如何设计用于定制制造的数控铣削零件：降低成本的关键步骤

用于定制制造的数控铣削是上面列出的中最通用的；然而，生产过程中可能产生的问题是预算和时间限制，由于他们可能尚未准备好生产，因此可能会超出预算和时间限制。也许他们的设计可能很复杂。

这是设计和生产之间分歧的结果。在定制生产和数控加工，设计专业人员可能不了解定制生产所需的流程。他们将无法掌握定制生产的细微差别，例如工具的可访问性、设置困难或二次操作。因此，典型的审核过程将缺少优化过程中所需的信息。

定制制造数控铣削：完整参考指南

类别	关键考虑因素	设计/工艺影响	成本和时间因素
零件设计​	几何复杂性	深口袋、薄壁、尖锐的内角都会增加难度。	高（更多设置，特殊工具）
	公差	更精准CNC铣削公差意味着更低的加工速度和更多的检查。	高成本成倍提升
	特征标准化	使用标准孔尺寸和刀具半径减少了构建专用刀具的需要。	降低（减少工具/设置）
材料​	机械加工性	铝-易，不锈钢-硬；与不锈钢相比，铝具有高度可加工的特性。	直接影响周期时间和刀具成本
	股票形式	接近最终形状的毛坯减少废品；标准毛坯的经济性。	材料成本和粗加工时间
工艺规划​	设置策略	单一设置设计可以最大限度地减少错误，而复杂的设计则需要多次设置。	高（固定和对准时间）
	刀具路径优化	优化的刀具路径减少了空气切削时间。	重要（节省机器时间）
供应商​	技术能力	将零件需求（例如， 5 轴）与车间的设备和专业知识相匹配。	对于可行性和质量至关重要
	DFM反馈	尽早投入设计修改，以实现更容易/更便宜的生产。	降低成本并防止返工

为什么相信本指南？ LS制造专家的实践经验

现在，确实存在关于数控铣削主题的文字，但很少是由积极参与这一行业的人所题写的。这本手册的起源并非源于完美的环境，而是源于世界本身、工作室本身，精确是不容讨价还价的流行词。这种理解是从与坚韧合金、坚韧几何形状和完美哲学本身的斗争中发展起来的。

我们公司成功的关键是我们流程的成功实施。在过去的十年中，我们已经能够交付超过 50,000 个定制 CNC 加工零件。更重要的是，这些零件中的每一个，无论是用来拯救生命的医疗设备的零件，还是承受巨大压力的航空航天紧固件，都为我们提供了实践的学习经验。这ASTM 国际组织指导方针得到了严格遵循。

当前知识是我们在日常制造运营中应用的知识。我们知道需要了解什么、在使用316L 不锈钢材料时适合的进给量和速度，以及为确保按照要求进行完美表面处理而必须采取的程序。国家表面处理协会（美国国家科学基金会） 。

图1：设计零件用于多轴数控铣削解释了由LSManufacturing

哪些设计因素对数控铣削成本影响最大？

的意识CNC铣削成本因素是成功实施大幅降价的秘诀。虽然最终价格是一个单一的数字，但它是各种相互作用的变量的总和。对加工成本的正确分析是了解从哪里可以进行最大切割的线索，不是从生产线，而是从设计本身的最早阶段，早在第一把刀具接触金属之前。制造成本控制中驱动成本的主要力量是：

• 周期时间（机器利用率）：​这通常是最大的成本组成部分。零件在机器上花费的每一分钟都会产生成本。增加循环时间的因素包括复杂的 3D 轮廓、过多的材料去除以及需要更慢、更精确的加工路径的不必要的严格公差。
• 零件几何形状和复杂性：无论如何，在复杂性领域，成本考虑肯定也是一个因素。当处理涉及具有尖角半径的深型腔的几何形状、可能能够振动的壁以及这些型腔内需要在型腔内深入延伸的几何形状时，将需要具有较长时间要求的复杂机器。
• 材料选择和浪费：如前所述，除了选择材料所涉及的成本之外，受所选材料影响的另一个成本是加工成本效应。例如，使用钛等坚固材料意味着需要重切削，因此切削周期时间更长。此外，与其从固体原料中切割 80% 的材料，不如在从近净形状材料中切割 80% 的产品设计中无效地利用它。
• 公差和表面光洁度：超过功能所需值的公差会增加近一半的成本。原因是，公差值不是±0.1毫米，而是必须是±0.025毫米，这将导致成本增加十倍。原因是，如果不需要抛光的表面必须进行抛光或研磨，则需要很长时间。

