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机械资讯 745期
未来追求的生产加工技术

翻译/蔡淑芬
大阪台湾机械服务中心
JIMTOF 2018中，相当有企图地展示了许多项目，也包括了可以主导未来的生产加工技术。汽车目前正大大地转向EV发展，使得“制造”的需求正在急剧地变化，生产加工技术以及相关的工具机也急剧地变化中。在这里，为了能够更了解生产加工技术及工具机，我们收集了JIMTOF 2018相关资料。另外也将报告目前大跃进的中国工具机的最新动向，加上JIMTOF 2018开幕前的IMTS报告，作为未来生产加工技术、工作机的展望。

「工程设计」是可以对应不断变化的「加工场所」
—JIMTOF 2018收集资料的整理推荐—伊东 谊*

JIMTOF因为汇集了工具机、相关附属件、及切割 磨具制造商，从「加工场所」、如工具机—附属物—工具—工作物等一系列(加工空间的连锁)等，所以也是收集相关最新的综合资讯的最佳时机。特别是在双主轴复合车削(Mill-Turn)加工机在急速进步的同时，夹具(Chuck)与刀具的复杂性也在迅速的发展，所以有必要作一个综合性的了解。提到有关「加工空间的联系」，话题虽然主要着重在「抑制振动」和「减少热变形」，近来「确保高加工精度及同时降低加工成本」的议题，也变得愈来愈重要了。
提到加工精度，虽然和「工程设计」有着密切关系，但是到目前为止，有一些征兆正在改变这样的常识。在本文中，将讨论一般较少提及的「工程设计」，作为笔者个人意见的阐述，也希望作为JIMTOF参观的参考。但是若是从大方向来看「工程设计」，已经是个陈旧的议题，因此本文会更仔细着重在「工程的集约及统合」、「加工时间及设置组合时间的缩短」，进一步讨论有关「工程合理化及加工成本的降低」等议题。

