# [機製]Turning and Drilling

# Turning

Turning 就是車工的意思，就是用車床做一堆亂七八糟的事。車床可以說是最早的工具機，現在所有工具機們的老老老老木。主要是加工軸對稱的東西。但是在跟電腦還有銑床融合之後就可以變成超級潮的 CNC, 然後就可以做出更多亂七八糟的事了。

## 力學分析

雖然說是力分析，不過只是講個概念而已。車床大概就是個圓柱，所以回憶起不堪回首的柱狀座標的話，可以把受到的力分成 3 個分量：


1. $F_{c}$：這個叫 cutting force, 主要就是跟實際的切削有關係，傾向把車刀往下壓，當然工件就會受到反作力往上。
2. $F_{t}$ : 這個叫 Thrust Force, 跟進給的時候需要多大的力有關係。

因為車削的時候，3 個方向都會受到力，所以刀刃的設計就要 3 個方向都考慮到。接下來就看看車刀的構造：

## 車刀構造

車刀的 3 視圖大概長這樣：


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不過這三視圖 87 % 沒人第一眼看得懂。不過我想大概的意思就像這個樣子：

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不信？你自己看：

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好了。這樣就知道車刀的構造了。不過上面有一堆亂七八糟的角度，所以我們來介紹一下上面這些角度對車削會有什麼影響：


1. side rake angle : 這個角主要跟排屑有關。
2. side relief angle : 這個角比較次要，主要就是影響刀尖的尖銳程度。
3. back rake angle : 也是引導排屑。
4. end relief angle : 也是影響刀尖的尖銳程度。
5. side cutting-edge angle : 這個角會跟刀具的受力方向有關。
* 如果這個角很小 ，那麼刀尖距離底面就會很遠。接觸工件的時候，受到的力矩就會很大，容易斷掉。這時候刀尖壽命就會變短。
* 反之，如果這個角太大，那刀具就不會那麼尖銳，加工效率就會變差。

6. Nose Radius : 有點雞肋，就是控制剛剛那個side cutting-edge angle。不過一樣也不譨太小，不然刀尖很容易就斷掉。

然後這裡有幾句有點雞肋，但是還是要注意的事：
1. 所有的 relief angle 都不能是負的：意思是說不能往前凸，不然就會比刀尖還要前面，然後工件就會打到他(聽起來真的很廢話)。
2. 所有的 rake angle 都是跟排屑有關(當然還會影響刀尖的銳利度)。可以注意到的是 rake angle 可以是負的，像這樣：


主要不同是：

* 正的 rake angle (就是像小蘭頭髮那樣)排屑功能比較好(因為就一個槽在那邊嘛)。
* 負的 rake angle 會有比較好的強度(因為比較厚實嘛)。

## 加工步驟

去翻工廠實習小本本～～～

通常不會一次到位，而是先粗加工幾次，最後接近需要的尺寸的時候再精加工。

## 車床

介紹完車刀，這裡就換介紹車床～～

### 構造


雖然看起拉很複雜，不過大致上分成 4 個部分： 床台(Bed), 刀具溜座(Carriage), 頭座(Head Stock), 尾座(Tail Stock)：

1. Bed : 就下面那塊最大的東西啊
2. Carriage : 就是放刀具，可以滑的那塊東西。
3. Headstock : 就是夾住工件的地方。主軸變速箱也在那裡。
4. Endstock : 頂住工件另外一端的那個。

然後就發現講了這麼多還是不知道在幹嘛。所以直接看影片：

{%youtube dj64QvvbGXM %}

(然後我就只打算寫到這裡了。)
(我認真)
(這影片真的很好懂)
(看一遍看不懂就看兩遍)
(我看圖都看不懂影片一看就懂)
(沒唬爛你)
(乖)

