為了充分利用CNC加工的能力，設計師必須遵循特定的制造規則設計。但這可能是一個挑戰，因為不存在特定的行業标準。在這篇文章中，我們用CNC加工的最佳設計實踐彙編了全面的指南。
我們專注于描述現代 CNC 系統的可行性，而忽略了相關成本。有關為 CNC 設計高成本效益零件的指南，請參閱本文。
CNC加工
CNC加工是一種減法加工技術。在CNC中，使用各種高速旋轉（數千RPM）的刀具從實體塊中去除材料，以根據CAD模型生産零件。金屬和塑膠都可以CNC加工。
CNC加工零件具有高尺寸精度和嚴格的公差。CNC适用于大批量生産和一次性工作。事實上，CNC加工是目前生産金屬原型最具成本效益的方法，甚至與3D列印相比也是如此。
CNC主要設計限制
CNC提供了極大的設計靈活性，但存在某些設計限制。這些限制與切削過程的基本力學有關，主要與刀具幾何形狀和刀具通路有關。
1. 刀具幾何
最常見的CNC刀具（端銑刀和鑽頭）為圓柱形，切削長度有限。
當材料從工件上移除時，刀具的幾何圖形被轉移到加工零件上。這意味着，例如，無論使用多小的刀具，CNC零件的内角始終具有半徑。
2. 工具通路
為了去除材料，刀具直接從上方接近工件。無法通過這種方式通路的功能無法進行CNC加工。
這條規則有一個例外：咬邊。我們将在後一節中了解如何在設計中使用咬邊。
一個好的設計實踐是将模型的所有特征（孔、空腔、垂直牆等）與6個主要方向之一對齊。将此規則視為建議，而不是限制，因為5軸CNC系統提供先進的工件保持能力。
加工具有大深寬比的特征時，刀具通路也是一個問題。例如，要到達深型腔的底部，需要使用帶有長軸的專用工具。這會降低末端執行器的剛度，增加振動并降低可實作的精度。
CNC專家建議設計可使用最大可能直徑和最短可能長度的刀具加工的零件。
CNC設計規則
設計用于CNC加工的零件時經常遇到的一個挑戰是，不存在特定的行業标準：CNC機床和工具制造商不斷提高技術能力，擴大可能的範圍。
下面，我們總結了CNC加工零件中遇到的最常見特征的建議值和可行值。
1. 型腔和凹槽
型腔深度推薦：4倍腔寬
端銑刀的切削長度有限（通常為其直徑的3-4倍）。當深寬比較小時，刀具偏轉、切屑排出和振動變得更加突出。将空腔的深度限制為其寬度的4倍可確定良好的效果。
如果需要更大的深度，請考慮設計具有可變型腔深度的零件（示例參見上圖）。
深型腔銑削：深度大于刀具直徑6倍的型腔視為深型腔。使用專用工具可使刀具直徑與型腔深度之比達到30:1（使用直徑為1英寸的端銑刀，最大深度為30 cm）。
2. 内邊緣
垂直拐角半徑：推薦⅓ x型腔深度（或更大）
使用内角半徑的建議值可確定可以使用合适的直徑工具，并與建議的型腔深度的指南對齊。将拐角半徑稍微增加到建議值以上（例如增加1毫米），允許刀具沿着圓形路徑而不是90°角進行切割。這是首選，因為它可以獲得更高品質的表面光潔度。如果需要銳度90°的内角，考慮添加T形咬邊，而不是減少角半徑。
底闆半徑推薦 0.5毫米、1 毫米或無半徑；任何半徑立都可行
立銑刀的下刃為平刃或略圓刃。其他地闆半徑可使用球頭工具加工。使用推薦值是一種良好的設計實踐，因為這是機械師的首選。
3. 薄壁
最小壁厚推薦：0.8毫米（金屬）、1.5毫米（塑膠）；0.5毫米（金屬）、1.0毫米（塑膠）都可行
減小壁厚會降低材料的剛度，進而增加加工過程中的振動并降低可達到的精度。塑膠容易翹曲（由于殘餘應力）和軟化（由于溫度升高），是以建議使用較大的最小壁厚。
4. 孔
直徑推薦标準鑽頭尺寸；任何大于1毫米的直徑都可行
使用鑽頭或端銑刀加工孔。鑽頭的尺寸标準化（公制和英制機關）。鉸刀和镗刀用于精加工要求嚴格公差的孔。适用于小于⌀20 mm，建議使用标準直徑。
最大深度推薦4 x标稱直徑；典型的為10 x标稱直徑；可行的為40 x标稱直徑
非标準直徑的孔必須使用端銑刀加工。在這種情況下，适用最大空腔深度限制，并應使用建議的最大深度值。使用專用鑽頭（最小直徑3毫米）加工深度超過典型值的孔。用鑽頭加工的盲孔有一個錐形底闆（135°角），而用端銑刀加工的孔是平的。在CNC加工中，通孔和盲孔之間沒有特别的偏好。
5. 螺紋
螺紋尺寸最小為 M2；推薦為 M6或更大
