1、1第七章 切削加工一般稱為傳統切削加工，是指使用工具機(Machine tools)產生的機械力，經由刀具對工件材料進行切削作用而成形的加工方法。刀具的型式包含單鋒刀具、多鋒刀具和磨輪。有時依工件的外形分為圓形工件加工和非圓形工件加工。傳統切削加工常見的有車削(Turning)，鑽削(Drilling)，銑削(Milling)，鉋削(Planning)和磨削(Grinding)等五種，相關的刀具與工件之運動方式有直線運動和旋轉運動，如圖 7.1所示。近年來的發展顯示刨削已被其它加工方法所取代，車削、鑽削、銑削和鉋削所產生的平均切屑厚度約為 0.025到 2.5之間，磨削則為 0.0025到 0
2、.25之間。切削過程中必須適時視實際狀況選用最佳組合的切削參數為三個切削條件，即切削速度(Cutting speed)，進給(Feed)和切削深度(Depth of cut)。工件車刀(a)車削 (b)鑽削 (c)銑削鑽頭工件工件鉋刀工件(d)鉋削 (e)磨削工件磨輪圖 7.1 五種常見的傳統切削成形加工方法銑刀27.1 鋸切鋸切(Sawing)通常是大多數零件製造過程中的第一個加工道次，來自一次加工所得的線材、棒材、管材、型材、板材等，往往需先將材料切成所要求的長度以利後續之二次加工，尤其在大量生產與切斷非對稱形狀工件的操作上，以使用鋸切的方法最為常見，原因是它具有簡便、快速和具經濟性等優點
3、。利用直條形、連續式帶狀或圓盤形之鋸片上的一連串小切齒當作切削刀具，每一個小切齒都會移除一部份的工件材料形成和拉削或鉋削相類似的切屑。鋸片上之鋸齒為交錯式的排列，用以提供排屑所需的空隙。鋸片的寬度一般較狹窄，故鋸切浪費的工件材料很少。鋸切使用的刀具稱為鋸片(Saw blade)，在其上的鋸齒有不同的外形和排列方式，鋸齒各部份的名稱如圖 7.2所示。鋸齒的主要外形有直齒形、凹切齒形及跳躍齒形。排列方式則有三種，即：一齒向左，而下一齒向右之單齒交錯排列，適用於鋸切銅和塑膠；一齒居中不動，接下來兩齒分別向左右偏擺之三齒交錯排列，適用於鋸切鋼和鑄鐵；和連續幾齒向左，然後連續幾齒向右的波浪形排列，適用於
4、鋸切管子和金屬薄板。齒閒距齒背(齒腹)齒面 齒背隙角 齒斜角鈎齒深寬度鋸片的背面圖 7.2 鋸片各部份的名稱3在木材工業方面有各類型的木材鋸切加工機器被大量使用，金屬工業的鉗工方面有手工鋸切使用的手弓鋸。至於利用動力操作的金屬材料鋸切作業主要的型式有下列三種：1. 往復式鋸切將直線形的條狀鋸片裝置到弓鋸機(Hacksawing machine)的鋸架上，利用等速旋轉的曲柄帶動鋸架進行往復式運動，故又稱為往復式鋸床。加工過程的一半是切削行程，另一半則為沒有鋸切作用的回程行程，故加工效率較差，適用於產量不是很高的小型工廠。此法的優點為機具投資成本較低、操作簡單、刀具成本低、可以鋸切不同種類的材料、
5、大斷面尺寸和任何長度的工件。缺點為切削過程是間歇性的作用，切削速度不斷的改變，無法做連續式的快速切斷操作。2. 圓盤鋸切使用圓周上有鋸齒的圓形鋸片作為鋸切刀具，當工件挾持固定後，鋸片以直式、橫式或傾斜方式朝工件進刀，執行切斷操作。使用的工具機稱為圓鋸機(Circular sawing machine)，又稱為冷鋸機(Cold sawing machine)。此法的優點為可得到高生產效率、高精度、不需毛邊去除製程、刀具成本很低、操作簡單、可切任何材料及尺寸的工件。雖然機器成本較高，但上述的加工效益可以很快地抵銷此項成本。將圓盤鋸片改成使用磨料圓盤做為刀具時，是利用其高速旋轉所產生的摩擦能並轉換成
6、熱能，促使材料軟化，然後配合進給壓力進行鋸切作用。此時，需注意熱影響區造成的不良副作用，和工件材料黏附在鋸片上的問題。此法適用於硬的鐵系金屬和強化塑膠的鋸切等。3. 連續式鋸切將具有撓性的長鋸片，利用熔接方式接合成環形鋸條，放置於兩個以上的轉輪之外，做單向轉動的連續式鋸切。鋸條只有一小部份顯露在帶鋸機(Band 4sawing machine)令外殼外面，藉由控制鋸片張力和導引裝置可進行往復式鋸切及圓盤鋸切所無法達成的曲線鋸切，用途非常廣泛。使用帶鋸機進行輪廓及曲面等之成形切削，具有快速、安全、簡易、省材料、省能源及低成本的優點，使用上的限制很少，適用於許多不同材料與各種形狀、大小尺寸工件的鋸
