10種CNC工具機：應用、規格及選擇方法

CNC工具機類型：各類CNC工具機的完整指南

了解市面上各種類型的CNC工具機是為任何專案選擇合適工具機的第一步。無論是建立原型車間、大批量零件生產線還是客製化加工車間，它們都有一個共同點——您選擇的工具機決定了加工精度、週期時間和單個零件的成本。到2025年，全球CNC工具機市場平均價值將達到74.82億美元，隨著越來越多的產業尋求自動化加工流程，該市場將持續成長。

本指南重點介紹 10 種不同的 數控機床 將機器分類，將其規格與實際數據進行比較，並為您提供一個「起點」選擇，幫助您根據自身需求選擇合適的機器規格。

什麼是CNC工具機以及它如何運作？

CNC（數控）一詞源自於電腦數控。簡單來說，它是一種利用低成本計算機讀取G代碼和M代碼形式的程序，並將這些指令轉化為所有必要部件（例如端切刀具、主軸和工作台）的物理運動的系統。程式本身是一個電腦文件，例如，它可以控製刀具沿著x軸或y軸進行插補運動，從而加工出最終的成品。

電腦控制能力的提升定義了現今的CNC工具機。最初，將物理數據轉化為實際應用的能力源自於20世紀50年代麻省理工學院開發的數控程式（NC）。如今，現代化製造車間的CNC工具機採用微處理器，能夠進行曲線插值、補償刀具磨損並同時運行多軸運動路徑。

要了解CNC工具機的工作原理，首先必須了解其重複性。經驗豐富的手工工具機在狀態良好的情況下可以保持 0.005 英吋的精度。而數控銑床在設定的尺寸範圍內運行，能夠連續多次、連續多次地保持此公差，且不會出現性能下降的情況。

正是這種可靠性使得CNC工具機在航空航太、醫療器材、汽車和電子產業中廣受歡迎。

那麼這對你的生產車間意味著什麼？

這意味著您選擇的工具機類型決定了尺寸精度、零件加工速度以及操作人員所需的經驗水平——例如圓柱磨床、通用加工中心或高精度磨床。數控產業遵循全球標準－ISO 2768 規定了設計工程師可以信賴的通用工具機性能，而 ASME Y14.5 則涵蓋了 GD&T（幾何尺寸和公差）的通用規範。

即使是經驗豐富的機械師也會發生機器故障、廢料堆積和刀具損壞——數控系統雖然能減少但永遠無法完全消除操作員在設定和編程過程中的輸入錯誤。機器只會按照程式指令運行，這意味著你必須一次成功。

數控銑床

數控銑床－數控銑床是一種利用可沿著多個軸旋轉的刀具進行切割的銑床。數控銑床是製造業的支柱。無論是小型加工車間或一級航空航天供應商，數控銑床在其車間中都可能佔有一席之地。

數控銑床可進行端面銑削、槽銑削、型腔銑削、輪廓加工和鑽孔。

最常見的兩種配置是：立式加工中心 (VMC) 和水平加工中心 (HMC)。刀具主軸的方向決定了排屑方式、切削時的冷卻液供應以及夾具的類型。讓我們來看一些數據：

一家一級汽車供應商在加工鋁製變速箱殼體時，選擇了水平加工中心（HMC）而非垂直加工中心（VMC）。這台四軸立式夾具每次加工可切割4個零件，使每個零件的成本降低了38%，並將加工週期從22分鐘縮短至14分鐘。這項決策在不到兩年的時間內就收回了機器的購買成本。

「對於 80% 的加工車間來說，一台性能優良的三軸立式加工中心 (VMC) 就足以勝任。只有當你的產量足以支付託盤交換器的費用，並且你的零件確實需要水平排屑時，才應該考慮升級到臥式加工中心 (HMC)。臥式加工中心只是一台設計過剩、價格昂貴且昂貴的機器。

— 資深製造工程師，汽車一級供應商

最常用的CNC工具機類型是？

數控銑床，特別是立式加工中心（VMC）銑床，是目前安裝最廣泛的CNC工具機。它們佔據主導地位。 CNC銑削 適用於加工車間、合約製造和公司內部直接生產。原因很簡單，三軸立式加工中心能夠以最低的初始成本加工大多數零件形狀。

