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經過特殊研磨拋光提升關鍵零主件效能

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before treatments

刀庫系統是提供自動化加工過程中所需之儲刀及換刀需求的一種裝置;其自動換刀機構及可以儲放多把刀具的刀庫;改變了傳統以人為主的生產方式。藉由電腦程式的控制,可以完成各種不同的加工需求,如銑削、鑽孔、搪孔、攻牙等。大幅縮短加工時程,降低生產成本;這是刀庫系統的最大特點。

1. 刀庫系統的主要構件

  刀庫主要是提供儲刀位置,並能依程式的控制,正確選擇刀具加以定位,以進行刀具交換;換刀機構則是執行刀具交換的動作。刀庫必須與換刀機構同時存在,若無刀庫則加工所需刀具無法事先儲備;若無換刀機構,則加工所需刀具無法自刀庫依序更換,而失去降低非切削時間的目的。此二者在功能及運用上相輔相成缺一不可。

1-1 刀庫

  近年來刀庫的發展已超越其為工具機配件的角色,在其特有的技術領域中發展出符合工具機高精度、高效能、高可靠度及多工複合等概念之產品。其產品品質的優劣,關係到工具機的整體效能表現。

  刀庫的容量、佈局,針對不同的工具機,其形式也有所不同,根據刀庫的容量、外型和取刀方式可概分為以下幾種:

1-1-1 斗笠式刀庫

  一般只能存16~24把刀具,斗笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫的卡槽時,主軸向上移動脫離刀具,這時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移,使刀具進入主軸錐孔內,夾緊刀具後,刀庫退回原來的位置。

1-1-2 圓盤式刀庫

  圓盤式刀庫通常應用在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫",以便和"斗笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大,頂多二、三十把刀。需搭配自動換刀機構ATC(Auto Tools Change)進行刀具交換。

1-1-3 鏈條式刀庫

  鏈條式刀庫的特點是可儲放較多數量之刀具,一般都在20把以上,有些可儲放120把以上。它是藉由鏈條將要換的刀具傳到指定位置,由機械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均採用馬達加機械凸輪的結構,此設計之結構簡單、動作快速、確實、可靠,但是價格較高,通常為客製化產品。

1-2 自動換刀系統

  自動換刀系統是CNC工具機的重要組成部分,主要是將加工所需刀具,從刀庫中傳送到主軸夾持機構上。刀具夾持元件的結構特性及其與工具機主軸的聯結方式,將直接影響工具機的加工性能。刀庫結構形式及刀具交換裝置的工作方式,則會影響工具機的換刀效率。自動換刀系統本身及相關結構的複雜程度,又會對整機的成本產生直接影響。

  數控工具機的自動換刀系統大概分為1.油壓機構2.氣壓機構3.電氣式凸輪機構。在不斷追求速度及可靠性提升的數控工具機市場,凸輪式換刀機構就廣泛的被採用。此設計只用一個驅動馬達就可完成複雜的換刀動作,快速確實,除了換油外沒有其他消耗零件及保養需求,故障率最少,壽命超過百萬次以上。

  一般具有ATC裝置者都有ATC臂。換刀時若是需要在刀具庫與主軸兩處更換,則需要ATC臂來補助。但有些工具機並不需要ATC臂即可完成換刀動作。

2. 刀庫技術發展趨勢

  未來工具機產業的發展,均以追求高速、高精度、高效率為目標。隨著切削速度的提高,切削時間的不斷縮短,對換刀時間的要求也在逐步提高;換刀的速度已成為高等級工具機的一項重要指標。

  快速自動換刀技術是以減少輔助加工時間為主要目的,綜合考慮工具機的各方面因素,在盡可能短的時間內完成刀具交換的技術方法。一般強調換刀速度快的臥式機台,皆有幾個特點:1.刀臂短 2.刀臂不一定成直線 3.兩刀可能互相垂直 4.凸輪箱小且可移動。其主要目的是要讓換刀時,可動件之轉動慣量小,以達到快速換刀之目的。該技術包括刀庫的設置、換刀方式、換刀執行機構和適應高速工具機的結構特點等。

 

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2-1 換刀速度指標

  衡量換刀速度的方法主要有二種:1.刀到刀換刀時間(T to T) 2.切屑到切屑換刀時間(C to C)。由於切屑到切屑換刀時間基本上就是綜合加工機兩次切削之間的時間,反映了綜合加工機換刀所需的輔助時間,因此切屑到切屑換刀時間應是衡量綜合加工機效率高低的最直接指標。而刀到刀換刀時間則主要反映自動換刀裝置本身性能的好壞,適合作為工具機自動換刀裝置的性能指標,這兩種方法通常用來評價換刀速度。至於換刀時間多少才算得上是高速工具機,並沒有確定的指標,在技術條件可能的情況下,應盡可能提高換刀速度。