总之，有效的制造成本控制始于智能设计。通过专注于可制造性设计，您可以直接影响核心数控铣削成本因素。执行良好的加工成本分析​从一开始就考虑周期时间、复杂性和规格，是最强大的工具设计数控铣削零件​既高品质又具有成本效益。

如何通过选材实现成本与性能的最佳平衡？

为了实现最佳的性价比平衡CNC加工工艺此外，这一过程还必须从智能材料选择优化开始。人们不可能总是选择具有最好性能的材料；它必须是最适合以最佳方式执行功能要求的材料，以便实现最低的项目成本。

材料类型	成本考虑​	可加工性和性能说明​
铝（例如 6061）	降低材料和加工成本。非常适合经济的材料解决方案。	高机械加工性，良好的强度重量比。广泛用于原型和外壳。
塑料（例如 Delrin、PEEK）​	材料成本各不相同；通常可以降低加工成本。	易于机械加工；功能特性（例如，耐化学性、低摩擦）驱动选择。
低碳钢和工具钢	材料成本适中；加工成本比铝高。	强度好；用于模具、固定装置和工业零件。耐用性和成本的平衡。
不锈钢（例如 304、316）	由于材料的性质和机械加工成本高而导致成本高。	耐腐蚀是关键。磨蚀性更强，导致刀具磨损更快，循环时间更长。
钛和铬镍铁合金​	材料和加工成本高。	用于最大强度/重量或极端温度。机械加工困难，需要专门的工艺。

总结来说，最有效的 CNC铣削零件设计预先考虑可制造性。通过在设计阶段与制造合作伙伴合作，您可以评估替代方案（例如使用预硬化钢而不是对较软的钢进行热处理），以确定最经济的材料解决方案​，提供必要的性能，实现理想的性价比平衡。

图2：经济型定制 CNC 铣削部件的关键设计原则由 LS 制造

什么样的结构设计可以有效减少加工时间？

实际上，战略层面的优化结构设计代表了有助于实现减少加工时间和生产成本目标的最优化方法之一。在这种特定情况下，工程师在设计可制造性组件时的作用旨在降低最终提供高效加工解决方案的复杂性。

设计策略	实施示例​	对加工的影响​
简单几何	在可行的情况下，通过将所有曲面转换为平面来消除所有曲面。	简化的多轴刀具路径和代码。
标准化功能	使用孔径、圆角半径和螺纹尺寸的通用值	减少工具的变化和潜在的错误源。
防止形成又深又窄的空洞	调整口袋尺寸，使其与工具尺寸和功能成比例。	无需使用触及工具和相关的缓慢。
不稳定的夹具设计	使用平行表面和凸台。	易于安装，易于安装然后高速切割，切割时无振动。
消除薄壁和高区域	加固薄截面或设计为单独的组件。	防止颤动，减少光精加工的需要，并提高准确性。

注重简单性和标准化的优化结构设计的轴承是高效加工解决方案的基础。有人会说，这种积极主动的方法将有助于确保每一个你的单一方面定制数控铣削项目不仅实现了既定目标，而且具有快速且具有成本效益的内在价值。

公差设计如何影响加工成本和质量？

公差设计优化的使用对于控制制造质量和成本至关重要。虽然制造中的精密铣削至关重要的是，上面的每一步都具有非常高的成本因素。在试图达到精度与成本平衡时，必须确定在何处功能指定精度、在何处按惯例指定精度以及在何处功能需要精度。合理的公差设置策略对质量和成本都会产生深远的影响：

更高容忍水平的指数成本

如果公差水平为±0.025mm或±0.1mm ，则成本不会相同。如果公差水平较小，则成本将呈指数级增长，因为使用专用设备甚至坐标测量机测量时，机器将以较慢的速度运行。