價格的巨大差異可歸因於不同軸控制的效率水準。三軸數控銑削的成本約為每小時 40 美元。而五軸聯動銑削的成本則從每小時 150 美元到 300 美元以上不等，具體取決於材料和形狀。為了避免五軸鑽孔操作造成昂貴的浪費，車間訓練人員會督促熟練的操作人員將五軸操作分配給真正需要的零件。

CNC鑽床

專用工具機是CNC鑽孔機，銑床雖然也能鑽孔，但效率不高。如果您需要加工成千上萬個相同的孔，例如在PCB製造、熱交換器管板或鋼結構框架上，專用數控鑽孔機可以快速且有效率地完成這項工作。

有些數控鑽床使用多軸鑽頭一次可以鑽四個、八個甚至十六個孔，但加工車間不得不犧牲輪廓加工和型腔加工的靈活性，因為它只能加工出一種特定的孔形狀。

CNC車床和車削中心

數控車床透過旋轉棒料，在固定或驅動（動力）刀具的作用下進行加工。任何具有旋轉對稱性的零件，例如軸、襯套、螺絲、法蘭等，都可以精確加工。如今，所有車床都採用數控系統，因為其高度可編程的刀具路徑能夠減少手動車床操作所需的技術要求和定位誤差。工件沿著中心軸線固定，刀具只能沿著工件在X軸和Z軸方向上移動，一旦完成編程，即可自動加工出複雜的形狀。新型數控車床甚至在刀塔上整合了動力刀具或驅動主軸銑削以及C軸，從而實現了車削和銑削的融合。

在CNC車削中，最重要的選擇是傳統車床還是瑞士型車床。傳統車床採用傳統的加工方式，工件透過卡盤或筒夾夾緊，雖然可以加工大直徑工件，但長徑比受到限制。瑞士型車床則透過導套送料，在切削點直接支撐工件。此設計可以加工極長的工件，並能實現小直徑工件微米級的同心度。

瑞士車床操作人員通常認為導套調整是影響醫用骨螺絲亞微米級同心度的主要因素。如果不調整導套位置，即使程式設計技術再精湛，也無法降低跳動。

數控銑床

CNC雕刻機與CNC銑床非常相似，差異在於前者設計用於加工較軟的材料，且切削條件有所不同。銑床結構足夠堅固，可以切割鋼材，而CNC雕刻機則犧牲了剛性，以適應較大的加工區域和較高的橫向移動速度，用於加工較軟的材料，例如木材、中密度纖維板、亞克力、泡沫、複合板和軟鋁。

比較數控銑床和數控雕刻機時，請考慮以下因素：對於比鋁更軟的材料，且Z軸深度不超過100毫米時， 數控雕刻機 在幾乎所有情況下，它都是更經濟的選擇。其他方面，銑床都更勝一籌。

振動是數控銑床切割較硬材料時的主要弱點。對銑床切割鋼材的深入研究表明，刀具會在短短幾分鐘內迅速磨損，同時還會導致表面品質不佳和尺寸不穩定。銑削鋼材所需的巨大質量和高扭矩，遠遠超出了這些機器的可靠承載能力。

數控等離子切割機

數控等離子切割機利用電弧產生高溫，最高溫度可達華氏 40,000 度（22,200 攝氏度），熔化金屬並噴射出高速射流，切割導電金屬。這是切割厚度達 50 毫米的金屬薄板和板材的首選工藝，切割薄鋼板時切割速度可達每分鐘 200 英吋以上。

數控等離子切割機將高速等離子割炬與運動追蹤龍門架整合在一起，並使用CAM軟體產生進給指令。雖然這個過程相對簡單：導入DXF文件，選擇製程參數，切割－這種簡單性使得等離子切割成為中小型加工車間最簡單的熱切割技術。

數控激光切割機

數控雷射切割機使用雷射發射高能量光束，該光束可沿著預設的切割路徑加熱、汽化或熱裂解材料。主要有兩種類型：二氧化碳氣體雷射和光纖（固態）雷射。選擇哪種類型主要取決於切割材料和所需的切割速度。

二氧化碳雷射的工作波長為10.6微米，這種波長的光很容易被常見的非金屬材料（如木材、壓克力、織物、玻璃）吸收。而光纖雷射發射的雷射波長為1.06微米，這種波長的光更容易被金屬吸收。正是這種物理特性上的差異造成了整個市場的分裂。

