Как точно оценить и оптимизировать время обработки на станке с ЧПУ?

CNC machining time directly impacts production efficiency, cost control, and delivery schedules—making its accurate estimation and optimization critical for manufacturers. Whether you’re processing small precision parts or large structural components, understanding the factors that influence machining time and mastering practical calculation methods can significantly reduce waste. This article breaks down core influencing factors, step-by-step calculation logic, and actionable optimization strategies to help you manage CNC machining time effectively.

1. Core Factors That Influence CNC Machining Time

Machining time is not a fixed value—it depends on a combination of workpiece characteristics, Свойства материала, process parameters, and equipment performance. Below is a detailed breakdown using a contrast and causal chain structure:

1.1 Workpiece Geometric Characteristics

The complexity and size of the workpiece directly determine tool path length and cutting difficulty, creating a clear causal relationship with machining time:

• Сложные особенности (Изогнутые поверхности, narrow grooves, глубокие полости): Longer tool paths and lower feed speeds (Чтобы обеспечить точность) increase time by 30–60% compared to simple flat parts. Например, a deep cavity with a depth-to-diameter ratio >5:1 requires layered cutting, adding 2–3x more time than a shallow cavity.
• Небольшие особенности (0.5 mm wide ribs): Limited by machine acceleration, these take 1.5–2x longer to machine than large planes—even with the same material and parameters.
• Тонкостенные детали: Insufficient rigidity forces reduced cutting depth (to prevent vibration), increasing machining time by 30–50% (НАПРИМЕР., а 2 mm thick aluminum bracket takes 40 minutes vs. 25 minutes for a solid bracket).

1.2 Material Physical Properties

Different materials demand different cutting strategies, which directly affect speed and efficiency. The table below contrasts key material types and their time impacts:

1.3 Process Parameter Combination

Скорость шпинделя (С), скорость корма (Фон), и глубина реза (ап/аэ) сформировать оптимальное соотношение — любое отклонение увеличивает время или снижает качество:

• Скорость шпинделя (С) & скорость корма (Фон): Слишком высокое значение приводит к сколам инструмента. (требующий доработки, добавление времени); слишком низкий уровень приводит к неэффективности. Например, стальная деталь с S=3000 об/мин и F=0,1 мм/об занимает 30 минуты, но S=5000 об/мин (скольжение) добавляет 20 минуты доработки, в то время как S=1000 об/мин (Слишком медленно) принимает 60 минуты.
• Глубина резания (ап/аэ): При черновой обработке можно использовать максимальные возможности станка. (НАПРИМЕР., ap=5 мм для стали), но нужна доводка ae=0,1–0,3 мм (для обеспечения чистоты поверхности)— только чистовая обработка добавляет 10–15 % общего времени обработки точных деталей..

1.4 Machine Tool & Auxiliary Operations

Старое оборудование и трудоемкие вспомогательные задачи часто становятся узкими местами.:

• Динамические характеристики станка: Старые машины имеют задержку реакции сервопривода: быстрое перемещение G00 занимает на 20–30 % больше времени, чем новые 5-осевые машины.. Автоматические сменщики инструмента (УВД) отличаться: магазин на 40 инструментов занимает 15 секунд на изменение, добавление 2.5 минут на 10 смена инструмента в многопроцессной детали.
• Вспомогательные операции: Прецизионные детали требуют онлайн-проверок на КИМ (30 минут каждый), а подъем/позиционирование тяжелых деталей занимает 10–30 минут.. Special fixtures with interference risks can take 1–2 hours of trial installation—exceeding actual cutting time.

2. Step-by-Step Logic to Calculate CNC Machining Time

Estimating machining time requires a structured approach: first calculate program execution time, then add non-cutting time, and finally reserve a safety margin.

2.1 Program Execution Time (Pure Cutting Time)

Use the core formula:

T = L / (F × η)

• Т: Program execution time (hours/minutes)
• Л: Effective cutting path length (мм)
• Фон: Скорость корма (мм/мин)
• η: Cutting efficiency coefficient (0.7–0.9, accounting for acceleration/deceleration, tool lifting, и т. д.)

Практический пример

Machining a Φ50 mm × 100 mm long axis outer circle with aluminum alloy:

1. Layered cutting: ap=2 mm, so number of layers = 100 мм / 2 mm = 5 слои.
2. Path length per layer: Perimeter of the circle = πD = 3.14 × 50 mm = 157 мм. Total L = 157 мм × 5 layers = 785 мм.
3. Параметры: F=600 mm/min, η=0.8.
4. Calculation: T = 785 мм / (600 mm/min × 0.8) ≈ 1.64 минуты (pure cutting time).

2.2 Non-Cutting Time Accumulation

Add fixed and variable overheads that are often overlooked:

For the long axis example: Total non-cutting time = 35 + 62.5 = 97.5 минуты.