加工工艺和周期时间

在这种情况下，机械师可能会发现自己处于这样一种情况：根据公差极限，机械师只能依靠安全加工条件来满足这一指​​定要求，而无需任何变化。考虑到最终加工产品的循环时间，这种情况下的影响是显着的，并且会导致额外的成本，如下所述。值得注意的是，除了增加成本要求外，废品率还因严格的可接受限度的变化而增加，这是相当矛盾的。

功能重于形式

合理的公差设置还应考虑到零件在考虑公差时所执行的功能。关键接触区域需要严格的公差，而从外观和非功能角度需要尺寸的区域可能会使用标准公差，这实际上会减少数控铣削成本。

总之，公差设计优化的智能方法不是最小化精度，而是战略性地应用它。通过进行功能分析，为每个功能定义合理的公差设置，制造商可以实现必要的精度与成本平衡，确保零件性能，同时积极努力降低 CNC 铣削成本并简化生产。

图3：比较 CNC 生产方法中的传统铣削和顺铣由 LS 制造

如何通过标准化设计降低制造成本？

实施设计标准化是一项强大但经常被忽视的成本降低策略。在用于定制制造的数控铣削领域，标准化并不限制创造力，而是通过消除不必要的多样性来简化生产。核心原则是最大限度地重复利用经过验证的高效制造元件。标准化在成本和可靠性方面的优势都是显着的：

减少安装时间和工具成本

根据孔的尺寸、拐角半径和车间中的螺纹类型，将会对数量少得多的模具图案进行大规模标准化，这些模具属于上述定义的类别。它将大大减少工具的设置时间，因为它是阻碍工作进展的最重要因素之一。还可以批量购买优质工具。

提高工艺和质量的可靠性

使用标准参数意味着机械师能够依赖标准速度、进给和工艺性能。在案例中创建的知识意味着该过程将更接近于消除编程过程中发生的错误。由此确定所生产的优质产品的可靠性。

简化库存和采购

这种标准化又进一步延续到原材料库存阶段，即从棒料和板材尺寸的原材料简化到螺钉、定位销等五金零件的标准化五金零件的简化采购。

最大限度地缩短新设计的上市时间

库中零件组的常规组件有利于设计者的设计。这是通过使用经过测试的构建块来设计组件而实现的。这种设计过程减少了原型制作这一阶段所用的时间。这是由于基于其加工知识对零件进行了适当的设计。

设计标准化是降低成本的策略之一，可以进一步与数控铣加工制造设施，确保效率。这个概念是，不是提倡多样性，而是可以实现标准化的优势，包括快速制造、节省成本、精确，并最终实现敏捷制造公司。

表面处理的选择如何影响总成本？

做出决定表面光洁度选择是实现经济高效的 CNC 铣削设计的最终步骤。这些决定很重要，因为它们对给定零件的强度、美观功能和功能能力有直接影响。然而，这些决定并非没有与之相关的高额成本。这些选择中具有成本效益的成本优化策略将涉及确保零件所需的性能水平旨在与其环境相匹配，而不是选择最强的设计，除非其功能是必要的。这些决定是通过对多个因素的处理过程进行清晰比较而得出的：

处理成本与性能水平

尽管喷砂和一般阳极氧化等专门处理的成本相对较低，但人们发现它相当有效，请记住，它正在履行为低性能产品提供保护层和抛光饰面的任务。中等等级的加工方法，成本一般，而且更加耐用、更强。非常专业的加工方法，如化学镀镍和聚四氟乙烯涂层，成本非常高。

零件几何形状和预加工要求

对于电镀工艺，可能需要特定的角半径以防止形成镀池并确保均匀的表面涂层厚度。加工要求可能包括掩模制造和表面微结构值，这两者都是通过表面粗糙度Ra来测量的。

交货时间和批次大小的影响

某些生产操作需要较长的交货时间，并且将某些组件的制造外包给第三方承包商也是可行的，这会导致交货时间增加几天。喷漆的高成本可以标准化，使得阳极氧化相对便宜。

功能要求 驱动器选择

材料选择需要功能规范的指导。是否需要导电性？在这种特定情况下，无法进行阳极氧化。您不受特定化学物质的影响吗？是否需要表面摩擦力较低的材料？这些问题必须先于过度规范，从而确定最合适或经济高效的数控铣削设计。