市場統計數據足以說明一切。光纖雷射在工業雷射系統中的份額從2010年的不足15%增長到2020年的50%以上。全球雷射切割機市場規模已達6.85億美元（預計到2025年），並以8.5%的複合年增長率成長。

纖維正在蠶食二氧化碳在金屬切割市場的地位；二氧化碳由於其吸收物理特性，在非金屬應用領域中保持其地位。

在2010年代，光纖雷射取代二氧化碳雷射是工業市場的主要趨勢。到2020年，超過50%的工業雷射系統收入來自光纖雷射。

— Optech Consulting，雷射市場分析

對於能夠運輸金屬和非金屬的加工企業來說，各種製程都提供了光纖和二氧化碳雷射兩種選擇。但如今，功率更高的光纖雷射（12kW以上）能夠切割比以往更厚的板材，而這些板材以前只能用二氧化碳雷射切割，這再次改變了經濟格局。想了解更多詳情嗎？

Check the 雷射切割對環境的影響 或如何做 旋轉雷射打標 一部分。或查看 雷射蝕刻塑料 如果非金屬標記很重要的話。

數控放電加工機 (EDM)

電火花加工是透過一系列快速可控的電火花來燒蝕工件材料。電火花加工過程中不涉及切削力，也不對材料進行機械加工；相反，每次放電都會產生熱侵蝕現象。因此，電火花加工是唯一能夠加工硬度超過 60 HRC 或更高硬度材料，以及加工旋轉刀具無法實現的超大尺寸（深度與寬度之比）材料的加工工藝。

電火花加工 (EDM) 分為兩種：線切割電火花加工和沈頭電火花加工。線切割電火花加工使用一根細黃銅或鉬絲（直徑 0.1-0.3 毫米），透過送入工件的方式進行加工，類似於用帶鋸切割工件，但其幾何精度是帶鋸無法達到的。沉頭電火花加工則使用異形電極（通常為石墨或銅）壓入工件，加工出空腔、盲孔和複雜的三維形狀。

一項值得關注的發現是：模具製造市場中，約25%的市場份額僅由無線電火花加工（EDM）佔據；然而，大多數人並不知道這一點。無線電火花加工佔了最大的市場份額，高達48%，這主要得益於汽車和航空航太沖壓工具市場的需求。預計2024年，電火花加工市場總規模將達到3.3億美元，並預計2034年將維持5.2%的年複合成長率。

一家模具廠需要在硬度為 58 HRC 的 H13 硬質合金上銑削一個深肋型腔（寬 0.5 毫米，深 30 毫米）。由於深度與寬度比為 60:1，數控銑削無法完成加工。最終採用線切割放電加工一次完成（精度為 0.002 毫米），省去了昂貴的二次打磨工序，每個模具每個主軸可節省 8 小時。

數控磨床

當公差要求小於 0.001 英寸，表面光潔度規格要求 Ra 值小於 0.2 μm 時，就進入了磨削領域。數控磨削中心使用旋轉的砂輪（而非切削刀具）來磨削極少量的金屬，精度極高。

三種主要類型適用於不同的幾何形狀：

• 平面磨床－可在 300 毫米範圍內加工出平面度小於 0.005 毫米的平面。
• 圓柱磨床－磨削外徑和內徑表面，圓度達0.002mm（進一步分為外徑磨削和內徑磨削）
• 無心磨床－大批量圓柱形加工設備－可批量加工銷軸、軸和輥，無需對每個零件進行單獨定心。

研磨幾乎總是二次加工工序。零件首先在銑床或車床上進行粗加工，然後進行熱處理以達到預定的硬度，最後在研磨機上精加工成最終的形狀和尺寸。但在此過程中，材料去除量通常只有0.1-0.5毫米，其目的是為了消除熱處理變形，並獲得超光滑的最終表面質量。

CNC水刀切割機

CNC水刀切割機使用壓力為60,000-90,000 PSI（4,100-6,200 bar）的水射流，水流通過一個微小的噴嘴噴射而出，有時（或經常）會在噴嘴中添加磨料石榴石顆粒。幾乎所有材料都可以透過這種工藝進行切割——金屬、石材、玻璃、陶瓷、複合材料、橡膠——而且切割區域不會產生任何熱量。因此，熱影響區為零。切割邊緣不會出現熱變形或硬度變化。

