14 个经验证的设计策略，大幅降低 CNC 加工成本

在计算机数控（CNC）加工中，无论您是想制作单个原型还是进行大规模生产，首要任务往往是降低制造成本。幸运的是，设计决策可以帮助控制价格。只需遵循可加工性设计规则，您就能制造出既经济又符合功能设计要求的零件。

本文提供了大量技巧帮助您优化设计。我们首先分析推高 CNC 加工成本的因素，然后提供全面指南，给出 14 个经过验证的设计技巧，以降低项目成本。

CNC 加工成本是多少？

CNC 加工零件的报价由以下因素决定：

• 加工时间：加工零件所需时间越长，成本越高。加工时间通常是 CNC 的主要成本驱动因素，特别是在大规模生产中，简单的设计错误可能会损害规模经济效应。

• 启动成本：与计算机辅助设计（CAD）文件准备和工艺规划相关，启动成本在小批量生产中占比较大。好消息是这些是固定成本。如果设计和表面处理适合成本缩放，您可以通过应用规模经济原则来降低单件价格。

• 其他制造成本：为了定义严格公差或设计难以加工的特征（如极薄的壁厚），您可能需要特殊刀具、更严格的质量控制和更低的加工速度，这些都会增加总制造时间和成本。

• 材料成本：原材料价格及其可加工性极大地影响 CNC 总成本。在仔细考虑材料的同时优化设计，可以降低成本。

通过了解驱动 CNC 加工成本的因素，我们可以优化设计以降低预算。

如何降低 CNC 加工成本

1. 在内部垂直边缘添加圆角

所有 CNC 铣削刀具都是圆柱形的，在切割型腔边缘时会产生圆角。使用较小直径的刀具可以减小圆角半径，但这需要多次低速走刀，因为小刀具无法像大刀具那样一次通过快速去除材料。这会增加加工时间和成本。

为将成本降至最低：

• 添加至少为型腔深度三分之一的圆角半径——越大越好。

• 所有内部边缘使用相同的圆角半径，以免更换刀具。

• 在型腔底部，使用较小的圆角（0.5 或 1mm）或完全不加圆角。

小贴士：理想情况下，圆角半径应略大于用于加工型腔的刀具半径。这能减轻刀具负荷，从而降低制造成本。例如，如果您的设计有深度为 12mm 的型腔，在角部添加 5mm（或更大）圆角，即可使用 8mm 直径刀具以更高速度切削。

专业提示：如果需要锐利的内部边缘（例如矩形零件需嵌入型腔），不要减小内部边缘圆角，而应采用带有倒扣的形状，如下图所示。

2. 限制型腔深度

加工深型腔会显著增加 CNC 零件成本，因为必须去除大量材料，既耗时又浪费。

CNC 刀具的切削长度有限。通常在切削深度为刀具直径 2 到 3 倍的型腔时效果最佳。例如，直径 12mm 的铣刀可安全加工深度达 25mm 的型腔。虽然可以加工更深的型腔（深达刀具直径的 4 倍或更多），但这会增加成本，因为需要特殊刀具或多轴 CNC 系统。

为将成本降至最低：

• 将所有型腔深度限制在其长度的 4 倍以内——即 XY 平面上的最大尺寸。

• 相应调整内部圆角半径。如有需要，可参考技巧 1。

3. 增加薄壁厚度

除非重量是主要考量，否则应制造厚实的实体截面，因为它们更稳定且加工成本更低。为避免加工薄壁时发生变形或断裂，需采用多次低切深走刀。薄壁特征也极易产生振动，精准加工极具挑战性，会大幅增加加工时间。