### 夾頭

這裡有特別提到的是夾持工件的方法。那個部分叫夾頭(chuck), 根據工件的形狀會有不同的夾法：

1. 3-jaw : 3 爪的夾頭。通常是用來夾圓形。
2. 4-jaw : 4 爪的夾頭。同長用來夾方的工件，或是形狀比較奇怪的工件。

其實也可以很多個 jaw 無限上綱下去，越多 jaw 就可以夾形狀越奇怪的工件。

然後這年頭不用個電好像不夠潮，所以有一種夾頭是自動化，放上去就會自動幫你夾緊的夾頭，叫做 power jaw ，像這樣：

{%youtube n7FMOBtS2ro %}

~~潮到我都以為這是柯博文小時候的樣子了~~

除了用爪夾住之外，有另外一種是用套筒(collet)。但是我不知道套筒是三小，所以我就去查套筒是三小：

{%youtube dCvO_dWv6fc %}

乾原來就是這個啊！不過我印象中是銑床的時候有用到它，車床好像就是無腦的夾上去然後就不管他死活了。

簡單來說就是你有一個像這樣的東西：


這個東西就像鑷子一樣：


由周圍往內施力的話，那四片東西就會夾緊插在中間的東西，像這樣：

{%youtube A3MhVwK6Goc %}

那至於要怎麼施加「由周圍往內」的力呢，很簡單。注意它前面有個往外擴張的錐度，然後你就這樣：


你只要把它往後塞在一個比較小的洞裡，它就會卡在洞口，然後就會夾緊了。

如果還是想不通的話，就想一下你把鑷子尾巴塞在自己的鼻孔裡會發生什麼事就好了(不過可能不會那麼緊實)。

但是塞進去還不夠，還要有東西把他壓好，所以這裡就有幾種不同的壓法。比如說你可以在 collet 上面做螺紋，然後往裡鎖：


這個也就是剛剛那個動畫用的作法。這種有點像是把他往裡面拉住，叫做「pull-in type collet」。另外一個方法是外面用一層東西鎖住。就像這樣：


乾這圖不是跟剛剛一樣嗎？沒錯就是跟剛剛一樣。不過意思一下我還是附一下投影片的圖好了：


那層東西叫做 hood 。就是把鑷子壓進你鼻孔的罪魁禍首。這種叫做 push-out type collet, 應該是因為使用的時候，要先把 collet 往 hood 側推緊, 才可以鎖他，所以叫做 push-out type (上面那個我一直罵幹的影片有示範)。

用套筒的好處就是，剛剛那個幾爪的東西，夾持的點只有幾個點; 但是套筒整個圓周都可以夾，所以相較之下就比較穩固。不過套筒的形狀很固定，就只有那幾種。所以如果不是像正圓或方形這種形狀的話，就不太能用。

### 花盤

如果夾住太困難，阿不會直接鎖一個盤子在工件上歐？


然後你就可以把這個盤子鎖到車床上：


這裡有本來的影片：

{%youtube gT46GLD9ZfU %}

## 種類

一樣是介紹各種奇形怪狀的車床。

### Bench Lathe

看到 Bench 就把他想成縮小版的東西就是了。就是最陽春版的車床的縮小版。主要是可以放桌上用。

### Tracer Lathe

可以依照特定路徑移動的車床。原理有點像這樣：

{%youtube Xz56Q2Q5j5c %}

實際上當然不是用手動的，而是會在上面多架一個專門幫你做這件事的器具，叫做 lathe tracer attachment：

{%youtube EZyMuwG8USU %}

不過這是古早的作法，現在有 CNC 之後就通通交給 CNC 來做了。

### Automatic Lathe

就是讓那台陽春版的車床可以自動化：

{%youtube II51i1JynL8 %}

可以發現只是同一台機器，把人手操縱變成機器在操縱而已。

### Automatic Bar Machine

就是專門拿來對圓棒作加工的一種自動化車床，可以做螺紋或是各種跟圓周有關的切削：

{%youtube XG1E9WVz4xc %}

### Turret Lathe

就是把後那個本來是固定用的 headstock 換成鑽孔機：


所以除了車床的功能之外，現在也可以鑽孔，或是做圓周之類的加工了。

然後因為後面那個放鑽頭的通常都是放六隻，所以就叫做「六角刀座」。這種車床又叫做「六角車床」。

{%youtube sGNWnoT6d0c %}

### CNC

你只要知道他很厲害，可以當車床 + 銑床 + 鑽孔，還可以自己換角度，然後可以自動換刀就好。

凡正現在只要說他是電腦控制就好，剩下什麼都不用理她。

至於他可以切出多荒謬的東西這還用我說嗎？

{%youtube 8CSwOebmb0A %}

投影片有說可以切出偏心的東西，這是本來的車床做不到的：

{%youtube FpP7iTKuWpw %}

不過你他媽都切出一隻老鷹了，難道你要跟我說一個凸輪你切不出來？黑人問號.jpg

## 操作

### Screw Threading

就是切出螺紋。切法就是一邊轉一邊把刀移動：


然後如果你擔心一次切不完的話，可以先切一點，再一次一次加深：


這裡有一個示範的影片：

{%youtube usgYuEwe2AU %}

當然你也可以用像螺絲模下去切：


上面這個圖示是說不一樣的螺絲模。螺絲模有直有~~彎~~圓，跟人一樣。

影片像這樣：

{%youtube dlvKD1l2W3U %}

### Boring

把一個孔變大。

至這個相對單純，只要把車刀伸進洞裡面就好了：

{%youtube 7wJJzO6GX_M %}

這種叫做 horizontal boring。如果你的工件很大的話，那你可以用 vertical boring


# Drilling

鑽孔(drilling)。最主要的目的就是...鑽一個洞(hole making)。

~~...你投影片還真會講幹話一定是考試前的幽默。~~

## 刀具


主要長得是這樣。特徵是這是個偏細長的刀具(廢話)。

比較重要的有：

### 刀柄


有兩種，一種是斜的，一種是值的，差異在：

1. 13 mm 以下用直柄。
2. 13 mm 以上用有錐度的柄。

### 鑽槽


鑽槽主要有這幾種變形：

1. 直的 vs. 螺旋：通常加工銅、鋁這種比較軟的金屬會用直的，叫做 straight flute drill。
2. 單槽 vs. 多槽：不過最常見的是兩個槽。兩個槽的螺旋鑽頭又叫做「麻花鑽頭」(就是後面那個 twisted drill)。一個槽的後面就會看到了。
3. 螺旋角：就是上面那個 helix angle。角越大的話，刀越利，排屑越好，但是刀刃越脆弱。

