未來追求的生產加工技術 台灣機械工業同業公會 機械資訊 2019-11-21 11:09:09 加入我的收藏
機械資訊 745
翻譯/蔡淑芬 大阪臺灣機械服務中心
 
 
JIMTOF 2018中,相當有企圖地展示了許多項目,也包括了可以主導未來的生產加工技術。汽車目前正大大地轉向EV發展,使得“製造”的需求正在急劇地變化,生產加工技術以及相關的工具機也急劇地變化中。在這裡,為了能夠更了解生產加工技術及工具機,我們收集了JIMTOF 2018相關資料。另外也將報告目前大躍進的中國工具機的最新動向,加上JIMTOF 2018開幕前的IMTS報告,作為未來生產加工技術、工作機的展望。
 
「工程設計」是可以對應不斷變化的「加工場所」
—JIMTOF 2018收集資料的整理推薦—伊東 誼*
 
JIMTOF因為匯集了工具機、相關附屬件、及切割 磨具製造商,從「加工場所」、如工具機—附屬物—工具—工作物等一系列(加工空間的連鎖)等,所以也是收集相關最新的綜合資訊的最佳時機。特別是在雙主軸複合車削(Mill-Turn)加工機在急速進步的同時,夾具(Chuck)與刀具的複雜性也在迅速的發展,所以有必要作一個綜合性的了解。提到有關「加工空間的聯繫」,話題雖然主要著重在「抑制振動」和「減少熱變形」,近來「確保高加工精度及同時降低加工成本」的議題,也變得愈來愈重要了。
 
提到加工精度,雖然和「工程設計」有著密切關係,但是到目前為止,有一些徵兆正在改變這樣的常識。在本文中,將討論一般較少提及的「工程設計」,作為筆者個人意見的闡述,也希望作為JIMTOF參觀的參考。但是若是從大方向來看「工程設計」,已經是個陳舊的議題,因此本文會更仔細著重在「工程的集約及統合」、「加工時間及設置組合時間的縮短」,進一步討論有關「工程合理化及加工成本的降低」等議題。
 
1.前言
 
「物品製造」的核心之一,是在提出零件圖時,也要作「工程分析」、「工程設計(包含加工設計)」,當中也包含「加工成本的計算」。也就是說,即使是彈性生產的系統設計中,在系統中處理眾多零件的過程是工程設計的第一階段。
 
有關工程設計, 電腦整合製造CIM(Computer-Integrated Manufacturing)在1980~1990年代造成了很大的話題。關於下列CIM為主的議題,也進行了很多的學術研究及技術開發,包括電腦輔助設計CAD (Computer-Aided Desing)和電腦輔助製造CAM (Computer-Aided Manufacturing)、自動加工設計,或電腦輔助操作製造CAOP (Computer-Aided Operational Manufacturing),以及當中的連結過程,如自動工程設計CAPP (Computer-Aided Process Planning)等。
 
在CAPP中,為了完成零件,會輸入零件圖,其中包括了詳細記載的平面訊息(幾何訊息),從幾何訊息轉換到製造訊息,接著是一組「加工方法」和「加工處理順序」的輸出。在這裡會有問題的,舉例來說「圓筒外圍面的加工」,雖然是很簡單的一句話,但是在這裡是要使用固定工具、還是旋轉工具,又加上光是旋轉工具就有各式各樣圓筒形狀的製造方法。簡要來說,因為「幾何訊息不是和製造訊息是一對一的關係」,因此同一零件會因企業不同而不同、或即使是同一企業中,也會因負責工程設計的人不同,有不同的設計結果出來,也可能因此導致無法判斷何者是正確的狀況產生。另外在某些時候,與「加工成本」一起,工程設計可以將輸入訊息輸出到構成的CIM的材料資源計畫MRP (Materials Resources Planning)。
 
此外,在工程設計中,因為熟練的工程設計師具有的專業知識是關鍵,因此結合專家型的CAPP,可以透過透視熟練設計者(Eye Camera)的思考模式,因此直覺型CAPP也被提了出來。此外,在工藝設計中,經驗豐富的工藝設計師的專業知識是關鍵,因此結合它們的專家型CAPP可通過眼睛相機和熟練設計師的專家類型思想來實現,CAPP也被提議。不過這樣的提議並沒有順利地實現出來,反而是下面的實例被實用化了。
 
