3 线性切割工艺: 刨削, 成型 & 提取

在讨论金属切削工艺时, 转动, 铣削, 磨削通常受到最多关注. 然而, 并非所有加工问题都可以通过旋转刀具得到最好的解决.

适用于平面, 直槽, 键盘, 花键, 和某些非圆形内部轮廓, 线性切割工艺 仍然非常有用.

本文涵盖的三个重要流程是 刨削, 成型, 和拉削.

所有这三种方法都通过切削刀具和工件之间的相对线性运动来去除材料, 但它们在机器配置上有根本区别, 切割方向, 工具, 生产率, 适用几何形状, 和经济学.

从制造业的角度, 正确的问题不仅仅是哪个过程“更好”。这是:

哪种线性切削工艺可提供所需的几何形状, 准确性, 表面饰面, 生产率, 以及特定零件和产量的成本?

1. 刨削: 大平面往复切割

刨削 是一种传统的线性金属切削工艺，其中工件相对于固定的单点切削刀具往复移动. 与转弯不同, 铣削, 或打磨, 刨削不依赖连续旋转切削.

反而, 材料在向前冲程期间被去除, 而返回行程通常是非切削运动.

这种简单的切削原理使得刨削特别适合大型工件, 重的, 以及具有长平面或直表面的细长工件.

虽然现代 CNC铣削 在许多通用应用中已取代刨削, 当工件的尺寸和重量使得旋转加工不太实用时，刨削仍然具有技术价值.

大型机床床身, 重碱, 结构铸件, 和长导向面是代表性的例子.

刨削工作原理

刨床的切削动作基于重复的行程循环. 在向前行程期间, 切削刃接触工件并去除受控的材料层.

然后工具或工作台完成其返回运动, 通常无需切割, 在应用下一个 Feed 之前.

基本循环是:

切削行程→返回行程→进给→切削行程

进给逐渐改变切削位置，使刀具覆盖所需的加工区域.

通过将纵向工作台运动与横向或垂直进给相结合, 刨床可以产生水平, 垂直的, 和倾斜表面.

这种往复运动是刨削和大多数现代高生产率加工工艺之间的根本区别.

在铣削中, 刀具连续旋转，多个齿反复啮合工件. 刨削中, 切割是间歇性的，通常用 单刃.

刨床的主要部件

传统刨床由大量结构和运动控制部件组成，旨在支撑重型工件并保持切削稳定性.

机器结构必须足够坚固，因为刨削通常应用于具有很大切削力的大型铸件和部件.

表中任何不稳定的情况, 工件夹持系统, 或者工具头可以直接表现为振动, 尺寸变化, 或表面效果不佳.

刨削的典型应用

刨削最强大的应用领域是生产 大的, 长的, 相对直的表面

大型机床床身就是一个典型的例子. 它们的导轨和安装表面可能会延伸很长的长度，并且需要沿着整个工作范围进行精确对准.

大型基地也有类似的要求, 框架, 结构铸件, 和重工业设备.

刨削也可生产:

• 长水平面
• 垂直表面
• 倾斜表面
• 直槽
• V型桥
• T型槽
• 燕尾型型材
• 长导向面

具有适当的工具和机器配置, 还可以生成更专业的配置文件.

然而, 当几何形状基本保持线性并且可以使用往复式工具时，该过程是最经济的.

刨削工具和切削策略

刨削通常使用 单点切削刀具

粗加工用, 通常优选具有坚固切削刃的刚性刀具，这样可以在不产生过度振动的情况下实现更大的切削深度.

精加工操作使用旨在产生更稳定的切削作用并提高表面质量的刀具.

应尽量减少刀具悬伸，因为较长的刀具突出会降低刚性并增加颤振.

当刨削大型铸件时，这一点变得尤为重要，因为工件本身可能会出现局部刚度变化.

