件的DFM优化

一家领先的医疗器械制造商在生产一种新型骨科器械时遇到了难题。 钛合金零件的加工成本高昂且耗时过长，严重影响了产品的可行性。该案例表明，在数控加工设计中，如果忽视某些环节，可能会阻碍最具创新性的医疗产品的成功。因此，医疗器械可制造性设计（DFM）优化方面的专业干预显得尤为重要。

客户挑战

该植入体具有网格结构，这种结构难以生产，因此加工难度也较大；此外，用于固定植入体的螺孔也增加了加工的复杂性。而且，对植入体表面光洁度的要求过于严格，延长了加工时间，因此需要进行医疗器械可制造性设计（DFM）优化。

LS制造解决方案

工程团队开展的分析包括对钛合金零件加工类型的仔细研究。他们提出了一系列建议，包括优化晶格结构以保持强度并提高加工刀具的可及性、优化固定孔的形状以便从不同方向加工零件，以及根据功能需求修改最终表面光洁度规格。每一项改进都遵循生物相容性金属数控加工的实际设计原则。

结果与价值

协作式医疗器械DFM优化取得了卓越的成果。预计单位加工成本将降低35% ，加工时间将缩短40% 。此外，由于该方案的实施，可制造性得到提升，一次合格率高达99.5% 。LS Manufacturing的这一成功案例充分展示了该设计方法在医疗器械这一至关重要的工作流程中对投资回报率和能力的显著提升。

该项目堪称LS Manufacturing的成功案例。它有力地证明，由专家主导的医疗器械DFM优化（深入理解钛合金零件加工的限制和机遇）并非仅仅是为了节省成本。通过及早应用实用的CNC加工设计理念，我们将一个极具挑战性的原型转化为可靠、高质量且具有商业可行性的产品，从而确保了临床和商业上的双重成功。

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如何与供应商建立有效的面向制造的设计 (DFM) 协作流程？

结构完善的面向制造的设计（DFM）协作流程可以实现设计与产品之间的过渡，而产品本身也可以通过制造过程产生。这需要建立结构化的供应商管理体系，以促进设计和制造之间的协作，并采用相同的数控加工工程指南。

1. 提前明确角色和里程碑：从项目伊始就应该明确角色、期望和里程碑。如果所有参与者都能使用统一的数控加工工程指南，设计和制造协作就能变得非常高效。
2. 通过模板实现信息交换标准化：设计、反馈和变更的信息交换流程应使用模板完成。这将是高效供应商管理的主要需求之一。使用模板将确保在面向制造的设计（DFM）协作过程中进行有效沟通。
3. 创建集中式数字平台：这包括将企业的协作流程迁移到集中式数字平台。它能够实现实时设计和制造协作，创建清晰的审计跟踪，并显著提高您的DFM协作流程的效率。
4. 主动安排早期评审：在关键设计里程碑阶段而非最终检查阶段，整合正式的面向制造的设计 (DFM) 评审。这种主动的供应商管理方法能够确保在变更简便且成本低廉时解决问题，并从一开始就融入可制造性原则。

因此，成功的面向制造的设计（DFM）协作流程必须在结构、沟通和伙伴关系方面建立坚实的基础。这种供应商管理的战略方法转变了双方关系，确保设计和制造的协作能够产生既具有创新性又易于制造的设计。

常见问题解答

1. 在此过程中的哪个阶段，DFM 分析最有帮助？

DFM分析流程在概念设计和详细设计阶段最为有效。其理念在于，设计变更一旦发生就难以避免，只有通过早期干预才能有效预防。LS Manufacturing公司建议客户在需要进行DFM分析时，首先完成初步设计。

2. 优化 DFM 是否会影响最终产品的功能/性能？

由专业人员进行的DFM优化意味着在不影响产品功能的前提下，对制造流程进行优化。LS Manufacturing的工程师确保所有优化方案都不会损害产品功能。

3. DFM 分析能否用于小批量生产工艺？

无论最终批次规模大小，DFM 分析都至关重要。在小批量生产的情况下，DFM 分析尤为重要。LS Manufacturing 可根据最终批次规模的不同，为不同项目提供 DFM 分析解决方案。

4. 执行 DFM 分析通常使用哪些文档？

需要说明的是，在进行DFM分析时，需要完整的模型、图纸、技术规范和设计方案。根据项目阶段，LS Manufacturing公司应提供数据需求清单。

5. 使用 DFM 优化可能获得哪些成本效益？

平均而言，通过优化DFM（面向制造的设计）可节省的成本幅度在20%到40%之间。LS Manufacturing提供的成本/效益分析报告中包含了每个项目各项成本的明细，这些明细均已纳入考量。

6. 如何确保有效实施DFM建议？

除了提供实施服务外，LS Manufacturing 还协助实施 DFM 就变更管理流程提出的建议。

7. 在面向制造的设计过程中是否考虑了可装配性方面？

对DFM的详细考察应包括其可制造性和可组装性。DFM LS Manufacturing提供的服务内容是确保能够组装或加工正在开发的产品。

8. DFM 分析能否用于优化现有产品？

对于现有产品，服务内容包括产品重新设计优化。通过面向制造的设计（DFM）进行的成本优化分析，有助于了解企业现有产品在哪些方面可以实现成本优化。

概括

通过DFM分析和优化，企业可以从产品概念阶段就确定成本领先环节。他们还可以提高生产效率，并推动项目进展。LS Manufacturing公司拥有多年工程领域的专业知识和经验，为客户提供全方位的DFM分析服务，帮助客户实现质量和成本效益的目标。

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