如何设计用于定制生产的数控铣削零件：降低成本的关键步骤

在上述加工方式中， CNC铣削是定制生产中最通用的；然而，生产过程中可能出现的问题是预算和时间限制，而这些限制可能会因为生产准备不足而超出预期。此外，他们的设计可能非常复杂。

这是设计与生产脱节造成的。在定制生产和数控加工中，设计专业人员可能并不了解定制生产所需的流程。他们无法掌握定制生产的细微差别，例如工具的易用性、设置的难点或二次加工。因此，传统的评审流程会缺少优化过程中所需的必要信息。

定制化数控铣削：完整参考指南

为何信赖本指南？来自 LS 制造专家的实践经验

诚然，关于数控铣削的著述汗牛充栋，但真正出自一线从业者之手的却寥寥无几。这本手册并非源于完美无瑕的教科书，而是源于真实的行业环境和车间实践，精准是其中不可妥协的关键词。这种深刻的理解，正是在与高硬度合金、复杂几何形状以及对完美本身的不懈追求中，逐步形成的。

我们公司成功的关键在于流程的有效实施。过去十年间，我们已交付超过5万件定制CNC加工零件。更重要的是，无论是用于挽救生命的医疗设备部件，还是承受巨大压力的航空航天紧固件，每一件零件都为我们提供了宝贵的实践经验。我们始终严格遵守ASTM国际标准。

现有知识是指我们在日常生产操作中应用的知识。我们知道应该了解什么，在加工316L不锈钢材料时，哪些进给量和速度效果好，以及为了确保达到美国表面处理协会（NASF）要求的完美表面光洁度，必须采取哪些程序。

图 1： LSManufacturing讲解多轴数控铣削零件设计

哪些设计因素对数控铣削成本影响最大？

了解数控铣削成本因素是成功大幅降低成本的关键。虽然最终价格是一个单一的数字，但它是多种相互作用的变量的总和。对加工成本进行正确的分析，是找到最大限度降低成本的关键所在——不是在生产线上，而是在设计的最初阶段，远在第一把刀具接触金属之前。影响制造成本控制的主要因素包括：

• 加工周期（机器利用率）：这通常是最大的单项成本构成。零件在机器上停留的每一分钟都会产生成本。增加加工周期的因素包括复杂的3D轮廓、过多的材料去除以及不必要的严格公差，这些都需要更慢、更精确的加工步骤。
• 零件几何形状和复杂性：无论如何，复杂性领域无疑也需要考虑成本因素。对于包含深凹槽、锐角半径、可能发生振动的壁面以及凹槽内需要​​深入加工的几何形状，需要使用复杂的机床，加工时间也会更长。
• 材料选择与浪费：如前所述，除了材料选择本身的成本外，材料选择还会影响加工成本。例如，使用钛等高强度材料意味着需要进行大量的切削加工，从而导致更长的切削周期。此外，与其从实心坯料上切削掉80%的材料，不如将其用于设计一个需要从接近最终形状的材料上切削掉80%的零件，这样会造成材料利用率的降低。
• 公差和表面光洁度：超出功能所需值的公差会增加近一半的成本。原因在于，原本±0.1毫米的公差值需要缩小到±0.025毫米，这将导致成本增加十倍。此外，如果原本无需抛光的表面也需要进行抛光或研磨，则会耗费大量时间。

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，您可以直接影响数控铣削的核心成本因素。从一开始就充分考虑加工周期、复杂性和规格，并进行完善的加工成本分析，是设计高质量且经济高效的数控铣削零件的最有力工具。

如何通过材料选择在成本和性能之间取得最佳平衡？

为了实现数控加工工艺的最佳性价比，首先必须进行智能的材料选择优化。并非总是选择性能最佳的材料；必须选择最能以最佳方式满足功能需求的材料，从而实现项目成本的最低。

总之，最有效的数控铣削零件设计应在设计之初就考虑可制造性。通过在设计阶段与您的制造合作伙伴协作，您可以评估各种方案——例如使用预硬化钢而不是对较软的钢材进行热处理——从而找到最经济的材料解决方案，以满足所需的性能，实现理想的性价比平衡。

