什麼是減材製造？方法、材料和製造導向的設計技巧

從飛機引擎零件到外科植入物，世界上大多數精密零件都是採用減材製造流程製造的。

儘管3D列印技術取得了長足進步，但各行各業仍依賴減材製造來確保精度、強度和可重複性。因此，在這篇文章中，我們將解釋什麼是減材製造、它的工作原理以及為何它在今天仍然至關重要。

什麼是減材製造？

減材製造是透過從實心工件上去除材料來製造零件的。它以塊材、坯料或板材為原料，利用切削刀具去除多餘材料。常見的加工工序包括鑽孔、磨削、銑削和車削，這些工序均由CNC系統控制。該工藝能夠對金屬、塑膠以及複合材料實現嚴格的公差控制（通常為 0.01 至 0.025 毫米）和光滑的表面光潔度。

減材製造在現代生產中扮演什麼角色？

減材製造流程在原型製作、大量生產和客製化模具製造中佔據主導地位。超過 80% 的汽車、航空航太和醫療零件採用減材加工，以確保其可靠性、精度和材料適用性。即使積層製造技術不斷發展，大多數實體產品——尤其是高強度或高精度零件——在最終完成之前仍需要一些減材加工工序。

另請參閱： 增材製造與減材製造

減材製造的工作原理：從CAD模型到成品零件

將數位設計轉換為實體組件是一個精確的多階段工作流程，每個步驟都建立在前一個步驟的基礎上。

設計與 CAD 建模

減材製造流程始於詳細的三維CAD模型，該模型明確了材料、幾何形狀以及關鍵公差。在此階段，設計人員必須考慮壁厚和刀具進出等實際製造因素，以確保零件能夠順利生產，避免代價高昂的修改。

CAM編程和刀具路徑生成

CAM軟體 然後使用 Fusion 360 或 SolidWorks 等軟體，將最終的 CAD 模型轉換為機器指令（G 程式碼）。它產生最佳刀具路徑，並計算進給率和切削速度等參數。例如，加工鋁材時，表面速度可達 150 至 300 公尺/分鐘，而加工硬度較高的鋼材則需要較低的速度（80 至 180 公尺/分鐘）以延長刀具壽命。

機器設定和夾具

接下來，機械師用虎鉗或夾具固定原料塊，並裝上切削刀具。這一步驟對於建立所有工序的精確零點或基準（G54）至關重要。同時，也要最終確定冷卻液的選擇，以控制熱和熱膨脹。

另請參閱： 數控加工中的工件夾持方法

切割、檢驗和精加工

最後，機器執行G程式碼，切削掉材料，露出成品零件。機械師可能會使用卡尺進行製程檢測，以驗證精度。加工完成後，零件還要經過精加工步驟，例如 陽極氧化進行去毛邊或熱處理，以達到外觀和性能的最終規格要求。

At RICHCONN我們的機械師負責整個組裝流程——從夾具安裝到刀具更換——並採用先進的計量技術，例如三坐標測量機 (CMM) 檢測。這有助於確保每個零件從第一次生產就符合規格要求。

核心減材製造方法

現代製造業依賴多種不同的減材製造工藝，每種工藝都針對特定的幾何形狀和精度要求而專門設計。

數控加工與自動化

數控加工利用預先編程的G代碼，以微米級的精度自動去除材料。與手工加工不同，數控系統具有極高的重複性。這使得連續生產成為可能，每個零件與CAD模型的匹配度都能達到±0.025毫米甚至更高。這種高精度是透過幾個專門的操作來實現的，我們接下來將對此進行討論。

數控銑床

銑削加工使用旋轉的多點刀具從靜止的工件上去除材料。這些工具機通常具有 3 到 5 個軸，最適合加工支架和外殼等非對稱棱柱形零件。它們可以加工需要軸同步運動的複雜特徵，例如槽、凹槽和三維輪廓。

