CNC 加工终极指南：您不能使用的材料

许多行业都受益于 CNC 加工，使制造过程更加便捷，结果更加准确。然而，尽管 CNC 加工非常适合加工各种材料，但并非每种材料都适合该加工工艺。制造商必须了解哪些材料与 CNC 加工不兼容，才能在加工过程中使用这些材料并避免代价高昂的错误。本文通过概述几种由于其特性或加工过程中的行为而带来一些挑战的材料，讨论了 CNC 加工的技术限制。经验丰富的专业人士和新手都会发现本指南有助于改进他们的材料选择方法并优化生产。

哪些类型的材料对 CNC 加工来说具有挑战性？

一般认为CNC加工困难的材料可分为以下几类：

• 坚硬或坚韧：此类材料包括硬​​化钢、钛等，可能会导致用于切割和施加力的工具快速磨损。
• 柔软而有弹性：某些类型的橡胶以及某些塑料在受到切削力时会变形，这会给精确的加工过程带来困难。
• 脆性材料：此类材料包括玻璃等陶瓷，它们在任何形式的机械加工过程中都容易破裂或碎裂，因此需要小心处理并使用适当的工具。
• 复合材料：由于硬度各异，碳纤维复合材料等复合材料可能会对工具边缘施加不均匀的压力，并且制造过程中产生的灰尘会对健康造成危害。

有效的材料选择必须与适当的加工策略相结合才能克服这些挑战。

极其柔软或柔韧的材料

由于其物理特性，加工橡胶或不太硬的热塑性塑料等软材料存在问题。加工这种材料在切削力作用下会变形，可能导致尺寸精度降低和复杂性降低。例如，低温加工是一种独特的方法，使用较低的临时温度来冷却材料，从而提高其刚性。在低温下，可以通过降低切削表面光洁度来最大限度地减少材料变形，使其比其他材料更容易加工。使用锋利的切削刀具和较低的前角以及润滑剂可以减少摩擦。

柔性还会导致加工过程中产生更多振动，从而影响刀具寿命和表面光洁度。例如，在热塑性塑料的情况下，事实证明，较低的速度与适当的夹紧设置相结合可以帮助减轻振动引起的不准确性。根据工业实践提示，加工柔性材料需要使用 HSS（高速钢）或硬质合金刀具，以实现最大的耐用性和精确的切割。

对于具有挑战性的 CNC 应用，了解材料在工作条件下的行为并相应地定制铣削参数；因此，最终产品将满足这些材料所要求的高标准。

低熔点材料

在处理铝、锡、铅和一些热塑性塑料等低熔点材料时，各个行业都面临着独特的机遇和挑战。这些物质的熔点通常低于 600 华氏度（316 摄氏度）；因此，它们可用于焊接、铸造和 3D 打印等低温应用。例如，锡的熔点约为 450 华氏度（232 摄氏度），非常适合焊接需要严格控制温度的电子设备。

为了正确加工或处理这些材料，必须考虑它们的热性能，以避免因加热效应而导致的变形，包括翘曲。信息表明，良好的冷却系统（如高压空气或液体冷却剂）可以减少热应力，从而延长刀具寿命并提高表面光洁度。此外，研究表明，使用锋利的切削刀具和低转速主轴对于最大限度地减少加工过程中产生的热量非常重要。

由低熔点材料开发的合金的应用也扩大了其使用范围。例如，铅锡合金被广泛应用于制造焊料，因为它们熔化可预测且经久耐用。此外，软化点低的先进热塑性塑料通常用于增材制造，这需要精确的逐层沉积。”

因此，通过了解这些材料的机械和热性能，工业界可以正确使用这些材料，并确保其应用持久、无害、高效。

高磨蚀性物质

高磨蚀性材料具有较高的硬度和耐磨性，因此对于研磨、切割和抛光等工业应用必不可少。这些材料包括碳化硅 (SiC)、氧化铝 (Al2O3)、立方氮化硼 (CBN) 和金刚石。这些材料具有出色的耐磨性，可承受高应力操作。

例如，合成工业钻石被广泛用于切割工具，因为它们的硬度无与伦比，莫氏硬度为 10。它可用于制造高精度的陶瓷和金属等超硬材料。相比之下，氧化铝的颗粒硬度在莫氏硬度 9-9.5 之间，通常用于砂纸和喷砂。

