数控车削是应用最广泛的数控加工工艺之一,因其精度和多功能性而在制造业中备受推崇。它涉及一种固定切削刀具,用于从车床或车削中心上的旋转工件上去除材料。该工艺主要用于生产具有圆形或轴对称特征的零件。根据切割操作的类型,它可以创建圆柱形、圆锥形、螺纹、凹槽或孔部件,以及具有特定表面纹理的零件。
无论您是在业内考虑数控车削是否适合您的项目,还是只是对制造技术感到好奇,您都来对地方了!本文将回答您有关数控车削的所有问题。
从字面上解释,“数控车削”可以分为两部分:
CNC(计算机数控):这是指使用计算机程序精确控制机器的移动和操作。
车削:在机械加工中,车削是通过切削刀具(通常是单点切削刀具)从旋转工件上去除材料的过程,该刀具要么保持静止,要么沿着预定路径移动。
因此,数控车削将计算机控制操作的精度与传统车削工艺相结合,以高精度和可重复性有效地将工件成形为所需的形状。数控车床和数控车削中心是行业中用于这些操作的标准机床。
数控车床主要是专为标准车削操作而设计的 2 轴机床,专注于加工圆柱形或圆锥形零件。它们提供更简单的设置、更低的成本,并且通常在机器周围没有防护罩。
相比之下,数控车削中心是配备动力刀具的先进多轴系统,允许它们在单个设置中执行车削、铣削、钻孔和攻丝等多种操作。这会带来更高的生产率、更大的灵活性以及生产复杂零件的能力。然而,这也意味着更高的初始投资和增加的操作复杂性。
数控车削是一个复杂的过程,但我们将其简化为三个主要步骤,并强调每个阶段的关键注意事项,以帮助您获得更好的结果。让我们开始吧!
第一步是设计您的零件。使用 AutoCAD 或 SolidWorks 等 CAD 软件,您可以将您的概念(通常从一个或多个 2D 草图开始)转换为详细的数字 3D 模型。该模型将包括零件的所有基本细节,例如尺寸、形状和特征。
CAD 文件准备好后,将其导入 CAM 软件。在此阶段,制造工程师会审查设计以确保其可制造。然后,他们确定必要的加工操作,选择合适的刀具,并设置加工参数,例如切削速度和深度。最后,这些决策被编译成一组指令,称为 G 代码,数控机床可以理解和执行。
在此阶段您需要记住两个参数:转速和进给率。车削速度(通常与切削速度互换使用)是旋转工件表面移动经过切削刀具的速率,通常以米每分钟 (m/min) 或英尺每分钟 (ft/min) 为单位进行测量。进给速率是切削刀具沿着旋转工件前进的速度,定义为刀具在零件旋转一圈期间行进的距离。
这些参数必须由专家仔细确定,因为它们会显着影响刀具寿命、加工时间和项目的整体质量。通常,在初始粗加工阶段采用较低的车削速度和较高的进给率,以快速去除材料。对于精加工阶段,优选较高的车削速度和较低的进给率,以获得光滑的表面和具有精确公差的零件。
接下来,操作者主要按照以下步骤来有效地准备数控车床:
材料准备:选择您想要用于零件的材料并将其装入车床的卡盘中。卡盘是一种夹紧装置,负责在车削过程中夹持和旋转材料。刀具安装:将作业所需的切削刀具安装到机床的转塔中。刀塔可以容纳多个刀具,并在加工过程中旋转以在它们之间切换。机器编程:将 CNC 代码(在步骤 1 中生成)输入到机器的控制系统中。该程序指导机器的操作。
最后,数控机床开始快速旋转工件。然后切削刀具按照数控程序对其进行车削、钻孔、端面等一系列操作。零件的复杂性和所需的公差等因素将决定零件将经历多少个加工周期。计算每个周期的时间将帮助您了解组件上花费的最终时间,这对于成本计算和生产计划至关重要。此外,这还有助于优化加工过程并提高生产效率。
通常,车削周期时间包括:
准备时间:车削开始前的准备工作,如工件装载、刀具安装和 CNC 程序设置。切削时间:当刀具主动去除材料时,受工件转速影响、进给速度和切削深度。换刀时间:需要更换切削刀具以进行不同的操作,例如车削、钻孔和端面。空闲时间:机器未进行加工,例如调整切割之间的位置或移动到下一次切割操作的新起点。