7、切加工。7.2 車削車削(Turning)是切削加工方法中應用最為廣泛的一種，尤其是所得到加工面的表面粗糙度範圍最廣，粗糙度之 Ra值從 到 都可產生。使用的m250.工具機為車床(Lathe)，在金屬材料製造業中被稱為金工之王或工具機之母 。主要的加工方式是將具圓形截面工件的一端夾持於車床主軸的夾頭上，另一端則可用或不用尾座的頂針支撐住。工件隨同主軸做旋轉運動，以固定在刀架上的單鋒刀具做直線移動，將工件製成產品時不要部份的材料去除。藉由配合不同型式的刀具，車削可執行的工作有切削工件之外徑、外形、端面、錐度、階級、凹槽、切斷、鑽孔、搪孔、鉸孔、外螺紋、內螺紋、壓花、繞彈簧及成型面等，圖 7.3
8、顯示其中的部份工作。有關車刀的材質、幾何形狀和刀具型式等已在第六章中詳述過。車刀的形狀及種類可依其應用的場合分為左手車刀、右手車刀和圓鼻車刀，或是分為外徑車刀、內孔車刀、切槽車刀、切斷車刀、牙刀、倒角車刀、搪孔車刀、成型車刀和壓花刀等。車削中最重要的加工參數為切削速度(Cutting speed，V)、進給(Feed，f)和切削深度(Depth of cut，d)等三個切削條件，它們共同決定了切削時的材料移除率(Material removal rate，MRR)和刀具壽命。切削速度通常用線速度來表示，其值為車床主軸的旋轉速度乘上工件的圓周長後，再經單位min)/(換算而得。510DNV其中，
9、 切削速度 min)/(工件外徑主軸每分鐘旋轉數(rpm 或 rev/min)N進給(f，mm/rev)是指工件每旋轉一圈，車刀在工件軸向或徑向的移動距離。切削深度()則是指車刀在工件徑向上，自未被切削面到被切削面間的進入距離。在車外徑時，工件每旋轉一圈其直徑會減小兩個切削深度的大小量。進給率(Feed rate)以 表示，單位為(mm/min)，車削中進給率和進給關係為mf。材料移除率以 表示，單位為 ，且 。因NfmQmin/3 dfVQ10此可知上述任何一個切削條件的值增加時，都可提高材料移除率，但也都會減少刀具壽命。其中，切削速度對刀具壽命的影響最大，而切削深度的影響則為最小。車床的操
10、作方式有手動、半自動和全自動。車床的種類有普通車床(又稱機力車床)、枱式車床、六角車床(又稱轉塔車床)、立式車床、自動車床、靠模車床、和電腦數值控制車床等，本書將於第八章中加以說明。7.3 鑽削使用鑽床(Drilling machine)上的鑽頭(Drill)在工件材料上鑽削出內孔，是目前最普遍也是最主要的製孔方法。加工過程是先將工件固定夾持在工作枱上，鑽頭則裝置在鑽床主軸上並隨之旋轉，並且同時沿著主軸軸向做進給移動，因而在工件上製作圓孔。車床和鑽床之鑽孔方式不同，在車床上鑽孔是工件隨著主軸旋轉，鑽頭固定在尾座上做進給移動而得。鑽孔加工一般分為鑽孔、深6孔鑽孔和小孔鑽孔等。鑽孔加工是屬於半封閉
11、式的切削過程，施加的切削液不容易到達切削區，而切屑也不容易自切削區排出，故常會發生切屑刮傷已完成加工的內孔壁或堵塞住孔，也常會出現鑽頭折斷的現象，鑽削的工作包含鑽孔、搪孔、鉸孔、鑽錐坑、鑽柱坑、切魚眼孔和攻螺紋等，鑚床的種類本書將於第八章中加以說明。鑽頭是切削刀具的一種，構成的部份有鑽柄(Shank)，鑽身(Body)和鑽尖圖 7.3 車削加工的部分工作(d) 切槽或切斷 (e) 搪孔 (f) 車螺紋(a) 車外徑 (b) 車端面 (c) 車階級VVV VVVf f ffff7(Drill point)，如圖 7.4所示。鑽柄可為直柄或錐度柄，由鑽頭夾頭或套筒夾持裝入鑽床主軸內，用以帶動鑽頭。
12、鑽身則是由鑽槽(Flute)，鑽邊(Margin)和鑽腹(Web)所組成。鑽槽是用來排除切屑及使切削液得以流到鑽尖切削區。最常見的型式為兩個螺旋槽之鑽頭，稱之為蔴花鑽頭(Twist drill)，也有單槽、三槽或四槽的鑽頭。鑽尖則包含鏨刃(Chisel edge)和鑽唇(Lip)。鏨刃又稱為靜點(Dead point)為兩鑽唇交接點，位置需在鑽軸中心上。鑽唇則為鑽頭之刀刃口(Cutting edge)，有兩片，其夾角以 為標準角度。對於深孔鑽削則需注018意克服排屑、冷卻及行程導引等問題，因而有直槽式深孔鑽頭，又稱為槍管鑽頭(Gun drill)的出現。對於在薄金屬板上鑽孔，則可使用圓鋸式鑽頭
