制造工艺相当复杂,生产方法的选择与此直接相关。
了解更多→现代工业生产严重依赖制造工艺,这需要极高的精度才能始终如一地获得高质量的结果。铣削、车削和钻孔工艺是材料去除的主要阶段,在这些阶段,减材制造公差公差开始发挥作用,并且所实现结果的差异是可以接受的。在这篇博文中,我们保留了减材制造公差的必要细节,重点介绍了它们如何影响产品设计以满足功能和行业效率要求。我希望本指南能够帮助您(无论是知识工程还是更具咨询性的项目管理方法)应对越来越严格的控制挑战以及越来越严格的公差对质量的影响。

减材制造是一种将大块材料转换为预定义几何形状物体的过程,方法是使用各种方法(例如车削、钻孔、磨削或铣削)切割出块体的各个部分。为了提高精度,通常在 CAM 合作制造商的帮助下完成。对于大多数生产,第一步是使用一块或一片材料,然后将其切割成所需的形状以完成最终产品。因此,该技术可以满足公差严格或几何特征非常复杂的部件的生产,这在航空航天、汽车和医疗器械产品的制造中最有用。
材料去除程序
减材制造采用大于所需工件的材料,并使用钻头、磨床或刀具逐步去除材料,直到达到正确的尺寸和形状。
精密且准确
该程序能够实现高水平的细节和精细的测量,这对于本质上错综复杂以及本质上复杂的设计是必需的。
工具控制
大多数现代减材制造都使用某种计算机控制机床 (CAM)。通过这种方式,工具可以自动编程和控制,从而减少出错的可能性并保持一致性。
材料注意事项
该程序可以使用多种材料,例如复合材料、塑料和金属,但材料的选择直接影响工件的加工方式和所使用的工具。
基于设计复杂性的应用
减材制造最适合项目涉及激光清晰细节的客户,例如原型、航空航天和汽车工业的组件、医疗设备等。
设计和 CAD 建模
第一个阶段涉及绘图员在 CAD 程序中开发设计。该模型用作基准原型。当今的 CAD 系统允许完成测量和几何细节,因此最终产品将精确制作。此外,甚至在制造完整产品之前,就会使用设计软件优化不同的加工条件。
材料的选择和获取
选择材料是实现所需机械性能和公差的最重要步骤。材料的硬度、导热率和可加工性是需要考虑的一些因素。钢和铝等金属因其可靠性而最受青睐,而 铝易于加工 钢材的耐用性非常出色。根据行业标准,如果某种材料的易加工程度接近 100%,比如黄铜,那么它就高于标准。
机器设置
现在,所选材料(块状或片状)作为工件放置在加工设备上,并被牢牢固定。此时,机器应使用的刀具路径指令已在 CAM 软件中生成并上传到 CNC 机器。在现代 CNC 系统中,自动化与自适应控制一起使用。在任何需要加工过程精确的行业中,都有一些技术可以通过补偿微米细节或绝对精度水平内的意外变化来控制生产过程。
粗加工
在加工的这个阶段,首要任务是尽可能快速高效地去除多余的材料。在粗加工阶段,会使用立铣刀或钻头等工具,此时材料的减少优先于形状的表面光洁度。行业标准粗加工进给率为每齿 0.005 至 0.02 英寸,具体取决于加工的材料。
处理
精加工步骤可确保每件产品的尺寸、公差和表面光洁度均符合规格中规定的要求。此阶段采用更精细的刀具并以较低的速度进行加工,因此在医疗和航空航天零件加工领域,实现的表面光洁度平均粗糙度低于 Ra 0.4 µm。
检查和质量控制
加工过程结束后,将严格检查零件尺寸和表面质量,以确保其精度符合正常公差要求。通常使用 CMM 和 NDT 等方法。数据表明,按照 ISO 0.001 规定,高精度设备可以均匀地实现 ±2768 英寸的公差。
添加热处理、涂层和去毛刺有助于改变材料参数以及专业功能。例如,对铝件进行阳极氧化处理以提高耐腐蚀性,对钢进行喷丸处理以提高抗疲劳性。
不同行业有各自的要求,这些要求通常非常技术性。然而,通过一套精确的多步骤减材制造,可以制造出超越这些指导方针的零件和原型。
CNC(计算机数控)机床在制造零件时具有无与伦比的精度、速度和灵活性,因此对于减材制造至关重要。这些机床使用软件以受控方式处理复杂的切削刀具,通过切削、铣削、车削和钻孔以机械方式去除材料。从统计上看,CNC 加工的公差可达到 ±0.001 英寸或更低,使其成为航空航天、汽车和医疗设备等精度至关重要的行业的首选加工工艺。
现代 CNC 系统通常采用多轴配置,例如 5 轴加工,这样无需多次设置即可制造更复杂的几何形状。例如,在航空航天领域,5 轴 CNC 加工被巧妙地应用于涡轮叶片的制造,其中尺寸精度和复杂的形状对于其在高应力下的运行至关重要。