图 2： LS Manufacturing 公司经济型定制 CNC 铣削零件的关键设计原则

什么样的结构设计可以有效缩短加工时间？

实际上，战略层面的优化结构设计是实现缩短加工时间和降低生产成本这一目标的最有效途径之一。在这种情况下，工程师在设计零部件时，应考虑其可制造性，力求降低复杂性，最终实现高效的加工方案。

优化结构设计，兼顾简洁性和标准化，是高效加工解决方案的基础。这种积极主动的方法能够确保定制数控铣削项目的每个环节不仅满足既定目标，而且在速度和成本效益方面也具有内在价值。

公差设计如何影响加工成本和质量？

在制造过程中，公差设计优化对于控制质量和成本至关重要。尽管精密铣削在制造中至关重要，但其上的每一步都会带来极高的成本。为了在精度和成本之间取得平衡，必须确定哪些精度是功能性要求，哪些是常规要求，以及哪些是功能性需求。合理的公差设定策略对质量和成本的影响都非常显著：

更高容忍度水平的指数级成本

如果公差水平是±0.025毫米或±0.1毫米，成本就会有所不同。如果公差水平很小，成本将呈指数级增长，因为机器需要使用专用设备，甚至需要三坐标测量机进行测量，从而降低机器的运行速度。

加工过程和周期时间

在这种情况下，机械师可能会发现自己陷入一种困境：为了在公差范围内满足规定的要求，他们只能依靠安全的加工条件，而不能出现任何偏差。考虑到加工产品的周期时间，这种情况的影响是显著的，会导致额外的成本，如下所述。值得注意的是，除了增加成本之外，由于严格的公差范围内的偏差，废品率也会上升，这本身就颇具悖论。

功能重于形式

合理的公差设定还应考虑零件的功能。关键接触区域需要严格的公差，而那些仅出于外观和非功能性考虑而需要精确尺寸的区域可以使用标准公差，这实际上可以降低数控铣削成本。

总之，公差设计优化的明智之举并非在于降低精度，而在于策略性地运用精度。通过对每个特征进行功能分析，确定合理的公差设置，制造商可以实现必要的精度与成本平衡，在确保零件性能的同时，积极降低数控铣削成本，并简化生产流程。

图 3： LS Manufacturing 公司对数控生产方法中传统铣削和顺铣的比较

如何通过标准化设计降低制造成本？

实施设计标准化是一种强效但常被忽视的成本降低策略。在定制制造的数控铣削领域，标准化不仅不会限制创造力，反而通过消除不必要的差异来简化生产流程。其核心原则是最大限度地重复利用成熟高效的制造元件。标准化在成本和可靠性方面都具有显著优势：

更少的安装时间和模具成本

根据孔径、圆角半径和螺纹类型等因素，车间内将采用数量远少于以往的刀具规格，并按照上述类别进行分类。这将大幅缩短刀具的设置时间，因为设置时间是影响作业进度的重要因素之一。此外，还可以批量采购高质量的刀具。

提高工艺和质量的可靠性

使用标准参数意味着机械师可以依赖标准的加工速度、进给量和工艺性能。案例中积累的知识将使工艺流程更接近于消除编程过程中产生的错误。由此，所生产产品的质量可靠性将得到保障。

简化库存和采购流程

这种标准化进一步延续到原材料库存阶段，即简化棒材和板材等原材料的尺寸，简化螺丝、销钉等标准化五金零件的采购。

最大限度地缩短新设计上市时间

库中零件集的常规组件便于设计人员进行设计。这是通过使用经过测试的构建模块来设计组件实现的。这种设计流程缩短了原型制作阶段所需的时间。这是因为零件的设计是基于对其加工工艺的了解而进行的合理设计。

设计标准化是降低成本的策略之一，它可以与数控铣削制造设备相结合，从而确保效率。其理念在于，与其提倡多样性，不如实现标准化的优势，包括快速制造、节省成本、提高精度，并最终打造敏捷的制造企业。

表面处理方式的选择如何影响总成本？

选择合适的表面处理工艺是实现经济高效的数控铣削设计的关键步骤。这些决策至关重要，因为它们直接影响零件的强度、美观性和功能性。然而，这些决策也会带来高昂的成本。一种经济高效的成本优化策略是，确保零件所需的性能水平与其应用环境相匹配，而不是在功能性不必要的情况下选择强度最高的方案。这些决策是通过对多种处理工艺进行清晰的比较而得出的：