1.前言

「物品制造」的核心之一，是在提出零件图时，也要作「工程分析」、「工程设计(包含加工设计)」，当中也包含「加工成本的计算」。也就是说，即使是弹性生产的系统设计中，在系统中处理众多零件的过程是工程设计的第一阶段。
有关工程设计， 电脑整合制造CIM(Computer-Integrated Manufacturing)在1980~1990年代造成了很大的话题。关于下列CIM为主的议题，也进行了很多的学术研究及技术开发，包括电脑辅助设计CAD (Computer-Aided Desing)和电脑辅助制造CAM (Computer-Aided Manufacturing)、自动加工设计，或电脑辅助操作制造CAOP (Computer-Aided Operational Manufacturing)，以及当中的连结过程，如自动工程设计CAPP (Computer-Aided Process Planning)等。
在CAPP中，为了完成零件，会输入零件图，其中包括了详细记载的平面讯息(几何讯息)，从几何讯息转换到制造讯息，接着是一组「加工方法」和「加工处理顺序」的输出。在这里会有问题的，举例来说「圆筒外围面的加工」，虽然是很简单的一句话，但是在这里是要使用固定工具、还是旋转工具，又加上光是旋转工具就有各式各样圆筒形状的制造方法。简要来说，因为「几何讯息不是和制造讯息是一对一的关系」，因此同一零件会因企业不同而不同、或即使是同一企业中，也会因负责工程设计的人不同，有不同的设计结果出来，也可能因此导致无法判断何者是正确的状况产生。另外在某些时候，与「加工成本」一起，工程设计可以将输入讯息输出到构成的CIM的材料资源计画MRP (Materials Resources Planning)。
此外，在工程设计中，因为熟练的工程设计师具有的专业知识是关键，因此结合专家型的CAPP，可以透过透视熟练设计者(Eye Camera)的思考模式，因此直觉型CAPP也被提了出来。此外，在工艺设计中，经验丰富的工艺设计师的专业知识是关键，因此结合它们的专家型CAPP可通过眼睛相机和熟练设计师的专家类型思想来实现，CAPP也被提议。不过这样的提议并没有顺利地实现出来，反而是下面的实例被实用化了。
(1)最近市面上出现了各种帮助生产活动的软体，但它们通常和CIM最上游或最下游有关。当成为CIM的最下游时，主要内容是针对自动加工设计和自动工程管理，有关工程设计的数量变少了。顺便一提，目前Ubisenese公司正在为智慧工厂的云端提供相关软体(相当CIM的最上游)。
(2)目前市售的CAPP，通常使用群组科技GT(Group Technology)、或特殊技术FT (Features Technology)对零件进行分类，累积过去的设计实例，并和新零件设计作比对。到目前为可以用来对应新零件的「创成型(Generative) CAPP」，虽然已经有许多的学术研究了，但至今仍无法真正实际应用出来。
(3)专家型CAPP可以说是创成型CAPP的展开型，但为了能实现，必要及不可欠缺的是「加工技术Know How」的资料库(Data-Base)的建立，大约在2005年的新能源‧产业技术开发机构推出「物品制造‧IT融合化推进技术的开发」的专案计画。
(4)日本工作机械工业会在2011年发表的新一代生产系统软体相关的报告书中，主要的内容为多轴控制用工业机械CAM。
(5)关于CAPP的学术研究，有一些也针对像复合车削Mill-Turn这样高度加工功能的集成型工具机进行了研究。然而，经由「材料形状」和「目标加工形状」，来追求几何形状的连续变化，以研究加工顺序的相关研究，事实上研究结果和工程设计的实务面有很大的偏离。
为此，包括目前CAPP的问题，可预测的是在未来会有新局面的展开。这可以透过观察加工空间变得普及化更可以了解。换句话说，除了Mill-Turn这样高度加工功能的集成型机种普及化之外，同时爪夹具也变成模组化夹具(Modular Chuck)，因此模组化工具与创新的工具也正急速地开发中。虽然这些都没有考虑到「加工空间的联系」，但其组合也许是目前为止工程设计的巨大改变的预兆。
图1为上述预兆的实例之一，图1所示为需要「同心度」的轴类零件。在这里的「单轴型TC」，使用爪夹具加工，有以下两种方法。(1)如图所示，设置有「可丢弃抓握部分」，在和加工之后，作「背后突出部分切割加工」，也就是将「可丢弃抓握部分」切割后，即完成零件加工。也就是如图所示，背面突出切割工具的功能近来也有急速地提升。
(2)完成部分加工后，再夹住，进行部分的加工。在这个方法，当然因为同心度降低，为了确保抓握的精准度，透过「生爪成形」或「治具(外径芯)」进行抓握，之后再进行部分的加工。
相对地，如图所示，若在对向双轴式TC中使用套筒夹具(Collet chuck)，则在两主轴的同心度优于加工要求的同心度的条件下，a部分在第一主轴加工后，工作件透过「转移」到第二主轴，抓住并进行b部分的加工。这三个方法很难判断哪一种方法最适合用来确保加工精度和减低加工成本，但是感觉上使用对向双主轴型是比较有利的。
因此，由于传统的工程设计是属于一直线的运作设计，在本文中笔者将结合所收集到的资料，以NC铣床及TC为对象，阐述有关工程设计的新发展。只是在各企业中，可以对应最尖端的加工空间的工程设计、及电脑辅助设计等，会以某种型式发展及进行，这由于都是属于企业的专有技术及企业机密，需要考量的部分很多，所以大部分都是不公开的。

