什么是CNC加工？

你是不是曾经想过这个问题, 就是那些汽车的零件, 还有甚至是航天飞机里面的关键部件, 到底都是依靠什么方法制造出来的呀, 这个答案其实就有可能隐藏在一个听起来特别高级、特别有技术感的工艺名字里头, 那就是CNC加工这个词汇, 你先不要感到慌张或者害怕, 因为所谓的CNC加工工艺, 它的真实面目并没有外界宣传的那么令人难以理解和神秘莫测, 你完全可以把它想象成一个在工作台上默默工作的资深雕刻师傅, 让那些被编程指令控制着的机械设备, 去针对不同种类的物质材料, 执行非常精确且细致的切割作业以及塑造形态的操作流程, 你还想知道它背后的运作原理和具体过程吗, 通过阅读下面即将展开的详细文字内容, 你就能如同一个初次学习者那样, 从最基本的起点出发, 用一种最为轻松自在的心态, 来完全弄明白CNC加工这项技术本身所涉及的核心内容和真实含义。

什么是CNC加工？

CNC加工是一种先进的自动化制造技术, 它通过预编程的计算机指令, 来精确地控制机床和工具的运动。然后, 从工件上移除材料, 以塑造出符合设计要求的零件或产品。

CNC的核心在于利用数字化设计模型, 这些模型通常是由CAD软件创建而来, 从而生成机床可以识别的指令, 也就是G代码和M代码。以此控制了切削工具在X轴、Y轴和Z轴上的运动轨迹。

历史与发展

CNC加工的早期雏形, 其实能够一直追溯到非常遥远的古代时期, 那时候人们主要靠手工雕刻以及一些简单的机械加工手段来处理物件, 但是真正意义上的现代CNC技术, 却是在20世纪40年代才正式诞生的, 在1949年这个时间节点上, 有一位名叫约翰·T·帕森斯（John T.）的人物, 他在麻省理工学院（MIT）里面工作, 并且他为当时的美国空军专门研发出了一套全新的技术, 这套技术的核心在于通过电机来直接控制机床的各个部分进行运动, 而研发这项技术的目的, 主要是为了能够更高效地制造直升机叶片以及复杂的飞机框架零件, 从历史记录来看, 这一项重要的技术手段, 实际上为后来广泛使用的数控系统（简称 , NC）的建立和发展, 打下了非常坚实的基础。

到了20世纪50年代后期, 麻省理工学院, 还有美国空军, 这两个机构开始展开合作。他们共同开展了一个项目, 目的是为了进一步地提高制造的效率, 同时提升精度。

正是因为这一次合作, 促使了计算机数控技术（CNC）被发明出来。这项技术的应用在于它使用由计算机生成的数据来替代穿孔卡片。通过这些数据实现了对机床的控制作用。

到了1972年那个时候, 计算机辅助设计这个CAD系统, 还有计算机辅助制造这个CAM系统, 就开始出现了, CAD软件它能允许工程师去创建那些非常详细的三维模型的设计, 而CAM软件呢, 它就把这些设计给转换成了CNC机器能够读得懂的指令, 到了1976年, 计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）系统都被纳入了CNC加工里面去。

在1989年, CAD和CAM软件控制的机床成为了CNC机床的工业标准。

CNC加工的工作原理

CNC加工这事儿, 主要是靠计算机写好的程序去指挥机床干活, 这样就能把从画图设计到最后做成成品这整个过程, 全自动地顺下来做完；它这一套工作流程呢, 大体上可以拆开来看, 主要就是由4个特别关键的步骤所组成的。

第一步是创建CAD模型。

加工作为第一步, 它需要使用计算机辅助设计也就是CAD软件来创建零件的2D或者是3D模型。人们常见的软件包括了相关软件和还有那些开源的软件。如果零件比较复杂的话。

那么可能需要把设计给分解成多个子部件。每个子部件都对应着一个CAD模型。初学者可以通过在线教程去快速地掌握CAD的基础知识。而复杂一点的设计通常就需要专业设计师的参与了。

