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1、卧式BoxinBox线型工具机之发展及技术现况臥式Box-in-Box線型工具機之發展及技術現況 林文達&簡瑞榮前言高速切削加工在國際上發展，在近年來主要之訴求為高轉速主軸、高加速主軸、高進給速度及高加速度，藉由速度的提升而達到提升工件表面輪廓精度及幾何精度的目的，高速切削的另一個目的在於提升切削加工效率，由搭配高功率之高速主軸以及高加速、高速進技術，大幅提升切屑移除率近年來，隨著高推力線型馬達的發展及其應用於工具機領域之相關技術日趨成熟，使得工具機近幾年在進給速度上有顯著的提昇，本文將針對目前國際上臥式線型馬達工具機之發展現況以及本公司目前所發展之臥式Box-in-Box線型馬達工具機加以說

2、明。一、臥式線型馬達工具機之介紹 一般臥式綜合加工機依底座架構分為正T和倒T架構，倒T架構為工作台裝設於X軸上方，進行移動進給。以正T型而言，分為下列幾項構形：1、二軸重疊動柱式：主軸頭座裝至於立柱中，進行上下之Y軸移動，而立柱則是進行X軸方向移動，工作台裝置於Z軸上方，此型式為大部分之臥式工具機架構。2、二軸重疊定柱式：其架構與二軸重疊動柱式架構類似，最大之差別為X軸移動結構件為上下皆有線性滑軌支撐，上方線軌主要由後方一固定且與X軸行程等寬之立柱所提供之支撐。3、三軸重疊動柱式：工作台裝置於底座，無軸向移動，其餘三軸皆裝置於主軸側，為三軸重疊之架構，該架構由於X軸動柱上方為開放，因此在機器最

3、大之進給速度及加速度較低。4、三軸重疊定柱式：該架構與三軸重疊動柱式架構類似，最大之差別為X軸移動結構件為上下皆有線性滑軌支撐，目前在臥式線型馬達工具機所廣為使用之Box-in-Box架構就是屬於此類型之機台。Box-in-Box結構為Z軸頭座於鞍座中前後移動是為Z軸，鞍座裝置於長形鞍座中上、下移動是為Y軸，Y軸鞍座裝置於機器之外框架內，左右移動是為X軸。由於強調高速度及高加速度，於是機台在強調高剛性之餘也必須注重整體結構件之重量，以免在選用線型馬達時產生困擾。線型馬達特點為動件需輕量化且剛性佳，以減低其加減速度時產生的慣量過大，另外結構之自然頻率也必須注意，以免因為線型馬達的高頻振動引起結構

4、之共振；機台底座除了考慮重量與剛性，以抵抗高加減速時產生的高慣量之外，同時也必須考量高阻尼減震系統之設計，使震動迅速衰減至不影響機台精度之範圍。此臥式線型馬達工具機之主要關鍵製程領域為汽機車及3C輕合金產業零件加工，如引擎、變速箱本體、汽缸、筆記型電腦機殼與硬碟機殼等複雜形狀工件，技術訴求重點主要為大量生產、提昇效率，節省複雜工件加工時間及且維持一定精度之工件品質控制。圖一 Box-in-Box加工機架構圖臥式線型馬達三軸重疊Box-in-Box架構的優點為：1、三軸動件重量不隨工件重量而變化，機台三軸加減速度固定。工作台為固定件，不需隨著工件重量變化，而調整其控制器參數以得到最佳之伺服匹配。

5、2、Box-in-Box架構為輕量化且高剛性化的設計。由於結構為一箱型，所以其構件為中空，大大減低其重量；另箱型結構為良好之力流傳導結構，可大大提昇其結構剛性。3、Box-in-Box架構為良好的對稱設計。工具機結構的對稱性相當重要，對稱結構可抵消相當多的變形，比如熱變形及受力變形方面即可受到相當的改善。另外線型馬達亦可於Box的軸向進給二側安裝，亦可抵消其線型馬達所產生強大磁吸引力，一般而言其磁吸引力約為軸向推力的2-3倍。1、4、三軸重疊配置於機台後方，加工區域置於機台前方，可改善線型馬達模組切屑防護之問題，且利於生產線連線加工。5、可搭配多種型式之工作台，因此三軸重疊動件位於機台後方，所

6、以可以因個人需要選配不同的工作台置於機台前方，像方形、長方形，Index table、Rotary table與A-B軸旋轉工作台等，具有相當大的彈性。以目前Box in Box工具機不易克服之難題：1、X軸進給之結構重量太重，需使用大型線型馬達：以臥式三軸重疊線型馬達一般設計而言，其X軸進給軸之結構重量最重，因其包括了Z軸及Y軸結構之重量，若其重量為2000kg，則達1G加速度所需之馬達推力至少要在20000N以上，對於機台成本及機台電容量需求皆會大大提高，對於機台之商品化將有相當程度之影響。2、Z軸採Quill結構，會有自重下垂問題：一般而言，線型馬達工具機除了高加速度、高速度，另外高精度

