車床

車床，是工具機的一種，將工件固定在主軸上高速旋轉，以進給運動中的刀具加工。

車床是由電力驅動馬達，經皮帶及齒輪等傳動系統使主軸轉動，帶動主軸夾頭上之工件旋轉，再利用固定於刀架上之車刀進行車削之工具機，主要加工工件為圓型桿件，切削工作有車端面、內外直徑、圓弧、錐度、鑽孔、搪孔、偏心、壓花、切斷、切槽、車螺牙。一般車床配備各種專用刀具，可完成內外圓加工、鑽孔、車螺紋、切斷車槽、端面加工、車外圓、鑽中心孔、車孔，鉸孔、車圓錐、車成形面、滾花、盤繞彈簧等加工程序。

## 歷史

車床是一種古老的工具，其雛型可追溯至古埃及。1797年，英國人亨利·莫茲利發明了近代所認知的車床。

## 構造

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以下以臥式普通車床為例介紹。

### 頭座

頭座（Head stock）：包含有傳導機構與莫氏錐度之中空主軸組成。主軸後段裝置齒輪，與傳導機構之塔輪或齒輪連接，帶動主軸運轉。主軸前段可裝置夾頭、面盤等夾具夾持工件。

### 主軸變速箱

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- H1：機油量觀察窗
- H2：中級齒輪桿
- H3：主軸高低速變換桿
- H4：主軸（Main Spindle）
- H5：不倒翁齒輪-前進/後退，嚙合/脫開
- H6：變速箱，圖中為八段變速
- H7：導螺桿（或稱絲槓）（Ball Screw）
- H8：進給桿（或稱光槓）（Feed Rod）
- H9：刀架移動開關
- H10：掛輪護蓋

主電動機經過包含 H2、H3 在內的傳動鏈帶動主軸 H4 旋轉，主軸再經由 H5、H6 控制下帶動 H7 或 H8，實現主軸旋轉與刀架進給的聯動。

H7 稱為絲槓、H8 稱為光槓，皆因其螺紋（螺絲）與光滑表面而得名。

H9 是一個四向五位（即可在十字形的軌跡上扳動）的手柄，上下扳動可以更改光槓旋轉方向，中間位置切斷來自主軸的傳動鏈、停止光槓轉動並防止運動干涉，再左右扳動則接通快速進給電動機實施快速走刀。也有車床的該手柄只能上下扳動（兩向三位）、快速走刀是裝在溜板箱上的單獨手柄。

如果變速箱內置的檔位無法滿足加工要求，可打開 H10 蓋子、將特定齒數的齒輪掛裝在軸上，扳動手柄選擇掛輪即可按照掛輪所設定的傳動比走刀。

### 床台

床台（Lathes bed）：有兩條精度很高的V形導軌和矩形導軌，其導軌一般都經過高頻硬化處理製成。導軌分兩部份，以引導刀座（Carriage）與尾座（Tail stock）移動。床台下方裝置一導螺桿，其螺桿會配合主軸之轉速，可配合刀座部份的自動進刀機構進行車螺紋、工件滾紋（或稱壓花）之工作。

床台的斷面形狀，依製造工廠有不同設計樣式，大致分為英式和美式兩種。

英式床台和美式床台比較

英式床台｜美式床台

- 因為床身的面寬，磨耗比較少。｜1. 走刀架是用寬的滑動面支持能比較做的薄。

- 因為接觸面少，移動刀架不費力。｜2. 有凸起的軌道能正確引導走刀架。

- 走刀架薄，走刀架上的滑動力變大。｜3. 切屑能少掉到床面上。

- 因為床身面寬，加在單位面積的壓力小，壓出的油也少。｜4. 能少在床面上放置工具及車刀。

- 由於面平注油不易流掉。｜5. 尾軸架能正確地向主軸線引導。

### 溜板箱與刀座

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溜板箱架在床身上，側面垂下部分裝有傳動機構以從絲槓與光槓接受運動，帶動上方承裝的刀架進刀切削。

刀座（或稱刀架，Carriage）：包含複式刀座與自動進刀機構等。複式刀座可操作橫向進刀與縱向進刀。一般而言，車床縱向進刀由溜板箱上的大手輪（進刀手輪）操作、橫向進刀由刀座上的手輪操作。自動進刀機構進行車螺紋、工件滾紋的原理係利用車床上工件作一等速運轉，配合刀座之刀具以等速直線移動的方式進行車削。

- 1: 方形刀架
- 2: 複式刀架上座
- 2a: 複式刀架進刀手輪
- 2b: 分度盤
- 3: 橫向滑板
- 3a: 對側支架
- 3b: 橫向進刀手輪
- 4: 床鞍（Saddle）
- 5: 裙床（或稱溜板箱）（Apron）
- 5a: 縱向進刀手輪（Handwheel）
- 5b: 螺紋 / 光滑面切削控制桿
- 5c: 縱橫進刀控制桿