近期的发展优化了磨料颗粒的尺寸和结构，从而提高了效率并减少了加工设备的磨损。涉及纳米结构磨料的研究表明，与传统的微米级磨料相比，材料去除率提高了 15-20%。此外，行业继续探索可持续发展问题，例如使用再生玻璃和石榴石等环保磨料，以平衡运营效率和环境可持续性。

了解材料的物理特性（例如颗粒大小、硬度和热稳定性）对于选择适合特定应用的磨料至关重要。这将确保工具和设备使用寿命更长，同时最大限度地减少损坏并提供最佳效果。

为什么某些材料不能用于CNC加工？

数控机床的局限性

CNC 机器在处理特定材料时有局限性。其中一个重要因素可能是任何给定材料的硬度；一些复杂物质（例如某些陶瓷或硬化钢）可能超出普通 CNC 工具的能力，这可能导致工具严重磨损和断裂。这与另一个限制有关，即材料延展性。这些加工问题（例如表面光洁度差或切削工具堵塞）可能来自某些软金属等高延展性物质。此外，在加工过程中，某些材料可能不导热，导致工件热变形或损坏。机器的准确性和持续的高性能在很大程度上取决于正确选择兼容材料以补充机器的性能。

材料特性与加工工艺不相容

硬度过高

一些陶瓷或过度硬化的钢可能难以加工，并且可能会快速磨损工具。

低导热率

散热性较差的材料（包括钛合金）可能会因加工过程中的热量积聚而造成热损坏。

高延展性

这些材料（如纯铜或软铝）的延展性太强，会导致表面效果不理想并造成工具堵塞问题。

脆性

令人担心的是，玻璃和特定复合材料等脆性物质在加工过程中可能会破裂或碎裂。

磨料特性

用磨料或某些聚合物类型增强的复合材料可能会很快使切削刀具变钝并降低可加工性。

识别这些不兼容的特性对于选择合适的材料和提高机器在运行过程中的性能至关重要。

安全问题和潜在的设备损坏

加工特性不相容的材料可能会带来安全风险。脆性材料在压力下会破碎，产生锋利的碎片，可能会伤害操作员。此外，磨料会加速切削工具的磨损，切削工具可能会在使用过程中失效。这可能会导致机器突然故障并危害安全。要最大限度地降低此类风险并确保安全操作，需要正确选择材料、定期维护设备并使用防护设备。

无法进行 CNC 加工的材料有哪些替代品？

3D 打印选项

对于难以使用 CNC 技术加工的材料，3D 打印是一种灵活的选择。熔融沉积成型 (FDM)、立体光刻 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS) 等增材制造技术可以处理各种材料，例如热塑性塑料和光聚合物，甚至金属。

一个例子是 FDM 打印机，它广泛用于使用 ABS、PLA 和 PETG 制造原型，以确保经济高效的解决方案。相反，SLA 提供更好的精度，因此最适合通常使用坚韧、柔韧和可浇铸树脂完成的详细应用。SLS 广泛用于从尼龙基粉末制造坚固的功能部件，使其适用于航空航天和医疗设备的最终用途应用。

据统计，与传统制造的减材制造方法相比，3D 打印可节省高达 70% 的材料浪费。此外，金属 3D 打印也取得了进展，例如直接金属激光烧结 (DMLS)，它使用包括钛和铝以及不锈钢在内的材料来创建复杂的几何形状。这些功能使 3D 打印成为小规模生产、快速原型设计和定制设计的有趣选择。

通过结合针对每种材料具有特定优势的不同 3D 打印技术，制造商可以克服 CNC 加工的局限性，同时保持效率、功能和设计灵活性。

塑料注塑成型

在我看来，注塑成型是一种可以大规模生产塑料部件的方法，我对此深信不疑。在此过程中，液态塑料被推入特定模具，然后冷却以形成所需形状。其优势在于能够以高生产率制造具有复杂几何形状的部件。此外，可以使用不同的热塑性塑料，从而确保根据特定需求调整材料特性。