执行第二步, 进行数控编程的操作。

CNC机床这种设备, 它是没有办法直接就去读取那种CAD文件的, 所以我们必须要做的一件事情是把它转换成一个叫做G代码的东西, 这个G代码呢其实就是几何代码, 它的主要作用是用来定义好机床的运动轨迹以及那些相关的操作参数的, 举个例子来说吧, 如果我们看到了G01 X10 Y20这样的指令, 那这表示的就是工具要沿着直线去移动, 最后到达的那个坐标位置就是X等于10、Y等于20。

有一部分像360这样的计算机辅助设计软件是直接生成加工代码的, 不过如果是比较麻烦的大项目, 人们通常是利用计算机辅助制造软件（比如某些软件）来对切削路线进行调节与优化, 这样做能够让切割所用的时间变短, 同时还能让刀具磨损的情况减轻下来, 除了上述这些功能之外, 此类软件还可以把整个加工的过程给模拟出来, 从而把那些可能存在的错误提前找出来。

步骤三, 就是执行那个CNC加工的操作。

操作员先是通过机床的那个控制面板把G代码的程序加载进去, 然后让这个程序开始运行, 机床会自己动起来, 按照给定的那些指令去把削、钻孔或者是磨削这些个动作一个一个地做完, 比方说如果要加工一个手机的外壳的话, 这个过程可能会用到铣平面、钻螺丝孔还有刻那个品牌的标志这些操作, 一般情况下整个加工的步骤是不需要人工来插手的, 除非是有工人手动地把它暂停了, 又或者是出了什么故障像刀具断了或者是电突然停了这些情况才会停下来, 现在的这种CNC机床都装上了传感器, 这种东西能在那个加工的现场实时盯着加工的状态, 一旦发现有什么不对劲的地方它就会自动发出警报。

CNC加工的类型

CNC加工这一回事儿, 它是覆盖了多种多样的工艺的。每一样工艺, 都是专门针对特定的那些材料和特定零件的需求所存在的。主要的那些类型, 它们包括: CNC铣削, CNC车削, CNC钻孔, CNC磨削, 还有CNC。

CNC铣削

CNC铣削会使用铣刀从工件上去除材料, 并按照既定的规格要求完成高精度加工。通常情况下, 工件会被固定在一个特定的位置不动, 而高速移动的切削工具负责对工件进行切除作业以达到去料的目的。数控铣床这类设备能够支持多种不同的切削工具进行选择和使用, 因为每一种工具都有其独特的作用和功能场景。

在常见的切削工具列表中, 包括了立铣刀、铰刀、端面铣刀以及丝锥这些典型代表。CNC铣削工艺非常适合用来对平面区域、槽口结构、孔洞部位以及复杂的曲面形态实施加工操作。像是给一个模具进行加工这个事情的话, 那么为了达成多角度的切削要求, 可能就需要用到五轴铣床。

CNC车削

CNC车削, 也被称作是车床加工这个操作过程, 它就是把金属这种材料或者是塑胶这种材料给固定在旋转卡盘上面, 然后让切削刀具把这些正在旋转的工件材料给均匀地去除掉, 一直到形成你所需要的那个形状位置为止, 这种CNC车削方式适用于去生产那些圆柱形的或者是具有对称性质的零件。

CNC钻孔

CNC钻孔是使用旋转钻头在工件上面去开孔的, 这个工艺是比较简单的, 效率也是比较高的, 比如说电路板上面的安装孔, 通常是使用CNC钻孔来完成的。

CNC磨削

CNC磨削这个工艺, 它是通过使用高速旋转的砂轮来对工件的表面进行精细的加工操作, 这样可以获得一个非常光滑、光洁度特别高的表面效果, 这种技术经常被用来处理那些需要很高精度的零件, 比如说轴承还有齿轮等精密零部件, 同时在选择砂轮的时候, 是要根据具体要加工的材料来决定使用哪一种类型的砂轮, 例如可以使用金刚石材质的或者是氧化铝材质的砂轮。

