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传说中的数控机床长什么样?机械动图告诉你

发布时间:2017/1/29 11:03:23    点击:49 

上到航天器,下到咖啡壶,你知道它们的零件是怎么做出来的吗?一组动图,带你了解机械加工的“加减法”。

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车削加工

录制者:This Old Tony

一言不合就车珠子?这“车”指的就是车削加工了。车削的关键在于,要让需要加工的工件旋转起来,然后再让直线移动的刀具靠近它们,对工件表面进行雕琢。

首先,工件被卡盘固定在机床上,接下来,工件在电机的带动下进行高速转动,转速可以按照我们对加工的要求人为控制。然后,就可以开始控制刀具在工件表面进行雕琢,这被称为“走刀”。常见的车刀往往是用高速钢或硬质合金制成,近几年市面上陶瓷刀具和人造金刚石刀具也用的很广泛。不同形状的车刀可以满足各种加工要求:

除了外表面,车削中使用镗刀还可以在工件已经有孔的地方,对内表面进行精加工。

录制者:This Old Tony

铣削加工

录制者:DatronCNC

说完了“车”,“铣”又是啥?其实,它还是利用旋转的加工方式,只不过这回轮到铣刀来旋转了。

传统的铣削加工有两种相对运动方式,一种就是像上图这样,被加工的工件固定不动,完全依靠铣刀坐上来自己动旋转和平移;而另一种如下图所示,铣刀单纯做旋转运动,工件可以沿着前后、左右、上下三个方向移动。

录制者:Glacern Machine Tools

铣刀是一种多刃刀具,在每一转的铣削加工中,铣刀每个刀刃只参与一次切削,其余时间停歇有利于散热。这样一来,比起单刃的车刀,铣刀的切削效率也更高。不同形状的铣刀可以完成各种平面、台阶面、凹槽、腔体的加工。

数控机床

数控机床这个词似乎总会和“汽车维修”、“挖掘机”之类的东西并列出现,它到底是什么玩意儿?

我们说的普通机床,在加工操作时很大程度要依靠手动,比如调整工件的转速,就需要手动挂挡主轴箱上的推杆。而数控机床就是把这些操作全都变成了“自动挡”。数控机床在实际加工前,会先通过 CAD 软件进行计算机辅助设计的制图,再通过 CAM 软件模拟整个加工过程。一切确认无误后,把编制好的加工程序导入到数控机床中,安装好工件,闭合好保护舱门,之后只要等待数控机床自动进行加工,就可以得到想要的零件啦。

传说中的数控机床

而光是自动加工还不算什么,数控机床还可以加上刀库,升级成“加工中心”。加工中心可以让我们在几十种刀具之间进行切换,一会儿车削,一会儿铣削,一会儿再磨削……全都能搞定!工件一直都固定在夹具上,基点不需要转移,因此更换加工方式也不会影响到加工的精度。

要什么刀?随便选!加工中心的刀库与换刀过程。录制者:Ingo Klein

看了半天全是简单造型,感觉不过瘾?下面就来个更高级的:

头盔也能做哦。录制者:DAISHIN SEIKI RYOSUKE OMACHI

这个头盔的加工用到了“5轴铣削加工”,这一次,工件和铣刀的运动方式都更加灵活了。

5轴加工是机械切削方式中最先进的加工方式。在数控机床中,共有6条坐标轴:3 个方向的直线轴 XYZ, 以及相应的3个旋转轴 ABC(如下图)。“3轴”的机床机床只能让工件和刀具在三个方向上平移,它用来处理一些基础形状的表面;“4轴”则是在XYZ的基础上增加了一个方向的旋转轴,这样可以切削一些不太复杂的曲面;而到了“5轴”,就有两个方向的旋转轴可以进行联动,这就可以处理相当复杂的曲面了。

数控机床坐标系,在三个方向的直线运动之外,还加入了不同方向的旋转。

刨削加工

录制者:Non Jicholson

刨削加工的工作原理一目了然,简单的往返运动,与车削、铣削相比生产效率极低,但是也因为设备和工具结构简单使用方便,目前还在用于粗糙处理工件的表面。

磨削加工

录制者:DMG MORI

磨削加工是利用砂轮、砂带之类的磨具对工件表面进行切削加工。在现今的加工中,磨削头已经可以很成熟地集成到数控铣床的加工中心内。

激光“打印”