如果说表面光洁度选择技术以及有效的策略是成本优化的一个组成部分，这并不是一个错误的说法。与表面光洁度技术相关的需求分析使您能够忽略不需要的成本支出，这有助于确保输出的使用价值最大化。

图4：理解数控铣刀加工工艺LS Manufacturing 实现经济的零件生产

设计阶段如何进行可制造性分析？

彻底的可制造性分析是确保生产过程成功且高效的最有效的预防措施。在设计实施之前对设计实施进行彻底检查是最有效的，可以在代价高昂的设计变更或生产线延误之前消除问题，因此是任何成功步骤的核心降低数控铣削成本。系统的DFM 检查通常侧重于设计风险评估的几个关键领域：

1. 刀具可及性和功能可行性：​这涉及验证标准切削刀具是否可以到达所有内角、空腔和底切。具有高长径比的深、窄槽或孔等特征可能需要特殊的工具或不可能的加工角度，从而大大增加成本和复杂性。
2. 稳定夹具设计：分析评估零件几何形状是否允许在加工过程中安全且可重复地夹紧。没有足够平行面或安装点的设计可能需要昂贵的定制夹具，增加设置时间，或者存在零件移动导致报废的风险。
3. 材料和几何形状适用性：​此检查评估所选材料和设计是否兼容。它可以识别潜在的问题，例如可能振动或扭曲的过薄壁、浪费材料和加工时间的不必要的厚截面，或者产生应力集中并需要更小、不太坚固的工具的尖锐内角。
4. 公差和表面光洁度合理化：研究所有指定的公差和表面光洁度是可制造性分析的重要组成部分。这样做是为了对指定的尺寸提出质疑，但这些尺寸在功能上指定且太紧，因为这些是主要的成本要素，并且还可以根据要求协调指定的表面光洁度，而不是为了获得美观的表面光洁度而以过高的成本完成零件。

简而言之， DFM检验在其设计过程中可以被认为是一种非常主动和高度积极的方法。其设计风险评估可以将任何制造工艺障碍转化为优化机会，其最终产品具有创新性、功能强大、制造经济且生产成本大幅降低的数控铣削成本。

LS制造汽车零部件行业：发动机悬置轻量化设计优化

内LS制造成功案例，集成工程是一个案例研究，举例说明了工程能够解决汽车行业提出的主要挑战的方法。在这些挑战中，其中一个是由一家汽车零部件一级供应商提出的一个问题，该供应商要求对汽车零部件（发动机零部件）的优化进行根本性转变。

客户挑战

目前的发动机安装支架以及客户车辆中使用的传统制造工艺涉及钢材加工。在这种情况下，该方法设计过度，因为最终产品会更重。这是发动机在车辆效率方面的弱点。其次，这是浪费，因为钢材非常昂贵。

LS制造解决方案

我们开始对轻量化设计和制造工艺进行全面分析。我们用强度更高的铝合金替代了这种材料，我们以此为起点。随后，通过一种称为拓扑优化的贸易工具，我们将其重新分配为更优化的形状，效率更高，其中材料将从非关键区域中减去。最后，通过更快的 CNC 加工这种复杂的形状。

结果与价值

由此看来，该项目所取得的成果是非常辉煌的。这是因为最终部件的重量减轻了25% ，从而对燃油里程产生了积极影响。更重要的是，通过将材料减少、零件设计和经济高效的加工技术融入该项目，制造成本降低了30% 。

它表明可以通过系统级方法创造价值，这样轻量化概念、工艺和材料理解的结合将带来出色的组件性能、成本和可持续性。因此， LS Manufacturing的成功案例企业为企业带来了竞争优势。

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如何与厂家合作达到最佳性价比？

真正的成本效益优化始于战略制造商合作。通过在初始设计阶段与您的加工提供商合作，您可以在任何模型最终确定之前利用他们的实际制造经验。这种主动参与释放了巨大的价值，是最有影响力的数控铣削设计技巧之一。您的制造合作伙伴的早期参与价值是通过几个关键渠道提供的：