为了满足不同的制造需求,现在各种车削工艺在数控车床和车床上采用了各种类型的车床刀具。这使得加工不仅可以生产简单的轴对称零件(例如圆柱形和圆锥形零件),还可以包括多边形等复杂的几何形状以及具有特殊曲线的复杂零件。以下是一些较常见的车削加工类型:
直车削涉及从工件外部去除材料,以将其直径减小到指定尺寸。这通常是加工过程的初始步骤,重点是快速将工件减小到接近所需尺寸。由于它主要涉及快速去除材料,因此此操作可能不会产生最高精度的最终尺寸。因此,有时也称为粗车削。直线车削后,通常需要额外的精加工操作来细化表面并达到零件所需的精确尺寸和公差。
锥度车削是以一定角度执行的加工操作,不平行于零件的旋转轴线。它涉及沿着工件的长度逐渐减小切削深度以形成圆锥形。
端面加工是一种用于在工件端部形成平坦表面的工艺。目标是使表面垂直于工件的旋转轴。在端面加工过程中,端面刀具垂直穿过零件的旋转轴进给。该工艺可以作为粗加工切削或最终切削来执行。
钻孔是指使用称为钻头的旋转切削工具在工件中心打孔。虽然不是传统的车削操作,但它通常被纳入具有动力刀具功能的 CNC 车削中心。在更先进的车削中心中,几乎可以在任何方向上钻孔,并且不限于中心轴。
镗孔用于扩大现有孔或提高其圆柱精度。它通常用于仅钻孔可能无法提供必要的精度或表面光洁度的应用。
螺纹加工是在工件的内表面或外表面上切削螺旋槽以形成螺纹的过程,用于将部件紧固在一起。这可以在内部(在孔内,例如螺纹)或外部(在外表面上,例如螺栓螺纹)完成。在此过程中使用专用切削工具,例如内螺纹丝锥和外螺纹板牙。
滚花用于在工件表面创建纹理图案。这种图案通常由一系列直线、角度或交叉线组成,使用专门的滚花工具将其压入或滚压到材料中。滚花的主要目的是更好地抓握零件,例如工具手柄、旋钮或紧固件。
开槽涉及在工件上创建一个或多个特定宽度和深度的凹槽。此操作通常用于创建密封环槽、键槽、油槽等。它可以在工件的内径或外径以及端面上执行。
这是从母材上切割工件或将长材料分割成较短材料的过程。该操作通常围绕工件径向执行,直到材料被完全切断。
到目前为止,我们已经了解了数控车削的一些关键优势。其中包括由于系统的自动化特性而带来的准确性、由于执行各种类型操作的能力而带来的灵活性以及更快的结果。此外,它与金属、塑料、木材、玻璃和蜡等多种材料的兼容性使得数控车削能够广泛应用于众多行业,包括但不限于汽车、电气和工业领域。
但这是否意味着数控车削适用于所有零件?当然不是。必须考虑几个关键因素来确定 CNC 车削是否是您项目的有效选择。
CNC 车削对于具有旋转对称性的零件(例如圆柱体、圆锥体或圆盘)最为有效。对于具有复杂或非旋转特征的零件,数控铣削、3D 打印或注塑成型等替代制造方法可能更合适。
数控车削适用于多种材料,但每种材料的特性都会显着影响其对车削过程的响应。切削加工性、刀具磨损、可实现的光洁度以及加工应力下的行为等因素是至关重要的考虑因素。
以铝为例,由于其强度、重量和易于加工的理想平衡,因此受到 CNC 车削的青睐。相比之下,不锈钢和钛等较硬的材料可提供更高的耐用性,但需要专门的切削工具和加工参数来避免加工硬化并确保高质量的表面处理。此外,虽然金属可以加工成高光泽度,但塑料可能需要特殊处理以防止熔化或变形。
因此,对产品的材料特性进行全面评估对于确定数控车削是否是满足您需求的最高效、最具成本效益的制造方法至关重要。
CNC 车削可实现高精度和严格的公差,低至 ±0.02 毫米(±0.0008 英寸)。然而,由于机床设计及其工件处理能力的物理限制,数控车床存在尺寸限制。因此,对于需要更严格公差或非常大的零件,可能需要替代的加工工艺。
对于中小批量生产,数控车削通常是一种经济高效的选择,因为它提供高精度、快速迭代能力,并且无需昂贵的模具即可加工复杂形状。当进行大规模生产时,虽然可以采用数控车削,但考虑到单位成本(包括模具成本摊销和数控加工过程中的材料浪费),其他制造方法(例如注塑或压铸)可能更经济。车削工艺)和生产效率。
