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高速切削加工之效益
高速切削加工的魅力即在縮短製造時間、提昇加工精度及降低成本，因此人們積極朝高速切削加工發展與應用。目前高速切削的主要方式如下：
一、快速去除切屑
為防止切屑再切削而刮傷加工面，高速切削並使用切削液或壓縮空氣由主軸內側直接噴至切削點，快速將切削點的切屑去除。
二、溫度控制
1.高切削速度
高速切削時在切削熱(b)尚未傳至被切削材時，切刃即快速切除切削熱(b)的部份。
2.切削時間比 銑削為不連續切削，在切刃往返於切削與非切削之間，非切削期間刀刃可散熱，因此調整切削與非切削時間比可保持較低的刀具溫度。
三、切削負載控制
刀具受切削力撓曲，高速切削因切削深度淺以至受力小撓曲小，且保持刀具負載一定可以在控制器補正刀具的撓曲量。並可使用CAM產生刀具軌跡保持一定的切削去除量控制加工誤差。 四、表面精加工
以小徑球銑刀精加工曲面時，每轉進給量f與側向進給量p相等時，將可得到最佳的表面精度及加工能率，甚至不需研磨。
目前高速切削加工之水準隨著機器性能提昇及刀具技術的精進，已有相當程度的進步並廣泛應用在各種加工材料上，表一所示為目前高速切削加工已能達到的技術水準。 表一 高速切削加工現況
切削條件材料

切削速度(m/min)

進給速度(m/min)

刀具材料
鋁合金

2000

12 - 20

超硬
銅

1000

6 - 12

超硬
硬鋼材 (HRC42 – 52)

400

3 - 7

TiCN、TiAlN
難削材 (HRC56 – 60)

250

3 - 4

TiCN、TiAlN
高速切削加工應用主要有四大領域：
(1)航空工業及其零件產業
主要材料為輕合金並有部份是難削合金如鈦合金等，零件由整塊材料直接加工出來以降低重量，使用高速切削將可大幅縮短時程及降低成本。
(2)汽機車工業及其零組件產業
在輕量化及環保的考慮下，使用輕合金及非鐵金屬的比例會逐漸增加，提高切削效率以縮短加工時間及提高加工精度，是汽機車業最主要的需求。
(3)模具工業及其週邊產業
主要材料為鋼鐵材料，特別是對硬化鋼材的複雜曲面加工，直接由小徑球銑刀進行高速切削加工，即能獲得良好的表面粗度，取代過去以製作電極之放電加工方式，將可大幅縮短時程及降低成本。
(4)3C產業
在3C產業中已開始大量使用鎂鋁合金作外殼如NOTEBOOK外殼等，需求鑽孔、攻牙及去毛邊等加工，應用高速切削加工可獲最佳效益。
由於高速切削加工的顯著效益，預期綜合加工機市場將有50%傳統切削被高速切削加工取代，全球將有60%的工具機廠投入高速工具機開發。
高速切削加工之影響因素
高速切削加工之主要影響有工具機之高速主軸、高速進給系統及CNC控制技術，再加上切削刀具及CAM等，探討如下：
一、高速主軸
主軸的轉速、馬力、動平衡、剛性、錐孔型式及熱變位等對高速切削加工都有相當程度的影響，在高速主軸方面的技術發展已超過高速切削的應用發展，不過在國內高速主軸尚屬萌芽階段，需急起直追。
二、高速進給系統
提高切削進給速度以提昇加工能率是必需的，但高速進給系統必須高剛性、加速度快及定位精度高，才能滿足高速切削加工。
三、CNC控制技術
在高速切削加工需選擇傳輸速度率快、CPU運算速度快、預讀單節及NURBS功能等適當的高階CNC控制器，才能發揮高速切削加工之效能。
四、刀具
在配合高速切削加工的發展，刀具廠商也積極發展出新的耐高溫耐摩耗的刀具材料如PCD(多結晶鑽石)、CBN等，不同的被切削材料及不同的切削速度可選用不同材料的切削刀具，以獲得最佳效益。
五、CAM
高速切削使用高階的CAM軟體，產生的刀具軌跡能保持一定的切削去除量，可控制加工誤差在容許誤差之內，產生較佳的表面精度。
在上述影響因素中，刀具及CAM由加工者決定，各工具機廠所使用的控制器相同且由少數幾家控制器製造廠供應，技術及資本門檻相當高，進給系統使用的滾珠螺桿也都相同，對國內工具機製造廠急需突破的應是高速主軸國產化，有助降低成本及提昇競爭力。
主軸特性之影響
高速切削加工的廣範應用，與高速主軸技術的大幅進步有密切關係。國內工具機廠發展高速加工機時，對主軸特性深入了解應是重要的課題，因此針對主軸特性探討如下：
一、軸承型式
1.滾動軸承
軸承及潤滑技術的進步是主軸高速化的重要關鍵，目前陶瓷軸承及油氣潤滑已廣泛的應用在高速主軸上，dmn值可達到200x104，市場上超過8成以上的高速主軸使用滾動軸承。
2.氣靜壓軸承
在dmn值超過200x104時滾動軸承與油氣潤滑已無法達到性能要求，高速主軸需使用氣靜壓軸承，除剛性值較低外有發熱低、振動小、精度高等優點，常應用在超精密加工領域。
3.磁氣軸承
在超高速dmn值超過300x104時，主軸需使用磁氣軸承，高速主軸可主動監控，依位移感測器的回饋信號進行控制電磁鐵吸力，可控制剛性及位置補償，表二所示為磁氣軸承之高速主軸特性，惟成本高是最大的缺點。
表二 磁氣軸承之高速主軸特性
特殊機能