2-2 提高換刀速度的基本原則

  工具機的換刀裝置,通常由刀庫和換刀機構組成,有些應用機械手臂換刀,有些換刀方式並不需要機械手臂,刀庫的形式和擺放位置也不一樣。為了適合高速運動的需要,高速工具機在結構上已和傳統的工具機不同。以刀具運動進給為主,減小運動工件的質量,已成為高速工具機設計的主流。因此,設計換刀裝置時,要充分考慮到高速工具機的結構特徵。

2-3 提高換刀速度的主要技術方法

  適合於工具機的快速自動換刀技術主要有以下幾個方面:

  在傳統自動換刀裝置的基礎上提高動作速度,或採用動作速度更快的機構和驅動元件。例如,機械凸輪結構的換刀速度高於液壓和氣動結構。

  根據高速工具機的結構特點設計刀庫和換刀裝置的形式和位置。例如,傳統工具機的刀庫和換刀裝置多裝在立柱一側,在高速工具機則多為立柱移動的進給方式,為減輕運動件質量,刀庫和換刀裝置不宜再裝在立柱上。

  採用新方法進行刀具快速交換,不用刀庫和機械手方式,而改用其它方式換刀。例如不用換刀,用換主軸的方法。

  使用適合於高速工具機的刀柄。如HSK刀柄質量輕,裝卸刀具的行程短,可以使自動換刀裝置的速度提高。快速自動換刀裝置採用HSK空心短錐柄刀是發展的趨勢。

3. 國內主要刀庫系統廠商簡介

  國內刀庫產業之生態,很明顯的是自動換刀機構(ATC)與(TOOLS MAGAZINE)為相互依存之產業,分工細膩且互為上下游之產業。雖然有些刀庫廠商也有生產自動換刀機構,但並不普遍且量都不大。因此,可將其區分為刀庫及自動換刀機構兩個產業。

  由於台灣工具機產業近幾年競爭力快速提昇,刀庫及換刀機構更是蓬勃發展。專業刀庫廠商如德大、臻賞、吉輔等;產品除了供應國內需求外,更積極拓展外銷市場,或尋求與國外工具機大廠合作,切入國際市場。另外還有北鉅、馬特、鋼豪、聖杰、首輪等。各家公司各有擅長,成果也都相當豐碩。換刀機構專業廠商有德士凸輪、歐權、吉徑及尚金等,其中德士凸輪有極高的市佔率,各家廠商也各有特色。茲就各廠商特點及發展現況簡述如下。 

3-1 德大機械

  德大機械主要產品為各式樣刀庫,產品行銷國內及歐美市場。德大機械將企業市場實力歸功於企業文化的建立,認為刀庫這個領域產品複雜度高;競爭力的強弱關鍵在於管理的優劣。認為公司的永續發展、長治久安,必定要有完善的管理制度。因此,注重基礎管理與企業文化的建立,以期提高員工素養及建立自動自發、積極任事、誠實、認錯、改善、用心的共同價值觀。


  德大機械擁有多樣化的產品及快速反應能力,使得客戶可以快速找到相近規格產品,迅速滿足客戶需求。其對於技術、品質的堅持以及對於物料、製程管理的能力深獲客戶肯定。

3-2 吉輔企業

  秉持「誠信、踏實、創新」的理念,除了為工具機產業的發展貢獻心力,更積極投入各項社會公益,促進社會福祉。

  為因應「三高」市場需求,吉輔研發高速加工機複合凸輪驅動之同步打刀、開/關門之定軸式高速臥式刀庫。此新型刀庫搭配高速主軸同步完成開關門、夾鬆刀及換刀等動作,換刀時間短。不僅提升了工具機的使用效能;更符合高速化、高精度及高效率的需求。

  吉輔公司除配合工具機業者致力於各式高階產品的研發,對於泛用型輕量化低成本架構刀庫的發展也著力至深;於今年成功的推出配合立式綜合切削加工機的「經濟型圓盤式刀庫」,提供客戶更經濟及維修更方便容易的產品。

3-3 臻賞工業

  「誠信、負責、永續經營」一直都是臻賞工業不變的經營信念。誠信的與客戶往來、負責到底的解決客戶需求,並持續的研發成長。

  臻賞不斷的提昇品質與技術層次,除開發全系列刀庫機種包含圓盤式、鏈條式、斗笠式、傘型刀庫之外,並與客戶合作研發各種特殊機種,以滿足客製化之需求。如HF平置刀庫、50#圓盤升降刀庫、重刀鏈式刀庫、臥式多刀倉刀庫等等,2008年更新開發了新型的Tapping center專用刀庫。

