CNC加工流程：鋁合金 3D 零件與塑膠模具的 G-code 編寫實例詳解

CNC加工流程：鋁合金 3D 零件與塑膠模具的 G-code 編寫實例詳解

🧭 一、前期準備階段

1. 設計圖紙（CAD）

• 使用 CAD 軟體（如 AutoCAD、SolidWorks、Fusion 360）繪製零件的二維或三維圖。
• 圖面需標明尺寸、公差、材料等細節資訊。

2. 加工工藝分析與規劃

• 確定加工順序（如：粗加工 → 半精加工 → 精加工）。
• 選擇適合的加工設備（如數控車床、銑床、加工中心等）。
• 選擇合適的刀具、夾具、冷卻液等加工資源。

---

🧮 二、程式編寫階段

3. CAM 編程（電腦輔助製造）

• 使用 CAM 軟體（如 Mastercam、UG NX、Fusion 360）根據 CAD 圖紙產生刀具路徑。
• 設定切削參數：主軸轉速、進給速率、切削深度等。
• 產生 CNC 加工程式（G-code／NC 程式碼）。

4. 模擬驗證

• 在 CAM 軟體或 CNC 機台上進行虛擬模擬。
• 檢查是否有刀具碰撞、過切、幹涉等問題。

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🏗️ 三、機台準備階段

5. 設備設定與校準

• 安裝刀具並進行刀長與半徑補正。
• 安裝夾具並夾持工件。
• 設定工件坐標系（如 G54、G55 等）。
• 將 NC 程式傳輸至機台控制器。

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🛠️ 四、正式加工階段

6. 加工操作

• 進行試切或空程運轉，確認程式無誤。
• 正式開始加工，注意操作人員需全程監控。
• 加工中需留意刀具磨損、冷卻液狀況、加工聲音等異常現象。

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🔍 五、檢驗與後處理階段

7. 品質檢驗

• 使用量測工具（如游標卡尺、三次元量測儀）檢查成品尺寸、公差與形位。
• 確認關鍵尺寸是否合格。

8. 表面與後處理（視需求而定）

• 如：去毛邊、研磨、噴砂、陽極處理、電鍍等。

9. 清潔、包裝與出貨

• 將加工完成的產品清洗乾淨，移除切削油與毛邊。
• 根據客戶需求進行包裝、打標、出貨。

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✅ 加工流程總結圖示（簡化）

複製編輯設計圖紙 → 工藝分析 → 編寫程式 → 機台準備 → 試切驗證 → 正式加工 → 品質檢測 → 表面處理 → 出貨


✳️ 一、G-code 範例與說明
G-code（又稱為「數控程式碼」）是 CNC 機台執行加工動作的控制語言。常見指令如下：
| 指令            | 功能說明             |
| ------------- | ---------------- |
| `G00`         | 快速移動（不切削）        |
| `G01`         | 線性插補（切削移動）       |
| `G02`         | 順時針圓弧插補          |
| `G03`         | 逆時針圓弧插補          |
| `G17/G18/G19` | 工作平面選擇（XY/XZ/YZ） |
| `G90`         | 絕對座標系（常用）        |
| `G91`         | 增量座標系            |
| `M03`         | 主軸順時針旋轉          |
| `M05`         | 主軸停止             |
| `M06`         | 換刀               |
| `M30`         | 程式結束並復位          |

✅ G-code 簡單範例（銑削一個 50x50 的正方形）
G90 G17 G21         ; 絕對編程，XY 平面，單位為毫米
G00 X0 Y0           ; 快速移動到起點
M06 T1              ; 換上刀具 1
M03 S1200           ; 主軸順時針轉速 1200 rpm
G01 Z-2.0 F100      ; 刀具進入材料 Z 軸 2mm，進給速率 100
G01 X50 Y0 F300     ; 沿 X 軸切削 50mm
G01 X50 Y50         ; 沿 Y 軸切削 50mm
G01 X0 Y50          ; 沿 X 軸返回
G01 X0 Y0           ; 回到起點完成方形
G00 Z10             ; 抬刀至安全高度
M05                 ; 停止主軸
M30                 ; 程式結束

🔧 二、刀具種類與用途
不同加工需求會選擇不同的刀具，以下列出常見 CNC 加工刀具：

| 刀具名稱                        | 外觀      | 用途          | 特點          |
| --------------------------- | ------- | ----------- | ----------- |
| **立銑刀**（End Mill）           | 圓柱狀     | 銑削平面、槽、輪廓   | 可加工側面與底面，常見 |
| **球頭刀**（Ball Nose End Mill） | 前端為半球   | 加工曲面、3D 模型  | 表面光滑、精度高    |
| **圓鼻刀**（Bull Nose Mill）     | 有圓角但非全球 | 曲面加工，強度較球刀高 | 適合粗加工與半精加工  |
| **鑽頭**（Drill Bit）           | 錐狀      | 鑽孔          | 常見標準孔加工     |
| **鏜刀**（Boring Tool）         | 單刃內孔刀具  | 精孔加工        | 提高內孔精度與光潔度  |
| **螺紋刀**（Thread Mill）        | 特殊螺紋型刀刃 | 加工螺紋孔       | 精度高、可加工盲孔   |
| **倒角刀**（Chamfer Mill）       | 斜面刀刃    | 倒角、去毛邊      | 用於切削邊緣      |

🧠 三、加工策略（切削方法與順序）
合理的加工策略可以提昇加工效率與品質。以下是常見策略分類與說明：

1. 加工順序規劃
| 步驟 | 加工類型 | 說明           |
| -- | ---- | ------------ |
| 1  | 粗加工  | 移除大量材料、快速成型  |
| 2  | 半精加工 | 修整形狀、提高精度    |
| 3  | 精加工  | 達到最終尺寸與表面粗糙度 |
| 4  | 表面處理 | 去毛邊、倒角、鍍層等   |


