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五軸銑削數控加工之基礎及實作

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廣義地說機械工業是典型的技術密集工業,也是國家的樞紐工業。其包括:1. 一般機械,例如紡織機械、化工機械、工具機等;2. 電氣機械,用於電力生產及輸配電用之設備,以及資訊與通訊產品等;3. 運輸工具,包括汽車、機車、自行車、火車、船舶、飛機等及其附件;4.精密機械,包括照相機、望遠鏡、醫療設備、鐘錶、光學儀器、檢驗測試設備等;5. 金屬製品,包括照相機、望遠鏡、醫療設備、鐘錶、光學儀器、檢驗測試設備等。故機械工業有「工業之母」的美譽。Basically speaking, machinery industry is very technology-intensive and also the fundamental industry of many countries. Therefore, it is usually called the “Mother of Industry”.

一、 機械加工製造業的重要性(The Importance of Mechanical Manufacturing Industry)

國內通稱之機械工業則僅指一般機械製造業,為狹義的機械工業。係各產業直接於生產之機械設備。範圍包括:工具機、產業機械、通用機械、動力機械及機械零組件等。

由於許多機械設備與下游應用產業相關技術存在著密不可分的關係,因此,下游應用產業對於生產技術之要求,常常成為帶動上游機械工業業著產品改良之主要動力,且機械工業產品品質亦對下游應用產業對外競爭力影響甚巨。機械工業的發展也常被用來衡量一個國家工業進步的程度,為了國家的經濟發展,世界各國無不殫精竭去發展其機械工業。

綜觀機械工業產業特性如下:
1. 為國家工業化程度之指標;
2. 機械工業具有較高的加工層次;
3. 為融合專業科技的工業;
4. 為高度依賴專業人才的產業;
5. 產品週期逐漸縮減;
6. 為技術密集的產業。

全球機械工業主要生產國家以日本、德國、美國為主,而上述國家乃世界上著名之工業大國,因此,台灣也已邁入已開發國家之林,如何提昇國內工業化程度,機械工業之發展占有舉足輕重的影響。機械業發展所需的專業人力較多,亦須有足夠的資金以資配合,是一種技術及資本密集之工業。

台灣在經濟發展的過程中,機械業的發展扮演了相當重要的角色,其主要原因如下述。1. 台灣的機械工業自1982 年起,與電子資訊工業同列為策略性工業,就融資、租稅及技術等方面,給予優惠及協助以鼓勵廠商,希望透過政府的輔導加速機械工業開發,以帶動整個工業的發展,進而達成整體產業全面升級之目標。歷經了三、四十年的歷史,發展迄今無論在國內市場或國際市場上已占有舉足較重之地位,且對產業界之發展、整體製造水準之提升,重要性亦逐年加重。

2. 機械業素有「工業之母」之稱,其與下游產業間的互動關係密切,而機械產品品質對產業競爭力影響甚鉅,因此,又成為衡量一國進步與否的指標;如何透過機械品質改良,重劃產業發展藍圖,再藉由產業技術的提升,推動機械的研發,將是產業機械生涯規劃中的重要課題。[1]

二、加工機(工具機)行業的重要性(The Importance of Machine Tool Industry)

加工機(工具機)是用來對工件的外形尺寸或性能進行改變的過程。其主要功能實為製造機器的機器,也因此常被被稱為「工作母機」。按被加工的工件處於的溫度狀態,分為冷加工和熱加工。一般在常溫下加工,並且不引起工件的化學或物相變化,稱冷加工。一般在高於常溫狀態的加工,會引起工件的化學或物相變化,稱熱加工。冷加工按加工方式的差別可分為切削加工和壓力加工。熱加工常見有熱處理、鍛造、鑄造和焊接。

