# [機械製造] Milling and Broaching

最一開始是要做麻花鑽頭設計出來的製程。到現在可以用 CNC 做出一堆很神奇的形狀。比如說安全帽。

# 種類

大致上來說，加工的方式大概有這三種：


1. Peripheral Milling : 如果刀具的軸跟工件寬平行的話，就叫做 Peripheral Milling。
2. Face Milling : 刀具跟加工表面垂直(就是工廠實習做的那種)，加工上表面。叫做 Face Milling
3. End Milling : 用刀具側邊來銑，銑出一個「壁面」。

然後如果有印象的話，通常銑刀不會大到你可以一刀過去就把東西一次銑好，而是要來回多銑幾次才會完成。不過也有那種銑刀很大，一刀過去就搞定的那種機器。這種動作叫做 slab milling。像這樣：

{%youtube 2y_OJv-K0E8 %}

他就是一刀過去就搞定。

然後工廠實習在操縱銑床或車床的時候有學過：加工可以正轉或逆轉。如果是正轉就叫做「Up Milling」, 反之就叫做「down Milling」。這兩個加工方法有很大的差異。所以就來看看ㄅ～

<!--另外一種是組合式的，可以把刀片插到軸上。也可以在刀具邊緣設計成不同的形狀（比如說圓錐、圓弧等等），這樣就可以加工出曲面來。-->

# Up vs. Down Milling


這兩種加工方式是看「進給的方向」跟「刀具轉動方向」來比較：

1. 如果兩個方向相反，就叫做「Up Milling」, 或「Conventional Milling」。這是傳統車床，或人工操縱的車床使用的方法。

2. 如果兩個方向相同，就叫做「Down Milling」, 或「Climb Milling」。自動化的設備通常會用這種加工方法。

這裡有一個不錯的影片解說：

{%youtube galm5_6SUcM %}

看完後面的東西就不用看了。

然後你可能會想：如果是 Down Milling 的話，那工件不會直接沿著進給方向被刀具甩出去嗎？答案是會的，而且這就是銑床最一開始的加工方法是 Up Milling 的理由(因為 Down Milling 容易出事，看下面或看影片)。

可以看影片 12 : 10 左右的地方，他要在這根東西上銑出一個階梯：


然後他用 Down Milling：


結果東西就差點噴出去：


<br><br>

## Up Milling


傳統的作法。

這種方法的特點是這樣：

1. 工件表面通常會有氧化層，比較堅硬; 而氧化層下面的部分(也也就是真正的金屬材質)通常會比較軟。
2. Up Milling 因為是由下往上切，所以一開始切到得部分是最軟的部分(金屬內部)，而表面堅硬的氧化層會最後才切到。而且切削寬度會++由小漸大++，像這個示意圖：


所以切削的 Loading 會由小到大。

好處是加工的時候，受力是由小到大，先切下面軟的地方，氧化物之類的東西最後才切到，加工力道比較漸進，所以可以讓刀具壽命有機會長一點。

3. 但是缺點是工件受力會往上，所以工件挾持要很好(不然要他飛出去膩)。

4. 另外一個缺點是切削會往前噴，黏在已經加工過的表面上，像這樣：


(總之去看那個影片)

所以表面粗糙度有可能會不好。

## Down Milling


通常是自動化的機器比較常用的方法。

優缺點其實就跟 Up Milling 相反：

1. 刀具會直接撞擊表面氧化層，另外切削的厚度是 ++由大變小++，像這樣：


所以壽命會變比較短。
2. 不過好處是加工是由上往下，所以比較容易把工件固定住。但是壞處是工件有可能會噴出去(像一開始介紹的那樣)。
3. 另外一個好處是「切削會往後噴」，不會重復切到沒用的切削。表面粗糙度也會比 Up Milling 好很多。兩個差異大概看起來像這樣：


左邊的面是剛剛 Up Milling 切的;右邊那一面是用 Down Milling 切的。

# 種類

## Peripheral Milling

It's Trivial.

{%youtube 2y_OJv-K0E8 %}

(沒錯就是剛剛那個影片)

簡單說就是刀具轉動的軸在水平面上的銑法。

另外一件可以注意到的是刀具的形狀會影響到切削，像這樣：


注意上面那個 Lead Angle，指的是「刀具表面跟加工平面的角度」。如果這個角度越大，切出來的切削會越「斜」。

但有趣的地方是，如果 feed per tooth 一樣的話，那麼不同 Lead Angle 切出來的切削體積會一樣(因為平行四邊形的面積是底成高嘛～)，只是每條切削長短會不一樣。