其他CNC加工工艺

激光切割是利用激光束把金属、塑料或者木材进行切割, 这样的方法的精度能够达到0.1mm。

等离子切割这一方式, 是通过高温 弧去对导电材料实施切割操作的, 该操作是特别适合厚钢板的进行的。

水刀切割这件事, 它是利用了高压水流来切割各种各样的材料的, 因为它没有热影响区, 所以它适合用来切割石材和玻璃。

电火花加工这个方法呢, 它是靠电出现火花这样子的东西来把那种材料给融化的, 因此说, 用它来进行那种复杂的模具的加工工作, 那可是相当合适的。

CNC加工材料

CNC加工支持多种材料, 满足不同行业需求:

铝合金

铝合金是那种被广泛应用在各地的金属材料, 它有很多特点, 其中就包括了重量轻、强度高、容易进行加工处理以及耐腐蚀性能很好的优势。我们知道铝这种物质的密度大概是在每立方厘米2.7克的样子, 这个数值仅仅是铜和钢密度的三分之一。

人们平常会用到好多种型号的铝合金, 这些型号一般被叫做常用牌号, 具体的例子包括1060, 2A12, 2024, 5052, 6061, 6063, 7075等。

不锈钢

不锈钢, 其实就是由好几种金属, 通过不同的比例, 搭配起来搞成的合金钢。它主要的原料呢, 包括碳、铁、还有铬、镍、钼这些金属。这里面有个硬规定, 那就是里面的铬的比例, 必须得大于百分之10.5, 这样才能被叫做不锈钢。

这种材料, 优点可不少, 力气大, 延展性好, 耐摩擦也不容易坏, 还抗腐蚀, 最关键的是, 它是真的很容易焊接, 也容易加工和抛光。所以说, 不同原料配比的不锈钢, 它们各有各的特性, 也因此有了各种各样的用途。

常用的不锈钢牌号包括：301，303，304，304L，316，316L，420，430,440C,17-4PH等

黄铜

黄铜这种物质, 它是由铜元素和锌元素混合在一起的。它是一种属于铜合金范畴的材料。它有延展性这一点特点。它也有耐磨性这一点特点。它还有耐腐蚀性这一点特点。它的另外一个特点是容易加工。它的最后一个特点是易于导电。

我们平时所会去用到的一些黄铜的常见牌号, 是包括了像H59, 还有比如说H62这类在内的。

钛合金

钛合金是数控机床的良好材料, 因为它强度高。钛合金重量轻。它不容易生锈。它可以安全地在人体内使用。它具有生物相容性。

大家平常会用到的钛合金的牌号, 这个里面是包括了像是TA1的, 还有TA2的这个, 也包括了像TA5这样的, 而且呢, TC4也是在这个范围里面的。

ABS-工程塑料

ABS这个材料是把丙烯腈、丁二烯和苯乙烯这三种化合物给结合在一起而弄出来的, 大家是取了它们英文名字的第一个字母, 然后把它合起来才叫成ABS的, 它的中文全称就是「丙烯腈－丁二烯－苯乙烯」。

ABS材料是把三种化合物结合起来之后做出来的东西, 它具备了好几种特性, 一个是耐油性, 再一个就是稳定性相当高, 还有强韧劲儿也很足, 还能耐得住冲击, 不过这一点有点奇怪, 因为它明明是透明无色的, 但流动性确实是很好的另外, 它的密度也比较低, 所以在CNC也就是计算机控制加工这个领域里，它是经常被用到的, 经常用它来制作电子电器设备的外壳、汽车的零配件、机械方面使用的工具、大家很熟悉的乐高积木玩具、穿衣服时用的扣子、家里的橱柜、文具产品、保护头部的安全帽、还有装电池的那个盒子等等这些物品。

PC-聚碳酸酯

聚碳酸酯（）, 它是一种塑胶材料。这种材料具有高韧性特点。同时具备耐冲击强度高的特征。它的耐冲击强度比普通ABS材料更高。外观呈现透明无色状态。还具有良好的耐热性。在加工方面容易进行。在上色方面也较为轻松简便。

POM, 也就是赛钢。

聚甲醛树脂（）, 也被称作赛钢。它的拉抗强度很高, 也耐冲击。它对于汽油、溶剂与其他化学物质的耐腐蚀性很强。它具备与金属类似的物理性质。它是所有塑胶材料中最容易进行加工的的一种。赛钢被经常用于汽车、家电、建筑、电子、卫生用品等领域。

