車刀和操作

本文摘自:美國American Machinist 雜誌

作者 George Schneider Jr.



    車削是一種用來加工圓柱面的金屬切削方法—工件繞主軸旋轉,刀具做徑向或軸向進給轉動,切削出想要的表面。從一般意義上來說,車削指的是用單刃刀具切削出任意的圓柱面。講的更具體些:車削經常被用來切削與工件軸平行的外圓表面。對與工件軸垂直的表面進行的切削叫做端面車削。車削時,刀具主要沿機床主軸做軸向進給動作。錐型和仿型表面的車削則要求刀具既做軸向,又做徑向進給動作,這種車削又稱做仿型車削。

    大多數車削加工的切削特徵都很相似。如果只能用一把刀具在一個既定的表面上進行車削。這把刀必須在一定程度上探出夾具的一部份,才能讓夾具與旋轉的工件保持一定距離。車削開始後,刀具開始切割工件,直到整個加工過程結束。在這個過程中,刀具將工件車削成一個圓柱體表面,其切割速度和切割尺寸都是恆定的。在端面車削的時候,切削速度與工件直徑成比例變化。當刀具即將接近工件中心時,主軸會加速以提高工件的轉動速度。

    總之,車削是一種常見的金屬切削方法。除了開始和結束這兩個時間點,其他時候刀具所受的力以及刀尖的溫度,基本上都是恆定的。端面車削有所不同,其切削速度是變化的,因而刀尖溫度會有所波動。在切削大直徑工件時,還可能會產生高溫。但是由於切削速度只是影響切削力的一個小因素,因此作用在端面車削刀具上的力可以看作是恆定的。

相關的車削操作

除了車削和端面車削外,車床還能被用來做別的事情。

在車床上可以進行的工作,幾乎都採用單刃刀具。

下文列出了車床可以勝任的其他6種加工:

切角:用刀具切除圓柱體邊上的一個角。

切斷:刀具做徑向進給,沿著工件的長,在一個特殊的地點切入旋轉的工件將其切成兩半。

車螺紋:用一個尖口刀具直線進給到旋轉工件的內或外表面,切削出內或外螺紋。

搪孔:擴大一個預制孔的尺寸。將一個尖口刀具與旋轉軸平行直線進給來擴大孔的尺寸。

鑽孔:將鑽頭沿著工件軸切入工件內,開出一個孔,鑽孔完成後,可以再絞孔或是搪孔來提高孔的精確度和表面光澤度。

滾花:用刀具來在工件表面滾壓出規則的交叉圖案。

刀夾的類型

ANSI車削刀夾編碼系統用幾個字母,通過導程角和端刃角數值來說明車削刀夾的特定幾何形狀。ANSI車削刀夾系統共列出了7種基本的刀具類型,它們能夠完成幾乎所有的車床加工,包括車削、端面車削、切槽、車螺紋、和切斷等等。這7種主要的刀具類型的代表符號是A,B,C,D,E,F,G。

A型:直柄,帶0°斜切削刃角,用於車削。

B型:直柄,帶15°斜切削刃角,用於車削。

C型:直柄,帶0°端刃角,用於切斷與切槽。

D型:直柄,帶45°斜切削角,用於車削。

E型:直柄,帶30°斜切削角,用於車螺紋。

F型:曲柄,帶0°端刃角,用於端面車削。

G型:曲柄,帶0°斜切削角。這是A型刀具的一種,只不過間隙更大,用於離車床卡盤較近的車削。



切削刀片的形狀

可轉位車削刀片分多種形狀,尺寸和厚度,有的帶直孔、有的帶埋頭孔,有的不帶孔,有的車削刀片一邊帶斷屑槽,有的兩邊都有斷屑槽,有的則不帶斷屑槽。要根據刀片和斷屑槽的幾何形狀來選合適的車削刀夾,只有這樣才能提高生產效率,延長刀具的使用壽命。

針對一種工件材料或是工件硬度,確定採用何種幾何形狀的刀片時,應充分考慮到刀片的強度。三角刀片是應用最廣泛也是最常見的刀片形狀。上文提到的7種基本車削刀夾都能用三角刀片。菱形刀片主要用做仿型車削,而方形刀片則通常用做導角刀具。根據刀片的形狀,我們可以判定刀片的強度:刀片邊上的夾角越大,刀片的強度越大。


工作條件

工作條件決定了三個重要的金屬切削變量:金屬切削率、刀具壽命和表面光澤度。我們必須創造正確的工作條件,平衡好這三個變量的關係,從而以儘量低的單位加工成本,獲得最大的生產效率和最好的表面光澤度。