2.3 Safety Margin Setting

Reserve 15–30% of total time for unexpected issues (износ инструмента, power outages, process changes):

• Total time before margin = 1.64 (резка) + 97.5 (non-cutting) = 99.14 минуты.
• Safety margin (20%) = 99.14 × 0.2 ≈ 19.83 минуты.
• Final estimated time: 99.14 + 19.83 ≈ 119 минуты (≈2 hours).

3. Practical Strategies to Optimize CNC Machining Time

Reducing machining time doesn’t mean sacrificing quality—focus on smart process, инструмент, and equipment adjustments:

3.1 CAM Programming Optimization

Use these techniques to minimize empty strokes and redundant moves:

• Spiral down cutting: Replace vertical piercing (which risks tool breakage and slow speed) with spiral paths—reduces empty stroke time by 20–30%.
• Mixed ring + row cutting: For island structures (НАПРИМЕР., деталь с множеством выступающих элементов), это позволяет избежать частого подъема инструмента, что экономит 15–25 % времени перемещения..
• Остаточная пустая функция: Позвольте последующим процессам резать непосредственно оставшийся материал (вместо повторной обработки всей площади)— сокращает длину пути на 10–15 %.

3.2 Tool Selection Principles

Выбор правильного инструмента повышает скорость и снижает износ.:

• Грубая: Используйте фрезы с большими зубьями и плотными зубьями. (НАПРИМЕР., 4–6 зубов) увеличить скорость съема материала на 30–40%.
• Отделка: Выбирайте инструменты с мелкими зубьями. (НАПРИМЕР., Покрытие TiAlN) поддерживать высокие скорости подачи без дефектов поверхности.
• Глубокие полости: Select long neck shrinking rod tools with high-pressure internal cooling—improves chip removal efficiency, cutting time by 25–35%.
• Material match: Carbide tools last 10x longer than high-speed steel (HSS)—even with higher upfront cost, they reduce tool change time by 50%.

3.3 Machine Tool & Workflow Adaptation

Match equipment to part requirements to avoid bottlenecks:

• Large workpieces: Use gantry machines (better load-bearing and travel range) instead of vertical centers—reduces re-clamping time by 40–50%.
• Точные детали: Choose vertical machining centers with good thermal stability (paired with a constant temperature workshop) to avoid rework from thermal drift—saving 1–2 hours per batch.
• Batch production: Invest in special combination machines with parallel stations—e.g., a 2-station machine can cut cycle time by 50% (one station machines while the other loads/unloads).

4. Correction Coefficients for Typical Working Conditions

Adjust estimated time based on common challenging scenarios using the table below (multiply base time by the coefficient):

Перспектива Yigu Technology

В Yigu Technology, we believe CNC machining time management is about balancing accuracy and efficiency. For clients across automotive and aerospace, we start with a data-driven approach: our historical database of 5,000+ parts lets us apply precise correction coefficients (НАПРИМЕР., ×2.8 for titanium alloy right-angle parts) to avoid overestimating time. We also optimize toolpaths with UG/NX’s residual blank function, cutting empty strokes by 25%, and use carbide tools with high-pressure cooling to boost feed rates by 30% Для алюминиевых частей. For batch production, we’ve deployed 2-station combination machines that cut cycle time by 45% without compromising precision. В конечном счете, the goal isn’t just faster machining—it’s predictable, cost-effective timeframes that keep projects on track.

Часто задаваемые вопросы

1. How do I adjust machining time estimates for a new material I’ve never used before?

Start with a “three-point estimation method”: calculate optimistic (best-case, НАПРИМЕР., high speed with no issues), normal (average parameters), and pessimistic (slow speed with rework) раз. Use the formula: (Optimistic + 4×Normal + Pessimistic)/6. Например, if titanium alloy parts have optimistic=60 min, normal=90 min, pessimistic=120 min, the estimate is (60 + 360 + 120)/6 = 90 мин.

2. Can CAM software alone accurately estimate CNC machining time?

CAM Software (НАПРИМЕР., Мастеркам, UG/NX) хорошо рассчитывает время выполнения программы, но часто упускает нерезкое время (Изменения инструмента, проверки) и запасы безопасности. Чтобы учесть это, добавьте 30–40 % к первоначальной оценке CAM — это соответствует реальным результатам для 80% части.

3. Сколько времени я могу сэкономить, перейдя с 3-осевого на 5-осевой станок с ЧПУ для обработки сложных деталей?

Для деталей, требующих нескольких настроек (НАПРИМЕР., 5-сторонний корпус), 5-Осевые станки исключают повторный зажим, что экономит 40–60 % времени, не требующего резки.. Для глубоких полостей или изогнутых поверхностей, 5-Динамическая резка по оси также сокращает длину траектории инструмента на 20–30 %., сокращение общего времени на 30–50 % по сравнению с 3-осными станками.