(1)最近市面上出現了各種幫助生產活動的軟體,但它們通常和CIM最上游或最下游有關。當成為CIM的最下游時,主要內容是針對自動加工設計和自動工程管理,有關工程設計的數量變少了。順便一提,目前Ubisenese公司正在為智慧工廠的雲端提供相關軟體(相當CIM的最上游)。
 
(2)目前市售的CAPP,通常使用群組科技GT(Group Technology)、或特殊技術FT (Features Technology)對零件進行分類,累積過去的設計實例,並和新零件設計作比對。到目前為可以用來對應新零件的「創成型(Generative) CAPP」,雖然已經有許多的學術研究了,但至今仍無法真正實際應用出來。
 
(3)專家型CAPP可以說是創成型CAPP的展開型,但為了能實現,必要及不可欠缺的是「加工技術Know How」的資料庫(Data-Base)的建立,大約在2005年的新能源‧產業技術開發機構推出「物品製造‧IT融合化推進技術的開發」的專案計畫。
 
(4)日本工作機械工業會在2011年發表的新一代生產系統軟體相關的報告書中,主要的內容為多軸控制用工業機械CAM。
 
(5)關於CAPP的學術研究,有一些也針對像複合車削Mill-Turn這樣高度加工功能的集成型工具機進行了研究。然而,經由「材料形狀」和「目標加工形狀」,來追求幾何形狀的連續變化,以研究加工順序的相關研究,事實上研究結果和工程設計的實務面有很大的偏離。
 
為此,包括目前CAPP的問題,可預測的是在未來會有新局面的展開。這可以透過觀察加工空間變得普及化更可以了解。換句話說,除了Mill-Turn這樣高度加工功能的集成型機種普及化之外,同時爪夾具也變成模組化夾具(Modular Chuck),因此模組化工具與創新的工具也正急速地開發中。雖然這些都沒有考慮到「加工空間的聯繫」,但其組合也許是目前為止工程設計的巨大改變的預兆。
 
圖1為上述預兆的實例之一,圖1所示為需要「同心度」的軸類零件。在這裡的「單軸型TC」,使用爪夾具加工,有以下兩種方法。
 
(1)如圖所示,設置有「可丟棄抓握部分」,在和加工之後,作「背後突出部分切割加工」,也就是將「可丟棄抓握部分」切割後,即完成零件加工。也就是如圖所示,背面突出切割工具的功能近來也有急速地提升。
 
(2)完成部分加工後,再夾住,進行部分的加工。在這個方法,當然因為同心度降低,為了確保抓握的精準度,透過「生爪成形」或「治具(外徑芯)」進行抓握,之後再進行部分的加工。
 
相對地,如圖所示,若在對向雙軸式TC中使用套筒夾具(Collet chuck),則在兩主軸的同心度優於加工要求的同心度的條件下,a部分在第一主軸加工後,工作件透過「轉移」到第二主軸,抓住並進行b部分的加工。這三個方法很難判斷哪一種方法最適合用來確保加工精度和減低加工成本,但是感覺上使用對向雙主軸型是比較有利的。
 
因此,由於傳統的工程設計是屬於一直線的運作設計,在本文中筆者將結合所收集到的資料,以NC銑床及TC為對象,闡述有關工程設計的新發展。只是在各企業中,可以對應最尖端的加工空間的工程設計、及電腦輔助設計等,會以某種型式發展及進行,這由於都是屬於企業的專有技術及企業機密,需要考量的部分很多,所以大部分都是不公開的。
 
2.工程設計的困難度及流程
 
工程設計是基於零件圖中所記載的訊息,在現場稱為「材料去除」,就是從「確定原材料或半原材料的尺寸、形狀」開始,包含「選擇要使用的模型」、「加工計畫」、「治具及夾具的選擇」等的「加工方法的確定和加工順序」。在這種情況下,考慮到加工全體的零件的精度、熱處理的有無、批次(lot)數、容許的加工成本等,此外,在自家公司及下遊包商中的工具機設備所可能達成的加工精度、準備的心軸(Mandrel)的尺寸系列、可使用的切割刀具種類等,也需要加以考量,這些是具有複雜且矛盾的特性。
 