7、也是其相當重視的方向，主軸下垂之問題，在傳統之臥式工具機也有類似之問題，過去的做法不外乎增加主軸頭部之剛性或是加入預拉之機構來控制主軸頭座下垂量。而線型馬達工具機，其Z軸若配置上下對稱線型馬達抵抗其磁吸力，對下垂並無助益，若只於下方配置一組線型馬達，將可藉由磁石板與線圈間相互之吸引力來減低其自重下垂量。二、臥式線型馬達工具機國際發展現況 從臥式綜合加工機技術開發的動向來看，主要在於整機整合主軸的高旋轉速度、高進給速度、高精密度、降低熱變化對策、模組化等方面。在這議題當中，以工具機的基本課題，高速化開發較為進步。其中，以進給加速度及速度的高低，決定零件加工的時間及生產效率。在高速進給技術方面，在

8、驅動機構上採用線型馬達之機種有增加趨勢，進給加速度1G2G，快速進給速度80m/min120m/min。另一方面，不使用線型馬達，在進給軸上利用高導程滾珠螺桿驅動，高速臥式綜合加工機也有相關之案例。 表一為國際各公司生產之臥式線型馬達工具機，快速進給時之高速度與高加速度，其快速進給速度介於80120m/min之間，加速度落於0.82G之間；主軸與整機的搭配看來，國際工具機廠在臥式線型馬達工具機的主軸大多採用高功率主軸，其主要原因不外乎因應3C產業的輕合金、汽機車產業鋁合金等，高移除率之大量切削加工，以有效提高主軸切削抵抗扭矩，其二，為保持主軸與進給速度之搭配，縮短主軸之加減速時間；另外ATC換

9、刀時間需考慮越短越佳，以使完成加工時間縮短。線型馬達工具機之特點為高速度、高加減速度與高精度，以目前國際之發展看來，採用線型馬達可以分類為兩大類，一者以高速切削、高移除率為訴求如Mazak , MORI SEIKI等大廠，另一種則是以高精度為訴求，此一類型之工具機切削進給速度並不高，主要利用線型馬達無背隙之驅動特色，較具代表性之廠商如YASDA , Sodick等。三、本公司線型馬達工具機發展現況底下將針對本公司所致力研發之臥式線型馬達工具機，分別就機器主體結構之配置、自動換刀機構及刀庫之配置、工作台自動交換系統、線型馬達之防護系統以及切屑排屑系統等加以說明。1.機器主要規格本公司所開發之線型

10、馬達臥式工具機，主要應運目前汽、機車產業零件加工業對於高加工效率、高切屑移除率之需求，進給速度可達80m/min，進給加速度達到1G，採用HSKA63之刀具型式，主軸轉速可達到20000RPM。表二所示為本機器之主要規格：項目單位X軸行程mm940行程Y軸行程mm630Z軸行程mm600距離主軸鼻端到工作台中心mm150750主軸中心到工作台面mm230860工作台工作台面積mm630X630工作台最大荷重Kg1250最小分度單位度0.001工作台交換方式旋轉交換主軸主軸刀具型式HSKA63主軸轉速RPM20000軸向進給快速進給X/Y/Zm/min80/80/80進給加速度X/Y/Z1G/1

11、G/1GATC刀庫容量60最大刀徑mm100最大刀長mm300最大刀重Kg7表二臥式線型馬達工具機主要規格2.機器主體結構配置說明本機台三軸皆以線型馬達驅動，相較以往採用滾珠導螺桿驅動之機器，工作台下方之驅動軸向，經常需要因為被驅動物件之重量變化而必須對於驅動軸向之驅動參數進行調整，以達到最佳之各軸向伺服驅動之匹配性，由於線型馬達本身驅動之控制參數調整不易，因此，在軸向排列上，儘量避免因為被驅動件重量之變化，而必須針對參數調整之狀況，因此，本機器在架構之選定上主要以Box-in-Box三軸重疊之結構為主，由於被驅動物件之重量皆為固定，因此，不需要經常針對機器參數進行調整。另外傳統之動柱式之臥式

12、工具機結構，其上部開放式結構為避免高加速進給時產生上下偏移的現象是為機器精度問題，因此，動柱部分必須充分考慮強度的問題，而增加強度之後又會伴隨結構增重的問題，導致線型馬達選用上之問題，Box-in-Box箱型結構在力流上屬於封閉型之高剛性結構，機器在切削加工受力時，整體之力量會經由封閉之迴路傳回到機台底座，箱型結構在結構剛性上擁有良好的表現，但是在結構輕量化上，又可以容易達到需求目標，由前所提及之國際上臥式線型馬達高速工具機，其主要之結構仍以箱型結構為主，因此選用箱型結構作為本機台之主要結構類型，將有助於未來滿足開發之目標。臥式線型馬達工具機箱型結構最大之問題在於結構件之加工考量以及輕量化與高

