什麼是CNC工藝？
CNC代表「計算機數字控制」，是指機器由控制器發出的一組命令進行控制。控制器發出的命令代碼通常為坐標列表的形式，稱為 G 代碼。由此類代碼控制的任何機器都可稱為CNC機器，包括銑削機、車床甚至等離子切割機。在本文中，我們將重點介紹不同類型的CNC銑床和車床及其組合。CNC機器的移動可由它們的軸來定義，包括 X 軸、Y 軸和 Z 軸，比較先進的機器還包括 A 軸、B 軸和 C 軸。X 軸、Y 軸和 Z 軸表示主要的笛卡爾向量，A 軸、B 軸和 C 軸代表軸的旋轉。CNC機器通常使用最多 5 個軸。下面列出了典型的CNC機器。
- CNC車床 – 此種車床的工作方式是在車床的卡盤中旋轉材料。然後工具在 2 個軸上移動，切割出圓柱形部件。CNC車床能夠形成曲面，而手動車床則很難甚至不可能形成曲面。工具通常是不旋轉的，但如果是動力工具，則也可移動。
- CNC銑床 – CNC銑床通常用於製造平坦的部件，但比較複雜的機器具有更多的自由度，能夠產生複雜的形狀。材料是靜止不動，主軸隨著工具旋轉，工具沿著 3 個軸方向移動以切割材料。某些情況下，主軸是靜止的，而材料則會移動。
- CNC鑽孔 – 此種機器類似於CNC銑床，但它經過專門設計，只沿一個軸方向進行切割，也就是只沿 Z 軸向下鑽入材料中，而從不沿 X 軸和 Y 軸方向切割。
- CNC磨床 – 此種機器讓打磨砂輪接觸到材料中，產生高質量的表面。其設計目的是除去硬質金屬上的少量材料；因而被用作一種表面處理操作。
減材製造
CNC機械加工通過減材製造來生產部件。此種加工基本上是將材料從實心坯上除去，形成需要的形狀。它可通過我們上面提到的任何方法完成，例如銑削、車削、研磨或鑽孔。增材製造則是相反的工藝，從無到有添加材料，進而形成部件，例如 3D 打印。
工裝
工裝執行所有切割工作。工具通常根據需要安裝在工具架上，或者裝載到主軸上。在製造完整部件的過程中，需要用到很多不同的工具，不存在任何萬能通用的製造方法。下面列出了在典型機械加工中常用的工具。
銑削工具
立銑刀– 立銑刀是一種常見的工裝，通常能夠在 3 個方向上進行切割。它分為不同的樣式，例如平頭、圓角半徑、球頭和錐柄等；具有不同的刃數、螺旋角、基材和塗層材料。
面銑刀– 面銑刀可在很大的表面區域上進行切割，也就是正平面銑削。它的切割邊緣通常是工具邊緣上，銑齒通常為硬質合金刀片。
螺紋銑刀– 螺紋銑刀可產生螺紋，其工作方式是圍繞輪軸以螺紋方式旋轉，從而切割出螺紋形狀。
切口銑刀– 使用此類銑刀可沿著部件長度方向形成 T 形槽。由於此種工具的幾何形狀，它必須從材料的開口端進入和退出。
車床工具
外徑車削– 顧名思義，此種工裝設計用於在部件的外徑上進行切割。它可能是實心工裝，可將部件加工為所需的形狀，也可能是硬質合金刀片。
內徑切槽和螺紋– 此類工具通常比較細，能夠在鑽孔後進入部件內部，在內徑上進行切槽，或者在內部形成螺紋。
切斷– 切斷工具用於在其他所有操作完成之後切斷部件，作為終操。
鑽孔– 用於在部件的縱向上鑽孔，所鑽的孔必須鉸除或鑽出，以達到目標公差。
工裝材料
可按照工具本身的材質對工具類型作進一步細分。下面列出了常用的工裝材質：
- 高碳鋼– 它是成本更低的機械加工工具，使用壽命不長。它會在大約 200℃ 溫度下失去硬度。
- 高速鋼 (HSS) – 它比碳鋼工具更加常用，因為它的使用壽命更長，在 600°C 溫度下才會失去硬度，因而能夠以更快的速度進行切割。
- 硬質合金– 硬質合金工具比 HSS 的硬度更大，但剛性較低，如果操作不當，可能出現斷裂。它可耐受高達 900℃ 的溫度。
- 陶瓷– 此類切割工具的硬度極大，通常僅用於在很高溫度下切割硬質材料。它有兩種常見的材料，也就是氮化鋁和氮化矽。
- 立方氮化硼– 此類工具非常適合淬火鋼和高溫合金，具有出色的耐摩擦性和熱阻性。