簡要來說,雖然工程設計的流程最初看時會覺得很簡單,但「基本技術的NowHow」在各處理工程步驟中,有著重要的角色功能,並且它們彼此是密切相關的。當中的典型的例子,可以在「材料去除」和「前工程加工的品質影響後工程」中看到,如表1及表2中所顯示的幾個代表例。在此同時,零件圖的製作者經常需考慮「零件構成過程」和「加工成本」來作零件圖的製作,並且是需要在設計的過程中常常要考慮進去的。
 
如圖2所見,即為當中的一代表例,顯示加工計畫的不同,如果是底面圖(a)為雙刀片端銑刀(Endmill)由軸向接近套筒刀具(Turret),如果是(b),則是從半徑方向接近。順帶一提,由於前者的其他孔、螺絲孔的加工方向和工具軸的方向相同,所以可以減少「不必要的時間浪費」(圖中為避免複雜化,僅顯示主要尺寸)。
 
如此一來,工程設計是一項困難的作業,需要有熟練的工程設計師處理才能夠完成。在這裡,將透過以下的整理,說明熟練的工程設計師在決定加工目的,及「零件圖記錄的資訊」的工程設計的流程,並以圖3來表示之。可能這樣的流程是不會改變,但是由於精加工、精細加工會有新的改變,因此也將介紹以下內容。
 
零件主要是透過(1)主要成形運動和(2)次要成形運動的組合形成的,如果機器是像Mill-Turn這樣高度功能集合的機種,前者是「在加工空間的周圍配置主軸及套筒刀具一樣的構造組成單元」的運動機能的組合,又後者是「附件和工具」的運動機能一般的組合。在這裡,如圖4所示,將「連環的加工空間」圖示化,將可能的組合及適合的組合都顯示出來,有助於選擇。另外,圖4為「外圓切割」的實例,「外圓切割」是多使用旋轉工具來做加工,使用的機種及工具組合需要考慮具彈性的組合。另外一方面,工程設計使用的機種,大多在次要成形運動的工程設計上也要有革新的設計。
 
在這裡,以圖5中顯示的作為參考,圖中顯示加工全部零件及其所選用的機種之「工程記號」及「工具機的功能描述」(機器可能的運動軸的組合表示)。機種的選定,是使用機械所定的座標軸,工程記號顯示的為加工方法的運動變換,這當中也包括了功能描述的判斷。也就是說,如圖示要將零件組合完成,需要有C/(X+Z)+/Ca(X+Z)的形狀成形運動,TC可以是C/(X+Z)+/(Aa+Ca)(X+Z)的形狀成形運動,因此是可以對應這個零件的加工。
 
雖然這個選擇方法有這樣的用途,但是它無法表現加工能力,因此保留為定性的加工順序的指示。因此,如果將工作設計中的切割條件設定回饋(feedback)到圖3,則加工效率、加工能力等重新調整後,使得加工順序也能夠再調整,如此將打開一條實用的道路來。
 
3.工程設計變革的驅動因子—其一 先進高度加工功能的集成型加工機的普及
 
代表複合車削加工機的高度加工功能集成型加工機機種,其多樣性的加工功能是眾所週知的,一台可以抵傳統地方工廠的所有加工功能。因此,也被期待可以大幅減少加工的時間,不過工具計畫會很複雜,但結果會對工程設計產生重大影響,因此有關這議題尚未有深入的討論。
 
然而要討論這個議題的關鍵主要在於,機械本身的主要形狀創建運動和次要創成功能的區別。特別是在次要形狀創成運動中,必須把握的是可以達成的機械設計樣式的加工精度及最大加工能力。更甚者,近來機械本身所附設的齒輪切割、研磨、雷射處理、3D列印等加工功能等的增強效果。
 
在圖6中,為目前使用的高度加工功能集成型加工機的分類,在這裡以工程設計變革的觀點來看,包括主軸的排列形態,特別是對向的雙主軸型,和次要形狀創成功能為主要對象。也就是垂直方式,或稱為「Spindle-over-Spindle」構造,在學術上雖然還沒有被驗證,但產生熱變形是比較小的。在這種情況,即使稱之為雙主軸型,但會因為主軸排列的不同而具有不同的特性,這一點需要特別注意。又遺憾的是,主軸排列方法的差異對機械的各種特性的影響,在目前也還是不夠清楚。
 
