切削加工泛指透过主轴(Spindle)的转动,带动工件或刀具旋转,以提供加工所需的切削速度,藉进给机构的运动,进行刀具与工件间的相对运动,使工件材料在刀刃前缘依设定条件形成切屑,以达所需的材料移除。
切削的目的,在移除工件表面多余的材料,以获得所需的工件几何形状或表面尺寸特征。根据多年的演进,依工件形状及需求,已开发出各类加工法,如车、铣、磨、刨、钻等,所涉及产业,涵盖民生、汽车、航天、半导体、光电等。在世界各地,每年有数十、甚至百亿美元的花费用于切削。
切削趋势→高速、复合化
根据近年各国机床展所透露之切削技术趋势,涵盖︰高速化、复合化、知能化、精微化、硬切削、涂层刀具等。本文将就此解析,并推论未来的发展。
高速切削加工可就高速车削与高速铣削分别来讨论。早在90年代初,高速车削便成功应用在航天组件的制程,以加工铝合金及铸铁为主。由于高速车削会生成锯齿型切屑,导致周期性变动切削力,类似加工颤震,若加工高强度材料,则会加速刀具磨耗,形成粗糙表面,因此应用有限。至于高速铣削则有所不同,根据加工运动学及动力学分析,当铣削刀具转速愈高,则单位时间刀具进给所形成的切屑愈薄,而切屑厚度通常决定切削力及切削表面。当其它条件相同时,刀具转速愈高,切屑愈薄,切削结果愈佳。
现今高速加工机,虽能满足高速加工的条件,却仍有三个问题待解决。切削速度提高,轴向切深必须降低,否则高切削力会导致刀具变形、精度不良,可藉刀具重新设计来因应。高速铣削时,刀刃在快速的切削─出离的循环中,表面的切削热会迅速累积;当刀具温度达某临界值后,其强度因而下降,在刀刃附近易出现变形、崩断;可藉加工策略的订定来因应。针对高进给之曲面加工,即使加工机控制器能有效数值插补反应刀具运动,仍可能出现切削不足或过切的情形,而降低加工精度,此肇因于刀具几何形状,及主轴动量过大,此一议题尚待解决。
产品微小化→微加工成主流
目前高速铣削的发展,在利用高速主轴,搭配第四、五工件轴,进行3D加工,已逐渐取代雕模式放电加工,且能有效提高制程效率。即便如此,在全球化的竞争下,仍要求更高的效率。约在五年前,复合加工的构想俏然登场,成为增加制程效益的途径。所谓复合加工,是将车、铣、钻三种加工复合于同一机,包含刀具轴及工件轴,如图一所示,工件可在不卸除的前提下,依加工顺序,或逐一、或多轴同动进行加工。此型机台必须确认多主轴的同心度与平行度,及CNC控制单元对工件与刀具的定位及运动精度。在技术面上,有关NC程序的产制及加工刚性的维持有待强化。
近来许多产品有尺寸微小化的趋势,如3C、通讯、光电等,其所需组件尺寸自然下降,这些组件的量产仰赖精微模具技术,而模具的制作,则须进行精微加工。当以微刀具进行加工时,为求降低成本,必须开发适用的设备及搭配的精微加工技术。在精微加工技术中,以微铣削、微放电、及微雷射为技术主流,其中微铣削的目的在于产生所需的微细轮廓、表面特征等,在技术层次上,与传统铣削截然不同,无论是加工条件、控制、材料等,均有待后续的发展。
硬切削刀具问世→技术更纯熟
在软化的状态进行粗加工、粗略完成所需,经硬化处理后,再施以精加工确认精度及表面光度,是常见的组件制程,不但费时、不经济,对加工预留量的拿捏更需经验,于是出现了硬切削技术的构想。
以超高硬度刀具,对硬化后工件,直接加工、快速完成所需制程,不但可免除磨削,获取所需组件精度及表面,制程效率更因而提高。刀具硬度高,韧性自然不足、不耐冲击,若有加工颤振则会降低刀具寿命、恶化加工结果。加工机必须提供足够刚性、切削速度、及主轴功率,以避免颤振、克服加工阻抗;且应具足够精度,以便加工后直接确认组件精度。目前以使用CBN(立方晶氮化硼)刀具为主,价格虽昂贵,但加工效益精良。近来陶瓷刀具的使用,如氧化铝刀具,效果颇受好评,但过于硬脆,使用稍有不慎,易于断裂,使用条件较严苛。硬切削虽已提出多年,适用刀具与机台逐渐问世,此技术即将受到重视。
切削技术的发展是要提供快速、价廉、质量佳的服务。在过去的努力下,已将加工技术带入精密、自动、全方位的境界。殷切期盼,此项技术能获得产、官、学、研的重视、与投入,以期国人的产业能力,能在全球竞争中占一席之地。