CNC 机器的一个优点是它们可以不间断运行,从而大大提高了生产率。借助持续监控和反馈等先进功能,制造商可以更好地提高流程可靠性,同时最大限度地减少停机时间。研究表明,与手动加工相比,CNC 技术可以节省高达 50% 的生产时间,同时减少材料浪费。
总体而言,数控机床是设计和产品制造之间的纽带,准确高效,满足行业在质量、成本和复杂设计方面的所有期望。随着自动化和数字技术领域的进步,数控机床在自动化过程中的重要性只会越来越大。

减材制造公差是零件加工过程中允许对指定尺寸进行更改。这些是可以在不影响组件的操作、设计和功能目标的情况下更改特定测量值的限度。在我看来,公差控制的精度至关重要,因为更严格的公差可以保证更高的效率,但可能会增加成本以及生产所需的时间。平衡这些因素对于实现零件制造的效率和质量非常重要。
在航空、汽车和医疗器械等注重准确性和可靠性的行业中,满足公差(尤其是严格的公差)至关重要。尺寸公差调整对系统的运行、集成和寿命有直接影响,这些调整通常是为了满足最低边界要求。对于航空航天而言,恶劣条件下的安全性和性能需要微米级的精度才能确保一切正常运行。
行业研究表明,应用严格的公差可降低零件故障率,提高最终产品的一致性。例如,在汽车行业,对发动机等部件进行高精度加工是一种常见做法,公差为±0.001英寸。不这样做可能会导致这些部件功能低下。满足这些规格通常需要高级机械和质量控制系统,包括但不限于具有预设限制并确保准确性的数控机床、激光扫描仪和坐标测量机 (CMM)。
虽然精确的公差可以简化生产流程,但也会导致制造费用增加,因为随后需要在时间、材料和专用工具上花费更多。一项研究最近指出,小于 ±0.005 英寸的公差可能会导致项目成本增加高达 20%,因为需要额外的加工和检查步骤。这意味着显然需要进行彻底的分析,以确保收益大于成本,并特别注意以最佳方式设置公差值,以满足要求,同时还要具有成本效益。
然而,实现严格的公差是实现卓越制造成果的必要条件。这可以提高产品可靠性,进而提升品牌形象,并能够符合行业标准,这些标准要求在竞争激烈的市场中实现创新和增强功能。
在不同的制造过程中,工件几何形状极大地影响工件的公差。由于在加工工件、测量工件以及将工件尺寸保持在所需限度内的过程中遇到困难,复杂的几何形状几乎总是会产生更多的变化。如果不采用专用工具或先进的制造方法,具有尖角、小半径和深腔的零件通常很难实现精确的公差。
研究表明,更简单的几何形状可以实现公差,因为在复杂的制造操作中,材料变形较小,装夹也更容易。据报道,在平面或圆柱面上可以始终实现约±0.001英寸的公差。这些数字对于 CNC 加工操作来说是相当可观的;然而,它们中的很多都依赖于材料及其新生的自由形状。因此,由于形状的复杂性、材料的特性和制造方法,复杂的自由形状可能需要大约±0.005英寸甚至更大的公差。
此外,这些特征是几何位置关系特征,会影响这些特征组装成一个系统的难易程度,这称为公差叠加。这些关系表达了同心度、平行度以及垂直度等概念。上述关系的使用强调了几何尺寸和公差 (GD&T) 的特殊性。在采用开放式设计时应遵守这些原则。GD&T 通过确保功能配合并最大限度地减少生产错误,在设计意图和可制造性之间实现了最佳平衡。
通过了解和考虑几何形状和公差如何协同工作,制造商可以提高过程的可预测性;还可以降低成本,同时大大提高所生产部件的卓越性和可靠性。

AM 和 SM 是两种明显不同的零件生产方法,每种方法都有各自的工艺流程。增材制造也称为 3D 打印,是通过分层堆积聚合物、金属或复合材料等材料从头开始制造部件。与比较制造相比,累积生产是比较制造的一部分,其中材料是通过铣削、车削、钻孔和其他生产工艺从工件中提取的。
最显著的区别之一是材料的效率。使用传统方法,在生产过程中会产生原材料形式的废物。2023 年的一份报告强调,与通过减材制造工艺所做的努力相比,在生产过程中使用增材制造 (AM) 可以减少多达 90% 的材料浪费。考虑到 AM 维持和维护废物的能力,它是所有制造工艺中最有效的选择。而在减材制造中,很有可能在过程中损失大量材料,这与在负空间中操作或构建所需内容的 AM 制造不同。
增材制造使设计自由度达到了前所未有的程度。增材制造可以轻松实现复杂的几何形状、内部结构和复杂的设计,而这些设计通过其他方法无法实现或成本太高。例如,用于减轻重量的航空航天部件中采用的晶格结构很容易使用增材制造方法制造。虽然减材制造可以实现高公差和高精度的部件,但它受到切削工具和工件机械范围的严重限制。