录制者:VMR GmbH & Co. KG

看完了切割削磨的减法,这次轮到做“加法”了。与传统铸造不同,图中显示的是一种适用于金属零件加工的3D打印——选择性激光熔融(SLM)。

平时经常能看到的3D打印方式主要是熔融沉积成型和光固化成型,前者将热熔塑料层层堆砌,而后者则将液态光敏树脂用特定光线逐层照射,形成所需的固化结构。

不过,这两种方法并不适合加工金属。要想3D打印出金属零件,需要使用金属粉末,和足以让它们结合在一起的激光。如上图所示,在一个铺满金属粉末的槽内,计算机控制着一束大功率的二氧化碳激光选择性地扫过金属粉末表面。在激光所到之处,表层的金属粉末完全熔融结合在一起,而没有照到的地方依然保持着粉末状态。整个过程都需要在一个充满惰性气体的密封舱内进行。

当“切片”的一层扫描完成后,下降台会带动已经固化的半成品下降一层,然后刮平器把表面刮平好让金属粉末均匀铺开。在新一层的金属粉末表面,激光器再度开始扫描照射,新固化的一层又会牢固地熔覆在上一层上。等整个零件制造完成后,下降台就带着零件从粉末堆中升起来:

录制者:VMR GmbH & Co. KG

选择性激光熔融技术由选择性激光烧结(SLS)衍生而来,它使用纯金属粉末,不需要粘结剂参与,而且只需要一次烧结,因此可以得到性能更优的零件。

选择性激光熔融(SLM)成型的金属零件

金属沉积

录制者:DMG MORI

这一次,铺满金属粉末的大箱子也可以省去了。这种更为先进便捷的金属3D打印技术就是直接金属沉积工艺(Direct Metal Deposition)。它与“挤奶油”式的熔融沉积有些相似,但喷出的是金属粉末。喷嘴在喷出金属粉末材料的同时,还会一并提供高功率激光以及惰性气体保护。这样不会受到金属粉末箱尺寸的局限,能直接制造出更大体积的零部件,而且也很适合对局部破损的精密零件进行修复。

直接金属沉积加工,喷头示意图。截图来自:DMG MORI

而且,用这种方法制造零件,也可以在“堆积”的途中方便地切换到数控铣削进行高精度的加工处理,这两者的自由切换让金属材质零件能够同时保证空间复杂度和表面高精度。

这些新型快速成型技术最大的意义在于“设计制造一体化”,不再需要繁琐的流程,在很短时间内就可以把想法变成实物。不同“加法”与“减法”工艺的结合,不仅简化了制作流程,而且更能节约材料与能源。在科幻电影《机械公敌》中,威尔史密斯的座驾奥迪RSQ轿车就是快速成型技术的体现。它的车身由德国库卡公司的一个工业机器人利用快速成型技术一次性制成。

电影纯属虚构,但这车身可是真实加工工艺的产物。

机器制造零件,零件组成机器,机械加工不断改变着人类的生活。便捷的制造工艺还将产生怎样神奇的未来机器?让我们拭目以待。

(编辑:窗敲雨;排版:Sol_阳阳)

安全提示:在“削铁如泥”的舒爽动图背后,请不要忘记机械加工的安全风险。随着创客文化的流行,越来越多的DIY爱好者有机会接触到机械设备的操作,请牢记安全保障永远是重中之重,切勿心存侥幸。开机之前,多复习几遍加工流程,佩戴好护目镜,扎结实长头发,再想一次加工流程!

参考资料:1.《快速成型与快速模具制造技术及其应用》,王广春、赵国群编著,机械工业出版社2.《提高SLM激光快速成型加工效率的途径》,陈光霞3.激光束补焊:精密修复、表面熔覆、3D金属沉积(Laser Beam Build-Up Welding: Precision in Repair, Surface Cladding, and Direct 3D Metal Deposition),Steffen Nowotny4.激光熔覆技术在金属3D打印中的应用,孙莹

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