然後還有一個重要的點是鑽槽之間刀刃的厚度。通常會設計成越往鑽柄越厚。因為鑽越深阻力越大，所以會把他加厚來讓刀具不要斷掉。

其實還有超超超超多因素，不過投影片沒有寫所以我就懶得打了。

### 種類

大概有這些：


為了不讓電腦螢幕轉 90 度，所以我把它倒過來：


1. Step Drilling : 叫「梯級鑽頭」，特徵是前面凸出一個直徑比較小的鑽頭，鑽孔的時候會先鑽出半徑比較小的洞，再讓大鑽頭挖。因為前面有一個比較小的洞當作引導功能，所以穩定性可以比較好。
2. Counter Sinking/ Counter Boring : 這兩個是很類似的東西，像這樣：


跟這樣：


countersinking 中文應該叫倒角吧？反正就是不想螺絲的頭凸出工件表面，所以就挖一個洞放他。

然後為什麼上面那個會裂開？上面的圖的註解有說有的材料這樣壓下去，往外撐開的應力會讓材料裂開。

2. Reaming : 絞刀。因為如果要用來挖尺寸很精確，表面粗糙度很好的孔就會用他。通常他的功能是讓一個孔的尺寸更精確，而不是拿他直接去鑽。
絞刀也有分幾種。最基本款的是實心的，工廠實習用的那種。也有這種中空的：


通常是尺寸比較大才會中空。就叫 shell reamer

然後也有很高級，半徑可以調的：


叫 adjustable reamer.

3. Center Drilling : 通常是鑽大洞之前，先鑽比較小的洞用的東西。
4. Gun Drilling : 通常是直翻叫做「槍管鑽頭」或是「深孔鑽頭」，因為一開始是為了鑽像槍管那種很深的洞做出來的。主要特點是為了排屑與排出切削劑，所以設計成直的，而且只有一個刃。然後中間有可以灌切削劑的管道。

切削液會把切屑一起沖出來。這裡有一個示範：

{%youtube N3vM81HR8dU %}

然後注意因為通常 Gun Drilling 都是鑽一根很長的東西，所以支撐要做好。

有的刀具是前端可以置換的，這種叫做 indexable 三小什麼的：

{%youtube 7PePyXJtaJY %}

#### Spade Drilling

中文叫「鏟刀」。不過如果你去查 spade drill 的話，你大概會查到兩種東西。一種長這樣：


但是另外一種長這樣：


這兩種都是拿來挖超大的洞。不過前面那種是拿來挖金屬的; 後面是拿來挖木頭的。

{%youtube NqG4kq7jnIM %}

#### Trepanning

這個通常是拿來挖直徑幾十幾百公分的洞。挖完之後大概會長這樣：


他的原理是這樣：


有點像圓規的感覺。

這裡有影片：

{%youtube ZoowWkoVxlY %}

#### Reaming

ㄎㄎㄎ 自己往前翻～前面有寫絞孔。

#### Tapping

就是攻螺紋的意思。

工廠實習的時候有學螺絲攻有第一攻、第二攻、抵三攻。不過很不幸的英文裡面這三攻都有自己的名字：


然後第三攻可以用來清盲孔底部。

再來回顧一下之前學過超多用來做螺紋的東西：
1. Thread Rolling
2. Lathe
3. Tapping
4. CNC
5. Automatic Screw Maching

...

...不就做個螺絲嗎？幹嘛把人生搞得那麼困難呢？

## 鑽床種類

最陽春的就是工廠實習的那種，只能無腦的往下壓。那種叫做

### Verticle Drill Press


就是最陽春版本的鑽床。

### Radial Drill Press

有垂直的當然就有~~水平~~ Radial Drill Press


就是可以沿徑向移動的鑽床。再進化一點的連頭都可以轉：

### Universal Drill Press


這種叫做 universal drill press。

### 自動化潮潮鑽床

也有一次可以插很多把刀接著再跟電腦合體的：


這個好像沒有什麼特別的名稱。不過可以自動化 + 自動換刀，感覺有點潮。

### Gang Drill

最後是一次一排的：


叫做 gang drilling。聽起來很合理。跟我對 gang 這個關鍵字總是有很多人參與的印象差不多。