金属铸造方法

金属加工的基础工艺之一是铸造，即将液态金属倒入模具中并凝固以形成所需形状。不同的铸造技术使用不同的材料、应用和公差。

砂模铸造

砂型铸造因其多功能性和成本效益而成为最常用的铸造方法之一。这种方法使用由沙子制成的模具，可以轻松塑造任何复杂的设计。它广泛用于制造铁、钢和铝等金属的大型重型部件。现代砂型铸造的公差可以达到每英寸±0.02英寸以内，主要用于发动机缸体或农机部件等物品。

压铸

在压铸过程中，热液态金属在高压下被挤压到可重复使用的钢模（模具）中，以批量生产精密零件。此后，有色合金通常通过计算机数控工艺进行加工，尤其是在处理涉及铝、锌或镁等的各种 CNC 应用时。一些先进的压铸技术可以提供低至 ±0.005 英寸的公差。因此，由于该技术能够生产各种尺寸的复杂几何精确零件，因此在汽车制造业和航空业消费电子产品中得到了广泛的应用。

精密铸造

熔模铸造法又称为失蜡铸造法，最适合制造具有复杂细节和光滑表面的部件。陶瓷壳模围绕蜡模成型，熔化以去除蜡模，然后填充熔融金属。该方法的目的是实现出色的表面光洁度以及±0.004英寸的尺寸公差。该技术广泛应用于医疗领域和航空航天领域，因为它对于生产手术工具和涡轮叶片等部件至关重要。

离心铸造

这种方法利用离心力将熔融金属分散到模具内，从而生产出孔隙率有限的致密部件。它主要制造管状和圆柱形部件，例如采用不锈钢和铁的管道、衬套或轴承。通过离心铸造工艺生产的材料通常具有改进的机械性能和高效率。

连铸

连铸是一种效率更高的工艺，液态金属从模具中出来时会连续凝固，从而生产出用于 CNC 材料的板材、棒材或其他长条形状。钢铁和铝行业广泛使用连铸工艺，以获得高产量和优质的原材料强度。例如，最新技术表明生产率超过每分钟 10 米，从而促进了大规模生产。

每种铸造技术都有其优点和特定的生产要求。随着材料科学的进步，这些方法得到了进一步发展，可提供更高的精度、更少的浪费和更好的金属部件机械性能。

材料选择因素如何影响CNC加工能力？

硬度和可加工性等级

在比较硬度和可加工性评分时，我会研究材料的特性如何影响 CNC 机床操作的效率和实用性。然而，较硬的材料比较软的材料更难切割，因此需要特殊的工具和较慢的切割速度，尽管它们具有出色的耐用性和耐磨性。话虽如此，可加工性等级较高的材料可以更快、更准确地加工，从而减少工具磨损并缩短生产时间。制造业成功的关键在于权衡这些因素。

热性能和耐热性

加工和制造工艺材料的选择在很大程度上取决于材料的热性能，尤其是在高温环境下。铝和铜就是一些导热率高的材料。在这方面，它们可以通过更快地散热来有效防止加工过程中过热。尽管有这些优点，但这些材料的熔点较低，因此在极端高温条件下可能会受到限制。

另一方面，另一组材料以不锈钢或镍基合金为代表，它们以出色的耐热性而闻名，因为它们即使在高温下也具有较低的热导率。例如，镍基高温合金可以承受超过 1,000°C 的温度而不会造成任何结构损坏，因此最适合航空航天和涡轮机应用。

热膨胀系数 (CTE) 是另一个重要的考虑因素，因为如果温度波动，CTE 较高的材料的尺寸会发生相当大的变化，从而对精度产生负面影响。例如，CTE 适中的钛合金也表现出优异的耐热性，使其稳定且热效率高。

使用 CNC 机床时应进行适当的热量管理，因为过多的热量积聚会导致刀具磨损或工件变形。制造商需要考虑以下方面：电导率，即加速或减慢电流通过某些导电物质的能力；膨胀能力，即改变尺寸的能力；以及稳定性，即在不同温度下抵抗物理反应的能力，包括加热引起的反应，从而使材料和工具获得最佳性能和耐用性。

化学成分和反应性

任何材料的 CNC 加工性都受到其化学成分的显著影响。材料中存在的元素直接决定了硬度、耐腐蚀性和可加工性等各种特性，这些特性对于选择 CNC 项目的常用材料至关重要。例如，不锈钢具有钝化氧化铬层，可防止因含有铁、铬（至少 10.5%）、镍和碳而导致的腐蚀。

