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上到航天器，下到咖啡壺，你知道它們的零件是怎么做出來(lái)的嗎？一組動(dòng)圖，帶你了解機(jī)械加工的“加減法”。
4 w! H* V* C6 c5 x 車(chē)削加工 ![]() - `; [3 c q% g) I/ r4 C- u
3 b" t5 ^& K$ S$ a7 f錄制者：This Old Tony 一言不合就車(chē)珠子？這“車(chē)”指的就是車(chē)削加工了。車(chē)削的關(guān)鍵在于，要讓需要加工的工件旋轉(zhuǎn)起來(lái)，然后再讓直線移動(dòng)的刀具靠近它們，對(duì)工件表面進(jìn)行雕琢。 首先，工件被卡盤(pán)固定在機(jī)床上，接下來(lái)，工件在電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以按照我們對(duì)加工的要求人為控制。然后，就可以開(kāi)始控制刀具在工件表面進(jìn)行雕琢，這被稱(chēng)為“走刀”。常見(jiàn)的車(chē)刀往往是用高速鋼或硬質(zhì)合金制成，近幾年市面上陶瓷刀具和人造金剛石刀具也用的很廣泛。不同形狀的車(chē)刀可以滿足各種加工要求： ![]() ; O* A7 C1 k4 m# m! [/ ]
. X+ z8 {7 K/ _# ] m; O6 N- H1 O除了外表面，車(chē)削中使用鏜刀還可以在工件已經(jīng)有孔的地方，對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行精加工。 ![]() ( a! u. O. \$ i, p/ `) S0 `! ?0 @! S! k; R
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4 X9 V4 {. A* R$ k% D+ }6 `錄制者：This Old Tony
銑削加工 ![]() , {6 M0 o+ Z8 z8 q) G- ?
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5 w" p" J1 h6 n. l. S( _: X$ z錄制者：DatronCNC
說(shuō)完了“車(chē)”，“銑”又是啥？其實(shí)，它還是利用旋轉(zhuǎn)的加工方式，只不過(guò)這回輪到銑刀來(lái)旋轉(zhuǎn)了。 傳統(tǒng)的銑削加工有兩種相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，一種就是像上圖這樣，被加工的工件固定不動(dòng)，完全依靠銑刀坐上來(lái)自己動(dòng)旋轉(zhuǎn)和平移；而另一種如下圖所示，銑刀單純做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件可以沿著前后、左右、上下三個(gè)方向移動(dòng)。 ![]()
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錄制者：Glacern Machine Tools 銑刀是一種多刃刀具，在每一轉(zhuǎn)的銑削加工中，銑刀每個(gè)刀刃只參與一次切削，其余時(shí)間停歇有利于散熱。這樣一來(lái)，比起單刃的車(chē)刀，銑刀的切削效率也更高。不同形狀的銑刀可以完成各種平面、臺(tái)階面、凹槽、腔體的加工。 ![]() % q& c0 p# o8 d
; n& p8 F( v$ U數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床這個(gè)詞似乎總會(huì)和“汽車(chē)維修”、“挖掘機(jī)”之類(lèi)的東西并列出現(xiàn)，它到底是什么玩意兒？
( c1 t; X! m( O: q. L( R 我們說(shuō)的普通機(jī)床，在加工操作時(shí)很大程度要依靠手動(dòng)，比如調(diào)整工件的轉(zhuǎn)速，就需要手動(dòng)掛擋主軸箱上的推桿。而數(shù)控機(jī)床就是把這些操作全都變成了“自動(dòng)擋”。數(shù)控機(jī)床在實(shí)際加工前，會(huì)先通過(guò) CAD 軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的制圖，再通過(guò) CAM 軟件模擬整個(gè)加工過(guò)程。一切確認(rèn)無(wú)誤后，把編制好的加工程序?qū)氲綌?shù)控機(jī)床中，安裝好工件，閉合好保護(hù)艙門(mén)，之后只要等待數(shù)控機(jī)床自動(dòng)進(jìn)行加工，就可以得到想要的零件啦。 ![]() + [- o4 Z/ p0 Z4 z& G
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傳說(shuō)中的數(shù)控機(jī)床 而光是自動(dòng)加工還不算什么，數(shù)控機(jī)床還可以加上刀庫(kù)，升級(jí)成“加工中心”。加工中心可以讓我們?cè)趲资N刀具之間進(jìn)行切換，一會(huì)兒車(chē)削，一會(huì)兒銑削，一會(huì)兒再磨削……全都能搞定！工件一直都固定在夾具上，基點(diǎn)不需要轉(zhuǎn)移，因此更換加工方式也不會(huì)影響到加工的精度。 ![]() ) V s6 n7 F; X( ^$ }
; B& M [- E9 @0 D要什么刀？隨便選！加工中心的刀庫(kù)與換刀過(guò)程。錄制者：Ingo Klein 看了半天全是簡(jiǎn)單造型，感覺(jué)不過(guò)癮？下面就來(lái)個(gè)更高級(jí)的： ![]()
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5 ~! o6 }; z: J" _. R頭盔也能做哦。錄制者：DAISHIN SEIKI RYOSUKE OMACHI
這個(gè)頭盔的加工用到了“5軸銑削加工”，這一次，工件和銑刀的運(yùn)動(dòng)方式都更加靈活了。 5軸加工是機(jī)械切削方式中最先進(jìn)的加工方式。在數(shù)控機(jī)床中，共有6條坐標(biāo)軸：3 個(gè)方向的直線軸 XYZ， 以及相應(yīng)的3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸 ABC（如下圖）?！?軸”的機(jī)床機(jī)床只能讓工件和刀具在三個(gè)方向上平移，它用來(lái)處理一些基礎(chǔ)形狀的表面；“4軸”則是在XYZ的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)軸，這樣可以切削一些不太復(fù)雜的曲面；而到了“5軸”，就有兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)軸可以進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，這就可以處理相當(dāng)復(fù)雜的曲面了。 ![]() 2 w, L" }9 ~5 h2 R9 r; b" q4 k' e
