車 床 概 論

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

轉載自機械月刊 2001/308/3月號/工具機專輯

一、前言

在介紹整個車床發展演進史前,有必要先簡介工具機,何謂工具機?根據國際標準機構(ISO)與美國工具機博覽會(IMTS)對工具機所下的定義綜合:「一種利用動力驅動且無法以人力攜帶的設備,藉由切削、衝擊等物理、化學或其他方法的組合,以達到加工物料目的之機器皆可定義為工具機。」因此包含車、銑、磨、折彎、剪斷、放電加工、雷射加工等設備都是屬於工具機,近年來由於資訊產業的發達,帶動相關週邊設備的開發,此類產品亦有一部份被歸類成工具機,例如PCB鑽孔機、晶圓切割機等皆是。

工具機依其加工的類別不同而區分成數十種,主要如車床、鑽床、搪床、鉋床、銑床、磨床、齒輪加工機、拉床、鋸床、放電加工機、雷射加工機等與最近四十年來才興起可一機擁有銑、鑽、搪等多項功能的綜合加工機。如依其應用的範圍不同又可歸類成二大群,汎用型工具機與專用型工具機,前者的加工範圍大、較不受加工件的大小、形狀、重量限制,適合較彈性的加工,但使用者必須具備較多的專業技術,比如對機器特性的了解、刀具的選擇等等皆是,而後者是為了大量生產而製造出的機器,加工範圍常受到料件的大小、形狀的限制,只適合加工某領域的另件,故無須十分熟悉的技術即可勝任。雖然工具機的發展已有數百年的歷史,種類愈來愈多,但最近似乎有整合的趨勢,比如綜合加工機的開發就是一例,像近10年才堀起的複合加工機,有將CNC車床與綜合加工機二者結合的趨勢,而且專用型與汎用型工具機的界限亦不再十分明顯,將汎用型工具機以模組化的方式組合成某一產業合適機器愈來愈多,所謂的汎用型專用機已是為大家接受且更能符合客戶需求的機器。

 

二、車床的發展史

       車床的發展大致可區分成四個階段,雛型期,基本架構期、獨立動力期與數值控制期,底下將針對其發展的過程加以介紹。

                   車床的誕生不是發明出來的,而是逐漸演進而成,早在四千年前就         記載有人利用簡單的拉弓原理完成鑽孔的工作,這是有記錄最早的工具機         ,即使到目前仍可發現以人力做為驅動力的手工鑽床,之後車床衍生而出         ,並被用於木材的車削與鑽孔,英文中車床的名稱Lathe(Lath是木板的意思           )就是由此而來,經過數百年的演進,車床的進展很慢,木質的床身,速          度慢且扭力低,除了用在木工外,並不適      合做金屬切削,直到工業革          命前。這段期間可稱為車床的雛型期。(見圖一)

圖一:木工車床(資料來源;全華科技:工具機,p7)

 

                        18世紀開始的工業革命,象徵著以工匠主導的農業社會結束,取而          代之的是強調大量生產的工業社會,由於各種金屬製品被大量使用,為了          滿足金屬另件的加工,車床成了關鍵性設備,18世紀初車床的床身已是金          屬製,結構強度變大更適合做金屬切削,但因結構簡單,只能做車削與螺          旋方面的加工,到了19世紀才有完全以鐵製零件組合完成的車床,再加上          諸如螺桿等傳動機構的導入,一部具有基本功能的車床總算開發出來。但          因動力只能靠人力、獸力或水力帶動,仍無法滿足需求,只能算是剛完成          基本架構的建構。(見圖二) 

 

圖二:人力車床(資料來源;徐氏基金會:工具機及機製實習()p510)

 

   瓦特發明了蒸氣機,使得車床可藉由蒸氣產生動力用來驅動車床運轉,此時車床的動力是集中一處,再藉由皮帶與齒輪的傳遞分散到工廠各處的車床,20世紀初擁有獨立動力源的動力車床(Engine Lathe)終於被開發(見圖三),也將車床帶到新的領域。此期間拜福特公司大量生產汽車所賜,許多汽車零件必須以車床加工,為了確保零件供應充足,供應商必須大量採購車床才能應付所需,即使到今天車床的發展仍受到汽車產業的榮枯所左右。

 

圖三:動力車床(資料來源;徐氏基金會:工具機及機製實習()p510)

 

20世紀中,電腦被發明,不久電腦即被應用在工具機上,數值控制車床逐漸取代傳統車床成為工廠利器,生產效率倍增,零件加工精度更是大幅提昇,且隨著電腦軟、硬體日趨進步與成熟,許多以往視為無法加工的技術一一被克服,CNC化工具機的比率成了國家現代化的重要指標。(見圖四)


 

圖四:CNC車床(資料來源;台中精機:TNS-O)

 

   從歷史的角度來看促使車床發展除了18世紀工業革命與20世紀汽車業興起是主因外,另一項主因是切削刀具的進步,早期使用的切削刀具材質是碳鋼,切削速度只能限制在20m/min以下,而且加工精度不佳,之後刀具材質採用合金鋼,仍至今日的陶瓷刀具,切削速度更提升到1000m/min以上,於是車床轉速愈來愈高,進給速度也愈來愈快,而且加工精度也從百年前的1mm大幅提高到0.001mm,進步之快除了刀具的改良與技術的提昇,當然有數值控制的配合也是最大的功臣。

                    台灣車床的發展始於1950年代,之前設備不是從歐美、就是從日本         進口,1950年代楊鐵與台中精機首先投入傳統車床製造的行列,1970年代         台灣從農業社會邁向工業社會,經濟大幅成長,並以出口為導向,讓愈來         愈多廠商加入工具機生產的行列,由於品質穩定、價格低廉,從1980年代         起成為世界上主要工具機生產國之一,對台灣工業現代化功不可沒。

 

                        何 謂 CNC ?

                   近來政府大力倡導工業自動化,而工業自動化中最基本的單元即是          電腦數值控制機械。所謂「電腦數值控制」,乃利用電腦配合學理製作N          C程式,產生數值資料來控制工具機執行各種加工動作。與傳統機械比較          ,此種機械精度高,又不受操作員心理的影響,故製造加工之產品品質穩          定,目前受到各種加工業採用。數控工具機實習主要介紹NC程式的撰寫          ,包括準備機能G碼、輔助機能M碼、進給率能F碼、主軸轉速機能S碼及          刀具機能T碼,以組成完整的NC程式,並上機實際加工實習。

                   電腦輔助設計製造主要介紹MasterCAM軟體,包括圖形建構、加          工參數設定、刀具路徑模擬及NC程式自動產生並上機加工。前者為簡單          的工件加工,目的在使學生了解程式的語法及意義;後者為複雜的曲面加          工,目的在使學生了解複雜工件的製造方法及技巧,兩者相輔相成,才能          對數控工具機在產業界上的應用及優點,有深刻的體認。

 數值控制工具機介紹

             數值控制工具機(CNC Machine Tools)就是在工具機裝上一套電腦          數值控制系統(Computerized Numerical Control System),藉著輸入數值資          料到電腦數值控制系統,電腦數值控制系統經計算後發出命令,對工具機          進行主軸運轉、刀具更換、刀具移動、冷卻劑開關‥‥等控制,以完成程          式設計者所預期的動作。

 

              數值控制工具機(CNC Machine Tools)應用流程如圖1所示;各式          各樣的數值控制工具機(CNC Machine Tools)介紹如圖2及圖3所示。

 

1數值控制工具機應用流程圖

 

2  斜背式CNC車床

 

3  CNC立式及臥式加工中心及CNC五面加工機

 

 

 

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