如前所述,车床和车削中心是用于车削加工的典型机器。在实践中,这些机器根据特定的制造需求和应用进一步分类。以下是数控车床主要类型的概述。
卧式数控车床是典型且应用最广泛的数控车床类型。在这些机器中,工件水平安装并绕水平轴旋转。它们能够执行外部和内部切削、螺纹加工和镗孔操作。
与卧式车床类似,主要区别在于工件的固定方式。立式数控车床将工件固定在垂直方向,这对于加工在卧式车床上安装或保持稳定性可能具有挑战性的重型和大型工件特别有用。这种配置在空间有限的环境中也可能是有利的。
卧式车削中心是卧式车床的高级版本,集成了钻孔和铣削等附加功能。这种多任务处理能力允许对零件进行完整加工,而无需将零件转移到不同的机器上进行额外的加工步骤。此外,水平方向通过重力自然地将切屑拉离切削区域,从而有助于排屑,从而提高加工过程的稳定性和清洁度。
立式车削中心结合了立式数控车床和数控铣床的功能,提供了执行车削、铣削和钻孔操作的多功能性。通过旋转卡盘更靠近地面的设计,材料的重心与旋转轴对齐,这有助于避免悬臂效应。因此,立式车削中心非常适合加工大直径但短而重的工件。
此外,随着技术的进步,还有其他特定类型和变体的数控机床旨在满足更广泛的制造需求和应用。一个著名的例子是瑞士型数控车床,它特别适合小型复杂零件的精密加工。
虽然车床有许多不同类型,但它们都有一些共同的关键部件。了解这些部件对于有效操作数控车床和进行维护至关重要。让我们简要了解一下这些基本要素。
控制面板是 CNC 机床的用户界面,机械师和技术人员在其中输入 G 代码或 CAM 程序来控制机床的运动和操作。
主轴在旋转时将工件固定到位。主轴的功率和速度对于加工过程至关重要,因为它们决定了材料的去除率。
大多数基本数控车床都配备单主轴,足以满足绝大多数车削应用。然而,更先进的数控车削中心可能具有双轴或多轴配置,允许更复杂和更高效的切削操作。
主轴箱通常位于机床的左侧(从操作员的角度来看),用作车床主轴驱动机构的外壳。
主轴穿过主轴箱,用于固定工件或工件夹持装置,如卡盘。驱动机构包括电机、齿轮、皮带或滑轮,它们共同作用将动力从电机传递到主轴,使其能够以各种速度旋转。
尾座位于主轴箱的另一端,旨在在加工过程中为工件提供支撑和稳定性。它可以沿着床身移动,以适应不同长度的工件,并在其可调套筒中容纳中心或钻头等工具,以进行各种操作,例如钻出精确的中心孔。因此,它非常适合确保长或重型工件的加工精度并获得高质量的光洁度。
卡盘是一种通常安装在主轴上并夹紧待切割工件的装置。它通常具有可互换的夹爪,以适应不同类型和尺寸的工件。虽然三个卡爪最常见,但有些卡盘有四个卡爪,这可用于夹紧方形棒材并实现偏心车削。
滑架是沿着机床床身滑动的运动部件,它的作用是支撑、定位切削刀具并将其送入工件。刀架由几个部分组成,包括鞍座、十字滑座、复合刀架和刀架等。
刀塔安装在刀架上,可容纳各种切削刀具。它可以旋转以快速将任何刀具置于切削位置,无需手动更换。刀塔可以有多种类型,包括静态(刀具在切削操作过程中不旋转)和动态(刀具可以旋转,从而实现钻孔或铣削等操作)。CNC 车削中心可以具有单个刀塔或多个刀塔,以提高效率以及加工的复杂性。
床身通常由铸铁材料制成,是车床的基础,支撑所有其他部件,包括主轴箱、卡盘、尾座等。它的设计目的是确保加工过程中的稳定性和刚性。
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在我们的日常生活中,我们无时无刻不在与各种金属材料打交道。您有没有想过您的智能手机外壳是由什么金属制成的?或者为什么汽车和自行车如此轻而坚固?这些问题的答案往往在于一种我们经常忽视但起着至关重要作用的金属——铝。