1 上夾持有車刀。有些車床的該部件可同時夾持四把車刀，用每次旋轉90°的手柄選擇一把車刀進行加工，省去頻繁換刀的麻煩。

2 可以在2b上旋轉，使橫向進刀變為斜向進刀，用於加工斜面。

當5b扳到螺紋檔位時，溜板箱內兩個半螺母扣在絲槓上，同時光槓上滑移齒輪到床身齒條的傳動鏈斷開，刀架由絲槓帶動進行螺紋的車削；反之由光槓配合床身齒條帶動進行外圓切削。

5c控制2或3是否與光槓聯動，即是否自動進刀。

### 尾座

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尾座（Tail stock）：位於床台的右側位置。尾座的軸孔為莫氏錐度，可裝置鑽頭、絞孔刀與螺絲攻進行內孔加工之工作。亦可配合工件長度的需要，在導軌（Ways）上移動尾座；此時尾座可裝置頂心頂住夾頭所夾持之工件，避免夾頭所夾持之工件過長而不易夾持。

- T1：尾座手輪（Handwheel）
- T2：減速齒輪箱（可選）
- T3：身體
- T4：可調底座
- T5：頂心（Taper）
- T6：鎖定桿

### 床座

床座包含床台（床軌）及基座（床架），下部為基座；上部為床台。

## 附件

由於工作上的需要，設有許多的附件。

### 夾頭（Lathe chuck）

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夾頭是工具機上用來夾持工件的機械裝置。

### 花盤（Face plate）

花盤又稱面盤，是一台車床的基本夾具附件，用於木材或金屬車削車床。它是一個圓形金屬（通常是鑄鐵）板。面盤上有很多放射狀或不規則平行的細長溝，用於裝置較大或不規則形狀工作物之搪孔工作、鑽孔工作、用其他方法無法夾持加工之工作物。

### 頂心（頂尖、頂針）、牽轉具（夾頭、卡箍）

（Lathe Center）頂心用來支撐工作物的，裝在主軸端稱活頂心又稱前頂尖，裝在尾座稱為死頂心又稱後頂尖。

牽轉具，中空部位可用以夾持工作物。

- 心形牽轉具又稱為雞心夾頭，通常用來夾持圓形的工作物。
- 夾子形牽轉具：夾子形牽轉具通常用來夾持方形之工作物。

### 驅動盤（Driven Disc）

驅動盤，安裝於車床主軸上，當其迴轉時，使夾持於兩頂心間之工作物旋轉，以便進行車削加工。

### 筒夾（Collet chuck）

筒夾是一種零件，它主要負責把小直徑的工作物夾緊於主軸端。主要用於六角車床及自動車床。

### 中心架（Steady Rest）

避免工作物產生撓曲現象，用來支撐細長工作物，裝設在刀具座上並隨之移動的穩定扶架。

### 角板（Angle plate）

使用於工作物不能直接安裝於面盤上的一種輔助工具。

### V槽塊（V夾塊）

用來訂定工作物中心位置。

### 車刀（Turnig Tool）

用於加工，工作物外表。

## 車削加工

車削是一種加工工藝，主要通過刀具的直線或曲線運動，將裝夾在車床主軸端面上旋轉的工件切削加工成合格的零件。

車削圓錐時，如採用轉動小拖板法，不受錐度大小的限制，但不能加工較長的圓錐。

車削的特點有：加工平穩，易於保證工件表面位置精度；生產率高；生產成本低；所用刀具簡單；應用範圍廣。

### 硬車技術（Hard turning）

- 硬車削用於加工高硬度工件。
- 硬車削加工質量好，可以部分替代磨削。
- 刀具使用立方氮化硼（CBN）、陶瓷等材料。
- 大多數情況下，硬車削不使用冷卻液。

### 切削液

切削液是金屬切削加工效率及車刀壽命的重要配套材料。

### 輥紋

輥紋，（又稱滾花、滾紋、壓花），為機件表面增加摩擦力或便於持握而特別製成凹凸紋路，這些花紋一般是在車床上用滾花刀滾壓擠件使其表面產生花紋。

輥紋對車床來說是損耗極大的工作，應以低轉速來操作。輥紋部位離夾頭 50 釐米以上時，應以尾座台頂工作物中心，將工作物支撐牢固。

## 轉動切削參數

切削參數要考慮基本的轉折過程是：

- 選擇最合適的類型的工具
- 夾緊系統
- 切削速度（V c）在米/分鐘
- 外徑車削
- 每分鐘轉數（RPM）車床主軸
- 切削深度
- 剪切
- 類型的車床及配件適合