CNC車削

開啟 車床加工是指車削工件高速旋轉，並與固定的單點切削刀具進行切削。這種方法是製造圓柱形零件（例如襯套、緊固件和軸）的標準方法。由於車削始終保持與工件的接觸，因此與銑削相比，車床能夠獲得更高的同心度和圓度。

鑽孔、鏜孔和擴孔

鑽孔用於創建初始孔，但精度有限（IT11 至 IT13），且表面粗糙度較高（Ra 6.3 至 12.5 µm）。鏜孔則將這些初始孔擴大到精確直徑，並提高同心度。鉸孔是最終的精加工工序，可將孔進一步細化到嚴格的公差（IT7 至 IT9）和光滑的表面（Ra 0.8 至 3.2 µm）。

另請參閱： https://richconn.com/cnc-drilling-vs-cnc-boring/

研磨和表面精加工操作

磨削製程使用砂輪去除極少量材料，可達到±0.002毫米的精度。對於堅硬過高、傳統刀具無法加工的硬化金屬，磨削過程至關重要。此製程可獲得超精細的表面光潔度（Ra < 0.4微米），這對於需要低摩擦和完美密封的配合表面至關重要。

先進和非傳統減材製造工藝

除了傳統工具外，還採用先進工藝來處理難以加工的材料和複雜的幾何形狀。

電火花加工 (EDM)

電火花加工 (EDM) 利用可控電火花而非物理接觸來侵蝕硬化工具鋼 (HRC 60+) 等導電材料。

透過保持電極與工件之間精確的間隙（通常為 5 至 50 µm），該技術能夠加工出具有銳利內角的複雜幾何形狀，並實現高達 ±0.005 mm 的公差。它能夠提供卓越的表面光潔度，通常無需拋光即可達到 Ra 0.1 至 0.8 µm。

雷射切割和雕刻

激光切割 它利用高能量光束（400W 至 12kW）高精度地熔化和汽化材料。該設備以其速度快而著稱，能夠以最小的浪費打造精細的細節特徵。它適用於金屬和非金屬材料，特別適用於板材加工，但可能會留下較小的熱影響區。

水射流切割

這種方法使用高壓水流（高達 90,000 psi），通常會混合石榴石等磨料。其主要優點在於它是一種冷切割工藝，因此不會產生熱影響區 (HAZ)。這可以保持材料的結構完整性，使其非常適合熱敏合金、複合材料以及石材。

混合加工系統

混合系統將增材3D列印和減材CNC銑削等方法結合在一台設備中。這使得我們可以先以積層方式建造複雜的近淨成形零件，然後再對關鍵介面進行精密加工，達到精確的公差。該工藝顯著減少了高價值航空航天和醫療部件的材料浪費和交貨時間。

用於減材製造的材料

減材製造需要選擇合適的材料才能高效生產。材料的選擇會影響成本、模具以及最終加工零件的品質。

金屬及合金

常見的減材製造金屬包括鋁、鈦、鋼、不銹鋼、銅合金和鎳基高溫合金。鋁和銅合金加工速度快，而鋼、鈦以及高溫合金則更注重剛性、強度和耐腐蝕性。

工程塑膠及複合材料

工程塑膠是一種輕質且耐化學腐蝕性良好的替代材料。尼龍和PEEK等材料可加工成高性能、高精度的客製化零件。添加玻璃纖維等填料的複合材料強度較高，但需要特殊的模具。

工件庫存形狀及選擇

減材製造始於一塊稱為坯料的實心工件。這種原料的形式包括棒材、塊材或板材。選擇合適的坯料尺寸和形狀有助於最大限度地縮短加工時間、減少材料浪費並降低整體生產成本。

材料特性如何影響模具和參數

每種材料的硬度、化學性質和導熱性都直接影響切削速度、刀具選擇和潤滑要求。較硬的材料，例如鈦，需要使用硬質合金刀具並控制進給速度以防止過熱。相比之下，較軟的材料，例如鋁，加工速度更快，但需要鋒利的幾何形狀才能獲得乾淨的表面光潔度。