任何加工生產的成功都依賴於工件和刀具的結構,尤其是當工件不剛或不硬,刀具或機床佈建必須接觸加工區域的時候,結構會變的尤其重要。

工件、刀具,以及機床的變形是不可避免的,這些變形通常都非常微小,部會給操作帶來什麼影響,也經常被人們所忽略。只有當變形導致產生喀擦聲、震動或是扭曲的時候,他才會成為一個問題。因此,我們有必要花時間和精力來確保刀具和工件結構盡可能的穩固,這一點在進行重型或是斷續切割的時候尤其重要。在加工異型工件,尤其是那些重量分佈不均勻和偏心的工件的時候,要考慮到平衡性問題。不平衡可能會帶來安全隱患,導致切削不精確,產生喀擦聲,甚至會損壞機床。在低速狀態下,不平衡的問題可能不是很突出,但隨著速度的提高,這個問題會變的越來越嚴重。不平衡的情況大部分發生在使用轉盤和車床面板的時候。隨著材料被刀具從工件上切削下去,平衡關係會發生相應改變。如果一系列的粗切導致工件變的不平衡,那麼等到提高速度進行精切削的時候,不平衡問題就會變的更複雜。因此,在車削還沒到精加工表面處理這個階段的時候,就沒法得知究竟是什麼原因導致了車削精度和表面光滑度問題。

工件固定方法

在車削加工中,有三種最常見的工件固定方法:

用夾頭固定

中心間固定

用筒夾固定

夾頭:最常見的工件固定方法。夾頭安裝在主軸的尾部,有3到4個鉗口。3鉗口的夾頭用於固定圓柱體工件,讓它0與操作臺共用同一個中心。

4鉗口夾頭的每個鉗口都可以通過旋轉徑向安裝的螺紋釘來進行調節。雖然工件的精確安裝比較耗時,但在車削非圓柱體工件的時候通常要用到4鉗口夾頭。

中心間固定:當需要進行精確車削加工,或操作臺並不是真正的圓柱體的時候,可以在中心間車削工件。首先,在工件的兩端各鑽一個錐形中心孔,給車床中心提供插入位置。用一個夾子先固定住工件,讓夾子尖插入主軸上傳送板上的槽,確保工件會與主軸一起旋轉後,再將工件固定在車床的兩個中心上(1個位於主軸箱,1個位於尾座),由它們提供支撐。

車床中心給主軸箱和尾座之間的工件提供支撐。主軸箱主軸內的中心又叫活中心,繞主軸箱主軸旋轉。尾座主軸上的叫死中心,這個中心通常並不旋轉,而且必須加固和潤滑,以防止磨損。

主軸中心插入的那個孔通常是莫氏標準錐度。要確保這個孔沒有灰塵,孔的錐度上沒有切屑或是毛口。如果活中心上的錐度尚有灰塵顆粒或是毛口,它就不會正常的旋轉。也就是說:這兩個中心在車床加工中扮演著具足輕重的作用。這兩個中心給工件提供支撐,它們必須與彼此對齊。工件必須打好兩個完美的埋頭孔來容納這兩個中心。

簡夾:在平圓鋼塊或粗加工工件的車削中,通常會用到筒夾。這類工件的加工精度要求更高,常規的3鉗口或4鉗口夾頭無法做到這樣的精度。筒夾其實就是相對較薄的管狀鋼套,它的長邊的2/3被分成了3個縱向的部份。裂口尾端的外表面是一個錐度,可插入到主軸孔內的一個套筒的內錐度。當筒夾被拉向主軸內的時候,拉桿就會與筒夾內端的螺紋相扣,兩個交合的錐度此時就會將分開的筒夾部分擠壓到一起,讓它們固定住工件。

刀具夾具

最簡單的刀具夾具或是刀座適合用於固定單刃刀具。一般來說,刀具的下方是一個區塊。區塊下方則是一個凹球面。這種支撐方法能輕易調整刀具的位置,讓刀具進行車削時出在正確的高度。在下面的圖中,刀座安裝在一個複式刀架上。剩餘的是一個安裝在車床橫滑板上的小導軌,在水平線上的任何角度位都可以被夾住。

另外一種常見的刀架較四方轉刀架。它也安裝在複合刀架上。正如其名,這種四通式刀架能容納最多四個刀具。只需要抬起控制杆,解開刀架的鎖扣,就能快速的將刀具裝入刀架,隨後讓刀架旋轉,在合上控制杆即可。

所有標準刀具夾具都是為了能讓切削點在機床和工件的中心線上進行切削而設計的。如果切削點不在中心線上,刀具夾具和工件之間的間隙角就會縮小。如果夾具和工件之間缺乏一定的間隙,刀具的壽命就會大大縮短,切削出來的工件表面質量也會很低。

另一方面,如果刀刃在中心線下方,前角的負面影響會變的更大。在這種情況下,會產生很高的切削力,切屑將會成為緊密的卷曲狀。刀片在這時候很容易破裂,直徑較小的工件甚至會越過刀具頂部,與機床脫離。

有的時候,讓切削點離開中心線能解決一個問題。舉個例子:當需要加工易碎零件,或者說要避免出現深切槽振動,甚至是當要用到一個正前角刀具的時候,都需要將切削點離開中心線。將刀具輕微的越過中心線。將刀具輕微的越過中心線(工件直徑的2%~4%)會輕微的改變前角,這樣做會降低切削力,防止振動發生。