13、或翼形刀具(Fly cutter)。鑽削的切削速度(V，m/min)和車削的定義類似，即 ，其中 鑽10DNV頭直徑 ， 主軸每分鐘旋轉數(rpm 或 rev/min)。最常見的双刃鑽頭之)(mN進給(f，mm/rev)是指鑽頭轉一圈時，同時向工件內部的移動距離，故每刃的進鑽柄 鑽身鑽頸鑽槽鑽尖靜點 鑽唇1180圖 7.4 鑽頭各部份的名稱8給為(1/2) f進給率 (mm/min)等於 。鑽削的材料移除率 可mfNf min)/(3Q表為 。fDQ427.4 製孔方法 鑽削加工是最常見的製孔方法。但它是屬於粗加工，對於內孔壁表面之光滑度，或形狀及尺寸之精度要求較高的孔，則需再進行搪孔(Bor
14、ing)及鉸孔(Reaming)等後續加工，甚至使用內部研磨(Internal grinding)、搪磨(Honing)或拋光(Polishing)等超精密加工。搪孔是利用單刃或多刃搪孔刀具，將已存在工件中之內孔壁上的材料進一步去除，使孔徑擴大的一種精密加工方法。搪孔刀可裝置在鑽床、車床或銑床上執行搪孔工作，但對於大型或特殊形狀的工件，則必須在搪床(Boring machine)上加工，才可得到較精確的尺寸，加工效率也較高。通常工件是固定的，搪孔刀做旋轉運動和進給運動。此外，搪床也可做車平面、車端面、車凹槽、車螺紋等工作。常見的搪床有臥式、立式和工模搪床等，本書將於第八章中加以說明。鉸孔是利用
15、圓柱形或圓錐形的鉸刀，它通常具有兩條或更多條的螺旋型或直線型之排屑槽，執行和搪孔相類似的工作。惟加工方式為鉸刀及工件做相對旋轉運動和進給運動，鉸孔可使用和鑽削相同的工具機。若生產效率不是很重要時，選擇使用手工鉸孔，可得到較光滑的加工面，且精度也較易控制。精密孔之加工順序為先以中心衝做出孔中心之定位，再依次進行鑽孔、搪孔和鉸孔，若有必要時再進一步使用超精密加工方法。上述之加工程序適用於圓形之通孔或不通孔(未貫穿工件材料之孔，又稱為盲孔)的加工。若工件是薄板材且為通孔加工時，可使用薄板加工法中的沖孔(Punching)，其生產效率極高，但模具的費用很高，必須是產量有一定規模時才合乎經濟效益。9拉削
16、(Broaching)則可用於工件之外表面和各種形狀內孔的加工，使用立式或臥式的拉床(Broaching machine)以推或拉的方式移動拉刀或工件，使其產生相對運動達成切削作用，拉床的種類本書將於第八章中加以說明。拉刀是指由一系列尺寸漸增的連續切齒所構成的條形刀具，在完成一次加工操作過程後即可得到所要的產品，如圖 7.5和圖 7.6所示。拉削加工的優點有高生產效率、加工面精度高、刀具壽命較長和適用於自動化生產。缺點有拉削不適合做大量材料的切除、機器的剛性及工件的夾持要能承受拉削的作用力因而增加設備成本、拉刀構造複雜、拉削之孔徑不可小於 10但也不可大於 80和拉刀的製作費用高故不適合於小量
17、生產。製孔方法中的車床鑽孔已敘述於前。此外，可使用銑削之端銑刀銑製圓孔，將於第 7.5節中敘述。而插床之插刀切削加工則可用於製造方孔、多邊形孔或不通孔，並將於第 7.6節中敘述。拉端 扶持端後導桿粗切齒細切齒切齒精切齒前導桿柄長全長圖 7.5 拉刀各部份的名稱拉削方向10遇到小孔徑的深孔，夾持困難的工件，或難切削材料的孔加工時，可使用非傳統加工方法中的雷射、電子束、水噴射、磨料噴射、放電、放電線切割、超音波、電漿、化學蝕刻、電化學等進行各類型的製孔操作，本書將於第十一章中加以說明。有時也可使用氧乙炔氣或電弧切割方法，甚至以人工剪裁方式對薄板材進行孔的加工。當以鑄造或粉末冶金(本書將於第十一章中
18、加以介紹)方法製造產品時，可利用砂心等預留空出孔的位置及大小，也是常見的加工過程。7.5 銑削銑削(Milling)加工是指將銑刀固定在工具機主軸上並一起做旋轉運動，同時夾持固定在工作枱上的工件或主軸上的銑刀做直線進給運動的切削方法，它是機械製造中常用的加工方法之一。銑削主要是用來加工各種平面、曲面、垂直面、角度、溝槽、成型面、齒輪及切斷等。銑刀是一種圓形刀具，由刀體和許多刀齒(Tooth)所組成，刀齒的型式有直線形和螺旋形。銑刀的構造有整體型刀具和在刀齒處嵌入或鎖上捨棄式刀片作為刀刃等。有關銑刀各部份名稱，如圖 7.7所示。銑刀的刀齒數依銑刀的直徑和型式可自端銑刀的二齒到鋸割銑刀的超過八十齒
19、等而有不同的數目。銑削的基本操作可分為兩大種類，即周邊銑削(Peripheral milling)和面切屑間隙 崁入之拉刀齒刃工件每齒切深圖 7.6 拉削加工11銑刀(Face milling)，如圖 7.8所示。1. 周邊銑削又稱為平板銑削(Slab milling)，工件之銑削加工面通常與銑刀旋轉軸(即銑床主軸)平行，銑削加工面的外型與銑刀的輪廓有直接關係。大都用於主軸為銑刀加工面工件d銑刀加工面d工件圖 7.8 銑削的基本操作種類銑刀中心斜角齒面刀刃齒深隙角齒頂唇角齒根厚7.7 銑刀各部份的名稱(a)周邊銑削 (b)面銑削註：d 為銑削深度12水平放置的臥式銑床。2. 面銑削工件銑削面為
