金屬加工的歷史:傳統車床、數值控制NC車床與電腦數值控制CNC(完全電腦控制)工具機

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金屬加工的歷史:傳統車床、數值控制NC車床與電腦數值控制CNC(完全電腦控制)工具機

金屬加工廠

今天抉懋要跟大家分享金屬加工的一些小知識整理,希望能夠從歷史脈絡來跟大家分享金屬加工工具機的演化,其實他跟人類使用工具的能力以及工業發展程度是息息相關的。台灣是製造業起家,卻很少有關我們製造技術的相關文章整理,著實有點可惜。不過金屬加工的種類、分類、製程相當多,像抉懋就是專精在CNC車床、銑床、沖床跟萬能彈簧機這些領域,歡迎來台北找我們唷。

 

什麼是金屬加工?

金屬加工是一種把金屬物料加工成獨立零件、組件、或大型結構的工藝技術。不管是從大型船舶、橋樑、到精密發動機部件、精美首飾都會需要金屬加工零件。在人類使用各種礦石當作工具與武器的石器時代後,才進入到金屬加工的時代,像是史前人類就會用鐵來製作大多數生產的工具和武器 ; 商朝就很多青銅製成的禮器。金屬加工可以說是人類文明演化的必經之路,

 

金屬加工從人力製作到機器製作的歷史

不過在工業革命之前,金屬加工還在使用人力加工的階段,例如說用銀敲打出各類銀製餐具;金屬加工的鑄造方式也算是比較古早的技術。原本在工業革命發展早期還在用人工加工零件。工業革命時,為了製造更強而有力的蒸汽機,需要更嚴謹的公差與零件實配,帶動了新興工廠致力於各式各樣工具機與零件的發展。尤其在1775年約翰·威爾金森發展出臥式鑽床,將金屬加工公差推進至mm毫米,成功解決瓦特蒸汽機的關鍵技術困難,讓金屬加工的技術更上層樓。尤其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。而在電力普遍後,工具機的動力是由電動馬達提供,更能加快加工速度。

 

使用工具機製造金屬零件,提高精度與速度

工具機根據電腦化程度可分為:

(1)傳統金屬切削機(完全手工控制)

(2)數值控制NC(未加數控器,但有自動化控制)

(3)電腦數值控制CNC(完全電腦控制)工具機。

像抉懋的車銑床機器都是電腦數值控制CNC(完全電腦控制)工具機,以下介紹這三種機型的差別。

 

( 1 )傳統金屬切削機

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。優點: 簡單產品都能加工,精度要求不高,加工能快速,但是需要有人顧機台。缺點是各個動作如切、削、鑽孔都是個別機器個別工作,或是只能作簡單造型,公差較大的零件。如果您是要作高精密的零件,首先去工廠一定是先看是不是CNC機型,是否有至少2.5D的檢測儀器。

 

傳統車床

 

傳統金屬切削機的機器分類:

機器 切削運動 進給運動 加工表面
 臥式車床 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)
 臥式鏜床 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
 臥式、立式銑床 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
 台鑽、立鑽、搖臂鑽鑽床 刀具旋轉 刀具伸縮、移動(僅搖臂鑽) 孔加工
 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)數值控制NC(未加數控器,但有自動化控制)

數控工具機是指可以透過事先編輯的精確指令進行自動加工的工具機。簡單來說,數值控制有用到電子控制訊號來控制一些機器加工動作,只要輸入字元、數字、符號等組成的一系列指令碼來控制機器各種動作。這些指令碼被轉成脈衝及 ON/OFF 等兩種電子控制訊號。脈衝輸出訊號是作主軸與加工件的定位及進給速度控制,ON/OFF 輸出訊號 則執行以下功能:(1)控制主軸旋轉速度及方向(2)控制切削液開關(3)切削刀具的選擇(4)其它,如暫停、選擇性暫停、自動夾持及鬆開。典型數控工具機外觀,加工區域位於機台體內

 

數控工具機的出現,也是為了提高精密度而研發出來的機器。1940年代美國生產直升機螺旋槳時,需要大量的精密加工零件。美國空軍委託各界機械工程師想辦法。終於在1947年,John T. Parsons開始使用電腦計算工具機的切削路徑,接著與麻省理工學院合作,結合數值控制系統與辛辛那提公司的銑床,研發出第一台NC工作母機。之後在1958年Parsons公司與Kearney & Trecker公司成功開發出具自動刀具交換裝置的加工中心機。麻省理工學院也開發出APT(Automatic Programming tools)。1959年,日本富士通公司為數值控制做出兩大突破:發明油壓脈衝馬達與代數演算方式脈衝補間迴路。這加快了數值控制的進步。

 

金屬加工產業

 

(3)電腦數值控制CNC(完全電腦控制)工具機

從1960年到2000年之間,數值控制系統擴展應用到其他金屬加工機。直到電腦微處理器被應用到數值控制上,工作母機不但可由人工直接操作,也可加入自動控制,大幅提昇功能,此類系統即稱為電腦數值控制(CNC)。這段期間也出現了快速、多軸的新式工具機。尤其日本成功打破傳統工具機主軸形式,以類似蜘蛛腳的裝置移動工具機主軸,並且以高速控制器控制,是為快速、多軸的工具機。CNC機器也讓作好一個零件,不只是技術師傅的工作,程式人員也是很佔了很大因素。