实用的工具设置遵循三个基本原则:

正确的刀具位置 + 最小悬垂 + 安全夹紧

工件也必须得到牢固支撑. 小部件可以夹在虎钳或其他固定装置中, 而大型铸件和制造件通常用夹具固定, 螺栓, 支撑块, 或专用固定装置.

过程特性和典型精度

与连续铣削相比，刨削的主要缺点是材料去除效率低, 因为返回行程通常不会有助于切割.

换刀和往复加减速也限制了生产率.

它的优点是灵活性, 相对简单的工具, 以及无需复杂旋转刀具即可加工大型或重型部件的能力.

这些特性使得刨削在单件和小批量生产中特别有用, 修理工作, 以及大型扁平部件的加工.

通常可达到的精度在很大程度上取决于机器状况, 刀具几何形状, 工件刚性, 和过程参数.

作为一般参考, 传统刨削可实现大约 IT9-IT7尺寸精度, 表面粗糙度通常约为 Ra 12.5–1.6 微米.

在有利的条件下并使用适当的宽精加工工具, 精密刨削可达到约 IT6, 表面粗糙度可能达到约 Ra 0.8–0.2 微米.

这些值是指示性的，而不是通用的，不应取代特定于流程的能力验证.

规划的根本价值在于它能够提供稳定的, 使用相对简单的工具灵活加工大型平面几何形状.

尽管在许多生产环境中它已很大程度上被高生产率铣削所取代, 对于大型部件来说，它仍然是一个实用的工艺, 重型加工, 以及小批量制造，其中灵活性和设备简单性比最大循环速度更重要.

2. 成型: 内部和外部特征的垂直往复切削

经验丰富的机械师经常将开槽机描述为“立式刨床”, 这种比较在技术上是恰当的.

塑造中, 切割方向是垂直的而不是水平的, 该工艺主要针对内表面.

可以看作是刨削过程的垂直延伸, 共享相同的基本单点, 间歇切削动作，同时将其延伸到孔中, 集线器, 以及刨床或刨床无法轻易接近的其他封闭几何形状.

核心设备: 开槽机

开槽机 (开槽机) 由一张床组成, 上滑座和下滑座, 圆形工作台, 一只公羊, 和一列.

主要运动是滑枕的垂直直线往复运动, 它将开槽刀具向下穿过工件并在返回行程中将其缩回.

进给运动由上、下滑块的纵向和横向运动提供, 圆形工作台的旋转运动可实现角度分度.

这种组合使机器不仅可以执行直线内部切削，还可以执行分布在孔周围的索引特征.

典型的开槽机处理的行程范围大致为 80 MM TO 500 毫米, 公羊速度通常介于 15 和 60 每分钟冲程取决于冲程长度和材料.

因为切割仅发生在向下行程期间, 该过程本质上是间歇性的, 有效切削时间约为总循环的 40-50%.

加工范围和实际细节

开槽绝大多数是“内部”操作. 其优势包括:

• 轮毂中的键槽, 齿轮, 和滑轮
• 方孔和矩形孔
• 多边形孔 (六边形, 八角形, 和类似的配置文件)
• 花键孔和内花键
• 内部凹槽, 盲槽, 和不规则的内部轮廓

开槽工具分为两大类. 尖刃刀具用于粗铣槽和加工多边形孔, 它可以通过拐角和不同的轮廓.

平刃刀具用于精加工和切割直角凹槽, 产生更干净的侧壁和更平坦的底部.

切割花键时出现一个关键细节. 控制每个键槽的对称性是不够的; 圆周上所有键槽的角间距也必须保持在公差范围内.

这是通过将分度板或分度头与旋转工作台结合使用来实现的.

因为花键配合是由每个齿的累积位置决定的, 即使很小的分度误差也会在装配过程中造成干扰或在使用中产生不可接受的间隙.

实践, 分度精度通常保持在几弧分之内, 取决于花键类别和配合组件.

工艺特点和精度

开槽机在某些生产环境中具有明显的优势.