• 主动 DFM（可制造性设计）反馈：​具有直接加工经验的工程师可以立即识别生产困难、缓慢或昂贵的特征。他们可以建议微小的、非关键的几何形状更改（例如调整壁厚或拐角半径） ，从而在不影响功能的情况下显着简化加工。
• 材料和工艺替代采购：​合作伙伴可以建议更容易获得或更具成本效益的材料等级，以满足您的规格。他们还可以就零件作为零件是否更经济提供建议。 单件 CNC 铣削件或者作为更简单部件的组装，平衡加工成本和组装劳动力。
• 工装和夹具策略的集成：第一个演示使供应商有机会制定有关如何最好地实施夹具和工装解决方案的策略。它的范围包括从设计以减少设置为重点的工件固定装置到设计转换策略，其中需要一个点标签定位器来以更容易操作的方式定位物品。
• 有效的成本预测和风险分析：由于从一开始就有可能创建可制造的设计，这意味着制造商将能够提供有效的成本预测。事实上，它甚至可以在早期阶段实现有效的预算理解，并且肯定会在后期阶段节省成本高昂的变更。

为了实现成本效益优化，您的CNC 制造商有必要被视为合作工程师，而不是下游供应商。他们通过早期参与可以为您的项目提供价值，重视您的设计理念，以便您的项目最终建立在早期设计概念的可制造平台上。联合工程是最终的数控铣削设计技巧为了可制造性。

常见问题解答

1. 设计优化对于削减成本有多大帮助（如果有的话）？

考虑到项目的复杂性和成本优化的程度，通过合理的设计优化，可以节省20%至40%的成本。

2、设计优化会影响产品性能吗？

当然，专业的设计优化绝对是在保持功能的情况下适当的改进。我们将进行严格的检查，以免对功能产生任何影响。

3、小批量生产是否需要设计优化？

设计优化对于任意数量的批次都有效。在批量少的情况下，设计优化会起到降低成本的作用。

4. 作为设计优化的一部分，您将如何进行 ROI 分析？

我们还在报告中纳入了成本效益分析，优化和投资回报领域所需的任何投资都将以有助于决策的方式确定。

5. 为了完成设计优化过程，我需要什么材料？

需要提供以下内容：3D模型、2D平面图和技术规格。这将使我们能够进行完整的可制造性分析。

6. 如何判断优化方案的可行性？

此外，我们的优化技术的正确性还通过CAE计算、快速原型制作以及最终制作原型等多种技术进行了验证。

7. 是否有关于设计优化问题的培训？

我们为合作伙伴提供定制化的设计优化培训，帮助其团队提高设计能力，实现持续改进。

8、优化方法是通过什么方式实现知识产权保护的？

我们遵守严格的保密协议。我们优化解决方案的知识产权属于您。因此，您的竞争优势是有保证的。

概括

通过设计优化和制造方面的协作，可以降低制造成本以及制造产品的质量。凭借该组织在特定行业中拥有的广泛知识以及专家员工，该组织为客户提供从咨询到制造的完整解决方案。

致电或联系我们今天，我们将收到 LS Manufacturing 的专家设计师免费提供的制造设计报告，让我们协助您从与制造相关的成本角度检查和优化设计。

跳过瓶颈，我们精准数控铣削零件为您提供快速、稳定、可靠的结果。单击了解我们的加工解决方案如何帮助您提高效率。

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LS制造团队

LS Manufacturing是行业领先的公司。专注于定制制造解决方案。我们拥有超过20年的经验，超过5000家客户，我们专注于高精度数控加工，钣金制造, 3D打印,注塑成型。金属冲压、等一站式制造服务。
我们的工厂配备了 100 多台最先进的 5 轴加工中心，并通过了 ISO 9001:2015 认证。我们为全球150多个国家的客户提供快速、高效、高质量的制造解决方案。无论是小批量生产还是大规模定制，我们都能以最快的24小时内交货满足您的需求。选择LS制造。这意味着选拔效率、质量和专业性。
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