斷續切割,尤其是在加工大直徑工件的時候,會出現一些特殊的問題。這時候,最好將切割點輕微的放低到中心線下方。讓刀片處在一個更結實的切削位置。


切削條件

在確定了機床和刀具後,就需要考慮以下的幾個主要切削條件。

切削速度:切削速度指的是刀具和工件之間的相對表面速度,以表面英尺/分鐘為單位(SFM)。不論是工件還是刀具,再切削的時候都能轉動。由於機床是作旋轉轉動的,其單位是轉/每分鐘,因此必須有方法將表面速度轉化為轉/分鐘(RPM)。

所有的刀具材料在切削不同工件材料的時候,都有一個特定的SFM。很多參考資料上會給出刀具和工件材料的推荐SFM範圍。

切銷深度:切削深度指的是刀尖進入工件的深度。切削深度決定切削區域的線性尺寸。比如,將一個工件的外徑縮短0.500英吋,則切削深度為0.250英吋。

進給速率:車削車床的進給速率是工件每一次旋轉,刀具沿著工件的軸向前進速度,它的單位是英吋/轉(IPR),也可用一分鐘時間內前進的距離來表示,單位是英吋/分鐘(IPM)。

進給速率、切削速度、和切削深度會直接影響生產率,刀具壽命和機床。因此,要根據每個切削應用來慎重確定採取何種切削速度、進給速度和切削深度---對工件是進行粗切還是精切,將直接影響切削條件的選擇。

硬車削

隨著工件硬度的逐步提高,其可機械加工性能相應降低,導致刀具的磨損,以及工件表面的光澤度和完整度成了一個大問題。目前市場上有其他的機械方法和非機械方法可以經濟的將材料從硬質合金上切削下來。但是,採用合適的刀具材料,以及高鋼度和高速軸機床來切削硬質合金仍然是存在的。

常見的例子就是採用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具對熱處理鋼機器和汽車部

件進行精加工。這個過程能提供良好的尺寸晶度,表面光澤度和表面完整性。不論是從技術還是從經濟角度上來看,這種方法都要比研磨更具優勢。根據一些數據統計,研磨的成本是硬車削成本的10倍以上。

先進的刀具材料,例如PCBN和陶瓷使得用車削法來加工硬質合金鋼比研磨更加划算。很多機械工廠都讓它們的外圓磨床退役,改用更加便宜和多功能的CNC車床。

與研磨相比,硬車削具備以下優勢:

更快的金屬切削速率,更短的週期時間。

無需冷卻劑(下文將討論乾加工和濕加工的優劣)

縮短準備時間

現在,精密的CNC車床能車削出與研磨效果一樣的精確度和表面光滑度。

與研磨相比,硬車削消耗更少能量,更不容易對工件造成熱和其他損傷,不需要使用切削液,而且車床比磨床便宜。但是,對於大型的和微型工件,硬車削容易出問題,因為切削力比研磨力大。

此外,與研磨輪的自動調整相比,硬車削時的刀具磨損和刀具控制是另外一個大問題。所以說,硬車削與研磨之間的競爭是全方位的,應根據每個應用的產品表面完整度,質量與總體經濟性來決定採用何種方法。


乾加工vs 濕加工

僅僅20年前,切削液的成本還只占到大多數切削成本的3%,切削液的價格是如此之低,以至於當時很多工廠根本沒把它當一回事。然而時過境遷,如今的情形有了大變化。今天,切削液的成本占到了大多數工廠生產成本的15%,切削液已經成為了工廠老闆們最頭痛的問題之ㄧ。

切削液尤其是那些含石油的切削液如今就像過街老鼠一樣人人喊打。美國環保署(EPA)限制這類混合物的排放,很多州和地方政府甚至將它們列入危險廢料的範疇,如果它們含石油或是特定的合金,則將面臨更加嚴格的管制。

很多高速切削加工和液體噴嘴會在空氣中生成薄霧—政府部門限制

切削液排入空氣中的數量。美國環保署甚至提議實施更加嚴格的空氣顆粒物排放標準,而美國職業安全與保健管理總署(OSHA)正在考慮是否要提高工廠環境內液體霧的程度標準。

高維護成本,保持紀錄,又要遵循現有和未來更加嚴格的排放法規,所有這樣迅速的抬升了切削液的價格。因此很多工廠正在考慮乾切削法替代濕切削法,徹底擺脫切削由這個不斷帶給它們麻煩的產品。

究竟是用濕法還是乾法,應具體問題具體分析。在低速、難加工材料、困難工件、表面處理要求高的切削應用中,需要用到潤滑油。而在碰到高速、容易加工材料等切削應有時,則需要用到具有高冷卻性能的切削液。

然而,很多時候切削液能給我們帶來的好處低於它的成本。有很多種切削應用,而且這個數量在變的越來愈越多,無需用到任何切削液。現代刀具能在更高的溫度下切削,有的工廠用壓縮空氣將灼熱的切屑吹離區域。


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資料來源: 國際金屬加工商情 2010-04 P.70~P.77

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