CNC加工的優缺點
CNC加工已逐漸成為製造業的主流，因為它比使用手動操作的機器更加高效。下面列出了CNC機器的一些優缺點。
| 優點 | 缺點 |
| 比人工操作更快 | 機器成本昂貴 |
| 人工操作在速度和精度上無法與CNC機器相提並論。在大批量生產環境中，使用手動機器只會導致經濟損失。 | CNC機器是非常先進的設備，具有非常高的公差和剛性。它讓使用者能夠製造數百萬計的部件，並且保證高質量。但高質量也意味著高成本；而且機器越先進，成本也越高。 |
| 生產成本降低 | 需要高技能操作人員 |
| 如果材料的裝卸進一步實現自動化，CNC機器將能夠不間斷運行，而無需人員值守。另外，一名操作人員可操作多台機器，從而抵消較高的人力成本。 | 雖然需要的操作人員數量較少，但CNC機器需要高技能操作人員，因而也會增加人力成本。 |
| 效率提高 | 維護成本增加 |
| CNC機器可在不到一秒時間內從一個操作切換到下一個操作。工具的更換可非常快速地完成，因為一些機器的轉塔上預安裝了很多工具，或者有工具庫，可在需要時將新工具裝載到主軸上。 | 由於CNC機器的複雜性，其維護成本遠高於手動機器。 |
| 安全性提升 |
CNC銑削和車削機器的類型
CNC銑削機器
- 立式加工中心(VMC) – 立式加工中心的主軸保持在同一個位置，車床在它下方移動。某些情況下，車床向上移動，與主軸接觸，或者主軸可沿 Z 軸方向上下移動。此類機器的剛性很高，因而能夠生產高精度的組件。它的缺點是工作區域相對較小。VMC 可能有 3 個軸（X、Y、Z）、4 個軸（X、Y、Z、A）甚至 5 個軸（X、Y、Z、A、B）。
- 臥式加工中心(HMC) – HMC 機器的主軸為水平方向，而不是垂直方向。此類機器非常適合長期生產，因為只要有足夠的工作量，它能夠加工的部件數量達到 VMC 的 3 倍。HMC 的價格遠比 VMC 昂貴。當另一個部件正在製造時，可將一塊材料固定在機器的車床上。因此可實現連續生產，主軸能夠輕鬆移動到準備就緒的下一塊材料，迅速完成更換。
CNC車床
- CNC車床能夠在只有一個卡盤和兩個軸的情況下進行加工。CNC車床分為以下幾種類型：
- 普通車床– 它基本上是一種標準車床，相對比較通用。它的英文名稱中包含「Engine」一詞，因為此類車床過去是通過安裝在機器外的引擎的滑輪驅動。普通車床就是車床上有電機的車床。
- 轉塔車床– 轉塔車床可顯著加快生產速度，因為所有需要用到的工具在製造之前已經裝載到轉塔上。當需要新工具時，只需旋轉到相應位置即可。
- 工具室車床– 工具室車床用於高精度、小批量的作業。顧名思義，此類車床用於製作工具和模具。工具室車床的功能也非常通用。
- 高速車床– 此類車床主要用於輕作業，它的結構非常簡單，包括主軸箱、尾座和刀架。
- CNC車削中心– 此類車床非常先進，提供一系列功能，包括銑削和轉塔刀架，甚至還有第二條主軸。車削中心也分為立式和臥式。臥式車床讓從部件落下的切屑進入切屑輸送機，而立式車床則在部件卡入卡盤時，讓重力幫助除去切屑。立式車床更容易實現自動化。至於哪種類型的車床更加適用，要視具體的應用而定。
材料
CNC機器能夠處理多種材料，從鋁到高溫合金（例如鉻鎳鐵合金）。每種材料都有自身的一系列挑戰，需要特定的工裝、速度和進給方式。
鋁
由於鋁是一種非常柔軟的金屬，因而存在黏在切割工具上的風險。鑑於鋁的熔點低，對鋁進行適當的回火以提高硬度，能改善它的可加工性。
碳鋼
由於鋼材分為很多等級，因而很多因素都會影響材料的整體可加工性，比如冷作、化學成分、顯微組織等因素。一般來說，由於潤滑作用，鉛和錫等元素能夠提高切割速度，硫可減少切屑的應變硬化。
鈦
