切削加工的基礎知識:類型、特點和加工要點

發布日期: 2024-06-26

切削加工是一種典型的機械加工工藝,主要是使用刀具對金屬進行切削加工,可以想象一下削鉛筆或刨削木頭的場景。本節將介紹切削加工的種類以及通過切削加工可以制作的零件事例。此外,還會對切削加工的常用材料以及加工、設計要點進行說明。

 

 

?切削加工的種類

切削加工可分為三大類:車削、銑削和鉆削。車削加工是一種回轉工件進行切削的加工方法,而銑削和鉆削則是回轉刀具進行切削的加工方法。

  • 車削加工

工件高速回轉,使刀具與之接觸來切削工件材料。由于該方法工件始終處于回轉狀態,因此適用于生產圓柱形零件??捎糜谲囅鲌A柱體的外圓周面,車削圓柱體內孔面,加工外螺紋等。加工設備包括手動進行各種加工操作的通用車床、通過計算機編程來移動刀具進行加工的NC車床、CNC車床。

工件高速回轉,使刀具與之接觸來切削工件材料。

  • 銑削加工

銑削加工是利用高速回轉的刀具接觸固定的工件進行加工。通過面銑刀、立銑刀、成形銑刀、平面銑刀等工具,能夠完成銑削平面、側面、槽等各種特征的加工。加工設備包括手動更換和控制刀具的通用銑床、自動控制刀具的NC銑床以及自動更換刀具的MC(加工中心)。在NC和MC中,還有名為三軸機床和五軸機床的加工設備,它們不僅能夠控制刀具的位置,還能控制刀具與工件的傾斜角度。與加工圓柱體的車床不同,它可以加工的范圍更廣,例如將塊狀材料切削出復雜的形狀,進行槽和孔等的加工。

銑削加工是利用高速回轉的刀具接觸固定的工件進行加工。

  • 鉆削加工

鉆床往往被認為“只用于鉆孔”加工,但實際上根據所使用工具的不同,能夠用于多種加工。其中包括提高孔精度的鉸孔、擴大孔內徑的鏜孔、螺紋的攻絲加工等。

鉆床往往被認為“只用于鉆孔”加工,但實際上根據所使用工具的不同,能夠用于多種加工。

?切削加工可以制作的零件

哪些形狀的零件可以通過切削加工完成呢?首先,為了讓您有個印象,我們介紹一些代表性的零件實例。

1.1~2軸加工

能夠從一個方向上完成開孔或切削形狀是最容易制作的零件。僅在一個軸向上進行的加工(如孔加工)和以相同高度加工輪廓、平面開槽等也都比較容易。如下圖所示,僅在平板上加工螺紋孔或沉頭孔、或在塊狀材料上局部銑削臺階或倒角等都是比較典型的例子,除了孔和臺階外,輪廓和凹槽也可以加工。

能夠從一個方向上完成開孔或切削形狀是最容易制作的零件。?

2.多面加工

下面是從多個方向施加1~2軸加工的工件。如左圖,除了從一個方向進行輪廓、孔、凹槽、臺階形狀的加工,還從另一個方向(橫向)進行了孔加工。而右圖,除了從橫向進行槽加工,還從另一個方向進行了孔加工。這類加工的特點是不斷改變工件材料的方向,并在各方向上進行形狀加工。在一個方向上的加工完成后,將材料翻轉并再次固定,這叫做工件的裝夾。

下面是從多個方向施加1~2軸加工的工件。

3.3軸加工

即使從一個方向進行加工也能切削出光滑表面(自由曲面等)的方法叫做3軸聯動加工。使用名為球形立銑刀的圓頭刀具沿曲面移動,進行精加工。這種方法不僅可以加工具有自由曲面的零件(如左圖所示),還可以對通過掃描人、動物等得到的曲面進行加工(如右圖所示)。由于主軸必須沿曲面進行三維移動,因此要使用支持三維加工的名為CAM(Computer Aided Manufacturing)的專用應用程序來創建NC程序。這種加工方法也常用于注塑模具等的切削加工。

即使從一個方向進行加工也能切削出光滑表面(自由曲面等)的方法叫做3軸聯動加工。?

