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技術通報 285期_淺談車、銑複合加工機 2022.05.05


淺談車、銑複合加工機

文／智慧機械設計部 劉廷芳
▋ 一、前言
早期CNC 車床：主軸僅做速度控制，有X、Z 進給軸。之後增加主軸位置控制及刀具轉動功能，進給軸：有X、Y、Z、C 四軸，此時車床具有輪廓切削、非中心鑽孔、攻牙、徑、軸向輕銑削等功能，可因應加工件複雜化、精密化、加工效率提升的需求。近期篷勃發展的車、銑複合加工機，可減少工件固定、拆卸時間，降低加工件精度校正次數，對提升生產效率及工件品質效益顯著。
車、銑複合加工機具有：工件主軸系統、刀具主軸系統（車、銑功能可自動切換）、刀庫系統、B 軸系統……等精密系統。該設備可應用於航太、汽機車、動力能源、半導體自動化、精密模具、醫療等產業，對於國家工業競爭力的提升有很大助益。
▋ 二、車床的演進
【2-1】 標準CNC 車床（如圖一所示）：
🅐 主軸具有速度控制功能。
🅑 有兩個進給軸（X、Z 軸）。可以加工圓形工件，具有徑、軸向加工、車削螺紋、斜度等功能，加工零件如圖二所示。

【2-2】 車、銑複合機：
🅐 主軸可作速度及位置控制（C 軸）。
🅑 刀具系統：刀塔轉動選刀，刀具數量最多24 支，車刀、搪孔刀、端銑刀……等。
🅒 進給軸數：X、Y、Z、C 軸。
🅓 銑削刀具轉速：4000rpm。
🅔 具有徑、軸向車銑加工功能。
🅕 加工零件_ 如圖三。

【2-3】 車、銑複合加工機：
🅐 主軸可作速度及位置控制（C 軸）。
🅑 刀具系統：具有刀庫單元可自動換刀，刀具數量最少24 支車刀、搪孔刀、面銑刀、圓柱形
銑刀、端銑刀……等。
🅒 進給軸數：至少具備X、Y、Z、B、C 等軸。
🅓 刀具主軸轉速：20000rpm。
🅔 B 軸：驅動刀具主軸擺動，擺動角度θ（180°＜ θ ＜ 360°）。
🅕 具有徑、軸向、曲面、斜面車、銑加工功能。
🅖 加工零件_ 如圖四。

【2-4】 國外及國內車床廠商相關產品一覽表（表一）：




▋ 三、車、銑複合加工機架構概要
【3-1】
🅐 斜交型架構_ 以斜背車床為架構（如圖五），中、小型機種適用，結構重心低、剛性高、立柱輕量化動態響應佳。
🅑 正交型架構_ 銑、車複合加工機（如圖六）。中、大型機種適用，直交座標操作簡易、排屑性佳、動柱剛性強。

【3-2】 刀具主軸功能及架構：
🅐 車、銑功能必須能自動切換。
🅑 具備任意角度或固定角度定位功能。
🅒 當銑床加工時，需要高轉速（最高轉速20000rpm）、高精度，因此都使用內藏式馬達。
🅓 鬆、拉刀機構的盤型彈簧長度，將直接影響整體長度。
🅔 中心出水部份：必須透過旋轉接頭，將切削液引導進入軸心，旋轉接頭在密合與分離時，會有漏水問題，馬達冷卻油管路，必須利用旋轉方式將油路轉換。
🅕 使用兩面拘束刀具系統時，對於刀具交換時，主軸鼻端與刀具端面需保持乾淨 才不至於影響刀具的重現精度。
🅖 刀具主軸定位方式（表二）。


【3-3】 B 軸傳動方式（如表三）：
🅐 B 軸定位精度0.001°（基本需求），0.0001°（目前最精密）。
🅑 擺動角度θ（180°＜ θ ＜ 360°）。
🅒 B 軸定位方式（表四）




【3-4】 自動換刀系統
🅐刀庫型式與臥式綜合加工機相似，刀庫系統的配置位置所考量因素有二：其一、須考量整體機器的空間配置。其二、操作人員可以很輕易的將磨損的刀具取下，並更換新刀具。國內車、銑複合加工機廠商，針對刀庫系統的配置方式主要有下列兩種：
（一）刀具數量較少時（如36 支），刀庫配置在機器底座最前緣及機器最左側（圖七－刀具中心線與主軸中心線互相平行），固定式凸輪換刀機構，安裝在主軸單元上方，刀具交換時不會和主軸單元的相關組件發生干涉為原則，此構型的機器外型左前方比較突出。
（二）刀庫單元的刀具數量較多時（60、80、120 支…...），一般會安裝在主軸單元後方與Z 軸原點左側的空間（圖八），此構型的刀庫系統有兩種換刀模式：
❶ 換刀機構位置固定，另有抓刀平移機構，將刀具送至機械式換刀機構，進行刀具交換（如圖九）。
❷ 換刀機構直接安裝在平移機構上面，此構型可以簡化整體刀庫空間，但是平移機構的驅動馬達規格需增大，且須考慮平移機構的支撐結構強度是否足夠。



🅑 國內刀庫製造廠商的車、銑複合加工機專用刀庫型式（如表五）




🅒 國外車、銑複合加工機廠商刀庫系統配置型式（表六）




▋ 四、刀具系統型式（詳述如表七）
以兩面拘束刀具為主，主要有KM、Capto、HSK 三種類型。兩面接觸刀具的優點如下：
 ■ 刀柄與主軸是藉由法蘭面與椎體同時接觸，所以刀具高速轉動時，主軸與刀具不會因離心力而產生間隙，刀具系統的結合剛性始終維持一致性，機器加工時維持穩定的振動量，因此，不會影響刀具壽命、工件的加工精度、及機器的加工效率。
 ■ 刀柄錐體長度較短，可縮短刀具自動交換時間，刀具交換的位置精度重現性較高。


▋ 五、結論
先進國家複合加工機的功能，除了前述功能外更增加積層製造、熱處理、研磨的元素，對於不規則零件、體積不大的凸塊，可以使用增加材料的方式生成，若零件需要增加硬度及表面研磨，也可在一部機器上完成所有工序，複合、集成的加工方式，可以提升零件品質，提高生產效率，降低生產成本，最終達到企業競爭的優勢。
國內已有多家工具廠，投入車、銑複合加工機設計、製造，而且產品品質與國際大廠非常接近，相較之，對於產品的相關應用及加工技術，應是後續可著墨補強的部分。

▋參考資料
❶ 張祖胤、陳宜平機械月刊第三十卷第三期 。
❷ 蕭錫鴻，工研院車銑複合工具機設計。
❸ 廠商型錄資料台中精機、WFL、DMG MORI、INDEX、ICTM 規格複合加工機用HSK 規格、聖杰國際、吉輔企業 。

   
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