/ I: \; r! p. n0 ?6 d數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系，在三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)之外，還加入了不同方向的旋轉(zhuǎn)。 刨削加工 ![]()
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錄制者：Non Jicholson 刨削加工的工作原理一目了然，簡(jiǎn)單的往返運(yùn)動(dòng)，與車(chē)削、銑削相比生產(chǎn)效率極低，但是也因?yàn)樵O(shè)備和工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便，目前還在用于粗糙處理工件的表面。 磨削加工 ![]() c8 V' M0 ^3 _% g3 j
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錄制者：DMG MORI 磨削加工是利用砂輪、砂帶之類(lèi)的磨具對(duì)工件表面進(jìn)行切削加工。在現(xiàn)今的加工中，磨削頭已經(jīng)可以很成熟地集成到數(shù)控銑床的加工中心內(nèi)。 激光“打印”
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/ G5 Q/ i( Q- E錄制者：VMR GmbH & Co. KG
g4 m) L' y8 {) F' j看完了切割削磨的減法，這次輪到做“加法”了。與傳統(tǒng)鑄造不同，圖中顯示的是一種適用于金屬零件加工的3D打印——選擇性激光熔融（SLM）。 平時(shí)經(jīng)常能看到的3D打印方式主要是熔融沉積成型和光固化成型，前者將熱熔塑料層層堆砌，而后者則將液態(tài)光敏樹(shù)脂用特定光線逐層照射，形成所需的固化結(jié)構(gòu)。 不過(guò)，這兩種方法并不適合加工金屬。要想3D打印出金屬零件，需要使用金屬粉末，和足以讓它們結(jié)合在一起的激光。如上圖所示，在一個(gè)鋪滿金屬粉末的槽內(nèi)，計(jì)算機(jī)控制著一束大功率的二氧化碳激光選擇性地掃過(guò)金屬粉末表面。在激光所到之處，表層的金屬粉末完全熔融結(jié)合在一起，而沒(méi)有照到的地方依然保持著粉末狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程都需要在一個(gè)充滿惰性氣體的密封艙內(nèi)進(jìn)行。 當(dāng)“切片”的一層掃描完成后，下降臺(tái)會(huì)帶動(dòng)已經(jīng)固化的半成品下降一層，然后刮平器把表面刮平好讓金屬粉末均勻鋪開(kāi)。在新一層的金屬粉末表面，激光器再度開(kāi)始掃描照射，新固化的一層又會(huì)牢固地熔覆在上一層上。等整個(gè)零件制造完成后，下降臺(tái)就帶著零件從粉末堆中升起來(lái)： ![]() 5 o9 I2 z- L R* J$ ?1 z# o1 D
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錄制者：VMR GmbH & Co. KG 選擇性激光熔融技術(shù)由選擇性激光燒結(jié)（SLS）衍生而來(lái)，它使用純金屬粉末，不需要粘結(jié)劑參與，而且只需要一次燒結(jié)，因此可以得到性能更優(yōu)的零件。 ![]() ' h4 ~9 W( v; s5 q
T$ d0 i3 H- w3 e- K! u- z. {, T選擇性激光熔融（SLM）成型的金屬零件 金屬沉積
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錄制者：DMG MORI 這一次，鋪滿金屬粉末的大箱子也可以省去了。這種更為先進(jìn)便捷的金屬3D打印技術(shù)就是直接金屬沉積工藝（Direct Metal Deposition）。它與“擠奶油”式的熔融沉積有些相似，但噴出的是金屬粉末。噴嘴在噴出金屬粉末材料的同時(shí)，還會(huì)一并提供高功率激光以及惰性氣體保護(hù)。這樣不會(huì)受到金屬粉末箱尺寸的局限，能直接制造出更大體積的零部件，而且也很適合對(duì)局部破損的精密零件進(jìn)行修復(fù)。 ![]() 9 t3 Y5 y# b; W
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直接金屬沉積加工，噴頭示意圖。截圖來(lái)自：DMG MORI 而且，用這種方法制造零件，也可以在“堆積”的途中方便地切換到數(shù)控銑削進(jìn)行高精度的加工處理，這兩者的自由切換讓金屬材質(zhì)零件能夠同時(shí)保證空間復(fù)雜度和表面高精度。 這些新型快速成型技術(shù)最大的意義在于“設(shè)計(jì)制造一體化”，不再需要繁瑣的流程，在很短時(shí)間內(nèi)就可以把想法變成實(shí)物。不同“加法”與“減法”工藝的結(jié)合，不僅簡(jiǎn)化了制作流程，而且更能節(jié)約材料與能源。在科幻電影《機(jī)械公敵》中，威爾史密斯的座駕奧迪RSQ轎車(chē)就是快速成型技術(shù)的體現(xiàn)。它的車(chē)身由德國(guó)庫(kù)卡公司的一個(gè)工業(yè)機(jī)器人利用快速成型技術(shù)一次性制成。 ![]()
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電影純屬虛構(gòu)，但這車(chē)身可是真實(shí)加工工藝的產(chǎn)物。 機(jī)器制造零件，零件組成機(jī)器，機(jī)械加工不斷改變著人類(lèi)的生活。便捷的制造工藝還將產(chǎn)生怎樣神奇的未來(lái)機(jī)器？讓我們拭目以待。
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發(fā)表于 2019-12-11 14:48:38
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