2.工程设计的困难度及流程

工程设计是基于零件图中所记载的讯息，在现场称为「材料去除」，就是从「确定原材料或半原材料的尺寸、形状」开始，包含「选择要使用的模型」、「加工计画」、「治具及夹具的选择」等的「加工方法的确定和加工顺序」。在这种情况下，考虑到加工全体的零件的精度、热处理的有无、批次(lot)数、容许的加工成本等，此外，在自家公司及下游包商中的工具机设备所可能达成的加工精度、准备的心轴(Mandrel)的尺寸系列、可使用的切割刀具种类等，也需要加以考量，这些是具有复杂且矛盾的特性。
简要来说，虽然工程设计的流程最初看时会觉得很简单，但「基本技术的NowHow」在各处理工程步骤中，有着重要的角色功能，并且它们彼此是密切相关的。当中的典型的例子，可以在「材料去除」和「前工程加工的品质影响后工程」中看到，如表1及表2中所显示的几个代表例。在此同时，零件图的制作者经常需考虑「零件构成过程」和「加工成本」来作零件图的制作，并且是需要在设计的过程中常常要考虑进去的。
如图2所见，即为当中的一代表例，显示加工计画的不同，如果是底面图(a)为双刀片端铣刀(Endmill)由轴向接近套筒刀具(Turret)，如果是(b)，则是从半径方向接近。顺带一提，由于前者的其他孔、螺丝孔的加工方向和工具轴的方向相同，所以可以减少「不必要的时间浪费」(图中为避免复杂化，仅显示主要尺寸)。
如此一来，工程设计是一项困难的作业，需要有熟练的工程设计师处理才能够完成。在这里，将透过以下的整理，说明熟练的工程设计师在决定加工目的，及「零件图记录的资讯」的工程设计的流程，并以图3来表示之。可能这样的流程是不会改变，但是由于精加工、精细加工会有新的改变，因此也将介绍以下内容。
零件主要是透过(1)主要成形运动和(2)次要成形运动的组合形成的，如果机器是像Mill-Turn这样高度功能集合的机种，前者是「在加工空间的周围配置主轴及套筒刀具一样的构造组成单元」的运动机能的组合，又后者是「附件和工具」的运动机能一般的组合。在这里，如图4所示，将「连环的加工空间」图示化，将可能的组合及适合的组合都显示出来，有助于选择。另外，图4为「外圆切割」的实例，「外圆切割」是多使用旋转工具来做加工，使用的机种及工具组合需要考虑具弹性的组合。另外一方面，工程设计使用的机种，大多在次要成形运动的工程设计上也要有革新的设计。
在这里，以图5中显示的作为参考，图中显示加工全部零件及其所选用的机种之「工程记号」及「工具机的功能描述」(机器可能的运动轴的组合表示)。机种的选定，是使用机械所定的座标轴，工程记号显示的为加工方法的运动变换，这当中也包括了功能描述的判断。也就是说，如图示要将零件组合完成，需要有C/(X+Z)+/Ca(X+Z)的形状成形运动，TC可以是C/(X+Z)+/(Aa+Ca)(X+Z)的形状成形运动，因此是可以对应这个零件的加工。
虽然这个选择方法有这样的用途，但是它无法表现加工能力，因此保留为定性的加工顺序的指示。因此，如果将工作设计中的切割条件设定回馈(feedback)到图3，则加工效率、加工能力等重新调整后，使得加工顺序也能够再调整，如此将打开一条实用的道路来。

3.工程设计变革的驱动因子—其一 先进高度加工功能的集成型加工机的普及

代表复合车削加工机的高度加工功能集成型加工机机种，其多样性的加工功能是众所周知的，一台可以抵传统地方工厂的所有加工功能。因此，也被期待可以大幅减少加工的时间，不过工具计画会很复杂，但结果会对工程设计产生重大影响，因此有关这议题尚未有深入的讨论。
然而要讨论这个议题的关键主要在于，机械本身的主要形状创建运动和次要创成功能的区别。特别是在次要形状创成运动中，必须把握的是可以达成的机械设计样式的加工精度及最大加工能力。更甚者，近来机械本身所附设的齿轮切割、研磨、雷射处理、3D列印等加工功能等的增强效果。在图6中，为目前使用的高度加工功能集成型加工机的分类，在这里以工程设计变革的观点来看，包括主轴的排列形态，特别是对向的双主轴型，和次要形状创成功能为主要对象。也就是垂直方式，或称为「Spindle-over-Spindle」构造，在学术上虽然还没有被验证，但产生热变形是比较小的。在这种情况，即使称之为双主轴型，但会因为主轴排列的不同而具有不同的特性，这一点需要特别注意。又遗憾的是，主轴排列方法的差异对机械的各种特性的影响，在目前也还是不够清楚。
在图7中所示，在复合车削的铣床主轴头上，加上环形铣床，或NC旋盘的套筒刀具上装上齿轮切割单元，进行齿轮加工。前者是机器本身的「次要形状成形运动」，另外，后者也是同样的次要形状成形运动，同时透过加工单元增强了功能。虽然和弯齿齿轮或平齿轮等是不同的加工物，但是当考虑到所需要的加工精度和加工效率时，讨论到有哪些的方法对工程设计是有利的相关议题时，这便是个典型的例子。