## Face Milling

這個就是工廠實習做的那種。就是旋轉軸垂直加工表面的意思。一樣是加工表面，不過是直立的。

Up Milling 跟 Down Milling 的狀況在這裡也會發生。如果用上視圖來看的話大概像這樣：


(上面在講 Up Milling 跟 Down Milling 時的影片也有示範這個)。

1. 左邊：是 Down Milling
2. 右邊：是 Up Milling

另外工廠實習的時候也用過，刀具是鎖上去的。通常是粉末燒結出來，所以最後不用的時候會回收。

不同的刀具形狀會影響切割的行為，最明顯的是在表面留下的痕跡。之前工廠實習的時候也可以發現洗完的平面會有一條一條的痕跡。所以刀具的選擇會影響表面粗糙度。


## End Milling

端洗。我也不太知道要怎麼解釋。

可以做各種奇怪的曲面。

### High Speed End Milling

顧名思義就是速度很快，進給很快的銑削動作，常用在航太用的鋁材質工件。

一般來說，切削速度越快，需要切削的力就越大。不過德國有人研究發現對於鋁而言，切削速度大到一個程度之後會開始遞減，所以就發明了這個東西。

因為速度很快，所以機器精度跟剛性都要很好。

可以做金屬模凹下去的地方(叫做 Die Sinking)。

>> 不過我自己查 Die Sinking 好像是某種放電加工的程序的樣子。

### Straddle Milling

Straddle 是「馬鞍」的意思。就是兩個刀片中間加一個軸，然後兩邊一起切。


好處是一次切兩邊，可以增加工作效率。

### Forming Milling

一邊加工一邊做 Forming，像這樣：


加工過去不會是一個曲面，而是變成Form Milling Cutter 的形狀。

### Slotting

挖一個槽：


### Slitting

切一個縫。就是把刀具當成電鋸用的意思。


上面這些東西 Combo 起來，可以割出一個 T 行槽，像這樣：


這裡有實際做的影片：

{%youtube U0CoFtMaWZ4 %}

就是先 Slit 過一個槽，然後再用 Face Milling 出一個槽。

# 設計議題

## 誤差

跟車床一樣，精度最害怕就是震動。

當然還有前面說過刀具形狀之類的，還有很多因素，比如說機器剛性要夠好、刀具要鎖緊等等。

不過這個就跟減肥一樣，雖然知道了但我應該還是不知道怎麼用他。

# 機器種類

最陽春版的就是機械工廠的。

大概分類有 3 種。不過洗床構造其實都差不多。

## 概覽

「X軸」意思就是有個自由度。一般來說都是 3 軸，不過也有可以沿著軸旋轉的，雖然軸還是只有 3 根，不過這時候會繼續把數字往上加，用 4 軸、5 軸等等來稱呼。

## 柱膝式

### Column-and-Knee-Type Machine

叫做「立式」洗床。

這裡有幾個術語可以互相排列組合：

1. Column : 就是「上下移動的構造」
2. Knee : 直接看圖比較快，就是像這樣子的構造：


簡單來說就是工件不是放在一個固定的東西上，而是一個可以上下移動的一塊東西上。

另外用刀具的轉軸與加工表面的旋轉的方向來區分，可以分 Verticle 跟 Horizontal：

1. Verticle : 左邊那張圖，就是轉軸跟加工平面垂直。中文是叫「立式」銑床。
2. Horizontal : 右邊那張圖，刀具轉軸跟加工表面平行。中文是叫「臥式」銑床。

臥式銑床穩定性比較好，精度比較高。不過現在立式洗床也可以做到跟臥式洗床一樣穩了。

### Universal Milling Machine

中文叫「萬能銑床」。不過我覺得那個 universal 的意思比較拘近「萬向」。

Universal 的意思是說除了可以 X, Y, Z 軸平移之外，還可以沿某些軸旋轉。比如說床座可以轉、頭可以轉等等等。像這裡有一個床坐可以轉的：

{%youtube haqRqcaOSoY %}

然後這種東西通常會叫 swivel table。如果是頭可以轉就叫 swivel head。

然後這個中文滿被濫用的，所以可以查到一堆功能亂七八糟的銑床都叫萬能銑床。

### 複合式洗床

就是刀那裡可以調整，可以自由變成立式或臥式洗床。有點像這個影片這樣：

{%youtube 6RPsG_wV3eI %}

刀具的那個頭可以轉。

## Bed-Type Milling Machine

中文叫做「床座式」銑床。

跟剛剛的 Column-and-knee-type 不同，這裡放置工件的平台並沒有 knee 的構造，工件相對機器不能上下移動。像這樣：