为将成本降至最低：

• 金属零件的壁厚设计为 0.8mm 以上——越厚越好。

• 塑料零件的最小壁厚保持在 1.5mm 以上。

小贴士：金属可达到的最小壁厚为 0.5mm，塑料为 1mm。请根据具体情况评估此类特征的可加工性。

重要：薄壁常在孔（和螺纹）靠近零件边缘时出现。设计 CNC 加工零件时请考虑这一点。

4. 限制螺纹长度

包含过长的螺纹会增加 CNC 零件成本，因为可能需要特殊刀具。螺纹长度超过孔径 1.5 倍并不能增强连接强度。

为将成本降至最低：

• 设计螺纹最大长度不超过孔径的 3 倍。

• 盲孔螺纹底部至少预留半个孔径的非螺纹长度。

5. 使用标准孔径

使用标准钻头可快速、高精度地加工孔。非标准尺寸需要额外加工步骤，从而增加成本。
尽可能使用通孔而非盲孔，因为通孔更容易加工。

将孔深限制在孔径的 4 倍以内。更深的孔（深达直径 10 倍）虽可制造，但可能因加工时间增加而推高成本。

为将成本降至最低：

• 设计孔径时，10mm 以下按 0.1mm 递增；10mm 以上按 0.5mm 递增。

• 若使用英制单位设计，请采用常规英寸分数或参考分数英寸钻头尺寸表。

6. 仅在必要时指定公差

定义严格公差会增加特征加工成本，因此仅在绝对必要时才应指定。如果技术图纸未定义特定公差，零件将按标准公差（±0.125mm 或更优）加工，这足以满足大多数非关键特征的要求。

为将成本降至最低：

• 仅在绝对必要时定义更严格的公差。

• 定义单一基准（如两条边的截面）作为所有带公差尺寸的参考。

专业提示：在技术图纸中使用几何尺寸与公差（GD&T）可降低 CNC 加工成本。GD&T 包括平面度、直线度、圆度和真位度等特征，通常能定义较宽松的公差，但需要较高的设计知识才能有效应用。

7. 尽量减少机床装夹次数

设计零件时应使其能在尽可能少的机床装夹中完成加工。理想情况下仅需一次装夹。例如，两侧均有盲孔的零件需要两次装夹，因为必须翻转才能加工另一侧。

旋转或重新定位零件会增加制造成本，因为通常需要人工操作。此外，复杂几何形状可能需要定制夹具，进一步增加成本。特别复杂的几何形状可能需要多轴 CNC 系统，成本也会随之上升。

考虑将零件分解为多个可在单次装夹中加工的几何体，后续再通过螺栓连接或焊接组装。这也适用于具有极深型腔的零件。

为将成本降至最低：

• 设计简单的 2.5D 几何形状，可在单次 CNC 装夹中完成制造。

• 如果无法实现，将零件分解为多个几何体，后续组装。

8. 避免高长宽比的小特征

宽高比高的小特征容易产生振动，因此难以精准加工。

为将成本降至最低：

• 设计宽高比小于 4 的特征。

• 在小特征周围添加支撑或将其连接到壁上以提高刚性。

9. 移除所有文字和字母

在 CNC 加工零件表面添加文字会显著增加成本，因为需要额外的加工步骤，耗时更长。丝网印刷或喷漆等表面处理方法是更具成本效益的添加文字方式。

为将成本降至最低：

• 从 CNC 加工零件中移除所有文字和字母。

• 如果必须添加文字，选择凹雕而非凸起字母。

• 使用 20 号及以上无衬线字体（如 Arial 或 Verdana）。

10. 考虑材料的可加工性

可加工性是指材料被切削的难易程度。可加工性越高，CNC 加工速度越快，成本越低。可加工性取决于各材料的物理特性。通常，金属合金越软、越有延展性，越容易加工。

C360 黄铜是可加工性最高的合金，可实现高速加工。铝合金（如 6061 和 7075）也非常容易加工，仅需稍低的速度。

不锈钢的可加工性比铝低 10 倍，加工时间至少要长一倍。不同钢材等级的可加工性也不同。例如，304 不锈钢的可加工性指数为 45%，而化学成分相似的 303 不锈钢指数为 78%，更易加工。