20、平面，且通常與銑刀旋轉軸垂直，加工面形狀與銑刀輪廓無直接關係。面銑削可在立式銑床或臥式銑床上操作。若加工狀況許可下應儘量採用面銑削的方式加工。根據銑削中銑刀旋轉方向與工件移動方向的關係，可分為逆銑和順銑兩種方法，如圖 7.9和圖 7.10所示。1. 逆銑(Conventional milling)又稱為上銑(Up milling)，指銑刀與工件加工面接觸部份的旋轉切線方向和工件移動方向相反。刀齒先在已加工表面上滑動一段距離後，才與待切除工件材料接觸，切屑被刀齒由薄而逐漸變厚地切下來。逆銑為長久以來即被普遍使用的傳統銑削方法，主要是可使銑床上進給螺桿與螺母之間的背隙(Backlash)消除，因而
21、銑削作用較穩定。缺點則為刀齒的磨耗較快，並會影響已加工面的粗糙度，在周邊銑削工作時會產生將工件往上挑離床台之分力。2. 順銑(Climb milling)又稱為下銑(Down milling)，指銑刀與工件加工面接觸部份的旋轉切線方向和工件移動方向相同。刀齒直接切入工件尚未加工的表面，促使切屑由厚逐漸變薄地被切下來。刀齒離開工件時切削力會降到最低，可得到較光滑的加工面和較長的刀具壽命。但是要注意進給導桿與螺母之間的背隙，在銑削時會造成大振動而使刀具破壞，故必須再加裝背隙消除器後才能使用順銑法。電腦數值控制銑床(CNC milling machine)是採用順銑法，原因是可得到較長的刀具壽命。1
22、3銑刀的型式依其使用目的及刀齒的外形和位置等可分為：1. 平銑刀(Plain milling cutter)d d銑刀 銑刀工件 工件(a) 逆銑(上銑 )註：d 為銑削深度(b) 順銑(下銑)圖 7.9 銑削方法(周邊銑削)W工件銑刀 銑刀工件(a) 逆銑(上銑 ) (b) 順銑(下銑)W圖 7.10 銑削方法(面銑削)註：w 為銑削寬度14又稱為普通銑刀，為圓柱形或圓盤形具中心孔和鍵槽，使用時裝置於心軸上。刀齒分佈在銑刀圓周面上，可以是直齒或螺旋齒，齒形平行或斜交於銑刀的軸線，刀齒在平銑刀的圓周面上有刀刃，但在兩個端面上並無刀刃。通常用來銑削平面。工作時銑刀旋轉軸平行於工件加工面，如圖 7
23、.11(a)所示。2. 成型銑刀(Form milling cutter)成型銑刀與平銑刀類似，惟刀齒被製成與零件輪廓相同，可直接銑削出所要的工件外形，如凹面、凸面、圓角、齒輪或其它特殊形狀等，銑削方式和平銑刀相同。3. 側銑刀(Side milling cutter)側銑刀與平銑刀類似，但側銑刀的刀齒不僅在其圓周面上有刀刃，在端面上也有刀刃，可同時銑削工件的水平面和垂直面，如圖 7.11(b)所示。銑削方式和平銑刀相同。4. 角銑刀(Angle milling cutter)角銑刀與平銑刀或側銑刀類似，但外形成錐形，用以銑削鳩尾槽、V 型溝槽或斜面等，如圖 7.11(c)所示，銑削方式和平銑
24、刀相同。5. 開縫鋸(Slitting saw cutter)開縫鋸與平銑刀或側銑刀類似，但刀具厚度較薄，一般小於 5mm，用以銑削窄、深之槽或鋸割材料。銑削方式和平銑刀相同。6. 面銑刀(Face milling cutter)銑刀的刀體是利用螺紋等方式與短心軸結合裝置於主軸上。刀齒分佈在銑刀本體之底部，刀齒在面銑刀的端面上有刀刃，一般使用捨棄式刀片鎖在固定在刀齒上做為刀刃。面銑刀專門用於銑削平面，工作時銑刀旋轉軸垂直於工件加工面，此為與平銑刀不同之處，如圖 7.11(d)所示，面銑刀的銑切量大於平銑刀。7. 端銑刀(End milling cutter)端銑刀具有直柄或錐度柄。刀齒可為直線
25、形或螺旋形，在端銑刀的端面及15圓周面上都有刀刃，如圖 7.11(e)所示。可銑削平面、切槽、外形輪廓等，尤其適用於高速銑削。銑削方式和面銑刀相同。端銑刀尺寸大者稱為殼式銑刀(Shell milling cutter)，銑刀本體所利用短心軸裝置於主軸上。8. T形槽銑刀(T-slot milling cutter)銑刀成倒 T字型，具有直柄或錐度柄。在銑刀本體之底部的圓周面及端面均有刀齒，如圖 7.11(f)所示。專門用來銑 T型槽。銑削方式和面銑刀相同。銑削加工的切削速度和車削加工時所使用的計算公式類似 10DNV其中，V=切削速度(m/min)nftm其中， =進給率( )，D=銑刀直徑(
