大大小小的傳動元件,應用在生活中且隨處可見。不過,大家曾有思考過這些傳動元件是如何從一大塊金屬,變成我們所看到一個個符合機構需求的形狀嗎?銑床這個製程工序功不可沒。
銑床的功能
首先跟大家說明銑床的運作原理,銑床屬於常見的金屬加工的方式,屬於工具機的一種,是以刀具旋轉,固定待加工件,利用刀具的移動進行切削,與車床正好相反,傳統是利用滾輪控制刀具的進給,完成簡單的形狀或特徵,如輪廓、槽或孔,而現在則多數是CNC銑床,透過電腦數值控制Computer Numerical Control簡稱CNC,將加工指令透過軟體轉譯為微處理器讀取的編碼,進而可以自動執行,達到自動化及更大量生產的可能,並且透過數值控制可以更精準加工,利用控制器使三軸同動甚至還能加工出曲面。
銑床依照工件放置的方向,可以分為立式銑床(如下圖1)及臥式銑床,當工件方向放置為水平為臥式,垂直方向則採立式,如立柱的形狀,當立柱為ㄇ字型時,我們一般稱為龍門型立式銑床,大多使用在超大型工件,加工幾何在數公尺甚至數十公尺以上,像是飛機機翼也可透過龍門型銑床一體加工而成。
圖1、銑床加工示意圖
若有見過大型鏈輪的話,就可以猜想它的製程難度了,此大型鏈輪在切削成形時,可採用銑床的製程工序,搭配刀塔的刀具做加工。可想而知,銑床的刀具可依需求來配備不同的刀具,進行複雜的加工,刀具因為形狀、刀刃、螺旋角、是否可以中心切割等(影響是否可開孔,部分刀具旋轉中心點未具切削力),或是塗層與握柄等,依據不同的需求必須選擇不同種類的刀,來增加切削效率。
關於刀具,第一種為端銑刀(通常不能沿著刀具軸向切削),刀具一端或側面具備刀刃,若末端為圓形,還會稱為球刀,屬於最常見的刀具;第二種為面銑刀,相較於端銑刀,端面具備副切削刃,使加工表面粗糙度降低;第三種為鋸片銑刀,用於加工深槽或切斷工件,控制加工參數如刀具在工件表面切割速度、主軸的轉速、刀具直徑、齒數、進給速度及切削深度,完成需要的精度要求。
注意事項
金屬切削影響精度的原因,大致分為三個可能,加工參數不適引起顫振、加工熱及外部熱源(如馬達)造成熱變形,不僅於此,若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。
然而,顫振可分為高頻及低頻,低頻為機台設計之初,機台結構及傳動系統會因為外部的振動源,如空壓機、卡車行進等引發振動,這屬於設計之問題,無法從加工端調整,在此未能詳述。高頻的振動則是由刀具、主軸轉速、切削參數(進給率、深度),1950年代即有研究提出切削穩定圖,指出切削穩定與切深的關係,當主軸轉速在兩萬轉以下時,切深在7mm以下才會處於穩定,而當兩萬轉以上時,轉速越快,切深則可以達到愈深,但顫振會使刀具損耗增加和切削面不平整等情況。
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,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,雖然對單一零件僅造成1 miu m的影響,但當機台整體都產生溫差時甚至會產生十倍以上的誤差
金屬加工的另一個重要影響關鍵是考慮切削加工產生的切屑。當切屑沒有排除,則凹槽會阻塞並降低刀具切割能力,導致振動、刀具損耗和產生摩擦熱。影響切屑排除的因素,包括凹槽的深度和角度、切屑的尺寸和形狀,冷卻液的流量以及周圍的材料,可透過機台的操作控制切屑產生以及排除,降低切屑的影響。
協力鏈齒輪公司專業銑床製程工序
針對鏈輪這種結構形狀不變,滿足客戶客製的需求,採用銑床配合不同形式的刀具及專用的夾具,則可精準加工。一般會利用滾齒機搭配銑床,加工完成鏈輪,鏈輪胚料(尚未有齒型前的金屬圓板,已開好中心軸孔),使用滾齒機,類似螺桿與齒輪相互咬合的形式,以滾刀在工件上滾動切削,產生齒型,先完成大致的形狀,以插齒(亦稱刨齒)或銑削完成最後的精加工,插齒利用插銑刀旋轉並沿著Z軸上下移動,繞行一圈後再前次切削之部分重疊,進而完成齒型,插齒機主要用於加工多聯齒輪和內齒輪,可以進行粗加工及半精加工。最後可使用銑床,端銑刀或是球刀進行齒型的最後精加工,使其精度達到最完美狀態。
銑床二次加工
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,去除毛邊後即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,再利用銑床裝置倒角刀等刀具,二次加工完成倒角及表面粗糙度的要求。