4.多軸加工

能夠加工非塊狀、整體呈現復雜形狀的零件。通過將材料在各個方向上進行固定,使用最新的5軸機床,能夠加工多面且復雜的形狀。這種加工方法多用于飛機零件等。下圖是典型的飛機零件形狀(示意圖)。其特點是自由曲面和孔加工等相結合,通常具有復雜的薄壁結構。例如凸臺或整體鏤空形狀。

能夠加工非塊狀、整體呈現復雜形狀的零件。

5.多軸聯動加工

即使是最新的5軸機床或復合加工中心,有些形狀只能通過同步加工來完成,在同步加工過程中,材料也與刀具同步旋轉。典型的例子如左圖所示的轉子葉片(4軸聯動)或右圖所示的葉輪(5軸聯動)。對于像這種僅從一定的材料方向上無法進行加工的復雜形狀,多軸同時切削能夠發揮其優勢。

即使是最新的5軸機床或復合加工中心,有些形狀只能通過同步加工來完成,在同步加工過程中,材料也與刀具同步旋轉。

關于切削加工的具體操作在下面的文章中有詳細介紹。

讓我們來模擬體驗切削加工吧!

 

?切削加工的材料

不能進行切削加工的材料,包括像陶器一樣易碎、脆性高的材料,或像橡膠這樣韌性強、有彈性的材料。切削加工能夠加工除此之外的金屬材料、木材和部分樹脂材料等,加工范圍非常廣泛。但需要注意的是,材料不同切削加工的難易度和加工成本也不同?;旧峡梢岳斫鉃檩^硬的材料更難切削,加工成本也更高。

?鐵系材料

S45C、SS400這些常見的鋼材,也是極常用的切削加工材料。由于材料在淬火等熱處理后會變硬,因此淬火一般在切削加工后進行。

?不銹鋼材料

不銹鋼(如 SUS 304)也可以切削加工,但與普通鋼材相比,其硬度較高、會縮短刀具壽命。此外它們的加工時間也更長,因此成本更高。

?鋁

鋁基材料基本上都是非常容易進行切削加工的材料,如A2017(硬鋁)和A5056。不過,它們的強度往往不如鐵基材料,材料本身的成本也較高。還應注意的是,它們可能不適合焊接等其他工藝。

?樹脂

被稱為工程塑料的工業樹脂也可以進行切削加工。在某些情況下,ABS 和聚乙烯等材料可用于制作齒輪或切削加工試做品。PET、丙烯酸和聚碳酸酯等透明樹脂材料不適合切削復雜形狀,但可以進行開孔或切口等切削加工。例如,透明樹脂板鉆孔后,可作為窗子用螺栓固定在機器窗口。

?其他

鈦、鉻鎳鐵合金、鎢等都是非常堅硬的金屬,加工困難。除非有特殊原因,否則在切削加工中不應使用這些材料。

 

?切削加工的注意事項

進行切削加工時,刀具與材料之間的摩擦會產生熱量。因此,對熱敏感的材料可能會發生變形或改變其特性。這種情況下必須要采取措施來降低溫度,例如使用切削油、冷卻液或調整加工速度等。另外加工后產生的毛刺問題也需要注意,雖然毛刺的形成會因材料和加工種類而異,但必須考慮到在進行切削操作時極易產生毛刺。在某些情況下,毛刺還會影響零件的功能性,或對用戶或加工人員造成傷害。所以建議提前考慮好毛刺的應對措施。

 

?設計切削加工產品的要點

下面從切削加工現場的角度來具體介紹兩個設計方面的要點。

1.將內倒角納入設計中

在切削加工中,是通過“刀具回轉”進行切削的,所以一定會產生刀具半徑大小的圓角(內倒角)。

特別是3面結構的拐角部位,一定會有圓角存在。

設計切削加工產品的要點

在加工這種形狀時,務必在圖紙中注明圓角半徑。如果不做任何標注,可能會被詢問:“在哪里進行了未注圓角說明?”。有時還可能會被拒絕:“這樣的東西做不了!”。兼顧切削加工的“內倒角”設計詳細內容請參考這里。

 

2.設計孔時考慮加工性

孔是切削加工中最容易出問題的部分??自诩庸ぶ谐霈F問題最多的因素是底孔的存在。無論是加工螺紋孔或者是鉸孔,都需要預先鉆底孔。如果是通孔,問題還會少一些,在進行攻絲或鉸孔加工時遇到“盲孔”需要特別注意。與孔有關的常見問題以及設計孔時的注意事項請參考這里。關于切削加工品的設計要點本文僅介紹了其中2點,此外還包括應盡可能減小切削深度、減少裝夾次數等。

切削加工零件的有效設計技巧請參考這里。

 

?總結

切削加工用機床包括回轉工件進行加工的車床,固定工件回轉刀具進行加工的銑床和鉆床。機床的類型和加工軸的數量需要根據所需形狀進行選擇。切削加工的可加工材料范圍很廣,包括鐵基材料、鋁基材料和樹脂材料等,但很難加工像陶瓷那樣易碎的材料以及像橡膠那樣的有彈性和韌性的材料。在設計切削加工產品時,需要充分考慮機床的性能和刀具的形狀進行設計。

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