26、mm)，minN=主軸每分鐘旋轉數(rpm 或 rev/min)(a) 平銑刀銑削平面 (b) 側銑刀銑削水平面和垂直面 (c) 角銑刀銑削角形槽16銑刀為多鋒刀具，和車刀的單鋒刀具不同，因此進給(Feed)和進給率(Feed rate)在兩者的應用上也有區別。車削加工一般使用進給(f)，銑削加工則根據工件材料、銑刀材料、切削深度和加工面表面精度的要求等，先決定出進給率()的大小，並據以推算出主軸每轉一圈，銑刀上每齒之進給( )。其關係式mf tf為：=每齒之進給( )tf revm個=銑刀齒數(個)tn當進給率不變時，銑刀每齒的進給視銑刀的齒數和主軸每分鐘旋轉數而定。銑削之材料移除率(Q,
27、)可分為：min3fdWQ其中 W=銑削寬度(mm)d=銑削深度(mm)銑削與車削的特性相近，增加切削速度、每齒進給和切削深度都會增加材料移除率，但刀具壽命也隨之減少。其中，切削深度對刀具壽命的影響最小，故考慮兼顧刀具壽命和材料移除率時，宜儘可能地使用大的切削深度。銑床(Milling machine)的種類有主軸水平裝置的臥式(Horizontal)又稱普通(Plain)，主軸垂直裝置的立式(Vertical)，龍門(Planer)，萬能(Universal)，工具(Tool)，靠模(Profile)等銑床，和中心加工機(Machine center)等，本書將於第八章中加以說明。(d) 面
28、銑刀銑削平面 (e) 端銑刀銑削水平面和垂直面 (f) T 形槽銑刀銑削 T 型槽圖 7.11 銑刀型式及銑切操作177.6 鉋削鉋削(Shaping and planning)加工是指刀具與工件之間的主運動為直線往復式的相對運動，工件或刀具在垂直於主運動的方向上做間歇性的進給運動以進行切削加工。鉋削主要是用於加工平面、溝槽或曲面等。鉋削的刀具為單鋒刀具，在進行切削時以直線進行，切削力集中於刀尖部份，故需採取較小的讓角(Clearance angle)以增加刀尖強度，因此一般車刀之讓角是 80左右，鉋刀則為 40左右。鉋削是屬於正交切削的一種，切削過程為間斷式，即在切削行程時刀具對工件實施切削
29、作用，當鉋刀通過之行程略大於工件欲切削之長度後，刀具停止並稍微舉高離開加工面，然後快速退回到開始進行切削的位置稱此為回程。接著工件橫向移動一個進給量，再繼續鉋削作業。因為刀具有正向及反向的直線運動，要使刀具停止需克服其慣性力，且在切削過程中有衝擊現象，故切削速度受到限制。又當鉋刀回程時，並沒有切削功能。雖然使用急回機構(Quick return mechanism)以縮短回程時間，但仍然浪費加工時間。所以鉋削的加工效率較低，加工精度也不高。在大量生產時，常用銑削、拉削或磨削等取代鉋削。然而鉋刀的製造及研磨較為簡單，鉋床較便宜，鉋削操作容易等是鉋削的優點。又因鉋削的作用簡單，在工件加工面的表層上
30、不易引起內應力，此點為鉋削唯一受到重視之處。採用鉋削加工的工具機有牛頭鉋床(Shaper)、龍門鉋床(Planer)和插床(Slotter)等三種型式。1. 牛頭鉋床用於加工中、小型工件，工具機本身體積較小，將工件固定於工作枱上，鉋刀作直線往復運動進行切削。在刀具回程時，工作枱作橫向移動一個進給量，如圖 7.12(a)所示。牛頭鉋床大多使用曲柄及搖擺臂機構傳動，鉋削過程中切18削速度是變化而不固定。可用於切削水平面、垂直面、斜面、凹槽、及成型仿削等。2. 龍門鉋床用於加工大型工件，工具機本身體積較大。工件固定於工作枱上，工作枱做直線往復運動，而鉋刀在切削行程時保持固定不動，在工作枱回程時刀具才
31、做橫向移動一個進給量，如圖 7.12(b)所示。龍門鉋床大多使用齒輪或毅壓傳動。鉋削過程中切削速度近乎等速度，工作枱加速及減速的距離很短，故浪費的加工時間較少。龍門鉋床和牛頭鉋床的工作型式相似，但其加工精度及生產率都比牛頭鉋床高。3. 插床又稱為立式牛頭鉋床，和一般之臥式牛頭鉋床的差別在於插床的切削運動方向是垂直工件表面的上下直線往復運動，如圖 7.12(c)所示。插床主要用於工件內表面的加工，如方孔、孔內之鍵槽、內多邊形孔等，尤其適合於不通孔。但在回程時插刀會與工件之已加工面發生摩擦，使刀刃易受到磨損，或使加工面精度變差，且其生產效率不高，故在大量生產時已被拉削取代。工件工作枱v鉋刀f工件f