反应性也很重要，尤其是在加工铝和镁等极易氧化的金属时。铝与氧气反应性很强，会形成薄薄的保护性氧化物表面，大大提高其耐腐蚀性。另一方面，尽管重量轻且强度高，但镁比铝反应性强得多，在高温下容易着火；因此，在加工过程中必须遵守严格的安全措施。

另一个需要考虑的重要方面是合金成分与切削液和刀具材料的相互作用。例如，硫含量高的材料（如易切削钢）可减少刀具的摩擦和磨损，从而提高刀​​具的可加工性。此外，钛合金的加工过程很复杂，因为它们具有令人印象深刻的强度重量比和优异的耐热性，但其成分通常由铝和钒组成。

经验数据支持这些观察结果。例如，镍含量为 4% 至 6% 的铝合金（如合金 2618）有助于增强航空航天应用的材料强度。另一方面，碳含量高的钢材通常具有更高的硬度；然而，由于材料在应力下易碎，这会降低可加工性。了解这些成分细节可让工程师选择兼具反应性、加工质量和性能的材料，以实现精确的 CNC 加工操作。

有没有什么解决方法可以加工复杂的材料？

特殊工具和涂层

通常，加工复杂材料意味着需要专门的工具和增强的涂层技术来优化性能并减少工具磨损。这种由碳化物或立方氮化硼 (CBN) 制成的工具具有良好的硬度和耐高温性，这使得它们适合在 CNC 车床操作中加工高温合金和硬化钢。此外，聚晶金刚石 (PCD) 工具非常适合加工铝锂合金等有色金属材料，因为它在高速切削时保持精度和强度。

涂层在提高刀具寿命和效率方面也发挥着重要作用。氮化钛铝 (TiAlN) 涂层是提高耐热性和氧化稳定性的典型例子。它们适合快速去除材料，例如高强度钢或耐热合金。先进的研究还开发了类似钻石的碳涂层，这种涂层摩擦更小，从而减少了机器在任何加工过程中加工时产生的热量。

根据工业应用数据，TiAlN 等硬涂层可将切削钛或镍基合金的刀具寿命延长 800%。同样，当这些刀具与冷却或微量润滑 (MQL) 一起使用时，稳定性会提高，加工过程中的热应力也会降低。即使在具有挑战性的材料下，这些新方法也能提供更好的可加工性，但可以保持高质量的表面和高精度。

先进的冷却技术

在加工耐热材料时，采用先进的冷却技术来提高性能至关重要。通过确保热量正确地从工件中消散以避免任何热变形并保持其机械性能，可以改善加工。以下是最常用的先进冷却方法：

洪水冷却

这是指将大量液体连续倒入切削区域的传统方法。这种方法在处理一般加工要求时可能很有效，但可能会导致环境问题和高冷却液消耗。

微量润滑 (MQL)

通过 MQL 技术，极少量的冷却液以细雾的形式以受控方式输送，从而大大减少了流体使用量。一些研究表明，在保持刀具寿命和表面质量的同时，与干式加工相比，切削温度降低了 30%。

低温冷却

该工艺采用液氮 (LN2) 或二氧化碳 (CO2) 等低温流体，有助于大幅降低切削温度。低温冷却可使刀具寿命延长 90%，同时增强钛合金等材料的表面完整性。

高压冷却 (HPC)

HPC 是高压冷却系统的缩写，该系统将压力超过 80 巴的冷却液直接输送到切削区。这种方法特别适用于去除切屑和降低切削区的温度，因此，它非常适合不锈钢和超级合金等材料。

内部冷却液通道

带有内置冷却液输送系统的刀具可确保液体直接喷洒在切削边缘。内部冷却可增强加工稳定性，提高钻深孔时刀具的性能。

空冷

压缩空气成为加工软材料的干式选择。与高速加工相结合，有助于排屑，同时防止油污染。

通过正确选择这些冷却技术，制造商可以在许多应用中实现加工效率的优化、刀具寿命的延长和可持续性的提高。

混合制造方法

在混合制造中结合增材和减材操作可充分利用这两种技术的最佳方面。采用逐层、3D 打印和其他增材方法来开发复合几何形状；另一方面，使用 CNC 加工来精加工表面，并提高尺寸精度。这种方法在制造复杂零件、减少材料浪费和缩短生产时间方面最为有效。在大多数情况下，航空航天、医疗和汽车行业使用混合制造，因为它具有高定制率，可实现卓越的性能和部件效率。