处理成本与性能水平

虽然喷砂和阳极氧化等专业加工工艺成本相对较低，但考虑到其主要功能是为低性能产品提供保护层和抛光表面，因此效果相当不错。中等水平的加工工艺成本适中，但更加耐用和坚固。而像化学镀镍和聚四氟乙烯（PTFE）涂层这样的高度专业化的加工工艺则成本极高。

零件几何形状和预加工要求

对于电镀工艺，可能需要特定的拐角半径，以防止形成镀液池并确保表面镀层厚度均匀。工艺要求可能包括掩模制作和表面微观结构参数，这两者都通过表面粗糙度 Ra来衡量。

交货时间和批量大小的影响

某些生产工序需要较长的交货周期，也可以将部分零部件的生产外包给第三方承包商，但这会使交货周期增加几天。喷漆成本较高，但可以标准化，因此阳极氧化处理的成本相对较低。

功能需求驱动选择

材料选择需要以功能规格为指导。是否需要导电性？在这种特定情况下，阳极氧化处理无法进行。您是否对某些化学物质敏感？是否需要表面摩擦系数较低的材料？在进行过度规格选择之前，必须先考虑这些问题，从而确定最合适或最具成本效益的数控铣削设计。

可以说，表面处理工艺的选择以及有效的策略是成本优化不可或缺的一部分。对表面处理工艺的需求分析可以帮助您避免不必要的成本支出，从而确保最终产品发挥最大的价值。

图 4： LS Manufacturing 公司对CNC 铣削刀具工艺的理解，以实现经济高效的零件生产

如何在设计阶段进行可制造性分析？

全面的可制造性分析是确保生产流程成功高效运行的最有效预防措施。在设计实施之前进行彻底的检查，有助于在代价高昂的设计变更或生产线延误之前消除问题，因此是降低数控铣削成本的关键所在。系统的可制造性设计 (DFM) 检查通常侧重于设计风险评估的几个关键领域：

1. 刀具可及性和特征可行性：这包括验证所有内角、凹槽和倒角是否都能用标准切削刀具加工到。诸如深而窄的槽或长径比高的孔等特征可能需要特殊刀具或难以加工的角度，从而大幅增加成本和复杂性。
2. 稳定夹具设计：该分析评估零件几何形状是否允许在加工过程中实现安全且可重复的夹紧。缺乏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：此项检查评估所选材料和设计是否兼容。它能识别潜在问题，例如过薄的壁可能导致振动或变形、过厚的截面造成材料和加工时间的浪费，以及尖锐的内角造成应力集中，需要使用更小、更不坚固的刀具。
4. 公差和表面光洁度合理化：对所有规定的公差和表面光洁度进行调查是可制造性分析的重要组成部分。这样做是为了质疑那些功能性规定但尺寸过小的规范（因为这些规范是主要的成本因素），同时也是为了使规定的表面光洁度与实际需求相协调，而不是仅仅为了获得美观的表面光洁度而花费过高的成本进行加工。

简而言之，在设计过程中进行面向制造的设计（DFM）检验是一种非常积极主动且极具价值的方法。其设计风险评估可以将任何制造工艺障碍转化为优化机遇，最终产品具有创新性、高功能性，且制造成本低廉，并能大幅降低数控铣削成本。

LS制造汽车零部件行业：发动机支架的轻量化设计优化

在LS Manufacturing的成功案例中，集成工程是一个案例研究，它展示了一种工程方法如何应对汽车行业面临的重大挑战。这些挑战之一来自一家一级汽车零部件供应商，该供应商要求对汽车零部件（尤其是发动机零部件）的优化进行彻底的变革。

客户挑战

目前发动机安装支架以及客户车辆上使用的支架，其传统制造工艺均涉及钢材加工。这种工艺过于复杂，因为最终产品会更重，从而影响发动机的效率，进而影响车辆的整体性能。其次，钢材价格昂贵，这种工艺也造成了浪费。

LS制造解决方案

我们首先对轻量化设计和制造工艺进行了全面分析。我们用强度更高的铝合金替代了原有材料，并以此为起点。随后，我们利用拓扑优化工具，将其重新分配到更优化的形状中，从而提高了效率，并减少了非关键区域的材料用量。最后，我们通过更快速的数控加工，实现了这种复杂形状的最终成型。