在圖7中所示,在複合車削的銑床主軸頭上,加上環形銑床,或NC旋盤的套筒刀具上裝上齒輪切割單元,進行齒輪加工。前者是機器本身的「次要形狀成形運動」,另外,後者也是同樣的次要形狀成形運動,同時透過加工單元增強了功能。雖然和彎齒齒輪或平齒輪等是不同的加工物,但是當考慮到所需要的加工精度和加工效率時,討論到有哪些的方法對工程設計是有利的相關議題時,這便是個典型的例子。
 
4.工程設計變革的驅動因子—其二 功能、性能面高度進化的夾具及切割工具
 
如要討論像本篇這樣的標題時,很難將重點著重在改進切割、磨削工具的功能及性能提高等上面,但若是改變一下觀點,重點放在工程設計的合理化上,便能夠得到一些實例了。像是2015年,3M將使用「精密成形三角形狀的陶瓷磨粒」的「CUBITRONTM II」砂輪市售。使用這款砂輪,可以有將「帶刺的微細切削屑」變成「流線形」的效果,但沒有提到有關工程合理化的相關內容。
 
4.1 模組化夾具(Modular Chuck)
 
有各式各樣抓取工作物的夾取裝置,但一般最常使用的是爪夾具及套筒夾具(Collet chuck)。以工程設計合理化的觀點來看,將夾具和工作物組合後,再裝置到主軸上,在這裡要縮短裝置的時間便是個問題。因此,快速更換夾具,或是小型夾具本身的自動更換等,都是技術發展的重點。
 
在這當中,目前最受到注目的技術是模組化夾具(Modular chuck)了。因此,特別注意圖8,即為模組化夾具,此夾具本身就能迅速交換各種工作物的夾具模組,包括可更換成套筒夾具、爪夾具及心軸。因為夾具本身可以自動切換,因此大幅減少組合的時間。順帶一提,當使用套筒夾具時,如圖所示,不同於一般的Collet,夾具的外表面是平面的,因此可以具有非常好的抓握精準度。
 
在這裡,筆者特別在工具機展上特別留意到的是這個模組化夾具(Modular chuck)的加工精度。在心軸上有分割型斜滑塊Dumpingbush(表面研鋼燒製、硫化處理),因為可以應付在齒輪加工切割時產生的顯著衝擊,因此可以用來作齒輪的加工及齒輪切割。但是在目前所公開的資料中,外徑120mm、同心度0.01mm,但沒有顯示有關可以達到的齒輪精度。因為在齒輪切割後可以把抓住齒輪,又在熱處理後以齒輪的Pitch circle為基準,在齒輪的軸上打上孔,即以「孔治具」在抓住的齒輪面上作研磨完成加工,其加工精度的確保是筆者比較感興趣的。簡單來說,雖然可以維持加工精度,但是從工程集約的角度來看,研究有哪些可以代替難以掌握的齒輪剛度的一般性的齒輪夾具,是非常有價值的。
 
儘管不像模組化夾具那樣地具有靈活性,但如圖9所示,認為附有(Face Driver)及夾具的組合,同樣地可以影響工程設計。當爪回縮時,以夾具之面板抓住工作物的一端,處理抓握的工作物的表面,再以夾具抓握進行主要的加工(帝國夾具、SMW等販售)。當然,Top Jaw的設計也是很重要的,圖9為Schunk公司的特殊top jaw快速交換的方式,此方式是以「搖動式多點抓握」,可使較薄的工作物因抓握而產生的變形減到最小,也不必使用「孔治具」。
 
此外,和安裝在套筒刀具的切割工具一樣組合方法的「旋轉中心」,目前在市面上也有販賣,這也將和工程設計變革有某種程度的關係。
 
4.2 切割工具
 
工程的集約是「組合工具」,此外,在1980年代時,提到「設置時間的縮短」就會想到模組化(Modular)工具,即使到現在其功能及性能已經被高度化並廣泛被使用。這當中有一些工具可以對工程設計帶來重大變革,而其他工具則僅限於改進。因此,在收集有關JIMTOF的資訊時,對於這一點則必須要做很重要的判斷。
 