32、v插刀工件工作枱v鉋刀f(a)牛頭鉋床的鉋削 (b)龍門鉋床的鉋削 (c)插床的鉋削7.12 鉋削加工的種類197.7 磨削磨削(Grinding)在金屬切削加工中佔有很重要的地位，尤其在工件的尺寸精確度及加工面表面精度要求很高之精密加工，或較硬材料之加工的領域中，它更是一種不可或缺的加工方法。磨削加工和其它傳統切削加工比較之最大不同處是它以磨料顆粒取代刀刃對工件實施切削作用，並且產生近乎粉末狀的切屑。磨削使用的主要刀具叫磨輪，通常稱為砂輪。它是由許多堅硬鋒銳的磨粒結合而形成，可對硬度很高的工件材料切削。磨粒每次只能從工件表面上切除極薄的一層材料，因此其加工效率不高。但磨削速度為普通刀具切削速
33、度的 10倍以上，故可得到良好的加工面精度。磨削產生之加工溫度很高，需使用大量切削液來冷卻。磨削應用的範圍很廣，各種幾何形狀的表面都可加工，如平面，內外圓柱面、內外圓錐面、螺紋，和各種成型面等。砂輪是磨削的主要刀具，它的表面上不規則排列著磨粒，其稜角相當於一個刀刃，因此砂輪好像是具有無數個刀刃的銑刀。磨損之磨料會不斷崩裂而產生新刃直到失去作用而脫落，再露出其它的磨料，此現象稱為自生作用 。組成砂輪的要素為(1)磨料(Abrasive)：用於對工件產生磨削加工之刀刃，(2)結合劑(Bond)：使磨料顆粒結合成形並使砂輪能在一定速度下旋轉而不分裂，和(3)氣孔(Pore)：砂輪內之間隙可幫助排屑，
34、以維持磨削效果。砂輪的構造如圖7.13所示。砂輪的特性由其磨料、粒度、等級、結構、結合方式、形狀和尺寸等因素共同決定。201. 磨料(Abrasive)磨料有天然和人造兩大類。通常使用的有氧化鋁( )、碳化矽( )、32OAlSiC氮化硼( )和人造鑽石等磨料。需配合不同工件材料的性質而選用合適的磨CBN料。2. 粒度(Grain size)磨料顆粒(簡稱磨粒)的大小以粒度表示，粒度號數越大，磨粒愈細。粗加工及較軟材料加工，宜使用號數較小的粗磨粒砂輪。3. 等級(Grade)又稱為砂輪硬度。用以表示砂輪磨削時，砂輪保持住磨粒的能力。磨粒不易脫落者，稱為硬度高，適合於磨削軟材料。砂輪的硬度與磨粒
35、本身的硬度完全無關，它主要是與結合劑的分佈有關。4. 結構(Structure)表示砂輪結合的鬆緊程度，分為緊密、中等、疏鬆三類。砂輪結構是指磨粒、結合劑和氣孔三者所佔體積的比例。結構緊密表單位體積內磨粒含量多，磨粒間容屑空間小，排屑較難，砂輪容易堵塞，但砂輪的外形較能保持不變，工件氣孔結合劑磨料圖 7.13 砂輪的主要組成要素工件21可提高加工精度和降低加工面粗糙度。5. 結合劑和結合方式(Bond and bonding type)使用結合劑將磨粒結合使成為具有一定形狀、尺寸和硬度的砂輪，再配合結合方式產生砂輪的方法有黏土燒結(Vitrified，V)、樹脂黏結(Resionoid，B)、
36、橡膠黏結(Rubber，R)、氧氯化鎂黏結(Oxychloride，Ma)、蟲漆黏結(Shellac，E)、水玻璃燒結(Sillicate，S)和金屬黏結(Metal，M)等。6. 形狀和尺寸(Shape and dimension)砂輪的形狀和尺寸是依照磨床種類、加工方法和工件的品質要求而決定。砂輪形狀的種類有很多，有不同的標準形狀和標準面。砂輪尺寸規格則以外徑、厚度和內徑來表示。因此要選用品質合適的砂輪必須依序指明磨料種類、磨料粒度、砂輪等級、砂輪結構和結合劑種類，例如 C-36-M-7-V是指碳化矽磨料，顆粒大小為 36號，砂輪等級為 M，結構中等(7)，並且以黏土為磨粒之結合劑。砂輪的
37、磨削方式關係著磨床和砂輪種類的選用，磨床的種類本書將於第八章加以說明。磨削方式可分為：1. 平面磨削(Surface grinding)利用平面磨床，對工件的表面進行平面磨削。砂輪的旋轉軸可以是水平式(以砂輪的圓周面磨削)或垂直式(以砂輪的端面磨削)，分別如圖 7.14(a)和(b)所示。工件可利用磁石卡盤吸住，工作枱的運動有迴轉式和往復式兩種。2. 外圓磨削(Cylindrical grinding)又稱為圓柱磨削，使用外圓磨床，磨削圓形截面的銷、軸等圓柱形工件的外圓周面，工件兩頭之中心由頂針支持，並做緩慢的旋轉。依砂輪移動方式分為橫移輪磨(Traverse grinding)，其砂輪寬度比