鈦有很多合金類型，每種合金都面臨著自身的挑戰。理想情況下，工具必須與材料不斷發生作用，因為停留在某個區域將會導致摩擦、熱量聚積、加工硬化和工具磨損。純鈦的特性類似於鋁，也會黏上切割工具，但它的合金通常硬度更大，可能導致熱量聚積和工具磨損。低轉速和高切屑載荷可延長工具使用壽命，因為能讓溫度得以降低。
高溫合金
高溫合金在高溫下具有很高的強度，因而很難進行加工。要對此類材料進行加工，必須有性能更強大的機器。高溫合金會很快發生加工硬化，使得隨後的加工更加困難。通常建議保持較低切割速度。
銅
眾所周知，銅是一種非常難加工的材料，因為它具有展延性，經常會捲在工具四周，而無法切割。它主要用於需要高導電性和高傳熱係數的電力組件和熱交換器組件。對於純銅，通常可採用高速進給。與純銅相比，銅合金的加工容易得多。
塑料
塑料分為數千種，從熱固性塑料到普通熱塑性塑料等。塑料的硬度和機械特性也是千差萬別。只有剛性塑料可很好地進行加工，保持在公差範圍內，而軟質塑料在通過切割工具時經常發生變形，導致部件的外形尺寸不符合規格。由於塑料是一種絕緣體，因而熱量經常在切割邊緣聚積，如果不小心，塑料將會熔化。
可能出現什麼問題？
雖然CNC機器實現的用途和功能非常多，但也存在一些風險。下面列出了在CNC加工中經常出現的一些錯誤。
CNC系統崩潰–CNC機器是不會自主思考的；它只會依照人的指令進行操作。如果編程不正確，機器可能在一毫秒時間內讓切割工具切割到自身。機器通常會檢測到系統崩潰，並且停止運行，但此時可能已經造成損害。有多種軟件工具可幫助降低此類風險。在將代碼上傳到機器之前，可對工具操作路徑進行仿真模擬。使用標準的計算機輔助製造 (CAM) 軟件，很難模擬比較複雜的 5 軸機器，在 CAM 代碼編寫和將代碼上傳到機器之間的環節，需要使用其他的軟件。
不當的速度和進給– 速度和進給對於生產高質量加工組件至關重要。如果使用錯誤的設定，將會加快工具磨損，導致表面處理和公差達不到標準。速度和進給的正確設定是一個複雜的主題，因為每種材料及其合金都需要不同的設定，才能達到理想的切割效果。要達到合理設定，通常需要經過幾次嘗試。
缺少維護– 與任何複雜機器一樣，缺少維護會導致CNC機器很快損壞。機器必須保持清潔，且嚴格遵守 OEM 維護計劃。
使用CNC技術的主要行業
凡涉及組件生產的任何行業都會受到CNC加工的直接或間接影響。下面列出了使用CNC加工的一些主要行業。
航空航天– 航空航天需要具有很高精度和可重複性的組件，包括引擎中的渦輪葉片，用於製作其他組件的工裝，甚至火箭引擎中使用的燃燒室。
汽車和機器製造– 汽車行業需要製造高精度的模具，用於鑄造部件（例如引擎座）或加工高公差部件（例如活塞）。龍門式機器可鑄造粘土模組，在汽車的設計階段中使用。
軍工– 軍工行業使用公差要求嚴格的高精度組件，包括導彈組件、槍筒等。軍工行業的所有加工部件都能從CNC機器的精度和速度中受益。
醫療– 醫療植入裝置通常設計為適合人體器官的形狀，必須採用高級合金製造。由於沒有手動機器能夠生成此類形狀，因此CNC機器成為必需品。
能源– 能源行業涵蓋所有工程領域，從蒸汽渦輪到核聚變等尖端技術。蒸汽渦輪需要高精度的渦輪葉片，用以維持渦輪中的平衡，核聚變中的 R&D 等離子體抑制空腔的形狀非常複雜，採用先進材料製造，需要CNC機器的支持。
CNC技術的當前趨勢
隨著近年的科技發展步伐加快，我們感覺增材製造將成為CNC加工的主流，但更可能出現的情況是越來越多的新興製造中心將多種技術組合到一台機器上，從而充分利用減材和增材製造機器的優勢，開發出功能強於兩者之和的機器。目前已經出現了此類機器的早期應用。
此外，通過第四次工業革命，自動化取得了極大進步，將開發出自動化程度更高的系統，能夠進行自我診斷和自動化優化，很少需要人工干預。將來，產品有望按照消費者的個人要求進行製造，而CNC機器憑藉出色的靈活性，能夠讓此願景變為現實。