什么是管道线? 管螺纹是螺丝线程专为连接管道和配件而设计。它们允许将管道拧紧在一起,形成一个紧密的压力密封,用于流体或气体。管道线程有两种基本类型: 锥形线直径逐渐减小,形成锥状形状。 平行(直)线沿其长度保持恒定直径。 锥形管螺纹对于实现泄漏密接头尤为重要。当雄性和雌性锥形线被拧紧时,它们会互相楔入并形成压缩拟合度。这种锥形楔子会产生密封和强大的机械固定。但是,即使是经济良好的金属线的间隙也很小,因此通常将密封剂(例如水管工的PTFE胶带或管道涂料)应用于螺纹上,以填充任何空隙并确保完全无泄漏的连接。 另一方面,平行(直(直)管道线不提供密封;他们拧在一起而无需楔入。直线螺纹通常用扁平的洗衣机,O形环或垫圈密封,以防止泄漏。两种类型的线程都是常见的,但是选择取决于应用程序的密封需求。例如,花园软管使用带有橡胶洗衣机的直线来密封,而钢制管道则使用带胶带的锥形线。 什么是Tap Drill图表? Tap Drill图表是一张表格,可以告诉您在敲击线程之前要使用哪个钻头。钻得太大的孔,螺纹将很浅,容易泄漏。钻得太小,在切割过深的螺纹时,水龙头可能会结合甚至破裂。遵循图表可为您提供最佳的线程参与度,通常约为75%,这可以使强度与轻松敲击。换句话说,大约四分之三的全螺纹高度形成,在敲击过程中产生强烈的固定,没有过多的扭矩。在下一部分中,我们将重点介绍北美最常见的管道螺纹标准:NPT:NPT,并为NPT管道TAPS提供全面的Tap Drill图表。 了解NPT(国家管道锥度)线程 NPT代表国家管道锥线。它是美国和加拿大用于管道,空气软管,燃油管线和许多其他应用的标准锥形管线。如果您曾经将PTFE(Teflon)胶带包裹在管道或安装中,那么您很可能已经使用了NPT线。这些线的比例为1:16,这意味着每16英寸长的直径增加1英寸(每英尺约0.75英寸)。相对于管道的中心线,这对应于1.79°半角度。这似乎似乎很小,但是足以确保雄性NPT拟合被拧入女性端口,它们越远,螺纹楔子更紧密,从而产生了自封的干扰。 NPT使用与标准的美国螺纹相同的60°螺纹轮廓,但具有扁平的波峰和根源,以增加强度。在ANSI/ASME B1.20.1中定义了所有临界维度和公差,包括每英寸线(TPI),音高直径限制和线程接合长度。管道尺寸由名义内径(例如½“或¾”)命名,但该数字不能反映实际的外径。例如,¾“ NPT管道的测量约为1.050”。此外,由于诸如BSPT和NP之类的标准共享标称大小,但使用不同的音高或线程表单,因此您必须指定名义大小(以匹配OD)和TPI(以匹配线程螺距)以选择正确的点击或拟合。 为了给出正式的NPT几何感,以½英寸的NPT线程为例:它具有14个TPI和16个锥度的1个。螺纹形式是扁平的60°“ V”,其半角度的圆锥形为1°47'24''(1.7899°),与中心线同样应用于男性和女性线。当您手动安装配件时,大约3-4个线(“ L1尺度长度”)的尺寸很小;然后,使用扳手添加另外1.5-3个“扳手化妆”线以完成密封。 您经常会看到商店的速记,例如“ MIP/FIP”或“ MNPT/FNPT”(雄性/雌性铁管或NPT),以区分外部线和内部线,而ANSI则将其称为外部或内部NPT,但昵称使其很快识别出哪个在商店地面上。 NPT线程如何工作 因为雄性和女性线都是锥形的,因此拧紧它们会产生楔子效果。螺纹侧面互相挤压,形成一个机械强度且非常紧密的关节。您会注意到,只需几回合后,正确收紧的NPT关节就会感到贴合 - 这是锥度完成工作的锥度。不过,NPT线程并不是完全防漏的。螺纹之间存在很小的螺旋间隙,如果您不使用密封剂,则可能会泄漏。这就是为什么安装程序在组装前将雄性螺纹包裹在液体/粘贴密封剂上的雄性线:它可以润滑螺纹并填充微间隙,从而确保气体或水密密封。在燃油气或液压系统中,切碎的胶带可以堵塞阀,技术人员通常更喜欢糊密封剂。 NPT线程的应用 NPT线程在日常和工业环境中无处不在。住宅水和天然气管道依赖于NPT配件来可靠泄漏。气动工具和空气压缩机在软管,阀门和快速连接耦合器上使用NPT连接器。在汽车和重型机械中,NPT配件可为传感器(例如油压发件人)和流体线(制动或冷却液系统)提供,并为其简单起见以及广泛的现成零件而珍贵。由于符合ANSI的水龙头,死亡和配件都遵循相同的规格,因此您可以不用担心混合品牌。