底座是直接跟地面接觸的，沒辦法上下移動。

然後可以發現這東西非常大。沒錯，這就是是由刀具負責上下移動的原因。因為：

1. 工件很大的時候，如果還用 knee 上下移動，這樣會需要很多能量

2. 而且這樣也很難保持平順的運動。

3. 再來機器本身的剛性可能也沒辦法承受那麼大的力道，所以就乾脆就讓他直接放地上。

因為放置工件的平台不能上下移動，所以這種洗床是由刀具做上下移動。好處是穩定性比較好(因為根本是地面在撐著嘛)，而且是電腦在控。

這裡有一個影片：

{%youtube pVmES6y0S4c %}

另外課本裡面那張圖叫做龍門銑床。後面會講到。

<!--
## 特種洗床現在什麼東西都要黏一個電腦，然後就可以做到一些很潮的功能，比如說進化成 CNC 可以用電腦控制，或是變成可以自動換刀的機器。

-->

## Planing

意思是要加工一個很大很大的平面（比如說 25m X 15m 這種之類的）。

這種太神奇的尺寸常常會用「龍門銑床」這種東西來做(連名字都聽起來都很神奇)：


然後順帶一提龍門銑床的英文叫做 gantry milling machine 。我也很想知道為什麼這東西會會叫做「龍門銑床」。

這個圖看不太出來什麼所以然，不過其實他滿大的。實際上它可以到這麼大：



大致上就是工件從底下送過去，然後上面的刀具下去切它。聽起來跟一般的銑床沒有差很多，只是超級大。

既然是這樣，加工的方式就是「刀具不動，工件動」。大概的過程就是「削過去、往回到一開始的地方、右移、再過去 ...」。注意回程的時候不會有切削的動作。

除了一般銑床製程要考慮的議題之外，這種超大尺寸的工件要另外考慮一些事，比如：

1. 因為工件很大，所以移動需要花很多時間。因此如果像上面說的「回到一開始的地方」就會花上很多時間。
2. 因為工件很大，所以切削也很大，最好不要讓切屑亂噴，不然滿危險的。

## Shaping

這裡想做的事情跟 Planning 類似。不過是用「刨」的。影片看 10 秒就會知道是怎麼一回事了：

{%youtube U1K6Ls5_KSY %}

(因為影片只有 8 秒)

跟之前的東西很類似，只是這次加工方法是「工件不動，刀具動」。順帶一提上面那個東西叫做「牛頭刨床」(為什麼名字都有一股江湖味)。

至於為什麼叫 Shaping ，可以看看這個影片：

{%youtube JkftVHaMQSs %}

有水平式跟直立式的。

這種東西通常不會像龍門銑床那樣加工那麼大的東西，機器也比較小。

## 配件

虎鉗、尋邊器、分度器等等等。

>>我後面的東西不用考所以我要裝死裝死裝死～～～～ OuO

# Broaching

我覺得這組做的報告超清楚的 OuO

「拉削」

雖然是說用拉的，但其實可以用拉的也可以用推的。拉的洞比較直，推的話通常是用液壓做推進

## 構造

### 推刀

(照片)

Chip Gullet ： 那個凹槽

Pitch 跟 Gullet 要相互配合。

Chip Breaker : 先把要切削的表面弄的爛爛的，最後再一口氣把一堆爛爛的東西刮掉。因為不用一口氣把所有東西切掉，所以這樣可以讓切削的難度下降。

### 拉刀

越後面越細。

精度比較高，粗糙度好。而且形狀很多，所以加工範圍很廣。不過刀具的成本比較高，而且對精度很要求。不過因為拉刀用完之後平均每個刀只會模一點點，而且鈍掉再拿去磨就好，所以也算符合經濟效應。

## 分類

### External Broaching

外拉削。

開放性表面。

### Inernal Broaching

通常是用來加工內齒輪之類的。

### Turn Broaching

沿著圓周做的拉削。可以把它想成是刀子會動的車床。

## 方法

### Sawing

過去的時候切削，回來的時候不會有切削。可以是手動的，或是自動的，像奪魂鋸那樣。

可以是弓形的，也可以是圓的，或是帶狀的。反正去看奪魂鋸就對了。

Frictoion Saw : 主要是過程當中會加熱，讓金屬軟化後變得比較容易切削。通常是用在比較硬的金屬上，不會用在非鐵材料上。不過這個東西跟砂輪機一樣滿危險的。

### Filing

就是銼刀的意思。有很多不同亂七八糟的挫刀。

可以做成帶狀的，也可以有不同的精度或形狀。比如說做成錐形的：

## 注意事項

不可以挖盲孔。
潤滑跟排削很重要。

# 齒輪加工

## 普通的齒輪

齒輪加工：如果齒輪形狀設計不好，動力輸送就會有問題，所以很重要。

* 成形刀：
* pinion-shaped cutter : 把小齒輪做成刀，滾上去
* Rack Shaper : 把尺條做成刀，滾上去就會有形狀
* Hob