台灣工具機廠商亦是少數以自有品牌行銷國際的重要產業之一。台灣工具機產業在技術整合、產品管理、行銷策略和服務方面具有相當優勢,近年來在政府積極輔導與產業界在提升精密機械之創新研究技術下,工具機產業在高階技術實力不斷精進,且各廠商在國際市場及行銷均有相當豐富的經驗,因此台灣工具機產業具有優良的發展前景。在創新研發的部份,工具機廠商在台灣精品獎、中小企業小巨人獎、工具機研發創新獎⋯⋯ 等獎項屢次獲獎,可見台灣工具機廠商持續在產品創新與技術研發仍不斷的進步;工具機廠商藉由積極研究創新,提升產品之品質、設計及形象,並因此提高我國產品附加價值。其中又以上銀科技、高鋒工業、台中精機等在諸多產品創新的獎項屢榮獲殊榮,可見台灣工具機廠商在研發、設計、品質、行銷等均積極投入並有卓越的成果。在海外布局方面,除了在全球五大洲皆有經銷商外,上銀、台中精機、東台、亞崴、程泰、金豐、亞德客、福裕、協易、龍澤、油機、協鴻、友嘉等分別在中國大陸、德國、美國、日本、瑞士、捷克、法國、以色列亦有海外子公司;因此台灣工具機產業不只深耕國內,並拓展事業版圖至全球各地。

雖然台灣工具機產業榮景可期,但是所面臨的全球競爭也是十分嚴厲的。工具機產品設計層次可依序往上分為:標準化/無差異化;模組化/差異化;直到融入美學與體驗經濟的個性化/體驗化。而台灣工具機約落在設計模組化,與差異化之間;日本為設計差異化,與個性化間;德國則居於最高位置的設計個性化與體驗化間,造就3 國生產的工具機存在著極大的價格落差。在競爭激烈的大陸市場中,日系機種售價可比台灣貴1 倍,德國機更是台灣機的10 倍之多[2]。

三、多軸加工的重要性(The Importance of Multi-Axis Milling)

導入的思維在於一機多用途的3 軸高速加工、3+2 軸定位加工、5 軸定位鑽孔和5 軸連續加工等應用優勢,相對於軟硬體技術的提升與成本的降低也是產業界導入的主因考量。

五軸加工機在加工上比較於三軸加工機多了那些優勢?What are the advantages of 5-Axis over 3-Axis machining?

• 加工深穴模具,Deep pocket machining:允許夾持短刀具加工陡峭側壁或凸島,降低斷刀的風險與減少放電加工。
• 縮短刀具長度,Shorten necessary tool length:提高刀具剛性、延長刀具壽命,也提高加工表面精度及品質。
• 允許加工倒勾區域,Make it possible to machine overhanging geometries:減少成形刀的使用,減少後製作流程(EDM 及拋光)。
• 一次工件夾持定位,Reduce the time and cost for changing fixtures:利用刀軸的旋轉,完成各部位最適宜的加工方式以減少夾治具的架設及設定。顯著的時間效益在於減少工件重覆裝夾時間,提高了加工精度。
五軸加工應用基本上有分為3 個種類,Three major categories for 5-Axis machining:
• 多面固定軸向加工(5 面 & 3+2 軸),Multi-Face fixed axis (5-Faces or 3+2) milling:切削時旋轉軸固定, 73% 五軸加工應用採用固定式3+2 軸加工,廣泛應用於幾何特徵零件加工、車燈模加工及保險桿加工。
• 多軸向鑽孔加工,Multi-axis drilling:對於多次翻面的加工孔系,可以一次裝夾就加工完成,如引擎。• 連續五軸同動加工,Milling with 5-Axis simultaneous motion:依加工物的需求,同時轉動兩個旋轉軸及移動三個直線軸進行加工的動作,適合加工葉片/深穴模具。
五軸加工機可應用在那些產業,Applications of 5-Axis machining:
• 汽車工業,Automobile:全尺寸車身模型製作,車身鈑金衝壓模具模面加工,車燈模側花加工,輪胎模具製作。
• 模具業,Injection Molding:塑膠模具用於細微清角取代放電, 3C 模具,鞋模多軸孔向加工。
• 工具機業,Machine tools:導螺杆,滾齒凸輪加工,捨棄式刀具刀把加工。
• 產品開發快速原型,Rapid prototypes, Mockups:產品設計打樣,3C,汽機車。
• 醫療器材業,Medical Device:齒模,骨釘骨板,人工關節。
• 能源工業,Energy:壓縮機葉片,發電機組渦輪扇葉,高效率風扇。
• 造船工業,Ship building:高效率船舶推進器漿葉,船身模具。
• 航太工業,Aerospace:機身結構框架,單片機翼表面,其它特殊零件加工。
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