水刀切割可以切割 12 英吋（300 毫米）或更厚的鋼材，但切割速度會隨著厚度的增加而急劇下降。使用磨料水刀切割 1 英吋厚的低碳鋼，預計切割速度約 5-10 英吋/分鐘。儘管切割 18 號規格的薄板比等離子切割或雷射切割略慢，但該工藝最適合切割厚料。其優點包括材料適用性廣，並且能夠切割出清晰銳利的邊緣。

另一個誤解是：「水刀切割會留下不均勻的邊緣。」高品質的 Q-5（最低參數，最慢的寬度 0 值）設定可以獲得 Ra 3.2 公尺或更好的表面光潔度－與中等銑削光潔度相當。所謂「參差不齊的邊緣」的說法，是源自於大批量生產車間使用 Q1（最快）設定進行高速切割而產生的誤解。切割速度和光潔度都是可調節的參數。

多軸數控工具機：三軸、四軸及五軸詳解

數控機床的軸數也很重要。五軸機床比三軸機床能提供更大的刀具和工件活動自由度，減少夾具用量，並降低加工過程中的誤差。

但這也意味著更昂貴的CNC工具機、更複雜的編程以及更高的工時費。

Tim 的建議：80% 的稜柱形零件用三軸機床加工效果最好、成本最低。只有在加工真正的自由曲面、深底切，或裝夾次數少、每小時成本高出 3-5 倍的情況下，才應該考慮使用 3 軸立式加工中心 (3VMC)。如果你僅僅因為 5 軸工具機價格更高就購買它，那麼你很快就會因為把原本可以用 3 軸立式加工中心以四分之一的每小時成本完成的工作外包出去而浪費掉省下來的錢。

一家骨科植入物公司將加工方式從三軸加工（每個膝關節組件需要6次裝夾）改為五軸連動加工（只需一次裝夾），所有設備保持不變。安裝時間被消除，每批的裝夾時間從4.5小時縮短至0.75小時。廢品率從超過8%降至1%以下。這台價值35萬美元的機器，原本需要18個月才能回本，現在只花了11個月就實現了。

CNC工具機有多少種不同的類型？

數量很容易統計。根據其主要應用——銑削、車削、雕刻、等離子切割、雷射切割、電火花加工、研磨、水刀切割，甚至可能包括其子應用——至少可以歸納 10 個主要類別（即我在本指南中提到的那些）。根據運動軸的數量，其範圍從輕便的雙軸車床延伸到配備雙主軸和雙立柱換向器的全功能 12 軸瑞士型車床。

根據控制系統的說法，其發展歷程與主要製造商一樣多——發那科、西門子、海德漢、三菱、馬扎克等等。這是一份永無止境的失敗嘗試清單。如果您想了解其他CNC設備，不妨看看… 擠出機.

如何為您的應用選擇合適的CNC工具機

選擇CNC工具機時應考慮哪些因素？

五件事要做。要做好這五件事，幾乎不可能選錯機器：

1. 材料種類和硬度－較軟的鋁比硬化的D2工具鋼更容易加工。您選擇的材料會在加工前就排除掉很多可能性。
2. 零件幾何形狀的複雜性－簡單的稜柱形狀與自由曲面輪廓形狀與板材/片狀形狀（軸數和機器類型）。
3. 公差和要求。 0,010" 非常重要，但 0,0005" 則需要特殊設備和製程管理。
4. 產量－可以是單一原型，也可以是每月10,000台。產量會影響所需的自動化程度以及投資昂貴機器的合理性。
5. 預算包括資本支出和營運成本（例如工具、耗材、操作人員技能和場地面積）。

為了展示這些因素與機器推薦之間的關係，我們在下面列出了一個選擇矩陣：

我們經驗豐富的機械師和車間經理經常說：「真正起作用的是經銷商」——售後服務和備件供應與機器的規格參數同樣重要。如果經銷商在您所在地區沒有售後服務支持，那麼即使機器性能優異，停機造成的損失也會遠遠超過價格上的優惠。

您準備好透過選擇機器來滿足您的應用需求了嗎？請瀏覽我們的產品系列。 CNC工具機資料庫 詳細規格按類別列出。有關其他金屬加工工具和資源，請參閱我們關於…的文章。 在平面金屬表面上進行雷射雕刻.

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