38、工件長度小；或直進輪磨(Plunge grinding)，其砂輪寬度略大於工件長度，分別如圖 7.14(c)和(d)所示。3. 無心磨削(Centerless grinding)22以無心磨床對圓形工件磨削直徑時，不需使用頂針，工件直接進入砂輪和調整輪之間進行磨削，如圖 7.14(e)所示。因不需太高的技術要求，夾持穩固，且加工效率高，使用於大量生產。缺點有不適用於有鍵槽或平面的工件加工等。依工件進入磨削方式可分為通過進給(Through-feed)，縱進給(In-feed)和端進給(End-feed)三種。4. 內圓磨削(Internal grinding)使用內圓磨床可對工件的內圓孔或內斜
39、孔進行磨削。工件用夾頭夾持，可以是緩慢旋轉或不轉，且同時做前後移動或不動。砂輪則是以高速旋轉，其心軸可以不動或前後移動或做行星運動(Planetary motion)，如圖 7.14(f)所示。5. 工具磨削(Tool grinding)以不同型式的工具磨床，配合不同形狀的砂輪，對磨損的切削刀具，例如車刀，銑刀或鑽頭等加以研磨，使其刀刃恢復原有之銳利狀態，如圖 7.14(g)所示。6. 切割(Cut-off)以厚度很薄的砂輪對工件切割，其加工速度比用鋸片鋸切更快，且可得到光滑整齊的切口，如圖 7.14(h)所示。磨削加工和銑削加工相類似，磨削速度的定義和銑削速度相似，磨削的進給率也是用 表示，
40、單位為 mm/min，磨削深度 d比其它傳統切削加工的值小很mf多(約為十分之一)。磨削的材料移除率 Q可表為mfWdQ其中，W=磨削寬度(mm)由於磨削屬於精加工，目的在得到高精度的工件加工面，而較不著重於材料移除量的要求。磨削後會在加工面上留下痕跡，若要達成超精密加工的要求時，可利23用磨石、細磨粒、磨料帶或彈性輪等進行表面處理，加工方法有搪磨(Honing)、研磨(Lapping)、拋光(Polishing)、擦光(Buffing)、超精磨(Superfinishing)等。另外，滾筒磨光(Barrel finishing or tumbling)則是利用磨粒對工件的毛邊，氧化物，不規則
41、處等加以磨光，可得到平滑均勻的表面，用途很廣。7.8 螺紋與齒輪製作螺紋(Screw thread)是指在圓柱或圓錐體的外表面上(指外螺紋)或是孔的內壁上(指內螺紋)，產生均勻凸起的螺旋形斷面。螺紋主要用在扣件(Fastener)上，扮演傳遞動力或運動的功能，也可做為量側儀器，或如管件之止洩、鎖緊、連結等用途。螺紋的形式已被標準化，標示系統有統一制(UN)和公制(ISO)兩種類型。螺紋規格的標示在統一制中依序為公稱尺寸(Nominal size)其單位為英吋，每英吋所含的螺紋數、螺紋序級符號及螺紋配合等級，例如 。AUNF2021在公制中為公制螺紋(M)、公稱尺寸(mm)、螺紋齒距(Pitch
42、)及公差等級，例如M60.75-5g6g。螺紋的齒形除了一般常見的 V型螺紋外，上有方螺紋(Square thread)能承受較大的壓力，故適合於傳遞動力用，其齒形無法用螺絲攻或螺絲模切削而得。鋸齒螺紋(Buttress thread)其齒的一面呈 ，另一面為方螺紋，045宜用於單方向的動力傳遞。愛克姆螺紋(Acme thread)在傳遞動力的效率上和方螺紋相近，但可以用螺絲攻或螺絲模等工具加工製造而得，和它相近的有螺桿螺紋(Worm thread)。螺紋的製造方法有使用(1)螺絲攻(Tap)加工內螺紋，(2)螺絲模(Die)加工外螺紋，(3)車床切削內螺紋或外螺紋，(4)銑床銑削內螺紋或外螺
43、紋，(5)滾軋法製作外螺紋，(6)壓鑄法(Die casting)鑄出螺紋，和(7)輪磨磨削螺紋等。24砂輪 工件 工作枱vv 砂輪工作枱工件(a)平面磨削(水平式旋轉軸) (b)平面磨削(垂直式旋轉軸)(c)外圓磨削(橫移輪磨)工件v砂輪 f工件砂輪(d)外圓磨削(直進輪磨)扶架調整輪工件砂輪(e)無心磨削 (f)內圓磨削工件砂輪砂輪車刀後傾面砂輪工件車刀(g)車刀研磨 (h)切割圖 7.14 磨削加工的種類25鉗工工作法中通常用螺絲攻為刀具，以手工方式在內孔中攻製內螺紋。螺絲攻的材料主要有高碳鋼及高速鋼，其型式具有二個或多個直槽或螺絲槽。當加工貫穿通孔時只需使用頭攻即可，若為非貫穿的盲孔(
44、Blind hole)時，則需再使用二攻和三攻。螺絲攻可裝置在特定夾持器後固定於鑽床、車床或自動攻螺絲機上製造內螺紋。螺絲模則是用來切削外螺紋的刀具，其作用原理及方式和螺絲攻類似。在工件生產製程中，若是用可潰式螺絲攻(Collapsible tap)或自開式螺絲模(Self-opening die)，則可免除刀具退刀的步驟，直接取出完成螺紋加工的工件，可因此節省操作時間。自開式螺絲模是使用分開的鈑刀(Chaser)安裝於適當的裝置器上，經由精密的調整可切出精確的外螺紋。利用機力車床的單鋒刀具(牙刀)幾乎可以製造所有形狀的螺紋，但其要求的操作技術層次較高且加工速度較慢，只適合於少量生產或特殊形狀
