機床
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工具機（英語：Machine Tool）是指動力製造的機械裝置，通常用於精密切削金屬，以生產其他機器或加工的金屬零件。
為了加工工件，机床在工件和刀具之間產生相對運動。這個運動又可分為主運動和進給運動。這两個運動重疊在一起，才使得原材料加工成為可能。原本在工業革命發展早期還在用人工加工零件，工具機的發明使得機器能製造機器，工廠大爆發的時代也跟著降臨。但現在技術進步下，工具機的品類也包含有3D列印機，這種機器採用直接列印成形的方法了，但理論基礎於前述的切削工法相反而是用堆合的方式製造出零件。不過，本篇主要介紹採用切削工法的機床。
機床一般可用作其他工具的成型，切削和連接。
目录
定義[编辑]
在機械工程學之特別部門，有別於其他機械可說是製造機械的機械。
- 廣義-工具機為將固體材料，經由一動力源推動，以物理的、化學的或其他方法作成形加工的機械。
- 狹義-是指加工材料以金屬工件為主的工具機。加工方式則以切削或輪磨等機型方式將工件製成所需的形狀、尺寸及表面精度，按造其功用可分為切削型、成形型、及使用高級技術三類。
歷史[编辑]
工業革命時代[编辑]
工具機是生產蒸汽機的基石；因此，為了製造更強而有力的蒸汽機，帶動了新興工廠致力於各式各樣工具機的發展。1712年，湯瑪斯·紐科門發明了大氣活塞蒸氣機（又稱為紐科門蒸氣引擎）。1765年，詹姆斯·瓦特提出新型蒸汽機的構想，將冷凝器與氣缸分離開來，使得氣缸溫度可以持續維持在注入的蒸汽的溫度，可改良紐科門蒸氣機效率低的問題。然而對於新型蒸汽機中直徑一米、長度二米的大型汽缸，由於當時的工具機技術最好僅能做到二公分的公差，無法克服活塞與大型氣缸的組裝密合問題，新型蒸汽機發展遭遇了瓶頸。1775年，約翰威爾金森(John Wilkinson)發展出鏜床(boring machine)，將加工公差推進至數毫米，成功解決瓦特蒸汽機的關鍵技術困難。於是1776年，瓦特成功製造出第一批效率更高的新型蒸汽機，並應用於實際生產。
工具機的基本組件[编辑]
工具機的基本組件包括以下組件：支承机构、驱动装置、进给机构、导向机构、控制和操纵系统、润滑系统、冷却系统、安全装置等。
- 頭座：可提供驅動與進給刀具或是旋轉工件的動力。內含主軸、變速齒輪系統等。
- 機柱：提供垂直的支撐。某些機器的機柱也提供頭座上下移動的能力。
- 工作檯：支持固定加工中的工件。某些機器如鋸床，其工作檯也提供進給工件的能力。
- 鞍座、床檯（基座）、滑道等：支撐其他組件，有時提供進給自由度。
驅動裝置[编辑]
工具機的動力可由電動機提供。電動機可分為直流馬達與交流馬達。傳統上直流馬達有功率輸出大，加減速反應靈敏順暢、溫度低等優點。但直流馬達具有電刷等易損壞零件。整流時產生之火花可能導致火災，最高速率因此受限。易損壞零件也提高故障率。
交流馬達不需電刷。加上近年來功率、加減速反應 [1]
目前最先进的技术是直线电机直接驱动机床的直线轴转电机经丝杠或者齿轮齿条等传动机构间接驱动。
分类[编辑]
根据用途分类[编辑]
根据组成单元的构造分类[编辑]
因机床組成單元的構造不同可分為檯式、落地式、龍門式、多機頭式等四种。[2]
根据自动化程度分类[编辑]
机床根据電腦化程度可分為傳統金屬切削機（完全手工控制），數值控制NC（未加數控器，但有自動化控制）與電腦數值控制CNC（完全電腦控制）工具機。
傳統金屬切削機[编辑]
工具機用於精密切削金屬以生產其他機器的金屬零件。其架構必需有足夠的剛性，適當的形狀，易於操作，易於除去金屬碎屑，夠安全，夠穩定，夠準確與夠精確。[2]
在工具機上待加工的金屬稱為「工件」，用來切削工件的工具稱為刀具。工具機提供動力造成工件與刀具的相對運動，並且精確控制此相對運動，去除工件上不要的部分。某些機器如車床是轉動工件，進給刀具。也有機器如鏜床，轉動刀具，進給工作檯以移動工件。
| 機器 | 切削運動 | 進給運動 | 加工表面 |
|---|---|---|---|
