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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的嗎？一組動圖，帶你了解機械加工的“加減法”。; y( G8 [4 m) K8 E2 l3 \
車削加工 ![]()
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R( Q7 I% w7 i1 I錄制者：This Old Tony 一言不合就車珠子？這“車”指的就是車削加工了。車削的關鍵在于，要讓需要加工的工件旋轉起來，然后再讓直線移動的刀具靠近它們，對工件表面進行雕琢。 首先，工件被卡盤固定在機床上，接下來，工件在電機的帶動下進行高速轉動，轉速可以按照我們對加工的要求人為控制。然后，就可以開始控制刀具在工件表面進行雕琢，這被稱為“走刀”。常見的車刀往往是用高速鋼或硬質合金制成，近幾年市面上陶瓷刀具和人造金剛石刀具也用的很廣泛。不同形狀的車刀可以滿足各種加工要求： ![]() 3 }, L6 l; w* ~1 b# s _
, d& L4 \1 B3 k' c- T8 s除了外表面，車削中使用鏜刀還可以在工件已經有孔的地方，對內表面進行精加工。 ![]()
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- X6 r p+ I3 G' ^( x. v& ^$ ^錄制者：This Old Tony
銑削加工 ![]() : B- L. p! {$ u6 w
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% s0 T- E6 r9 x; m/ M5 z- |錄制者：DatronCNC
說完了“車”，“銑”又是啥？其實，它還是利用旋轉的加工方式，只不過這回輪到銑刀來旋轉了。 傳統的銑削加工有兩種相對運動方式，一種就是像上圖這樣，被加工的工件固定不動，完全依靠銑刀坐上來自己動旋轉和平移；而另一種如下圖所示，銑刀單純做旋轉運動，工件可以沿著前后、左右、上下三個方向移動。 ![]() 6 x- M8 b. d5 j% V2 L! L
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錄制者：Glacern Machine Tools 銑刀是一種多刃刀具，在每一轉的銑削加工中，銑刀每個刀刃只參與一次切削，其余時間停歇有利于散熱。這樣一來，比起單刃的車刀，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、臺階面、凹槽、腔體的加工。 ![]()
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% p) y! Z7 G2 V6 b: \數控機床 數控機床這個詞似乎總會和“汽車維修”、“挖掘機”之類的東西并列出現，它到底是什么玩意兒？1 F- t0 \3 U( N9 k0 I7 \; r0 G
我們說的普通機床，在加工操作時很大程度要依靠手動，比如調整工件的轉速，就需要手動掛擋主軸箱上的推桿。而數控機床就是把這些操作全都變成了“自動擋”。數控機床在實際加工前，會先通過 CAD 軟件進行計算機輔助設計的制圖，再通過 CAM 軟件模擬整個加工過程。一切確認無誤后，把編制好的加工程序導入到數控機床中，安裝好工件，閉合好保護艙門，之后只要等待數控機床自動進行加工，就可以得到想要的零件啦。 ![]()
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傳說中的數控機床 而光是自動加工還不算什么，數控機床還可以加上刀庫，升級成“加工中心”。加工中心可以讓我們在幾十種刀具之間進行切換，一會兒車削，一會兒銑削，一會兒再磨削……全都能搞定！工件一直都固定在夾具上，基點不需要轉移，因此更換加工方式也不會影響到加工的精度。 ![]() ( s J, N# Q. T1 A4 b
^9 a/ L6 S; G3 X要什么刀？隨便選！加工中心的刀庫與換刀過程。錄制者：Ingo Klein 看了半天全是簡單造型，感覺不過癮？下面就來個更高級的： ![]() , ?) T8 B m! d% H: w) J1 x
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頭盔也能做哦。錄制者：DAISHIN SEIKI RYOSUKE OMACHI 這個頭盔的加工用到了“5軸銑削加工”，這一次，工件和銑刀的運動方式都更加靈活了。 5軸加工是機械切削方式中最先進的加工方式。在數控機床中，共有6條坐標軸：3 個方向的直線軸 XYZ， 以及相應的3個旋轉軸 ABC（如下圖）。“3軸”的機床機床只能讓工件和刀具在三個方向上平移，它用來處理一些基礎形狀的表面；“4軸”則是在XYZ的基礎上增加了一個方向的旋轉軸，這樣可以切削一些不太復雜的曲面；而到了“5軸”，就有兩個方向的旋轉軸可以進行聯動，這就可以處理相當復雜的曲面了。 ![]()
