接續上一篇的議題,往往在加工時不是單純一種方式就能完成我們所需的成品,需要透過多種工法、工序來完成產品,這次要介紹加工圓形特徵所需用到的製程工序-車床。
車床的功能
車床是常見的金屬加工方式,運作原理與銑床正好完全相反。車床是固定刀具,將加工件以高速旋轉的主軸帶動,利用刀具碰觸金屬表面進行材料去除,由於是工件旋轉進而加工,故皆圍繞旋轉軸做加工,因此都是以圓形形狀為主,搭配刀塔與切換各種刀具達到定位中心點、鑽孔、搪孔以及螺紋加工,同樣是由傳統機台利用滾輪控制進給發展起(如下圖1),後來接演變為CNC機台,使用電腦控制馬達進給,進而達到精準的加工。
車床依照主軸放置的方向,可以分為立式車床及臥式車床,當主軸方向放置為水平為臥式,垂直方向則採立式,車床的組成不一樣的地方,旋轉主軸搭配夾具固定工件,刀具會在床台上移動,若加工長工件時還會具備尾座及頂心(尖錐狀),頂著工件的一端使工件旋轉時尾端不會甩動,造成加工未沿著旋轉軸進而降低真圓度,也能更換為鑽頭在工件做中心點鑽孔。
圖1、傳統車床加工示意圖
上次提到鏈輪的外型是由銑床及滾齒機共同加工完成,那車床呢?車床加工會出現在齒輪胚料(圓盤狀)成型,但若鏈輪規格固定且需要大量加工時,此時採車床反而會減慢加工速度,會利用沖/壓床完成雛型,車床在其中的角色則是將鏈輪中心之軸孔做加工。
關於刀具,車床與銑床的加工差異,使得刀具僅會單一刀刃,也因為只有單一刀刃,避免換刀,因此必須具備強度、硬度、耐磨及耐熱之道具。車刀材料可分為金屬與非金屬,金屬材料常見的依耐熱程度和硬度低至高,分別為高碳鋼、高速鋼、鑄造合金或是鎢鋼刀再進行碳化處理等,尤其鎢鋼刀的耐熱程度和硬度皆最佳。因為所加工的材料及切深需求,將會對應車刀的材質挑選;非金屬則有陶瓷、鑽石及氧化硼,因為非金屬材質較脆,通常適合用在高速切削或特殊材質。
金屬材料刀片能以焊接的方式焊在金屬刀柄上,雖然有較高的剛性且抗振,但因為經過高溫焊接,刀片容易降低強度與硬度,而且不能重複使用較為浪費材料,較常見的則是刀片會以夾固式利用螺絲鎖固於刀柄上,而且可以在單一刀片上做多個刀刃,一旦刀刃不鋒利則可以轉向,毋須更換另一把刀,致使減少換刀時間並提高加工效率。
注意事項
車床之金屬切削影響精度的原因,不外乎跟銑床類似,同樣可歸類為三種狀況,分別為加工參數不適引起顫振、加工熱及外部熱源造成熱變形,切屑無適當排除皆會造成切削路徑不如預期,或切削力下降,造成表面粗糙度或精度下降。
顫振與銑床一樣可分為高頻及低頻,低頻為機台設計問題。高頻的振動也有可能因為加工材料的差異引發振動,細長、薄殼桿件或超硬材質加工等,但倘若遇到上述問題,亦能透過加工參數的調整來降低振動問題。另外,加工參數會直接影響刀具壽命,由於與銑刀不一樣,車刀是單一刀刃,會集中傷害於刀刃上,切削速度、進給量和切深直接引起刀具的損傷,切削速度及進給量的提高,都會造成刀尖溫度升高,進而使刀刃產生變質,降低強度及硬度,磨損增加,使刀具壽命大幅降低,而切深雖然影響較低,但在切深較小時會受到切屑硬化層之影響。
熱變形是影響加工精度的重要因素之一,會受到機台周圍環境氣溫的影響,如馬達運轉、加工摩擦等情況,皆會使溫度分布不均勻,平均每上升1度C,單一零件僅造成1mium的影響,但當機台整體都產生溫差時,則會產生十倍以上的誤差
車床一樣會受加工產生的切屑影響,而且車床因為單一刀片連續加工,切屑容易綿延未切斷,產生大量並且捲曲,而較容易纏繞在工件、車刀及刀架上,當切屑沒有排除,刀具損耗和產生摩擦熱,可能會傷害到操作者。會造成或影響切屑排除之因素,包括切深和角度、切屑的尺寸和形狀,冷卻液的流量以及周圍的材料等,此皆可透過機台的操作來控制切屑產生,並加以排除,降低切屑的影響。
協力鏈齒輪公司專業車床製程工序
協力製造鏈輪為滿足客戶客製的需求,客製化各種尺寸,在齒輪胚料完成後,由於精度的要求無法單純使用鑽床,還需要利用車床精加工完成軸孔,才得以安裝至滾齒機上,而且由於鏈輪規格愈來愈大且多,對於孔的深度和精度也愈要求,因而需要車床製成工序加以配合。
車床二次加工
下圖是協力鏈齒輪的加工流程,協力擁有CNC大型切割機、滾齒機以及CNC銑床,得以直接從原料一路到鏈齒輪成形,完成所有加工流程。將原料送至廠後,先以大型切割機加工至大概的尺寸,壓床成形齒輪胚料,去除毛邊後,利用車床尾座安裝鑽頭,先粗加工完成鏈輪軸孔,在以車刀將內孔二次加工完成所要求之精度,即可送上滾齒機使胚料加工出齒型,這時會幾近完成的形狀,依其尺寸、精度等需求,完成最後精加工。
