立式五軸綜合加工中心機 開發計畫 ·...
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計畫緣起
隨著人類生活品質與科技水準的提升,對商品的性能與質
量要求提高,產業的潮流朝向追求多樣化、精緻化、個性化、
舒適化及環保化的商品特色發展,日益發展的 3C 產業、航
太、生醫與模具需求,使得強調高操控性與多功能、智能化、
省能源的商品逐漸成為全球市場的主流。為了進一步提升商品
的價值,滿足更多需求,如節能、省材、輕便、美觀等,所需
的零件呈現複雜外型與多曲面,傳統三軸加工已難以應付。對
於日趨複雜的加工需求,隨著近年發展的五軸加工技術逐漸成
熟,五軸加工機的高剛性、高精度、高速化、高生產效率的特
點,可在一次裝夾完成複合多曲面加工件一次成型需求的優
點,於大量生產的應用上已逐漸由五軸加工機來進行,使得五
軸加工機的需求量有著顯著的增加,本計畫將應用五軸工具機
進行開發設計,其開發重點為三軸與五軸共用之工作平台,如
下圖所示為多功能之工作平台之開發設計,當加工於大型之航
太工件時,可應用三軸之工作平台進行加工,當加工於中小型
之汽機車零件或生醫工件時,可應用五軸之工作平台進行加
工,達到多功能化之加工技術。為了提升公司產品競爭力及研
發能力,順應趨勢開發多軸向工具機。以現有一般五軸機型,
主要由三個直線運動與兩個旋轉軸組成,大致上可分為三大
類:兩軸旋轉主軸頭、兩軸旋轉工作台、一個旋轉主軸頭搭配
一個旋轉工作台。兩軸旋轉主軸頭形式的優點為主軸於加工時
相當靈活,工作台在固定不動的情況下,可加工相當大型、重
型的工件,此型的缺點為兩軸旋轉的部件需要相當的製造技
術,成本也高。第二種形式為兩軸旋轉工作台,主要的優點為
工件可以架設在工作台的旋轉中心,加工過程的補償行程最
短,缺點為工作台會承受工件所產生的轉動慣量,在某些加工
情況下產生相當大的轉動慣量容易對加工精度產生影響,因此
不能承受太大的載重量。第三種形式為一個旋轉主軸頭搭配一
個旋轉工作台,同時具有上述兩者的優缺點,以工作台內嵌C軸旋轉台,工作台面與旋轉台面為同一平面,比之常見兩軸旋
轉工作台形式需謹慎考慮轉動慣量相較之下,可得到較佳的載
重量表現,且在加工過程產生的切屑可直接落下集中於排屑裝
置也為優點之一。 綜觀以上分析,本計畫採用之五軸結構由
原 XYZ 三軸結構增加主軸做 B 軸旋轉,工作台內嵌 C 軸旋轉
台,即為工作台面與旋轉台面為同一平面設計,使載重量增加
功能性更強。加之設計B軸旋轉結構使用蝸桿蝸輪組具有高剛
性特色,與C軸採用高速高剛性之DD馬達旋轉工作台,與高
剛性與高承載力之滾柱式線性滑軌,達成高剛性化之五軸綜合
加工中心機台,具有廣闊的應用範圍,產品擴充性佳,衍生性
產品技術層次也較高。
新產品簡介
1.本機種採用高剛性結構設計提供大行程加工範圍,高剛
性床身結構完全採用高級米漢納鑄鐵製成,經熱處理硬化,硬
度超過HB190,再經回火處理,以消除內應力。2. B軸搖擺頭
採用高精度複節距蝸桿蝸輪組設計,自鎖剛性高,且具備齒隙
消除機構,傳動精確。搖擺頭迴轉部份採用高級滾錐軸承,確
保迴轉中心之穩定。最小分割角度 0.001°。3. C軸旋轉工作台
採用DD馬達直接驅動設計,採用ETEL扭力馬達,搭配高剛
性軸承與機械油壓式煞車系統,最小定位精度 0.001°。4. 三
軸採用 C3 級精密滾珠螺桿,並搭配高速高推力伺服馬達,進
給率可達 36m/min,切削速率達 10m/min。5. 本機種採用多軸
加工技術,適應多面體、多曲面複雜外型加工需求,可避免工
件在不同機台之間多次裝夾產生的位置精度誤差,實現高精度
與高效率加工,提升加工效益。6. 主軸頭 Z 軸配重採用閉迴
路氣壓平衡系統,改善傳統配重塊共振問題或液壓系統保養不
易等缺點,使主軸於垂直移動時產生的動態特性能得到更好的
改善,確保加工品質的精度與穩定性。7. 為避免 B 軸搖擺時
主軸與刀庫產生干涉,本機種採用移動式刀庫設計,刀庫搭配
線性滑軌與油壓缸驅動的方式,在換刀完成後將刀庫移動至後
方,可避免干涉異常。
圖、機台鈑金外觀
計畫創新重點
三軸提升五軸所帶來的加工效益,複合化的目標為使用單
一機台利用一次裝夾完成所有的加工程序,確保工件品質同時
提高生產效率。為了適應多面體、多曲面複雜外型加工需求,
採用多軸加工技術,包括五軸同動功能,使用單一機台完成所