它的结构比较简单, 设置速度很快, 用于单件或小批量生产内键槽和非圆孔, 它通常是最具成本效益的选择.

与拉削相比，它需要的专用工具也更少, 这使得它对加工车间和维护部门具有吸引力.

这些限制同样明确. 回程时, 刀具与工件壁摩擦, 加速刀具磨损并缩短刀具寿命.

刀架或镗杆的刚性有限, 这限制了最大槽长度和可实现的深宽比.

因此, 深或窄的槽可能需要多次通过, 和偏转会影响尺寸一致性.

正常情况下, 开槽可实现尺寸精度范围 IT9 至 IT7, 表面粗糙度通常在 RA 6.3 微米和Ra 1.6 μm.

更精细的表面处理通常需要减少进给量, 锋利的工具, 有时还有单独的精加工过程. 下表总结了主要工艺参数.

超越异型孔, 开槽机还可以加工圆柱齿轮, 凸轮, 以及使用合适的夹具和分度装置时的其他特殊部件.

这种多功能性为其赢得了车间“万能替代品”的美誉——这种机器可能不是大批量生产的首选, 但能够可靠地处理奇怪的情况, 内部的, 当其他流程无法做到时，就会变得困难.

3. 提取: 使用多齿刀具进行高生产率线性切削

提取 是一种高生产率的线性切削工艺，其中一种专门设计的刀具称为 拉刀 相对工件作直线运动.

与刨削和整形不同, 通常使用单个切削刃并通过重复行程去除材料, 拉刀包含多个沿刀具逐渐排列的切削齿.

每颗牙齿都会去除一定量的材料, 允许粗加工, 半精加工, 和精加工在一次连续的行程中完成.

这种独特的刀具几何形状使得拉削对于重复的内部和外部轮廓特别有效, 尤其是在中等- 和大量生产.

典型示例包括内部键槽, 花键, 方孔, 多边形孔, 以及选定的齿轮相关型材.

核心设备及工装

拉床有两种主要配置: 垂直和水平.

现代机器几乎普遍采用液压驱动, 这提供了平滑, 稳定的, 在整个冲程中保持一致的切削运动.

行程长度随机器尺寸变化很大, 大致从 500 小型立式拉床上的毫米到大型卧式拉床上的几米.

该工艺的核心是拉削刀具, 或拉刀. 它的结构经过精心设计, 每个部分都有不同的功能:

• 小腿: 传递来自机器的拉力或推力.
• 前飞行员: 当拉刀进入预加工孔时对其进行居中和引导.
• 切割部分: 包含多个按上升顺序排列的牙齿, 每个齿去除一定量的材料.
• 精加工 (浆纱) 部分: 最终的牙齿去除最后的小增量以确定最终尺寸和表面光洁度.
• 后飞行员: 当拉刀离开工件时支撑并引导拉刀.

因为牙齿是逐渐长出来的, 拉刀进行粗加工, 半精加工, 并同时完成. 一次通过即可完成整个操作.

每齿齿高通常在以下范围内 0.02 到 0.15 毫米, 取决于材料和所需的表面光洁度.

加工范围和实际注意事项

拉削分为两类: 内拉削和外拉削 (表面) 拉削.

内拉削 用于生产各种异型孔:

• 圆孔
• 方孔
• 花键孔
• 齿轮孔和其他非圆形内部轮廓

外拉削 用于平坦表面, V型桥, 和其他外部配置文件.

在汽车和航空航天工业中，通常用于加工涡轮盘和连杆等部件.

几个实用点值得关注. 拉削内孔时, 工件一般不需要装夹.

它由端面支撑, 切削力本身将其固定到位. 然而, 预加工孔与支撑端面的垂直度必须符合规范.

如果垂直度较差, 可以在工件下方使用球形座垫圈，以便在通过过程中进行自对准.