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& Y+ ~ A" ?5 V. r: n數控機床坐標系，在三個方向的直線運動之外，還加入了不同方向的旋轉。 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，簡單的往返運動，與車削、銑削相比生產效率極低，但是也因為設備和工具結構簡單使用方便，目前還在用于粗糙處理工件的表面。 磨削加工 ![]()
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. N# w! o8 p/ c+ v' J錄制者：DMG MORI 磨削加工是利用砂輪、砂帶之類的磨具對工件表面進行切削加工。在現今的加工中，磨削頭已經可以很成熟地集成到數控銑床的加工中心內。 激光“打印”
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1 J* C! @; p0 \錄制者：VMR GmbH & Co. KG
/ ~' W; w2 f8 N) N& `+ E看完了切割削磨的減法，這次輪到做“加法”了。與傳統鑄造不同，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）。 平時經常能看到的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，而后者則將液態光敏樹脂用特定光線逐層照射，形成所需的固化結構。 不過，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，和足以讓它們結合在一起的激光。如上圖所示，在一個鋪滿金屬粉末的槽內，計算機控制著一束大功率的二氧化碳激光選擇性地掃過金屬粉末表面。在激光所到之處，表層的金屬粉末完全熔融結合在一起，而沒有照到的地方依然保持著粉末狀態。整個過程都需要在一個充滿惰性氣體的密封艙內進行。 當“切片”的一層掃描完成后，下降臺會帶動已經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。在新一層的金屬粉末表面，激光器再度開始掃描照射，新固化的一層又會牢固地熔覆在上一層上。等整個零件制造完成后，下降臺就帶著零件從粉末堆中升起來： ![]()
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錄制者：VMR GmbH & Co. KG 選擇性激光熔融技術由選擇性激光燒結（SLS）衍生而來，它使用純金屬粉末，不需要粘結劑參與，而且只需要一次燒結，因此可以得到性能更優的零件。 ![]()
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: D& S8 \# W5 t& `0 T選擇性激光熔融（SLM）成型的金屬零件 金屬沉積 1 C( N, e( ]1 [: ^: _# F
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1 y3 I8 A& G% R$ P) k% l錄制者：DMG MORI
這一次，鋪滿金屬粉末的大箱子也可以省去了。這種更為先進便捷的金屬3D打印技術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，還會一并提供高功率激光以及惰性氣體保護。這樣不會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，而且也很適合對局部破損的精密零件進行修復。 ![]() $ c9 o; Z ?7 K, ]5 p
0 n8 H/ G* W$ n) L$ {直接金屬沉積加工，噴頭示意圖。截圖來自：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控銑削進行高精度的加工處理，這兩者的自由切換讓金屬材質零件能夠同時保證空間復雜度和表面高精度。 這些新型快速成型技術最大的意義在于“設計制造一體化”，不再需要繁瑣的流程，在很短時間內就可以把想法變成實物。不同“加法”與“減法”工藝的結合，不僅簡化了制作流程，而且更能節約材料與能源。在科幻電影《機械公敵》中，威爾史密斯的座駕奧迪RSQ轎車就是快速成型技術的體現。它的車身由德國庫卡公司的一個工業機器人利用快速成型技術一次性制成。 ![]() % f( S/ K% m- e' c0 m
: k/ u( f9 k9 j7 Z" p電影純屬虛構，但這車身可是真實加工工藝的產物。 機器制造零件，零件組成機器，機械加工不斷改變著人類的生活。便捷的制造工藝還將產生怎樣神奇的未來機器？讓我們拭目以待。 , M, F, a. S; _ V0 N6 V. A
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發表于 2019-12-11 14:48:38
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