增材制造可以提供快速的迭代周期,从而节省大量原型制作时间。一些研究表明,AM 可以将汽车和消费品行业的原型制作交付周期缩短 50-75%。然而,对于大批量生产,减材制造方法仍然保持更高的效率,因为它在当前的 CNC 机器上更具可扩展性和更快。
后处理 使用增材制造制成的部件通常需要二次加工来改善其属性或表面光洁度。例如,加工后的金属 3D 打印件通常需要经过额外的加工或热处理,以使其更加精确和耐用。减材制造则并非如此;它从制造开始,然后轻松、毫不费力地完成施工,假设不需要进一步的工作。
大多数增材制造方法都非常昂贵,但对于小批量或定制部件,材料和废料补偿方面的节省有时可以带来额外的节省。减材制造通常是首选,因为多年来,增材制造具有支持大规模生产的现有工具和工艺基础设施,因此是一种经济高效的选择。
两种方式都与科学技术的进步相关且依赖于科学技术的进步。这意味着选择加法还是减法将取决于具体项目的要求,包括费用、数量、复杂性和任何其他限制。
几何灵活性
使用 AM,可以生产复杂的几何形状,而这些形状通过传统方法很难或效率低下。制造晶格结构或空心部件等复杂设计无需专门的工具。
材料效率
增材制造仅使用所需材料一层一层地构建组件。相比之下,切割或加工掉材料的减材制造工艺往往会导致大量浪费。一些研究表明,与减材制造相比,在某些应用中,增材制造可节省高达 90% 的材料,这凸显了增材制造的效率。
定制和个性化
增材制造是医疗保健等行业的理想选择,因为这些行业需要为患者定制植入物或假肢,因为设计可以轻松定制和调整。个性化设计变化不需要额外的工具或设置,因此更容易实现个性化。
降低小批量生产设置成本
由于无需模具、冲模或其他工具,AM 大大降低了小批量生产或定制部件的前期成本。与其他原型设计和小批量生产技术相比,AM 在经济上更具可行性,同时还考虑到了制造车间的较大空间。
缩短交货时间和快速成型
增材制造技术能够在数小时或数天内快速生产和制作零件的原型,而减材制造过程由于涉及工具和加工要求,可能需要数周甚至数月的时间。
将多个组件简化为一个
利用增材制造可以将多个部件集成到一个构件中,从而最大限度地减少装配和可能的故障点。这在复杂航空航天部件的单件设计生产中得到了明显体现,从而提高了其可靠性和效率。
节约能源
与传统加工工艺相比,增材制造的能耗总体较低。由于省去了大量的切割、钻孔和热处理工序,总体运营成本和可持续性得到了改善。
创新材料
金属粉末、生物相容性塑料和复合材料等先进材料现在可用于增材制造,这有助于开发创新产品。此外,新发展允许使用功能梯度材料,而这在减材制造方法中很难实现。
增加增材制造的应用范围
随着 Amd 带来集中化和按需生产的能力,复杂的供应链得以简化。这是向航空航天、汽车和医疗行业本地化制造迈出的一大步。
增强迭代设计技术
增材制造使设计师能够快速进行原型设计、产品改进。这一迭代过程比传统的减材制造效率高得多,因为后者通常需要修改工具或设备。
增材制造在当代生产工艺中的应用,尤其是在这些行业中,体现了创新、定制和可持续性的优势。
选择减法还是加法取决于要实现的一系列目标,例如预期的生产结果、要使用的材料、设计的复杂性以及财务影响。每种技术在其范围内都具有一定的优势,了解这些差异有助于做出明智的决定。
减材制造通常与对长周期生产周期的偏好有关,即使用坚固耐用的材料,如金属和塑料。通过这种方式,零件可以始终如一地以非常严格的公差生产,因为这些零件的加工非常精确,这是航空航天或汽车等行业的特点。此外,通常表面光洁度也很好,可以减少进一步加工的必要性。相反,与其他方法相比,这种方法会产生更多的原材料浪费,并且不适合具有详细内部形状的非常复杂的几何形状。
单独来看,3D 打印属于增材制造类别,是小批量生产和定制组件的理想选择。设计师可以创建复杂的几何形状和轻量化的形状,而这些是使用传统制造方法无法实现的。例如,这种方法在医疗保健行业非常有用,因为假肢或植入物必须根据个别患者进行定制。根据行业报告,与传统技术相比,增材制造可缩短 75% 的交货时间,并且由于采用了逐层方法,材料效率最大化。然而,并非所有材料都可以用于这项技术,因此需要仔细考虑材料的选择。此外,可能还需要额外的工艺来改善所制造零件的表面光洁度和耐用性。
适用于许多此类生产案例的最佳解决方案可能是混合型。一个很好的例子是集成,其中复杂组件采用增材制造,随后采用减材制造,精度公差和表面处理。使用所述的两种方法可以充分利用两者声称的优势,以满足生产需求和创新。