关于 CNC 加工材料的常见误解有哪些？

关于材料兼容性的假设

并非所有材料都是一样的，而 CNC 加工是整个制造业中最常见的误解之一。每种材料类型（例如金属、塑料或复合材料）都具有影响可加工性的独特品质。例如，铝因其易切割性和热属性而受到青睐，而钛等较硬的材料则需要专门的工具和技术来最大限度地减少工具磨损。此外，没有任何材料可以用于每种类型的加工工艺；必须彻底权衡材料刚度、耐热性和表面光洁度要求，以最大限度地提高结果。在决定特定应用的合适材料时，理解这些差异至关重要。

高估机器的能力

然而，关于 CNC 加工的另一个常见误解是，人们往往高估机器的能力，而不了解其局限性。尽管现代计算机数控机床可能非常先进，但如果没有正确设置和加工，它们无法处理所有复杂的设计或材料挑战，尤其是在涉及多种材料的情况下。

例如，高速铣床专为快速精密应用而设计，但由于振动控制、刀具刚度和主轴功率等因素，其应用可能会受到限制。以不适当的速度尝试对硬化钢或某些复合材料等硬质材料进行粗加工会导致刀具断裂或切割不准确。根据研究结果，加工较硬的合金通常需要低至每分钟 30-50 表面英尺 (SFM) 的切削速度，并采用耐磨切削刀具，例如硬质合金或陶瓷等级。

另外，由于工件夹持和机器精度的原因，5 轴 CNC 机器的可能公差受到限制，尽管它们可以处理复杂的几何形状。通常，CNC 精度范围为 ±0.001 英寸至 ±0.005 英寸，但是，对于超高精度要求，一些机器可能在没有校准调整或后续操作的情况下已经达到极限。

了解这些技术界限和操作界限至关重要。例如，可以定制工程方法以适应 CNC 系统的特定功能，并选择工具和参数来优化性能。同时，机械师可以最大限度地减少错误或低效率。

低估材料特性的重要性

忽视材料特性在 CNC 加工中的重要性会导致在实现精度、维持刀具寿命和优化工作流程效率方面遇到重大困难。每种材料，无论是金属、复合材料还是聚合物，都有自己的特性，例如硬度、抗拉强度、热导率和化学稳定性，这些特性直接影响加工性能和结果。

例如，钛或硬化钢属于高硬度金属，需要较低的切削速度和更昂贵的刀具，如涂层硬质合金或聚晶金刚石 (PCD)，以避免刀具过度磨损。根据行业数据，加工钛合金需要每分钟 40-120 米的切削速度，并且需要增加切削刃压力，因此散热对于加工非常重要。相反，铝等较软的材料可以实现每分钟 600 米的更高切削速度，有时可以缩短加工时间。

材料特性还取决于热膨胀。例如，加工铝的高热膨胀率需要精确的温度控制以保持尺寸公差。另一方面，碳纤维复合材料等材料表现出各向异性，这意味着它们的可加工性会根据切割方向而变化。了解它们的结构对于防止分层等缺陷至关重要。

此外，可加工性评级为传统加工操作提供了材料行为的定量视角。这些评级可用于比较其他金属和特定参考金属，例如评级为 100% 的易切削钢。相比之下，评级较低的材料（如不锈钢合金）（40%-60%）需要刀具路径策略和切削参数调整。

通过全面评估这些和其他材料特性，工程师可以预测可能出现的挑战，优化切削参数，并保持与设计公差一致。忽视加工实践和材料科学的结合可能会导致效率低下、零件质量受损和生产时间延长。

常见问题解答 (FAQs)

问：哪些材料不能用于CNC加工？

答：尽管用途广泛，但有些材料由于其特性而无法用于 CNC 加工。这些材料包括非常柔软的材料（如橡胶或泡沫）、剧毒的材料（如铍）以及熔点较低的塑料。此外，不建议在 CNC 加工中使用脆性材料和在加工过程中会产生有害烟雾的材料。