这种通用的兼容性使NPT成为北美的首选管道。 NPT Tap Drill图表 当在孔中创建内部NPT螺纹(例如,敲击管道装件或储罐中的一个孔中的孔)时,您必须首先钻一个适当的尺寸孔。由于NPT螺纹是锥形的,因此钻孔通常比水龙头的最大直径小一点,以使水龙头随着锥度的前进而切割锥度。下面是通用管道尺寸的全面NPT Tap钻图: 名义管尺寸(英寸)每英寸线(TPI)点击钻(英寸)抽气钻(mm)线程参与(%)1/16270.2426.15〜75%1/8270.3328.43〜75%1/4180.4375(7/16英寸)11.11〜75%3/8180.5625(9/16英寸)14.29〜75%1/2140.7031(45/64英寸)17.86〜75%3/4140.9063(29/32“)23.02〜75%111½1.1406(1-9/64英寸)28.97〜75%1¼11½1.4844(1-31/64英寸)37.70〜75%1½11½1.7188(1-23/32英寸)43.66〜75%211½2.2188(2-7/32英寸)56.36〜75%2½82.6250(2-5/8“)66.67〜75%383.2500(3-1/4英寸)82.55〜75%3½83.7500(3-3/4英寸)95.25〜75%484.2500(4-1/4英寸)107.95〜75% 笔记: 上面列出的Tap Drill尺寸假定直接敲击而无需转换。线程参与度(%)表示已达到的全线深度的百分比 - 典型的管道螺纹典型,平衡关节强度和敲击扭矩。括号中的钻头大小是标准字母或折射尺寸的标准尺寸(例如1/8-27 NPT使用字母Q钻,0.332“)。 管道水龙头是锥形的,因此您必须深入到足够深的深处以形成正确的螺纹锥度。制造商通常会指定所需的卷入线数,也可以使用NPT插头量表进行验证。定期退缩以清除芯片并在挖掘金属时使用切割液 - 水管水龙头由于直径较大和锥度而去除大量材料。 如果有锥形介孔器,您可以先用1:16锥形铰刀在攻击之前将钻孔钻孔。这会减少敲击扭矩,并可以在孔的末端稍微增加螺纹互动。但是,大多数字段和DIY应用都使用上面显示的直钻和tap方法,该方法提供了足够紧密的接头。 将NPT与其他线程类型进行比较 NPTF(国家管道锥度燃料) 这是一个干密封的锥形管螺纹,通常称为dryseal NPT或管道螺纹燃料。它具有与标准NPT相同的锥度(1:16)和线螺距,也具有60°螺纹角度。关键区别在于螺纹的顶峰和根设计:NPTF线在波峰和根上的间隙为零,从而形成了一种干扰拟合,可将金属对金属固定而无需任何密封剂。这使得NPTF非常适合对超透露率敏感的应用,即使是微小的泄漏或密封剂污染也是不可接受的。尽管NPTF和NPT具有尺寸并将其物理贴合,但仅交配NPTF雄性和女性会产生干密封。 NPTF由ANSI/ASME B1.20.3定义,而标准NPT则使用B1.20.1。 典型用途:高压液压系统;燃料系统;和其他流体功率应用(例如,制动系统组件或燃油轨配件)。 NPS(国家管道直线) 该螺纹标准具有与相应的NPT大小相同的螺纹角,形状和音高,但它是直(平行)而不是锥形的。虽然NPS线将拧到相同尺寸和TPI的NPT拟合上,但其缺乏锥度会阻止楔形密封件,并且可能会泄漏。 NPS线用于机械连接或由O形圈或垫圈等单独元素提供密封的地方。 典型用途:电导管螺纹(通常称为NPSM),消防软管耦合或大型直径水管工会以及燃气灯笼或老式的管道工会,密封垫圈或垫圈会产生密封。 […]
在比较合金钢和不锈钢时,出现了一个常见的混乱点:尽管不锈钢在技术上是一种合金钢,但通常被视为独特的类别,并在材料选择过程中与其他钢选择分别进行了比较。为什么是这样,您应该为项目选择哪种材料?为了回答这些问题,它有助于首先了解合金钢是什么,并探索其包含的各种类型。
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