減材製造中的可製造性設計

在任何以材料去除為關鍵的減材製造過程中，面向可製造性的設計（DFM）都能控製成本。

公差、配合和幾何尺寸

在減材製造中，更嚴格的公差並非總是更好，因為它會增加材料去除成本和時間。例如，±0.025毫米的公差由於需要精確切割，其成本可能是標準公差的四倍。因此，僅在功能上確有必要時才應用嚴格的公差。

銑削和車削加工特性設計

設計時應考慮標準刀具的使用。採用較大的內半徑（理想情況下大於型腔深度的三分之一），以便使用較大、較硬的刀具。避免使用過深的型腔；4:1 的深度與寬度比是常用的指導原則。

如果您與我們分享您的零件設計， RICHCONN 可以指出可能導致加工成本和時間增加的特徵，並提出一些小的、實用的調整，使零件更容易銑削或車削。

最大限度減少設定次數、工具更換次數和夾具複雜性

在減材製造流程中，每次工具機設定都會增加成本、時間和出錯風險。設計零件時，應盡可能使所有特徵都能從最少的方向進行加工。這樣可以簡化加工過程中工件的夾具設計。

原型製作生產的成本節約設計技巧

標準化孔徑等特徵，以最大限度地減少換刀次數。設計零件時，應使其尺寸與標準原料尺寸相符。這可以減少材料去除量，從而節省時間並最大限度地減少浪費。

工程師常犯的錯誤及避免方法

減材製造的大部分廢料和返工都源自於一些可重複的設計錯誤，我們現在就來討論一下。

1. 過度規定公差和表面光潔度要求

對每個特徵都採用嚴格的公差要求會導致報價虛高。例如，將公差從標準的±0.1毫米收緊到±0.01毫米，由於需要額外的檢驗和降低工具機速度，成本可能會增加兩倍。為了降低加工成本，應僅對關鍵的密封或配合表面採用嚴格的公差要求。

2. 忽略刀具進出和工件夾持限制

深凹槽、尖銳的內角以及隱藏的特徵都會限製刀具的加工。加工深凹槽需要使用長刀具，這會增加廢料和顫振，而加工底切則需要專用刀具或五軸機床。這都會增加成本。因此，請務必儘早透過 CAD/CAM 模擬驗證加工可行性，並設計便於標準刀具加工的特徵，以減少設定次數和生產時間。

3. 使用難以加工的材料等級

選擇難以加工的材料而沒有明確的需求，會增加成本和交貨時間。高溫合金和硬化鋼切削速度慢，刀具磨損快，這會增加加工週期和刀具費用。在許多情況下，使用更軟、更常見的合金就能以更低的成本完成加工。

At RICHCONN 我們可以幫助您審查材料選擇，並建議能夠滿足您的要求但加工效率更高的替代品。

4. 未提供清晰的幾何尺寸和公差 (GD&T)、圖面或製造說明

圖紙含糊不清，缺乏明確的基準，迫使機械師猜測對齊方式。這往往會導致一批批產品報廢。實施 幾何尺寸和公差 (GD&T) 明確定義參考平面與關鍵特徵之間的關係。此外，清晰的文件記錄可以消除解釋錯誤，並減少昂貴的來回溝通。

5. 忽視後處理、精加工和二次加工

工程師常常忽略陽極氧化等表面處理會增加零件的物理厚度。這種厚度的增加會導致精加工後精密特徵的尺寸偏小。為了彌補這一偏差，請務必從原始加工尺寸中減去預期的塗層厚度。

減材製造的優點與局限性

與加法製程相比，減材製造製程具有無可比擬的精度，但面臨同樣的幾何限制。

我們的強項

• CNC加工通常能達到±0.025毫米或更高的公差，這優於一般水平。 3D印刷.
• 它可提供 Ra 1.6 至 3.2 µm 左右的卓越表面光潔度，精細加工後可達 Ra 0.4 µm。
• 機械加工的零件保持各向同性強度，在各個方向上性能均勻。