内螺紋用絲錐切削，外螺紋用模具切削。絲錐和模具可用于将螺紋切割到M2。
CNC螺紋工具很常見，機械師首選，因為它們限制了絲錐斷裂的風險。CNC螺紋工具可用于将螺紋切割至M6。
螺紋長度最小值為1.5 x标稱直徑；推薦為3 x标稱直徑
施加在螺紋上的大部分載荷由少數第一個齒承擔（最大為标稱直徑的1.5倍）。是以，不需要超過3倍公稱直徑的螺紋。
對于用絲錐切割的盲孔中的螺紋（即所有小于M6的螺紋），在孔底部添加等于1.5 x标稱直徑的無螺紋長度。
當可以使用 CNC 螺紋刀具（即螺紋大于M6）時，孔可以貫穿其整個長度。
6. 小特征
最小孔直徑推薦為 2.5毫米（0.1英寸）； 0.05毫米（0.005英寸）都可行
大多數機械工廠中的房間将能夠使用直徑小于2.5毫米（0.1英寸）的工具精确加工空腔和孔。
低于此限值的任何東西都被視為微加工。加工此類特征（切削過程的實體變化在此範圍内）需要專用工具（微型鑽頭）和專家知識，是以建議避免使用，除非絕對必要。
7. 公差
标準：±0.125毫米(0.005英寸)
典型：±0.025毫米 (0.001英寸)
可行：± 0.0125毫米(0.0005英寸)
公差定義了可接受尺寸的邊界。可達到的公差取決于零件的基本尺寸和幾何形狀。以上數值是合理的指南。如果未規定公差，大多數機器工廠中的房間将使用标準±0.125毫米（0.005英寸）公差。
8. 文字和刻字
推薦字型大小為20（或更大），5毫米刻字
雕刻文字優選浮雕文字，因為去除的材料較少。建議使用大小至少為 20磅的無襯線字型（如 Arial 或 Verdana）。許多CNC機器都有這些字型的預程式設計例程。
機器設定和零件方向
需要多次設定的零件示意圖如下：
如前所述，刀具通路是CNC加工的主要設計限制之一。要到達模型的所有表面，必須多次旋轉工件。
例如，上面圖像的部分必須總共旋轉三次：兩次沿兩個主方向加工孔，第三次進入零件背面。
每當工件旋轉時，必須重新校準機器并定義新的坐标系。
在設計時考慮機器設定很重要，原因有兩個：
機器設定的總數會影響成本。旋轉和重新對齊零件需要手動操作，并增加總加工時間。如果零件需要旋轉3-4次，這通常是可以接受的，但任何超過此限制的都是多餘的。
為了獲得最大的相對位置精度，必須在同一設定中加工兩個特征。這是因為新的呼叫步驟引入了一個小的（但不可忽略的）錯誤。
五軸CNC加工
當使用5軸CNC加工時，可以消除對多台機器設定的需要。多軸CNC加工可以制造具有複雜幾何形狀的零件，因為它們提供2個額外的旋轉軸。
五軸CNC加工允許刀具始終與切削表面相切。可以遵循更複雜和高效的刀具路徑，進而使零件具有更好的表面光潔度和更低的加工時間。
當然，5軸CNC也有其局限性。基本刀具幾何形狀和刀具通路限制仍然适用（例如，無法加工具有内部幾何形狀的零件）。此外，使用此類系統的成本更高。
設計底切
底切是無法使用标準切削工具加工的特征，因為它們的某些表面無法從上方直接進入。
有兩種主要類型的底切：T形槽和燕尾榫。底切可以是單面或雙面，并使用專用工具進行加工。
T形槽切削刀具基本上由連接配接在垂直軸上的水準切削刀片制成。底切的寬度可以在3毫米和40毫米之間變化。建議對寬度使用标準尺寸（即整毫米增量或标準英寸分數），因為工具更可能已經可用。
對于燕尾榫刀具，角度是定義特征尺寸。45°和60°燕尾榫工具視為标準。
設計内壁有底切的零件時，請記住為工具添加足夠的間隙。一個好的經驗法則是在機加工壁和任何其他内壁之間增加至少等于底切深度4倍的空間。
對于标準刀具，切削直徑與軸直徑之間的典型比率為2:1，限制了切削深度。當需要非标準咬邊時，機械工廠中的房間通常會自行制造定制底切工具。這會增加傳遞周期和成本，是以應盡可能避免。
内壁上的 T 形槽（左）、燕尾槽底切（中）和單側底切（右）
起草技術圖紙
請注意，某些設計規範不能包含在STEP或IGES檔案中。如果您的模型包含以下一項或多項，必須提供2D技術圖紙：
螺紋孔或軸
有公差的尺寸
特定的表面光潔度要求
CNC機床操作員須知
經驗法則
1. 設計可使用最大直徑刀具加工的零件。
2. 添加大圓角（至少⅓ x型腔深度）至所有内部垂直角。