PTFE-特氟龙

PTEE, 也就是大家常说的铁氟龙, 因为它拥有非常出色的耐候性能, 还有优良的绝缘性, 同时也具备耐磨、不沾黏, 以及能够抵抗酸和碱的特性, 所以它得了个“塑中之王”的美名。而且在所有的塑胶材料里面, 它是少数几种能够承受得住200℃高温的那种材料。

HDPE-高密度聚乙烯

HDPE, 也就是高密度聚乙烯, 这个名词本身并没有把英文全称写全, 而是用一个空格代替了。它具有很多不错的特点。首先是对于化学物质的耐受程度比较不错。然后是它的韧性很强, 同时弹力也很强, 耐气候变化的性能也是很好的。并且这种东西比较容易进行加工。成本比较低。还允许用来和食物接触。

PEEK, 也就是聚醚醚酮。

PEEK也就是聚醚醚酮这种材料, 它具有极高的耐热性。同时它对化学物质的抵抗能力也非常强, 它能够适应超过260℃这样的高温环境。所以它可以在比较恶劣的环境之中进行长时间的使用。不过把PEEK和其他类型的塑胶材料放在一起比较的话, 会发现它的价格是比较高的。

CNC加工的优点

CNC加工方面存在一些优点, 这些优点具体如下:

所谓的精度非常高这一点, 体现在CNC加工出来的零件有着非常精确的规格尺寸, 这些零件在制造的过程中完全不需要专家和操作人员去给予持续的关注和盯着, 这是因为所有的操作都是依靠计算机来进行控制的, 所以人为出现错误的这种可能性几乎就可以被忽略不计了, 经过CNC加工之后所能达到的公差数值最高是可以达到±0.005mm的, 这样的精度水平是完全可以满足航空以及医疗这类对要求极其高的行业的。

效率相当高，采用了自动化的数控加工方法, 这种方法最大限度地减少了人工干预的需求, 这就让制造周期里实现了更快的速度。

生产过程也能保持一致性, 这是通过预编程指令做到的, 数控机床可以根据这些指令重复复制相同的零件, 就拿传统的做法来说, 手工加工一个零件可能需要花费好几个小时的时间, 可是如果用CNC加工的方式, 只需要几分钟就能完成了。

复杂几何形状的加工, CNC机床可以提供多达6个加工轴, 这提供了制造复杂零件的能力。通常情况下, 使用机器来制造某个零件, 是需要经过多次设置, 才可以把各个特征都加工出来。

更高的轴能力, 减少了所需要的设置数量, 这样就让制造那些高度复杂的数控加工零部件的潜力, 变得更强了。举个例子, 5轴的这种加工方式, 能够切割出3轴的机器所没那种能力角度的地方。

CNC加工应用场景

在如今许多的行业里面, CNC加工这种手段是绝对少不了的重要环节。下面就把几种主要的应用情景来给大家说明一下:

在航空航天领域, 进行高精度零件的生产工作, 这些零件包括了涡轮叶片以及起落架等, 这样做是为了确保轻量化效果与安全性要求都能得到保证。

在汽车制造领域, 大家会去制作引擎缸体、传动轴还有内饰零件, 这样做能够把性能提升, 并且也能让燃油的效率变高。

在医疗服务领域, 涉及到医疗设备的生产和销售内容, 具体包含了生产骨科植入物与手术室用的器械产品, 其必须满足生物兼容性所提出的相关标准要求的。

在电子这个行业里头, 它是用来加工那些电路板支架的, 同时也是用来加工散热器的, 还要用来加工设备的外壳, 以此来满足那种小型化的需求, 同时也要满足高散热的要求。

在建筑与艺术领域, 通过雕刻包括大理石台面在内的复杂石材图案, 能够有效提升整体装饰效果。

机器人与自动化领域会用到快速原型制作技术, 这一技术支持机器人关节以及外壳的开发工作, 这里涉及到了#CNC数控加工#。