结果与价值

鉴于此，本项目取得的成果令人瞩目。最终部件重量减轻了25% ，从而显著提高了燃油效率。更重要的是，通过材料减量、零件优化设计以及采用经济高效的加工技术，本项目实现了30%的制造成本降低。

这表明，通过系统层面的方法可以创造价值，将轻量化理念、工艺和材料知识相结合，可以实现卓越的部件性能、成本控制和可持续性。因此， LS Manufacturing的成功案例使该公司获得了竞争优势。

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如何与制造商合作以实现最佳成本效益？

真正的成本效益优化始于与制造商的战略合作。通过在初始设计阶段与您的加工供应商建立合作关系，您可以在任何模型最终定稿之前充分利用他们的实际制造经验。这种积极主动的合作能够释放巨大的价值，也是最具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可以通过以下几个关键渠道实现：

• 主动式可制造性设计 (DFM) 反馈：拥有直接加工经验的工程师可以立即识别出加工难度大、速度慢或成本高的特征。他们可以提出一些细微的、非关键的几何形状更改建议，例如调整壁厚或圆角半径，这些更改可以在不影响功能的情况下显著简化加工。
• 材料和工艺替代方案：合作伙伴可以推荐更容易获得或更具成本效益且符合您规格的材料等级。他们还可以就零件是采用单个数控铣削件更经济，还是采用更简单的组件组装更经济提供建议，从而平衡加工成本和组装人工成本。
• 工装夹具策略的整合：第一次演示旨在让供应商有机会制定最佳的工装夹具解决方案实施策略。这可能包括设计以减少装夹次数为重点的工件夹持夹具，以及设计包含定位片定位器的换型策略，以便将工件定位在便于加工的位置。
• 有效的成本预测和风险分析：由于从一开始就能创建可制造的设计，制造商将能够提供有效的成本预测。事实上，这甚至能够让制造商在早期阶段就有效地了解预算，并肯定能避免后期代价高昂的变更，从而节省成本。

为了实现成本效益优化，必须将数控机床制造商视为合作工程师，而非下游供应商。他们通过早期参与，重视您的设计理念，从而为您的项目创造价值，使您的项目从早期设计概念阶段就建立在可制造性平台之上。合作工程是提高数控铣削设计可制造性的最终策略。

常见问题解答

1. 设计优化在降低成本方面能起到多大作用（如果有的话）？

考虑到项目的复杂性和可实现的成本优化程度，通过合理的设计优化，可以节省20% 到 40%的成本。

2. 设计优化会影响产品性能吗？

当然，在保持功能的前提下，专业的界面设计优化无疑是一项恰当的改进。我们将进行严格的检查，以确保不会对功能造成任何影响。

3. 小批量生产是否需要设计优化？

该设计优化方法适用于任意批次数量。当批次数量较少时，该设计优化方法将有助于降低成本。

4. 你会如何着手进行 ROI 分析，作为设计优化的一部分？

我们的报告中还加入了成本效益分析，通过这种方式确定优化领域所需的任何投资以及投资回报，从而有助于做出决策。

5. 我需要哪些材料才能完成设计优化过程？

需要提供以下资料：3D模型、2D平面图和技术规格。这将有助于我们进行全面的可制造性分析。

6. 如何确定优化方案的可行性？

此外，我们还通过 CAE 计算、快速原型制作以及最终原型制作等各种技术验证了我们优化技术的正确性。

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，帮助他们的团队提高设计能力并实现持续改进。

8. 在优化方法中，知识产权保护是如何实现的？

我们严格遵守保密协议。我们优化方案的知识产权归您所有。因此，您的竞争优势将得到保障。

概括

通过在设计优化和制造方面的协作努力，可以降低制造成本并提高产品质量。凭借公司在特定行业积累的丰富知识和专业人才，公司能够为客户提供从咨询到生产的全方位解决方案。

立即致电或联系我们，即可获得 LS Manufacturing 的专家设计师提供的免费制造设计报告，我们将协助您从与制造相关的成本角度审查和优化设计。

绕过瓶颈，我们为您提供精密数控铣削零件服务，确保快速、稳定、可靠的加工结果。点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 Manufacturing是一家行业领先的公司，专注于定制化制造解决方案。我们拥有超过20年的经验，服务过5000多家客户，专注于高精度CNC加工、钣金制造、3D打印、注塑成型、金属冲压以及其他一站式制造服务。
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