有的加工程序,可避免工件在不同機台之間多次裝夾產生的位
置精度誤差,實現高精度與高效率加工。為了達成五軸加工,
本機台採用 B 軸搖擺主軸頭搭配 C 軸旋轉工作台形式,本計
畫將開發設計多功能之工作平台,其創新處如下:1.本多功能
工作平台可應用三軸大型航太零件與五軸中小型之生醫與 3C零件。2. 多功能工作平台結構外部切削液冷卻功能與內部水套
冷卻功能,降低熱變形。3.多功能工作平台結構外部切削液可
進行沖屑之功能。4. 多功能工作平台結構應用DD-MOTOR進
行驅動,提高定位精度與重覆精度。 本計畫所開發設計之
多功能之工作平台主要目的將工作台進行研發設計增加 C 軸
之功能,C軸旋轉工作台採DD馬達直接驅動設計,採用ETEL轉矩馬達,搭配高剛性軸承與機械油壓式煞車系統,最小定位
精度 0.001°。配合永磁式馬達提供的大扭矩輸出切削,高功率
與高剛性將可提供各種不同領域包括精密模具業、醫療器材、
航太應用如鈦合金等之難切削材料加工。工作台內嵌 C 軸旋
轉台,工作台面與旋轉台面為同一平面,可得到較佳的載重量
表現,且有助於加工過程產生的切屑直接落下集中於排屑裝
置。本工作平台在高速切削時具有輕量化之特性與功能,已達
到高速高精度之五軸工具機之特性。競爭力分析
優點缺點機會威脅技術機台高剛性特色與採用 B+C 軸運
公司小檔案
成立日期:1976 年
負 責 人:謝莊惠美
資 本 額:2800 萬
員工人數:75 人
經營理念:嵩富公司為了符合客戶需求及市場需求,每年都有新產品開發。此外也配合客戶需求開發所需的機器。
希望藉產品差異性以提升工具機產品更多之附加價值,在市場上更具競爭力,提供更優良的品質及技術
及提供有效率的服務,不斷求新求變,創造卓越的成果。更有〝敬業專精〞〝客戶至上〞〝品質第一〞
的技術團隊,持續進步及共創雙贏利基是我們的理念,永續經營是我們的目標。
本案合作之技轉單位:1.勤益科技大學 2.財團法人精密機械研究發展中心
立式五軸綜合加工中心機
開發計畫
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動技術,能為本機台提供市場區隔,並已建立完整的加工
及零組件支援體系國內設備業者多為中小企業,研發經費
偏低航太、船舶、汽車、流體、模具、生醫等相關領域,
對於複雜零件的需求量持續擴張針對本機台所使用的技術
已進行研究並掌握開發此項產品的 know-how,在技術上
並無威脅性功能對於客戶來說,該機台在選配件功能的可
用性與潛在價值上具有與競爭者相同甚至更好的條件,提
供客戶最好的解決方案無形狀複雜零件,可利用 CNC 可
程式化的加工流程,不同製程的安排,經由複合加工式,
完成複雜零件加工無規格規格上與國內相較之下高出一個
等級,並且向國外高規格機種看齊無其加工零件的材料不
限於鋼,另外亦包括不銹鋼、黃銅、鈦、鋁、鉑銥合金等
無市場嵩富公司長期以來的銷售策略為全球佈局,系列產
品於亞洲、歐美市場已有一定品牌知名度
無在亞洲、俄羅斯、南美洲等快速經濟成長區域,提
供優惠價格的產品配合高生產效率及高精度性能,需求將
會增加隨著經濟效應影響,各大廠無不提供更為優惠的售
價大打價格戰,在相同價格區間,性能最優秀的產品將勝
出銷售價格國內產業機械降低製造成本的設計技術強於國
外商品,在相同的規格與品質下,該機銷售價格將略低於
最好的競爭者無面臨成本競爭壓力,積極尋求設備本土
化,對於新的產品線,具競爭力的價格優勢將可成為開拓
市場的有力武器無本機台之應用範圍主要定位在加工複雜
曲面的零組件,從航太科技、動力內燃機零件、醫療器材
與精密模具,應用範圍相當廣泛,其相關應用如下:
1.航太科技加工:渦輪葉片、螺旋槳葉片等
2.動力內燃機零件加工:傳動箱件、汽缸體、閥件或
泵浦組件等
3.醫療器材:人工關節、牙齒、骨骼等
4.精密模具業:汽車板金模具、射出成型模具、橡膠
模、輪胎模、保特瓶模具、鞋模、各類精密模具等
研發成果及衍生效益
1. 主軸溫昇與冷卻系統資料建立 2. 旋轉軸冷卻系統
與水環系統資料建立 3. 整機動靜剛性及主軸靜剛性資料
建立 4. B、C 軸定位精度及重複精度資料建立 上述資
料均有產出測試報告
專案執行重要心得
本次計畫由委員陳政雄教授建議在主軸與旋轉軸進行
熱溫昇的分析,建立公司內部之設計資料,因此委請勤益
科技大學進行不同主軸形式建立資料庫。