### 切削速度

切削速度快慢，取決於很多因素，特別是質量和類型的工具使用，切削深度，硬度和可加工的材料有被加工進給速度和使用。主要限制了機器的速度原因是它的範圍、主軸馬達功率和剛性固定的工件和刀具。

公式：

$$V_c \left ( \mathrm {m \over min} \right)\ =\ \frac{n\ \mathrm{(min^{-1})}\ \times\ \pi \times\ \mathrm{D_c (mm)}}{1000 \left ( {mm \over m} \right) }$$

其中 Vc 是切削速度，n 是工具機的每分鐘轉數，Dc 是工件的直徑。

過度的切削速度可導致：

- 工具快速磨損。
- 工作物的品質降低。

切削速度過低會導致：

- 影響排屑，刃尖容易產生積屑。
- 低效率。
- 加工成本變高。

### 旋轉速度的工件

在傳統的車床有一個有限的範圍內的速度，取決於速度的主要引擎和變速齒輪箱。在數位車床，這個速度與控制系統的反饋，通常採用可變頻率和速度，可以選擇任何一個範圍內的速度高達全速。

刀具的旋轉速度與切削速度成正比，與刀具的直徑成反比。

$$n\ (min^{-1})= {V_c \left ({m \over min} \right )*1000 \left ({mm \over m} \right ) \over \pi * D_c (mm)}$$

## 種類

由於工業的發達使得實際工作需求日益增進下，為適應各種加工產品及近代自動化加工潮流勢，以符合生產需要，發展多種不同功能與特性：

### 普通車床（Centre lathe）

普通車床，為目前使用最廣泛的車床種類。早期的普通車床傳動是藉由皮帶傳導的塔輪變速，現今已改用齒輪變速箱傳動。齒輪變速箱的優點為可精確掌握主軸之轉速，且無主軸轉速過高，皮帶摩擦消耗、滑動之情形，因為其主軸是水平放置，所以又名臥式車床。若床面為凹口者，則為凹口車床（Gap lathe）。

### 桌上車床（Bench lathe）

桌上型車床又稱台式車床，其型式及構造類似普通車床，通常安裝於工作桌上使用而得名，適用於生產精密量具、儀器及小零件之生產。

### 立式車床（Vertical Lathe）

立式車床的主軸為垂直安裝，床台則成水平方向，工件置於可旋轉的床台上。特別適於加工直徑大，但長度短之工件。

### 六角車床（Turret lathe）

六角車床又稱轉塔車床，以六角形旋轉刀塔取代普通車床之尾座而設計。特別適於加工需多種加工程序(如鑚孔、鉸孔、搪孔)中大量之工件，適合大量生產。

### 自動車床（Automatic Lathe）

自動車床，能夠自動照工作物加工次序車削，車製完成後會自動退刀、進料，並進行下一個成品的車削，適合較小直徑工件之大量生產。

### 靠模車床（Copying Lathe）

靠模車床又稱仿削車床，利用觸針依照模型或樣板的形狀移動，車刀也隨之移動車削工作物，因此可以正確地車削出與模型一樣的工件。

### 數控工具機（Computerized Numerical Control Lathe）

全名為「電腦數值控制車床」，簡稱「數控工具機」。優點為適於加工生產中大數量、設計複雜、要求精密度高的工件。

## 安全標準

當在車床工作時，必須遵守某些規定，以確保不會發生任何事故造成可能的傷害。

1｜使用安全設備：護目鏡、安全面罩等。

2｜不要穿著寬鬆的衣服，長髮需要戴好工作帽，頭髮塞入帽中。

3｜不可佩帶麻布手套工作，因不慎被旋轉中的機械鉤到時可能不會立即破裂，易有連帶將手掌捲入的風險。

4｜所穿工作服必須是全棉的，不能是化學纖維，如果發生工作意外，化纖服裝不會像棉製品一樣易於撲救，而會化為液滴粘在身上。增加醫療難度。

5｜建議使用安全鞋。

6｜始終保持工作場所清潔。

7｜不要佩戴首飾，如：項鍊、手鐲、戒指。

8｜要知道如何控制和操作的車床並必須知道如何停止運作。

9｜必需在光線充足的地方，但燈光不宜過多，以免造成太大的眩光。

10｜加工過程中不能用手或棉紗擦拭零件；不能用手拉切屑，要用專用的鉤子刷子清除切屑；不能用手去剎住轉動的卡盤，行走時注意不要被長切屑絆腳。

## 參考資料

### 書目

- 《機械加工法》，Amstead, Ostwald, Begeman著，羅仕鵬，黃純權，陳再萬編譯，高立圖書，1995年4月，ISBN 957-584-159-X，第十五章 工具機的基本元件