45、螺紋的製造。在大量生產時必須用其它的加工機具，如螺紋滾軋機、自動螺紋加工機或CNC車床等。銑床可用於製造尺寸較大的精密螺紋，利用外形和欲切製螺紋相同的圓板形銑刀，可銑切內螺紋或外螺紋。行星式銑床可用於大量生產長度較短的內外螺紋。螺紋滾軋加工是指利用旋轉的圓滾模或往復運動的平板模對圓桿形工件，施加適當的壓力進行冷作加工而得到螺紋。此法適用於具滾軋性良好的材料，對於直徑較大的工件，大多數採用滾軋的方法製造螺紋。螺紋滾軋的優點有可節省材料、保持高精度、得到較佳的表面粗糙度、又可提升材料的強度、具高生產效率和可生產多種形式的螺紋。但其限制則有只能製造外螺紋、工件本身的尺寸精度要求較高、工件材料硬度不可
46、超過 HRC37和少量生產時不合乎經濟效益等。壓鑄法(Die casting)亦可用於製造有螺紋外形的工件，但其尺寸精度和生產效率不如其它的加工方法。輪輪可直接磨削出內螺紋或外螺紋，亦可用於精加工需要高精度及光滑平26整表面的螺紋。齒輪(Gear)是應用非常廣泛的重要機械元件(Mechanical component)，通常是藉由與軸(Shaft)連結後一起轉動，以達成可產生相對運動之機械元件間傳遞動力或運動的功能。齒輪的傳動是利用兩齒輪間之齒和齒的共軛嚙合而達成，彼此之間並無滑動產生。齒輪的齒形有漸開線(Involute)外型和擺線(Cycloid)外型兩大類。齒輪的種類依其用途有正齒輪(S
47、pur gear)、內齒輪(Internal gear)、螺旋齒輪(Helical gear)、人字齒輪(Herring bone gear)、斜齒輪(Bevel gear)、戟齒輪(Hypoid gear)、齒輪與小齒輪(Rack and pinion)、和蝸桿與蝸輪(Worm and worm wheel)等。齒輪的製造方法有很多，包括各種鑄造法(尤其是壓鑄法及包模精密鑄造法)、鍛造、滾軋、擠製、抽拉、粉末冶金和沖壓等。至於非金屬材料則可用射出成形法和鑄造法。然而大多數金屬材料的齒輪是利用切削加工的方法製造出來，如此方法可符合齒輪傳動時尺寸和表面精度的要求。利用切削加工製造齒輪的方法有成型
48、切削(Form cutting)法和齒輪創製(Gear generating)法兩類。成型切削法是指切削刀具本身的形狀即是齒輪上應被切除部份之材料的形狀。使用銑床加工齒輪時，是將成型銑刀裝在主軸上，工件裝在分度頭上，一次加工一個齒輪間隙，惟此法不適用於製造斜齒輪。拉削法用於製造高精度要求的齒輪且生產效率高，但拉刀價格昂貴，在產量達到一定規模時，才合乎成本。此法常用於製造內齒輪。當齒輪的尺寸較大時，可使用單鋒刀具配合具有齒輪輪廓形狀的樣板(Template)導引下製造齒輪。齒輪創製法所使用的刀具形狀並不等於齒間隙的形狀。它是利用相同的徑節(Diametral pitch)的兩漸開線齒輪，不論其齒
49、數的多少皆可互相嚙合的原理，將一個齒輪製作成切削刀具(或鉋刀)，然後執行類似牛頭鉋床的往復運動，逐漸將另一工件材料切成共軛齒輪。刀具可為齒輪式鉋刀或齒條式刨刀，用以製造各種型式的齒輪。若將齒條式鉋刀做成圓柱形，並在其周圓面上切出螺紋，在其軸向切出溝槽，即形成滾齒刀(Hob)，亦可視為有槽之蝸桿或蝸輪。滾齒法27(Hobbing)即是利用滾齒刀的旋轉運動創製齒輪的加工方法，適用於中、高產量的齒輪生產。為求齒輪在高速運轉時，不致產生噪音及振動，並增加其耐模耗性，往往需對齒輪進行精加工以得到精確的齒形和表面狀態，方可達成上述之功能要求。齒輪在熱處理之前先經刮鉋(Shaving)加工，即利用刮刀移除少量的材料而得到精確的齒形；或經擦光(Burnishing)作用，即使用已淬火硬化的齒輪嚙合要加工的齒輪之冷作加工方式滾軋出精確的齒形。經過熱處理之齒輪，則需使用砂輪進行磨削(Grinding)、搪磨(Horning)或研磨(Lapping)之精密加工。齒輪磨削的方法有成型法和創製法，其原理及加工過程與刀具切削類似。搪磨則是使用佈滿細磨料顆粒的膠合齒輪為刀具，可改良齒輪表面的精度。研磨則為使用黃銅或鑄鐵做成的共軛齒輪和工件齒輪相嚙合，同時先將細磨料置於其間一起轉動，可得到品質非常高的齒輪。