| 車床（卧式） | 工件旋轉（周向） | 刀架（轴向 / 横向、径向 / 纵向） | 外圓面（车圆柱、车螺纹 / 套扣、滚花、抛光、成型车削）、内圆面（孔加工，包括鑽 / 镗 / 鉸 / 扩孔、攻丝等） |
| 镗床（卧式） | 刀具旋轉 | 工作檯平移、刀具伸缩 | 内圆面（钻 / 镗 / 鉸孔，多在大型、非旋转体工件上使用，例如活塞发动机的汽缸） |
| 龍門鉋床 | 工作檯往復運動 | 刀具 | 平面，大工件 |
| 牛頭鉋床 | 刀具往復運動 | 工作檯 | 平面，小工件 |
| 銑床（卧式、立式） | 刀具旋轉 | 工作檯 | 平面、齒輪、突輪、孔加工、靠模（常见配钥匙的微型铣床） |
| 龙门铣床 | 工作台往复运动 + 铣刀旋转 | 铣头平移 | 平面 |
| 外圆磨床 | 砂轮旋轉 | 工作檯 | 磨平面 |
| 鑽床（台钻、立钻、摇臂钻） | 刀具旋轉 | 刀具伸缩、移动（仅摇臂钻） | 孔加工 |
| 鋸床 | 刀具 | 刀具、工件 | （切斷） |
| 拉床 | 刀具 | （唯一没有进给运动的机床，一次成型） | 內外表面 |
電腦數值控制（CNC）工作母機[编辑]
工作母機不但可由人工直接操作，也可加入自動控制。
數值控制（Numerical control,NC）工具機以及更先進的電腦數值控制（computer numerical control,CNC）工具機已成為工業中及重要的部分。
CNC之優缺點[编辑]
與傳統工具機、大量生產專用機相比，CNC工具機較適合少量或中量高品質精密零件生產，也較能適應多樣不同產品的生產。
功能的優點：
- 高精確度。高品質。
- 資料易儲存修改。如果程式設計良好，可以通用於不同時間地點的工具機，生產相同的產品。不需重新設計。
- 可自動換刀、送料等，自動程度更高。
- 「適應控制」維持工具機於最佳生產條件。
- 較長的刀具壽命。
生產製造之優點：
- 增加工作時間提高機器使用率（下班無人看管仍可工作）
- 高效率、高品質、高良率。在成品外形複雜精細時尤其明顯。
- 減少夾具、治具。因此減少前置成本與準備時間。
- 加工多樣化。在少量多樣的生產模式下可減少單位成本。
人事管理上的優點：
- 減少勞力人事成本。一操作員可同時操作數台機器。
- 加工時間、單位成本易控制掌握，因此可有效掌握生產計劃，並且能減少呆料。
- 操作簡便。一旦程式設計完成，操作就減少對高技術操作人員依賴。
- 免除操作者誤差，提高良率。
缺點：
- CNC工具機初期購置成本高。
- 程式人員須有加工、操作等知識。
- 設備精密複雜，維護與保養成本高。
- 依賴程式設計師、機械維修專業人員。此類人員訓練較一般技術員困難。
操作[编辑]
工件夾持法[编辑]
待加工的工件可用許多方法夾持。
- 以兩領針支持工件：以機器頭座與尾座各一頂針夾住工件。適合用於夾持長形工件進行旋轉，能承受較大的切削力量。
- 心軸：以頭座伸出的心軸，穿過圓柱形工件軸心已有的洞。
- 面板：以夾具將工件固定在工具機的一面板上。適用於平板、不規則形的工件。
- 夾頭：以類似爪子的組件抓住工件。
工具機安全[编辑]
除了操作員安全訓練之外，工具機上也有數種設計維護安全，例如在工具機外裝置防護閘門防止異物伸入；裝置光電偵測器以在異物伸入時發動緊急停止；將控制裝置設定為雙手按鈕等等。 [2]
應用技術[编辑]
相關條目[编辑]
參考資料[编辑]
- ^ 1.0 1.1 陳進郎。《數控工具機》。北市：全華。四版一刷。2004年11月。
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 Amstead, Ostwald, Begeman著，羅仕鵬，黃純權，陳再萬編譯，《機械加工法》（Manufacturing Processes，八版四刷）。台北：高立圖書。1995年4月。ISBN 957584159X。第十五章工具機的基本元件
- ^ 巫維標。《數控工具機》。台北縣：新文京開發出版。2001年。
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