2. 切削策略選擇
| 類型                           | 說明          | 適用情況            |
| ---------------------------- | ----------- | --------------- |
| **等高切削（Z-level machining）**  | 沿 Z 軸分層加工   | 曲面加工、模具業常用      |
| **輪廓加工（Contour）**            | 沿零件外形輪廓移動   | 2D 形狀輪廓、外框成型    |
| **清角加工（Rest machining）**     | 處理粗刀遺留的小角   | 精加工階段常用         |
| **平面加工（Facing）**             | 水平削平材料表面    | 首道工序、整平表面       |
| **螺旋下刀（Helical ramping）**    | 螺旋方式下刀，降低衝擊 | 適用於硬材料、深孔       |
| **等步距加工（Adaptive clearing）** | 智慧路徑保持穩定負載  | CAM 軟體常見、提高刀具壽命 |

🔚 總結

| 項目         | 核心概念                    |
| ---------- | ----------------------- |
| **G-code** | CNC 機台的控制語言，需精確編寫與模擬    |
| **刀具**     | 根據加工特徵選擇不同刀型，影響品質與效率    |
| **加工策略**   | 決定切削效率與表面品質的關鍵，分階段進行更穩定 |

🧩 一、鋁合金 3D 零件 G-code 設計示例
📘 加工特點：
材料：鋁合金（如 6061、7075）

特性：輕、軟、切削性佳，適合高速加工

加工類型：多為曲面與輪廓加工（常見於機械外殼、支架、散熱片）

🛠 建議加工策略：
使用 球頭刀 搭配 Z-level（等高加工）+平坦清角

切削參數設置適中：高速主軸、適量進給

使用冷卻液避免刀具過熱與鋁屑粘附

✅ G-code 範例（3D 曲面掃描加工，使用球頭刀）：
gcode
複製
編輯
%
O1000 (3D Ball Nose Machining for Aluminum)
G21 G17 G90 G40 G80 G94     ; 毫米模式，XY 平面，絕對座標，取消補償
G0 Z100                     ; 提升到安全高度
T1 M06                      ; 換刀（球頭刀）
M03 S12000                  ; 主軸順時針轉速 12000 rpm
G0 X0 Y0                    ; 快速移動到起點
G43 H01 Z10                 ; 啟用刀長補正，Z=10mm
G01 Z-1.0 F300              ; 緩慢下刀進入材料

; 以下為簡化的 3D 曲面掃描線（使用 Y 軸掃描）
G01 X0 Y0 Z-1.0 F800
G01 X50 Y0 Z-1.2
G01 X50 Y1 Z-1.3
G01 X0  Y1 Z-1.1
G01 X0  Y2 Z-1.2
G01 X50 Y2 Z-1.4
...
; 可延伸為自動生成掃描線的連續 G-code

G00 Z100                   ; 回升
M05                        ; 停止主軸
M30                        ; 程式結束
%
🔍 備註：實際的 3D 模型加工會使用 CAM 軟體（如 Fusion 360、NX）根據曲面自動產生數千行類似的 G-code 掃描路徑。

🧱 二、塑膠模具加工 G-code 設計示例
📘 加工特點：
材料：模具鋼（如 P20、NAK80、H13），但通常做出模具來注射成形塑膠

特性：硬度較高，加工需耐久刀具

加工需求：高精度、複雜曲面與銳角、深腔特徵

🛠 建議加工策略：
使用 粗加工 → 半精加工 → 精加工 三階段策略

精加工使用小直徑球頭刀清角

結合高光表面處理與倒角

✅ G-code 範例（模穴粗加工 + 精修）：
%
O2000 (Plastic Mold Cavity Roughing and Finishing)
G21 G90 G17 G40 G80 G94
G0 Z100
T2 M06                   ; 換刀（粗加工用 10mm 平刀）
M03 S4000                ; 主軸轉速 4000 rpm
G0 X0 Y0
G43 H02 Z10
G01 Z-2.0 F150           ; 初步粗加工深度
G01 X100 Y0 Z-2.0 F400
G01 X100 Y50
G01 X0 Y50
G01 X0 Y0
G0 Z10

; 粗加工完成，換精加工刀
T3 M06                   ; 精加工用球刀
M03 S8000
G0 X0 Y0
G43 H03 Z10
G01 Z-0.5 F100
; 精加工曲面掃描（等高線方式）
G01 X0 Y0 Z-0.5 F500
G01 X50 Y0 Z-0.6
G01 X50 Y1 Z-0.7
G01 X0 Y1 Z-0.5
...
G00 Z100
M05
M30
%

🔍 備註：模具加工中 G-code 通常來自 CAM 軟體自動生成，並配合高階後處理器（Post Processor）導出。人工撰寫僅適合基本刀具路徑設計與學習用。

✨ 小結對比表
| 項目   | 鋁合金 3D 零件 | 塑膠模具           |
| ---- | --------- | -------------- |
| 材料硬度 | 中等（好加工）   | 高（難加工）         |
| 常用刀具 | 球刀、平刀、圓鼻刀 | 球刀、小直徑刀、鏜刀     |
| 加工目標 | 外殼、3D 造型  | 模穴、凹模、曲面模具     |
| 切削方式 | 快速、清屑重要   | 多段式，要求精度與表面粗糙度 |
| 程式來源 | 可手寫／CAM   | 幾乎皆由 CAM 軟體產生  |


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