问：您能在 CNC 机床上使用 PVC 吗？

答：根据经验，不建议使用 PVC 进行计算机数控 (CNC) 加工。虽然可以加工 PVC，但高速切割时会产生有毒烟雾，对健康构成严重威胁。此外，PVC 可能会熔化并粘在切削工具上，从而损坏 CNC 铣床或车床。这就是为什么通常首选替代材料的原因。

问：在 CNC 加工中使用聚碳酸酯有哪些局限性？

答：然而，聚碳酸酯作为材料的应用受到限制，首先原因是它在高速加工产生的高温下容易熔化或变形。这会影响加工零件的精度和表面光洁度，尤其是如果使用激光切割机在数控 (CNC) 技术下切割它。聚碳酸酯也很容易开裂，导致钻孔质量低下，铣削边缘容易开裂。重要的是要小心使用适当的切削参数加工聚碳酸酯，以便在表面光洁度方面获得良好的效果。

问：可以使用不耐高温的材料进行 CNC 加工吗？

答：在 CNC 加工中使用低熔点材料和在高温下会变质的材料可能非常困难。计算机数控方法很容易使这些类型的材料熔化、变形或因切割过程中产生的热量而蒸发。然而，使用一些专门的冷却技术和非常低的进给率，有时可以以可接受的水平加工特定的低温材料；然而，这样的努力通常会产生不良结果，并可能损坏铣床及其切削刀具。通常，最好选择能够抵抗机器在生产过程中加工时产生的热量的材料（Bennett 等人）。

问：有哪些非金属材料不能用于CNC加工？

答：是的，许多非金属材料不适合 CNC 加工。一些非常柔软的材料（如橡胶或泡沫）在施加切削力时会变形，一些复合材料在加工时会分层。某些类型的玻璃纤维或碳纤维可能含有有害粉尘或烟雾，有时需要采取安全措施，而且可能不适合所有 CNC 机器。在为 CNC 项目寻找非金属材料时，请务必检查材料的属性以及需要哪种加工，因为不同的输入可能会显著改变结果。

问：我应该为我的 CNC 加工项目选择什么材料？

答：选择 CNC 加工材料需要考虑与材料类型相关的几个因素。这些因素包括最终部件所需的特性，例如韧性、耐磨性或耐腐蚀性；预期应用，例如航空航天、汽车或原型；可加工性；成本以及 CNC 铣床或车床的性能。还需要考虑所需的公差以及材料是否与热处理或表面处理等后处理兼容。为了为您的特定 CNC 加工项目选择合适的材料，您应该咨询经验丰富的机械师或材料专家。

参考资料

1. 钛合金数控铣削加工研究进展：技术综述

• 作者：Mithun Kumar、PS Rao
• 出版日期：2024-11-07
• 摘要：本文回顾了钛合金加工的复杂性，钛合金以其高比强度和耐腐蚀性而闻名。因此，需要强调的是，频繁的刀具磨损以及对特定切削刀具和技术的需求使得钛合金难以加工。
• 方法：作者分析了切削刀具几何形状、速度、进给速度等加工变量及其对加工效率和刀具寿命的影响。

2. 标题：3D打印中的假设和CNC加工中的条件对某些PET材料机械参数的影响

• 作者：Krawulski P.、Dyl T.
• 出版日期：2023-03-01
• 摘要：本文评估了通过 3D 打印和 CNC 机器生产的 PET 材料的机械特性。本文还研究了加工某些 3D 打印材料的局限性，特别是其强度和结构完整性。
• 方法：该研究旨在通过 3D 打印和 CNC 加工生产零件，然后进行机械测试以进行比较。

3. 标题：数控机床使用304°C冷却液对SS0进行车削加工的加工参数全面分析

• 作者： Pravin Patil、P. Karande
• 出版日期：25 年 2022 月 XNUMX 日
• 摘要：本研究对 SS304 钢的加工性能进行了调查，这种钢以其强度和加工硬化特性而闻名。作者指出了加工这种材料时面临的一些问题，包括刀具磨损和对有效冷却液的需求。
• 方法：作者通过改变冷却液温度对加工性能的影响参数在数控车床上进行了实验。

4. 中国领先的数控塑料加工服务提供商