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工具機

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工具機英語:Machine Tool)是指動力製造機械裝置,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,工具機在工件和刀具之間製造出一個相對運動。這個運動又可分為主運動和進給運動。這兩個運動重疊在一起,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工具機。

工具機一般可用作其他工具的成型,切削和連接。

定義[編輯]

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。

工具機的基本組件[編輯]

圖中顯示車床的頭座。

工具機的基本組件包括以下組件:支承機構、驅動裝置、進給機構、導向機構、控制和操縱系統、潤滑系統、冷卻系統、安全裝置等。

  • 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[編輯]

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、加減速反應與溫度等問題改進,已取代直流馬達成為主流。 [1]

目前最先進的技術是直線電機直接驅動工具機的直線軸運動,不需要旋轉電機經絲槓或者齒輪齒條等傳動機構間接驅動。

分類[編輯]

根據用途分類[編輯]

隨著用途的不同,工具機又分為車床銑床磨床鑽床等等。

根據組成單元的構造分類[編輯]

因工具機組成單元的構造不同可分為檯式、落地式、龍門式、多機頭式等四種。[2]

根據自動化程度分類[編輯]

工具機根據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[編輯]

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]

圖中顯示一個金屬加工普通車床。

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。

傳統工具機
機器 切削運動 進給運動 加工表面
車床(臥式) 工件旋轉(周向) 刀架(軸向 / 橫向、徑向 / 縱向) 外圓面(車圓柱、車螺紋 / 套扣、滾花、拋光、成型車削)、內圓面(孔加工,包括鑽 / 鏜 / 鉸 / 擴孔、攻絲等)
鏜床(臥式) 刀具旋轉 工作檯平移、刀具伸縮 內圓面(鑽 / 鏜 / 鉸孔,多在大型、非旋轉體工件上使用,例如活塞發動機的汽缸)
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(臥式、立式) 刀具旋轉 工作檯 平面、齒輪、突輪、孔加工、靠模(常見配鑰匙的微型銑床)
龍門銑床 工作檯往復運動 + 銑刀旋轉 銑頭平移 平面
外圓磨床 砂輪旋轉 工作檯 磨平面
鑽床(台鑽、立鑽、搖臂鑽) 刀具旋轉 刀具伸縮、移動(僅搖臂鑽) 孔加工
鋸床 刀具 刀具、工件 (切斷)
拉床 刀具 (唯一沒有進給運動的工具機,一次成型) 內外表面

[2]

電腦數值控制(CNC)工作母機[編輯]

一台有銑床功能的日本自製CNC車床。

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[編輯]

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。

[1][3]

操作[編輯]

工件夾持法[編輯]

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。

[2]

工具機安全[編輯]

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[編輯]

請參考光機電一體化技術自動控制

相關條目[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 陳進郎。《數控工具機》。台北市:全華。四版一刷。2004年11月。
  2. ^ 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
  3. ^ 引用錯誤:沒有為名為CNC01的參考文獻提供內容