4.工程设计变革的驱动因子—其二 功能、性能面高度进化的夹具及切割工具

如要讨论像本篇这样的标题时，很难将重点着重在改进切割、磨削工具的功能及性能提高等上面，但若是改变一下观点，重点放在工程设计的合理化上，便能够得到一些实例了。像是2015年，3M将使用「精密成形三角形状的陶瓷磨粒」的「CUBITRONTM II」砂轮市售。使用这款砂轮，可以有将「带刺的微细切削屑」变成「流线形」的效果，但没有提到有关工程合理化的相关内容。

4.1 模组化夹具(Modular Chuck)

有各式各样抓取工作物的夹取装置，但一般最常使用的是爪夹具及套筒夹具(Collet chuck)。以工程设计合理化的观点来看，将夹具和工作物组合后，再装置到主轴上，在这里要缩短装置的时间便是个问题。因此，快速更换夹具，或是小型夹具本身的自动更换等，都是技术发展的重点。
在这当中，目前最受到注目的技术是模组化夹具(Modular chuck)了。因此，特别注意图8，即为模组化夹具，此夹具本身就能迅速交换各种工作物的夹具模组，包括可更换成套筒夹具、爪夹具及心轴。因为夹具本身可以自动切换，因此大幅减少组合的时间。顺带一提，当使用套筒夹具时，如图所示，不同于一般的Collet，夹具的外表面是平面的，因此可以具有非常好的抓握精准度。
在这里，笔者特别在工具机展上特别留意到的是这个模组化夹具(Modular chuck)的加工精度。在心轴上有分割型斜滑块Dumpingbush(表面研钢烧制、硫化处理)，因为可以应付在齿轮加工切割时产生的显着冲击，因此可以用来作齿轮的加工及齿轮切割。但是在目前所公开的资料中，外径120mm、同心度0.01mm，但没有显示有关可以达到的齿轮精度。因为在齿轮切割后可以把抓住齿轮，又在热处理后以齿轮的Pitch circle为基准，在齿轮的轴上打上孔，即以「孔治具」在抓住的齿轮面上作研磨完成加工，其加工精度的确保是笔者比较感兴趣的。简单来说，虽然可以维持加工精度，但是从工程集约的角度来看，研究有哪些可以代替难以掌握的齿轮刚度的一般性的齿轮夹具，是非常有价值的。
尽管不像模组化夹具那样地具有灵活性，但如图9所示，认为附有(Face Driver)及夹具的组合，同样地可以影响工程设计。当爪回缩时，以夹具之面板抓住工作物的一端，处理抓握的工作物的表面，再以夹具抓握进行主要的加工(帝国夹具、SMW等贩售)。当然，Top Jaw的设计也是很重要的，图9为Schunk公司的特殊top jaw快速交换的方式，此方式是以「摇动式多点抓握」，可使较薄的工作物因抓握而产生的变形减到最小，也不必使用「孔治具」。
此外，和安装在套筒刀具的切割工具一样组合方法的「旋转中心」，目前在市面上也有贩卖，这也将和工程设计变革有某种程度的关系。