塑料的可加工性主要取决于其热性能和刚度，因为加工过程中容易熔化和弯曲。

POM（德林）是最易加工的塑料，ABS 紧随其后。PEEK 和尼龙 6 是常见工程塑料，加工难度较大。

为将成本降至最低：

• 如果有选择余地，特别是大批量订单时，选择可加工性更好的材料。

11. 考虑原材料价格

原材料价格是另一个极大影响 CNC 加工零件成本的因素。
下表汇总了 CNC 常用金属合金和塑料材料的价格，规格为 6'' x 6'' x 1''（约 150 x 150 x 25mm）板材。

材料	价格
铝 6061	$25
铝 7075	$80
不锈钢 304	$90
不锈钢 303	$150
C360 黄铜	$148
ABS	$17
尼龙 6	$30
POM (德林)	$27
PEEK	$300

来源： McMaster

凭借低廉的价格和极佳的可加工性，铝 6061 是制作金属原型最具成本效益的选择。

可加工性更好的金属（如不锈钢 303 和 C360 黄铜）价格更高，因此更适合大批量生产。此时规模经济效应显现：较高的材料成本被大幅缩短的加工时间所抵消。

就塑料而言，ABS、尼龙和 POM（德林）的价格与铝 6061 大致相当，但加工难度更大，因此成本更高。PEEK 价格极其昂贵，仅在绝对必要时使用。

为将成本降至最低：

• 特别是小批量订单时，选择原材料价格低廉的材料。

12. 避免多种表面处理

表面处理能改善 CNC 加工零件的外观和耐环境性，但也会增加成本。在同一零件上要求多种表面处理会进一步推高成本，因为需要额外步骤（例如遮蔽表面）。关于各种表面处理优势的总结文章请见此处。

为将成本降至最低：

• 选择“机加工原始表面”处理。

• 仅在绝对必要时要求多种表面处理。

13. 考虑毛坯尺寸

毛坯（即原材料）尺寸可能影响总成本。经验法则：毛坯每边至少比成品大 3mm。为确保精度，必须从零件所有边缘去除部分材料。

以此例说明毛坯尺寸如何影响 CNC 报价：设计一个包络尺寸为 30 x 30 x 30mm 的零件，需要更大的毛坯，通常从 35mm 厚的板材切割。但如果包络尺寸为 27 x 27 x 27mm，则可使用 30mm 厚板材，节省大量材料。

为将成本降至最低：

• 设计零件尺寸比标准毛坯尺寸小 3mm。

14. 利用规模经济效应

在 CNC 加工中，数量极大地影响单件价格。这是因为启动成本相对较高，小批量时占成本比例大；大批量时单件成本下降。

下图绘制了 12 种不同零件用不锈钢 304 加工的平均单价曲线。

单价下降近乎呈指数级：即使从 1 件增加到 5 件，单价也能减半。订购超大批量（>1000 件）可使单价降低 5 到 10 倍。

为将成本降至最低：

• 通过订购更多数量利用规模经济效应。

降低 CNC 成本的最佳实践

总之，保持 CNC 加工简单。

复杂性在 CNC 中代价高昂。需要特殊刀具或夹具、多次装夹或特殊材料的几何形状成本更高。

因此，在提交报价前，请自问以下问题：

• 我的零件是否已按可加工性设计指南进行优化？

• 模型中的所有特征都是绝对必要的？还能否在保留全部功能的前提下移除或简化？

• 我的设计能否拆分为多个更易加工、后组装的零件？

• 是否有办法修改设计以消除多次装夹或特殊刀具的需求？

• 是否有更便宜或更易加工的材料能满足设计要求？

CNC 加工的当下与未来

CNC 加工能力在不断扩展。例如，近期 CNC 刀具技术进步使现代 CNC 系统能全长攻丝，且通过插补铣削（螺旋刀具路径），任何直径的孔都可加工，对价格无显著影响。

本文聚焦于通用的可制造性设计技巧，无论使用何种 CNC 系统均适用。请将这些技巧视为通用最佳实践，帮助您更高效地设计零件。

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