限制

減材製造方法難以處理複雜的內部形狀或有機形狀。切削刀具難以觸及內部通道、深腔或其他封閉空間。不尋常的設計也增加了夾具的製作難度。在這些情況下，積層製造或3D列印通常是更好的選擇。

交付週期、可擴展性和成本考量

雖然減材製造的初始成本較高，因為需要編程和夾具，但隨著產量的增加，單位成本會下降。對於超過100件的產量，CNC加工通常比焊接更經濟。 添加劑製造然而，複雜零件的高材料浪費會降低成本效益。

減材製造與積層製造及成型

快速參考表

獨特之處	減材製造（CNC）	積層製造（3D列印）	成型（注塑/鍛造）
工藝原理	材料去除	逐層建造	透過力/模塑成型
材料浪費	高	低	最小
加工成本	中（切割機/夾具）	低（無需工具）	高（模具/沖模）
幾何靈活性	受工具存取限制	近乎無限	依賴黴菌
體積	中低	低（原型製作）	高（大規模生產）
表面處理	優越	粗糙（層線）	良好（順滑）

關鍵要點

• 選擇減材製造工藝，可生產出具有超強強度和光滑表面的精密零件。
• 使用積層製造技術製造複雜的內部幾何形狀或快速原型。
• 選擇合適的成型工藝，以大量生產簡單的金屬零件。

減材製造技術的工業應用

由於其精度高、材料適用性強，減材製造仍是關鍵領域生產高性能零件的主要方法。

汽車、航空航太和國防零件

這些產業需要能夠承受極端壓力和溫度的安全關鍵零件。減材製造流程可將鈦和因科鎳合金等高強度材料加工成引擎缸體、渦輪葉片以及機身，公差可小至±0.005毫米。 CNC加工的可靠性確保這些零件符合嚴格的ISO標準。 AS9100 標準.

醫療器械和植入物

製造商依靠數控加工技術，利用鈦合金（Ti-6Al-4V）和聚醚醚酮（PEEK）製造生物相容性植入物。此工藝可形成光滑、無孔的表面，這對於骨螺釘、髖關節和手術器械至關重要。這最終可防止細菌滋生，並確保骨整合。

生產線用工具、模具和夾具

減材製造是打造耐用模具、推動大規模生產的關鍵。採用數控銑削和電火花加工技術，將硬度超過50 HRC的工具鋼加工成複雜的注塑模具和壓鑄模具，從而獲得鏡面般的表面光潔度。

能源部門

發電設備，包括燃氣渦輪機和風力渦輪機，需要體積龐大且經久耐用的零件。數控鏜床和車床加工大型軸和齒輪箱殼體，使其能夠在惡劣環境下連續運作。

通用機械加工零件

除了專業領域外，減材製造還用於製造無數通用零件。諸如支架、客製化齒輪、外殼、滑輪和軸等零件，通常透過減材製造流程加工而成，用於各種機械和消費品中。

複雜機械零件

先進的多軸數控工具機還可以製造高度複雜的幾何形狀。這些減材製造流程可以生產具有複雜三維輪廓和表面的零件，例如葉輪、醫療假體以及先進的光學元件。

從專家取得減材製造服務

對於高風險專案而言，找到擁有 ISO 認證精確度的合作夥伴至關重要。減材製造需要嚴格的品質控制，以確保零件符合嚴格的規格要求。像 ISO 9001 認證的公司 Richconn 他們能夠提供這種可靠性。他們可以提供專家服務。 數控銑削和車削服務 公差可達±0.005毫米。

總結一下

減材製造仍是實現高精度公差和卓越表面光潔度的黃金標準。從航空航天合金到工程塑料，這些工藝確保了關鍵部件無與倫比的結構完整性。

如果您需要任何類型的精密 CNC 加工服務，那麼 Richconn 是您最好的選擇。你可以 聯繫我們 隨時隨地。

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