  該公司也是同業間最早導入ERP系統的廠商;能充分掌握生產排程負荷及物料需求落點,準確管控生產進度。自2007年起更致力於管理層面,藉由部門與跨部門會議,訂定目標與計畫,加強基層員工基本工作觀念、各部門整體績效、跨部門協調整合,進而提升公司競爭力。

3-4 德士凸輪

  德士凸輪創業至今已廿十多年,歷經各種艱難困苦與挑戰。在全體員工同心協力下,致力於產品研發與市場開拓,在品質上精益求精,並追求效率之提升,目前分割器與凸輪ATC在市場都有很高的佔有率。公司能有今日之規模主要在於理論與經驗之有效結合,加上創新及能長期堅持理想。

  德士所研發的ATC自動換刀機構,主要是滾子式凸輪結構,該裝置優點在於輸出軸的慣性矩小、構造體積小、出力大,可組合許多動作。另外精度高、分度範圍廣,配合機器的設計需求,扣刀角度30°~90°都可設計,運動曲線可任意搭配做高速動作。抓刀速度穩定確實、低噪音,扣刀、插刀準確,不會損壞主軸品質,相對提高主軸加工精度及使用壽命。

  在未來的經營規劃上,德士也嘗試往不同的產品領域發展,目前正在從事其它產業的自動化設備的開發。在品質穩定的同時,還朝向高速化努力,將挑戰凸輪ATC,在BT-40約1秒,BT-30約0.5秒的水準。

3-5 吉徑科技

  吉徑主要產品為凸輪式換刀機構,此產品設計之優點為:只用一個驅動馬達就可完成複雜的換刀動作,快速、確實。除了換油外沒有其他消耗零件及保養需求,故障率最少,壽命超過百萬次以上。

  過去臺灣工具機普遍還採用較慢速之凸輪機構,但這幾年來漸漸有朝高速發展現象,不過遭遇許多工具機機構與凸輪箱搭配間之技術瓶頸,急待突破。該公司也替臺灣客戶積極尋求日本技術協助,使能找到最佳之組合早日克服困難。

  2年前該公司與日本技術合作,開始研發生產快速換刀凸輪機構,供銷日本市場,其換刀速度是:BT30(0.5秒),BT40(0.8秒),BT50(1.5秒)全部是依日本客戶需求設計製造之產品,速度快、體積小、重量輕,將來也希望能夠提供給國內工具機廠使用。

3-6 歐權科技

  歐權公司成立至今已邁入第5年,公司技術除自行研究開發外,並與日本高廣(TAKAHIRO)公司技術合作,開發各項產品。高廣公司每2~3個月皆由其技術部長率員來該公司技術指導;從設計、設備、組裝等方面逐項檢討並做改進。

  使得該公司產品除了具有高品質水準外,又有價格競爭優勢。

  工具機廠對ATC換刀機構要求方向:更快速、可靠的換刀動作。目前市場上大多採「提前鬆刀方式」,但在更快速的要求下,仍會出現不可靠的盲點,針對此問題,該公司與高廣公司研究開發油壓同動的ATC或使用機械同動打刀ATC來滿足更高的需求。

  該公司同時也配合客戶特殊需求開發ATC及應用滾齒凸輪機構原理的第四軸、第五軸、臥式綜合中心加工機B軸、車床B軸、立式綜合中心加工機U軸、工作台交換機構APC等開發。產業機械之應用產品有±5”高精度分割機。

3-7 尚金精密

  專業生產ATC自動換刀機構與高速精密分割器,成立短短5年,已有不錯的成績;面對各方的磨練,使尚金加速前進。不斷研發以提高產品品質,無論在任何自動化產業中,均能提供最佳效能、改善問題,並使產品發揮最大效益。

  秉持快速服務的精神,使客戶能夠在最短的時間內復工,以最精簡的人員,做出最大的效益。並致力於提昇產品精確度並朝多元化的方向發展。

4. 問題與挑戰

  面對全球經濟成長趨緩,加上中國政府大力扶植該國工具機產業,並且已將國防工業轉入支援民生工業。又有韓國、印度等國緊追在後,今後的產業發展勢必面對更加嚴峻的挑戰。欲突破此一困境,除了加強財務管控外;人力的儲備與新技術的研發應是迎接下一波景氣循環的最佳方式。

  由於國內業者多屬中小企業,企業規模較小,研發人力及資源較為不足。因此,若能有效結合學界及研發單位、法人機構;整合運用政府資源投入相關先進技術的研發,儘快掌握先進的技術方法,以不斷提高國產工具機及相關零組件的製造水準,拉大與競爭者的距離,方能永保競爭優勢。

 

 

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