这一选择取决于对项目细节的了解——成本、进度、设计,甚至在车间占用的空间。通过利用其中一种或两种方法的优势,制造商能够使其战略与不断变化的市场需求同步。

ISO 2768 标准通过定义线性和角度尺寸的一般公差,适用于形状和位置,以及其他金属加工和减材制造工艺。这些类别分为两大类:
修改工作必须遵守这些规范,以便更好地控制质量、减少详细的技术草图并实现零件的功能订单。
一般公差的重要性
应定义和指定公差,因为在制造业中,公差对于轻松高效地组装不同部件至关重要。下面提供了不同类型公差的应用。
尺寸公差(ISO 2768-1):
形状公差(ISO 2768-2):
位置公差(ISO 2768-2):
应用一般公差的好处
通过这些明确定义的结构化公差,制造商可以在不同行业生产优质组件的同时提高效率和节省时间。
复杂部件公差的定制取决于对功能需求、材料特性和制造能力的理解,在这种情况下,还包括 ISO 286 标准。初步步骤是确定决定其性能的部件的关键尺寸,并在需要精度的地方以更严格的公差控制这些尺寸,而对于非关键特征,通过应用更大的公差可以实现易于构造和经济性。CAD(计算机辅助设计)和公差分析软件具有双重目的,既能实现性能又能实现可制造性,从而减少缺陷或装配变形的发生率。这些定制公差及其原理需要与设计、制造、质量和其他部门的所有相关方进行沟通,以避免违反项目要求。

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方面 |
增材制造 (AM) |
减材制造 (SM) |
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进度解析 |
使用塑料、金属或复合材料等材料逐层构建零件。 |
通过机械加工、切割或研磨从固体块中去除材料。 |
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材料利用率 |
效率高,材料浪费少。 |
去除多余的材料会产生大量浪费。 |
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设计灵活性 |
能够创建复杂的几何形状,包括内部特征和高细节部件。 |
由于工具限制,仅限于更简单的设计。 |
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成本效益 |
对于小批量或原型来说具有成本效益,但对于大规模生产来说成本很高。 |
对于大批量生产来说比较经济,但对于原型来说成本效率较低。 |
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生产速度 |
对于大规模生产来说速度较慢;对于定制或小批量零件来说效率最高。 |
为了更快地批量生产均匀的零件,增材和减材工艺可以显著缩短交货时间。 |
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工装要求 |
通常不需要专门的工具,从而降低了前期成本。 |
需要详细的工具和设置,增加初始成本。 |
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材料类型 |
支持多种材料,包括先进的复合材料。 |
主要用于金属、塑料或木材;材料选择取决于加工工具。 |
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精度和表面光洁度 |
实现高复杂性但可能需要后处理以改善表面光洁度。 |
加工后可直接提供高精度和优异的表面光洁度。 |
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应用 |
非常适合快速成型、定制植入物、航空航天部件和详细零件。 |
常见于汽车、航空航天和大规模制造行业的标准化零件。 |
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可持续发展 |
减少材料浪费和能源使用,符合可持续实践。 |
由于大量材料去除,废物产生量增加且能源密集型。 |
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可扩展性 |
由于打印时间较慢,更适合小规模生产或定制设计。 |
轻松实现大批量生产,提高产量和效率。 |