用于外拉削, 切削力不对称, 因此必须牢固地夹紧工件. 还需要一个导向板来使拉刀保持在轨道上.

如果没有适当的指导, 该工具可能会漂移, 产生未对准或超出公差的表面并可能报废零件.

工艺特点和精度

拉削的主要优点是高生产率和一致的精度的结合.

因为整个操作是一笔完成的, 循环时间短且重复性极佳.

这使得拉削成为大批量生产要求严格的零件的理想选择, 统一的公差.

正常情况下, 拉削实现的经济精度 IT9 至 IT7, 表面粗糙度介于 RA 1.6 微米和Ra 0.4 μm.

在有利的条件下, 精度可以保持得更紧. 批次间的一致性是该过程的最强特征之一, 因为刀具几何形状本身决定了最终尺寸.

拉削的局限性同样明显:

• 专用工装: 一把拉刀专为一种特定尺寸和轮廓而设计. 无法调整以产生不同的尺寸.
• 几何限制: 阶梯孔, 盲孔, 并且无法在内部拉制非常大的孔.
• 薄壁变形: 薄壁工件在重切削力的作用下容易变形.
• 刀具成本高: 拉刀的设计成本昂贵, 生产, 并保持.
• 经济门槛: 拉削仅在中批量生产中才具有成本效益, 工具成本可以分摊到大量零件上.
  适用于单件或小批量工作, 这根本不经济.

下表总结了主要工艺参数.

因此，最好将拉削理解为将高额刀具投资转化为卓越生产率和可重复性的过程.

产量证明工具的合理性, 它是加工异形孔和外表面的最有效、最可靠的方法之一.

体积较小或几何形状不合适的地方, 替代工艺，例如开槽, 铣削, 或者EDM更合适.

4. 刨削与. 塑形 vs. 提取: 核心差异

5. 结论

刨削, 成型, 和拉削是三种不同的线性切削工艺, 每个都适合不同范围的制造要求.

刨削 非常适合大平面和直凹槽, 特别是在单件和小批量生产中，模具灵活性和相对较低的设备成本非常重要.

成型 对于内部键槽特别有效, 老虎机, 方孔, 和其他本地化的配置文件, 当传统铣削不太适用时提供实用的解决方案.

提取, 相比之下, 使用多齿专用工具一次完成多个轮廓, 使其对介质特别有效- 以及重复性和生产率至关重要的大批量生产.

从工艺工程的角度来看, 没有普遍有效的方法.

应根据零件几何形状进行适当的选择, 材料, 尺寸和表面要求, 生产量, 工具投资, 和总体制造成本.

 

常见问题解答

刨削和整形的主要区别是什么?

刨削利用水平往复运动来加工外部平面和凹槽表面.

整形采用垂直往复运动, 主要用于内孔, 键盘, 和异型孔. 它们具有相同的单点切割原理，但方向和应用重点不同.

为什么拉削只用于大批量生产?

拉削需要专用, 制造和修改成本昂贵的特定形状切削刀具.

高额模具成本只能通过大批量生产来摊销. 对于小批量, 每个零件的加工成本使得拉削不经济.

可标准拉床盲孔?

一般没有. 标准拉削需要一个通孔供刀具穿过.

针对有限深度应用存在特殊的盲拉削工具, 但它们有很大的局限性并且不是标准的工业实践.

哪种线性切割工艺可提供最佳的表面光洁度?

精密宽刀刨可实现最低的表面粗糙度 (下降到拉 0.2 μm), 与精密磨削相当.

拉削可在大批量生产中提供最一致的光洁度. 标准成型可产生中等表面质量.

这些线性切削工艺仍然与现代数控铣削相关吗?

是的. 对于燕尾槽等特定功能, 键盘, 和小体积平面, 线性切割工艺通常可以降低成本, 设置更简单, 质量可与 CNC 铣削相媲美.

它们仍然是加工车间的主要流程, 维修设施, 和大批量表格生产.