13、剛性兩者之目標必須同時兼具，在主體結構開發設計之流程中，必須大量採用FEM分析技術，模擬結構之受力，經由計算得到受力後所產生之變形量以及主體自然頻率等，再回饋至設計者進行強度的補強以及修正，由一連串的作業，得到最佳之結構剛性以及輕量化目標，圖二所示為本機台之動件結構FEM分析。圖二動件結構FEM分析圖三所示為本機台之主體結構配置，Z軸設置於主軸頭座上，由頭座在Z軸框架型鞍座中前後移動達到主軸前伸與後退之需求，在Z軸鞍座外部則裝置有Y軸鞍座，利用Z軸鞍座之上下移動來達成Y軸之動作需求，最後X軸則是利用Y軸鞍座在底座上之左右移動來完成，利用線軌與馬達之排列使機台之剛性達到最佳化之配置。結構件在裝置

14、馬達及磁石板的部位，由於馬達的推力作用下將使線圈與磁石板間產生約推力三倍之吸引力，因此在線軌與馬達之排列以及結構本身必須詳加考慮，使該因素對於機台之精度影響降至最低。圖三軸 向 配 置3.刀庫與自動換刀系統切削加工效率的提昇，除了由切削速度的提昇之外，另外也可以由縮短非切削時間來提高加工效率，提高軸向之進給速度、加速度、主軸之切削能力等屬於前者，而縮短換刀時間、工作台交換時間則是屬於後者，為使整機在速度上皆能有良好的匹配性，因此，在換刀系統中，穩定性高、換刀時間短的換刀系統，亦是重要考量。本機台所搭配之刀庫容量為60把刀，刀庫與主軸間的刀具交換，則是利用滾子凸輪換刀機構，以馬達帶動產生迴旋拔插

15、刀之換刀動作，為避免換刀迴旋時因為刀具因慣性過大而自換刀臂中脫落，因此，換刀臂長度以及最大刀具重量的匹配便相當重要，圖四所示為本機台之換刀機構。圖四自動換刀機構4.工作台交換系統本機台所設計之工作台交換系統採用交換時間較短之迴轉式交換方式，當工作台自B軸介面放鬆後，藉由旋轉油壓缸以及上拉油壓缸的動作將工作台舉昇後再由迴轉油壓缸的作動下進行迴轉交換。工作台交換系統可提高工作效率，使用者在裝卸台上進行工件之裝卸，裝卸之動作與機器之加工動作可同時進行。5.排屑系統臥式工具機於切削加工時，切屑排出機台外大多採用螺旋式捲屑機或鏈板型捲屑機將切屑排出機台外，排屑之方向規劃將對於未來機台的使用與水箱之清理有

16、著重大的影響螺旋式捲屑機機台佔用空間小，捲屑機通過機台底部開孔小，因此對於機台結構剛性之影響較小，而切屑排出機台外後必須再經由收屑系統將切屑與冷卻液分離，機台外部之收屑系統排列上較容易配置，螺旋式捲屑機之缺點為無法將各種形式之切屑完全排出至機台外，再者機台外部之收屑系統將造成另一成本負擔。採用鏈板式捲屑機直接由機台後方插入至機台加工區域，加工區域之收屑可採用斜板或斜面收集至機台開口部位，切屑下落至鏈板上穿過機台結構件下方後至機台後方將切屑與冷卻水分離，機台下方之開孔對於機台剛性之影響較大，必須針對此一部位特別補強，並以FEM分析評估使開孔對於結構件之剛性影響降至最低，圖五所示為底座開孔後之FE

17、M分析。圖五底座FEM分析結論臥式線型馬達工具機之研發，除了必須達到高速高精度之計劃目標之外，同時必須考慮未來研發完成之後商品化的問題，藉由此次整合性科專計劃，將本公司之臥式工具機一舉提昇至高速工具機之領域，相信對於本公司產品的研發及相關技術的提昇如：高剛性、輕量化結構FEM分析技術、高速主軸應用技術、兩面拘束刀把應用技術、高速切削應用技術等，均具有一定之指標性意義，未來更應著重在線型馬達工具機之相關實際應用領域，使本機台可以充分發揮線型馬達所帶來的好處，希望在不久的將來，線型馬達的普及化之後，除了可以降低機台整體之成本之外，同時也可以使線型馬達高速加工機在國內的機械加工領域中佔有一席之地，使國內之加工水準提昇，為國家產業升級盡一己之力。