这种比较突出了增材制造和减材制造的独特优势和局限性,使公司能够根据其特定的项目需求、生产量和预算限制选择最佳方法。将这两种方法结合起来可以进一步扩展功能,在考虑公差值的同时平衡精度和设计灵活性。
通过分析增材制造 (AM) 和减材制造 (SM) 方法之间的成本差异、材料消耗、运营成本和生产数量等因素,可以深入了解两种技术的比较。
总之,每种型号的主要选择都取决于项目,例如预算、生产规模、操作复杂性和其他参数。每种型号提供的功能都围绕这些标准,并提供独特的成本效益。
与大多数事物一样,混合制造技术优化的未来在于其进步;关于行业内增加和减少制造系统的方法和流程的有效性。这些方法很可能在定制程度非常高且形状复杂的行业中发挥优势,包括航空航天、医疗保健和汽车。当混合系统将增材制造的灵活性与减材工艺的精确性相结合时,可以实现流程效率,从而缩短交货时间、减少材料浪费并提高产品质量。自动化程度的提高和软件开发将继续简化混合制造方法的应用,使其广泛适用于各个领域并更易于实施。这种方法可以成为对新型创新生产模式需求的全面回答,同时保留对环境的深思熟虑。

答:增材制造与减材制造存在公差差异。由于音频视频制造不包括 CNC,因此 3D 打印机提供的公差比减材制造方法更宽松,CNC 通常在 +/- 0.001 英寸范围内。与大多数技术一样,增材制造的公差取决于所使用的技术和材料,通常介于 +/- .005 到 +/- 0.020 英寸之间,这比价格相对更容易接受。大多数加工操作的公差都更严格,约为正负 0.001 英寸,除了 CNC 之外,其他技术的范围可能在正负 0.001 到正负 0.005 英寸之间,而更现代的替代技术(如增材制造)的公差则要宽松得多,范围从正负 0.005 到正负 0.020 英寸,具体取决于制造的方法、技术和材料。
答:作为供应制造商零件的替代平台,Xometry 按照市场上其他分包商的公差订购公差,包括标准公差和客户指定公差。已知的 CNC 减材加工标准操作公差带有 Xometry Pro,它默认保留更严格的 ISO 2768 中等公差,不受限制,仅用于其他操作。但是,此类请求也可以通过严格的符合限制来支持。标准请求也可以通过自定义请求来支持,并且在评估后将符合 Xometry 的限制,这取决于将要使用的制造程序和材料。
答:ASME(美国机械工程师学会)和 ISO(国际标准化组织)标准是减材制造中最常用的两个框架。它们有一些共同点,但也存在关键差异:1. ASME Y14.5 专用于几何尺寸和公差 (GD&T),旨在创建一个具有一组特定规则的系统,用于定义和传达公差。2. 其他几个具有公差方面的 ISO 标准,如 ISO 2768 或 ISO 286,其方法更为简单。这两个系统都在全球范围内广受欢迎;然而,在欧洲和世界其他地区,ISO 更为占主导地位,而 ASME 在北美主要被接受。许多制造商(例如 Xometry)能够使用这两个系统来满足客户的需求。
答:在减材制造中选择合适的公差是一个多方面的过程。其中一些因素包括:1. 部件的用途 2. 制造工艺的类型(例如 CNC 铣削、车削、磨削)。3. 材料的特性 4. 预算限制 5. 机械能力 6. 装配要求 7. 相关行业的规则和规范通常,通过考虑这些因素可以获得精度,而无需过度指定公差,因为公差会使生产不必要地昂贵。使用可靠的制造商作为顾问,或通过 Xometry 等门户网站联系可以简化为特定任务估算正确公差的任务。
答:在制造的两个垂直领域,公差要求有很大不同:1. 精度:与增材工艺相比,减材工艺的公差更大。2. 可靠性:减材制造在各个部件上获得的结果比增材制造更可靠。3. 材料的影响:与减材工艺相比,材料特性和打印参数对结果的影响更大。4. 直接修改:增材工艺中通常需要后处理来细化部件。5. 几何操作:增材方法可以构建具有大公差的复杂形状,而减材技术在创建具有严格公差的基本形状方面更有效。了解这些差异对于为特定目的选择最有效的制造方法至关重要。
答:减材制造中严格公差要求的一些关键行业包括:1. 飞机部件 2. 医疗器械和设备 3. 精密机械零件 4. 汽车发动机部件 5. 光学仪器 6. 半导体制造设备 7. 科学研究设备 8. 高竞技体育设备 这些情况通常需要 CNC 加工而非增材技术 因为减材制造方法往往能产生更好的表面效果和更严格的公差。然而,随着时间的推移,增材制造技术在精密应用方面不断改进。
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