順帶一提,如果是組合工具,會是組合式刀具(Gang Cutter)、鑽 鉸刀(Drill Reamer)、表面研磨(Skiving)工具和拋光(Burnishing)工具的組合,以及倒角刀片鑽頭(Drill)。例如Mapal公司的「多段鑽孔工具」,從以前就已經很有名了,到現在也一直被使用。但是,如圖10所示,「插入物(insert)的結合剛性及墊子(pad)的性能向上」,另外「刀片前端易於調整」等的程度也有改良。
 
此外,柄部模組(Shank Module)、Adapter Module及切割刀模組的組合,是常見的模組工具,如圖11所示,為端銑刀(Endmill)及可迅速交換型的切割刀模組的組合,可以大大地縮短設置的時間。另外接頭是鋸齒形(Buttress)螺絲,可以提供結合剛性,同時又可以簡化作業。可以參考圖11之可迅速交換型的切割刀片的Drill。
 
接著,圖12是銑床,為推測插入形狀和固定方法適合車銑。雖然製造商似乎不打算這樣使用,但在後面會提到的Dieterle公司的多邊形切割機中,就用來作為旋轉工具的旋切割,且大大提高工程的合理化。接下來將介紹幾個筆者認為革新的工具。
 
Dieterle公司的背面加工用工具
 
單軸TC使用的零件加工完成之再夾動作時,不可缺少背面加工,圖13為Dieterle公司的「逆向拉伸外圓切割和凹槽咬合」和「逆向拉伸外圓切割及表面切割和仿型咬合」,從這些圖中可以期待大型工程合理化。在這裡,後者可說是仿傳統型旋盤的「仿型咬合」的再活用。
 
以這樣的方式,如圖14中Dieterle公司的實例所示,因為切割工具的性能提高,即插入及固定的方法改善,使得可以考慮利用靠近切割咬合進行外圓的切割。因此,圖15顯示為Kennametal公司的窄槽加工用銑刀(滑動銑刀和普通切槽銑刀的中間型),在插入物的固定上有了新的方法。
 
Mapal公司的「Scroll-Free Turning」用工具
 
軸物被燒入的軸承座面或密封面的加工,如圖16所示,經由傾斜配置的刀片(PcBN製)進行總模具切割,或是像刮(skiving)一樣的切割方式,工作物在一個步驟中,不用經過研磨工程就可以完成零件。Mapal公司雖然原定是以固定工具的使用型態,但是如果用來做為旋轉工具,用於turn milling,也許會得到更好的效果。
 
以旋轉工具旋切割
 
近來透過像是waring、turn milling等旋轉工具進行旋切,已經逐漸被廣泛使用,而waring在以前比較為人所知的是「Mach的高速螺絲切割」,是處於次要地位。但是,Dieterle公司的多邊形切割機(Polygon cutter)的適用實例如圖17所示,透過刀片的配置、主軸(工作物的抓握)及工具旋轉軸的旋轉數調整,可以進行異形斷面形狀的軸物加工。簡要來說,因為可以一個工具進行軸物零件的圓筒部分及平面部分的加工,對於工程合理化很有幫助。
 
5.結語
 
在本文中,以NC旋盤、TC為對象,除了討論有關與確保加工精度非常有關係的工程設計外,其他和這些有密切關連的「連環的加工空間」、另外像是「抑制振動」和「減少熱變形」也十分地重要。因此,今後以上述為對象的觀點作為出發點,在工具機展收集相關資料也是有幫助的。另一方面,如同本文中判斷的那樣,附件及工具製造商很多,使得這類商品的開發、發展蓬勃,因此也可以收集到本土化、細緻、又能夠持久的情報。特別是從附件及工具製造商的工程設計觀點來看商品的優點,這是十分難得的資料。
 
附註要提的話,主軸旋轉數為5,000rev/min以上為目前一般的加工常識,但因離心力使得抓握力降低,為因應高速化所產生的問題之處理方式,有學者主張採用「壓軸式Wedge爪開閉機構」的夾具。
 
資料來源:機械與工具,2018年11月號,P.7~P.17。