4.2 切割工具

工程的集约是「组合工具」，此外，在1980年代时，提到「设置时间的缩短」就会想到模组化(Modular)工具，即使到现在其功能及性能已经被高度化并广泛被使用。这当中有一些工具可以对工程设计带来重大变革，而其他工具则仅限于改进。因此，在收集有关JIMTOF的资讯时，对于这一点则必须要做很重要的判断。
顺带一提，如果是组合工具，会是组合式刀具(Gang Cutter)、钻 铰刀(Drill Reamer)、表面研磨(Skiving)工具和抛光(Burnishing)工具的组合，以及倒角刀片钻头(Drill)。例如Mapal公司的「多段钻孔工具」，从以前就已经很有名了，到现在也一直被使用。但是，如图10所示，「插入物(insert)的结合刚性及垫子(pad)的性能向上」，另外「刀片前端易于调整」等的程度也有改良。
此外，柄部模组(Shank Module)、Adapter Module及切割刀模组的组合，是常见的模组工具，如图11所示，为端铣刀(Endmill)及可迅速交换型的切割刀模组的组合，可以大大地缩短设置的时间。另外接头是锯齿形(Buttress)螺丝，可以提供结合刚性，同时又可以简化作业。可以参考图11之可迅速交换型的切割刀片的Drill。
接着，图12是铣床，为推测插入形状和固定方法适合车铣。虽然制造商似乎不打算这样使用，但在后面会提到的Dieterle公司的多边形切割机中，就用来作为旋转工具的旋切割，且大大提高工程的合理化。接下来将介绍几个笔者认为革新的工具。

Dieterle公司的背面加工用工具

单轴TC使用的零件加工完成之再夹动作时，不可缺少背面加工，图13为Dieterle公司的「逆向拉伸外圆切割和凹槽咬合」和「逆向拉伸外圆切割及表面切割和仿型咬合」，从这些图中可以期待大型工程合理化。在这里，后者可说是仿传统型旋盘的「仿型咬合」的再活用。
以这样的方式，如图14中Dieterle公司的实例所示，因为切割工具的性能提高，即插入及固定的方法改善，使得可以考虑利用靠近切割咬合进行外圆的切割。因此，图15显示为Kennametal公司的窄槽加工用铣刀(滑动铣刀和普通切槽铣刀的中间型)，在插入物的固定上有了新的方法。

Mapal公司的「Scroll-Free Turning」用工具

轴物被烧入的轴承座面或密封面的加工，如图16所示，经由倾斜配置的刀片(PcBN制)进行总模具切割，或是像刮(skiving)一样的切割方式，工作物在一个步骤中，不用经过研磨工程就可以完成零件。Mapal公司虽然原定是以固定工具的使用型态，但是如果用来做为旋转工具，用于turn milling，也许会得到更好的效果。

以旋转工具旋切割

近来透过像是waring、turn milling等旋转工具进行旋切，已经逐渐被广泛使用，而waring在以前比较为人所知的是「Mach的高速螺丝切割」，是处于次要地位。但是，Dieterle公司的多边形切割机(Polygon cutter)的适用实例如图17所示，透过刀片的配置、主轴(工作物的抓握)及工具旋转轴的旋转数调整，可以进行异形断面形状的轴物加工。简要来说，因为可以一个工具进行轴物零件的圆筒部分及平面部分的加工，对于工程合理化很有帮助。

5.结语


在本文中，以NC旋盘、TC为对象，除了讨论有关与确保加工精度非常有关系的工程设计外，其他和这些有密切关连的「连环的加工空间」、另外像是「抑制振动」和「减少热变形」也十分地重要。因此，今后以上述为对象的观点作为出发点，在工具机展收集相关资料也是有帮助的。另一方面，如同本文中判断的那样，附件及工具制造商很多，使得这类商品的开发、发展蓬勃，因此也可以收集到本土化、细致、又能够持久的情报。特别是从附件及工具制造商的工程设计观点来看商品的优点，这是十分难得的资料。
附注要提的话，主轴旋转数为5,000rev/min以上为目前一般的加工常识，但因离心力使得抓握力降低，为因应高速化所产生的问题之处理方式，有学者主张采用「压轴式Wedge爪开闭机构」的夹具。
资料来源：机械与工具，2018年11月号，P.7~P.17。
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