 

  • CNC:Computerized Numerical Control,數控工具機控制器,讀入G-Code開始加工
  • CNC程式可分為主程式及副程式(子程式),凡是重覆加工的部份,可用副程式編寫,以簡化主程式的設計。
  • 字元(數值資料)→字語→單節→加工程式。
  • 只要打開Windows作業系統裡的記事本就可編輯CNC碼,寫好的CNC程式則可用模擬軟體來模擬刀具路徑的正確性。

 

CNC之優缺點: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。

優點:

  • 高效率、高品質、高良率。在成品外形複雜精細時尤其明顯。
  • 增加工作時間提高機器使用率(下班無人看管仍可工作)
  • 加工多樣化。在少量多樣的生產模式下可減少單位成本。
  • 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。
  • 減少夾具、治具。因此減少前置成本與準備時間。
  • 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。

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。

 

 

抉懋使用的CNC車銑複合機

車床,英文為Lathe machine,是一種將圓型桿件加工件固定在一旋轉主軸上加工的工具機。主要是工件作圓周運動,刀具作直線運動而加工的加工行為。1797年英國人亨利·莫茲利發明了車床,通常用在圓柱型態的工件加工。一般車床配備各種專用刀具,可完成內外直徑(圓)加工、鑽孔、車螺紋、切斷車槽、端面加工、車外圓、鑽中心孔、鑽孔,鉸孔、車圓錐圓弧、車成形面、滾花、盤繞彈簧、偏心、壓花、切斷、切槽、車螺牙等加工程序。

銑床,英文為 Milling machine,是一種主要用於金屬切削的工具機,主要是方型圓形工件作直線運動,銑刀刀具作圓周運動而加工,這種方法叫做銑削。銑床用來切削平面,或者用特殊形狀的銑刀銑出成型表面、螺旋槽或齒輪的齒形等。銑削時,工件裝在工作檯上或分度頭等附件上,銑刀作旋轉的切削運動,輔以工作檯作進給運動。於1818年由包括埃里·惠特尼在內的數位美國機械工程師共同發明。

 

車床與銑床最大不同就是,工件是否有轉動。因為車製的工件大多是圓柱形且大多是對稱,銑的定義是工件不動,所以加工中自然是鎖在機台床台面上,所以大多為方塊。機台主軸移動到工件的任意位置都可加工圓孔、方穴等。

 

抉懋購入的車銑複合機,則是CNC機台再加上一組可以自動控置制的更換刀具的設備,也可以稱為機械加工中心CMC(Machining center),可以全自動無人運作。

 

金屬加工的精密工藝

金屬加工是一種把金屬物料加工成獨立零件、組件、或大型結構的工藝技術。不管是從大型船舶、橋樑、到精密發動機部件、精美首飾都會需要金屬加工零件。

 

為了生產高效率、高品質、高良率及外形複雜精細成品,抉懋使用CNC電腦數值控制工具機,進行生產。並且車床或銑床類的產品都適用。

 

CNC車銑零件產品 黃銅加工零件、不鏽鋼加工零件、插銷、套筒、連接軸、間隔柱、鉚釘、端子、銅柱、螺母、螺絲車件、轉接頭、切削間、攻牙、墊圈、鑽孔間、柱帽。

CNC車銑零件

應用產業

醫療產品、汽機車零件、自行車、精密工具機
電子產品、兒童玩具、鎖具、手錶、眼鏡、
廚房用具、辦公設備。

CNC車銑零件

常見材質

鋼鐵(鐵、不鏽鋼、碳鋼、鋁、鉻鉬鋼等)
有色金屬(黃銅、鉻鉬鋼、塑膠鋼等)

無法製作鈦合金零件,因為容易造成機台損壞,敬請見諒。

CNC車銑零件

加工範圍

加工材料形狀:金屬圓棒、六角棒材、無縫加工棒材

最大加工外徑:5-40.0mm (業界少見大外徑)

最大加工長度:500mm

最低加工數量 : 樣品20個/ 量產500個

 

CNC車銑零件

表面處理

攻牙、車牙、圓角、橢圓、半圓、尖圓、磷化處理、陽極處理、電鍍、珠擊、研磨、拋光等。

CNC車銑零件

使用機台

Poly Gim 走心/走刀二用車銑複合機25型

Poly Gim 走心/走刀二用車銑複合機42型

工廠成立時間 1993年,台灣新北市樹林、中國昆山、中國東莞。
工業標準 國際標準ISO、其他國家工業標準ASTM、BS、DIN、JIS、JASO、SAE等。
保固 按照客戶圖面,進行OEM生產,若有不符合圖面之要求,抉懋會負起重製或退貨等責任。

 

CNC車銑零件包裝

 

「關鍵零件,成就創新。」每個小小零件,都能成就客戶的創新產品。

車床加工廠

 

參考資料:

工具機

 數值控制工具機 

車床