具體的效果
非接觸磁氣軸承
．無接觸摩擦壽命長
．可超高速運轉
．摩擦的動力損失相當小
．軸承間隙大不受粉塵的影響
．振動控制的高精度旋轉運動
．無需潤滑，無環境污染，運轉成本低，可在高溫或低 溫的環境運轉。
主軸狀態監控和電子控制

．可控制軸承剛性
．可控制主軸變位
．可監控作用在主軸的外力
．安全診斷及保養機能
二、傳動形式
主軸高速旋轉除軸承及潤滑方式非常重要，在與驅動馬達聯結的方式亦相當重要，分別探討如下：
1.齒輪傳動式
在傳統切削加工使用相當廣範，低速時即可全馬力輸出，可得到高扭力，因齒輪在高速轉動時振動噪音問題不易克服，高速主軸很少使用齒輪傳動式。

2.皮帶傳動式
皮帶傳動式無齒輪高速時振動及噪音問題，可使用在較高的轉速，但心軸受到側向力振動較大。在低速時皮帶傳動效率差不適合低速重切削，在高速時皮帶與空氣磨擦噪音相當大，在dmn值超過100x104時應改用其它傳動方式。
3.直結式
為減少心軸受到側向力引起振動，馬達與主軸由聯軸器聯結，轉速可較皮帶傳動式主軸高，但體積大、重量重且平衡校正不易，但成本較內藏式主軸便宜。
4.內藏式
在高速切削加工上應用最廣，體積小、重量輕最適合高速移動，同時零件數少，動平衡校正及對心度容易，振動低。
三、轉速
高速切削加工所需要的轉速主要依工件的材料、切削刀具的材料及切削刀具直徑等決定。以BT40規格的高速主軸轉速多在15000rpm以下，以 10000rpm及12000rpm最多。以BT50規格的高速主軸轉速多在12000rpm以下，以10000rpm最多。應用在輕合金等材料的高速切 削加工之主軸，主軸轉速多在20000rpm以上，刀柄規格常用HSK-A63，較大工件加工使用HSK-A100。
四、馬力
在提高加工能率的目標上，主軸的馬力是否足夠也是我們所關注的，在高速切削加工追求高切除率，高速主軸的馬力較傳統主軸高出許多，不過機器剛性也要能匹 配，否則僅發揮部份馬力已機器結構振動。在國內工具機廠有部份機種直接換裝高速主軸，其主要目標為提昇切削速度加工輕合金或軟性材質，並非需要高切除率， 可使用較小馬力。
五、剛性
主軸剛性不足時將會影響到加工精度，但是剛性超過功能需求將會造成主軸軸承壽命降低。dmn值較低時可使用定位置預壓，高速旋轉時因溫昇使預壓加重，可採 用軸承間隔環冷卻，對緩和預壓增加有不錯的效果。dmn值較高時可使用定壓預壓，以確保預壓值。在dmn值較低時可使用油脂潤滑，其剛性值須比使用油氣潤 滑低，避免因預壓過大時溫昇高加速油脂劣化，而縮短主軸壽命。
六、動平衡
主軸高速旋轉，動平衡校正非常重要，動平衡不佳時將造成振動增大而影響加工精度，嚴重時甚至造成機器共振損壞刀具及工件。主軸之轉動零件需校正到G0.4 等級，組合後在最高轉速需校正到G1~ G0.4等級，在心軸較細長時需考慮中間轉子部份的離心力造成心軸撓曲，必要時需做3面動平衡校正。
在要求更高精度時已有專業廠開發出裝在主軸上自動平衡裝置，可隨時自動平衡校正，由其在生產線上有不錯的效益。
七、錐孔形式
在傳統切削常用7/24錐度的刀把如BT、CAT、SK等，在高速時因錐孔擴張刀把握持力降低以至切削剛性降低，因此針對高速發展出兩面拘束錐度1/10 的短刀把，剛性高、精度高非常適合高速切削加工使用，常用型式有HSK、KM、NC5、BBT等，兩面拘束刀具系統比較如表三所示。
八、振動
主軸之振動將直接影響到工件表面精度、刀具壽命及加工能率等，嚴重時會引起其它結構的共振。引起振動主要因素有動平衡不佳、裝配不對心、軸承保持器振動 等，轉速愈高時振動愈大。可使用頻譜量測分析引起振動之因素，如一倍頻的振動為動平衡引起的，二倍頻的振動為製造或裝配不對心造成的， 0.4倍頻的振動為軸承保持器所造成的等。針對引起振動之問題點進行改善可有效降低主軸的振動。
九、內孔偏擺精度
主軸內孔偏擺過大將直接影響到加工的幾何精度，在檢驗上使用300mm試棒，量測主軸鼻端及300mm處的偏擺，在高速主軸要求偏擺量要小，否則刀具高速 旋轉偏擺會造成振動增加。圖十一所示為瑞士FISCHER高速主軸，300mm處偏擺僅3m m，精度相當高。
十、熱變位
主軸的馬達及軸承所產生的熱將造成溫昇並產生的熱變位影響到加工精度，主軸轉速愈高時溫昇愈大熱變位也愈大。在主軸熱變位量測使用5只非接觸的位移計， X、Y方向各2只Z方向1只，記錄其變位量，圖十二所示為內藏式馬達之高速主軸在12000rpm連續運轉4小時熱變位狀況相當穩定，可利用補正技術可將 誤差降低，以得到較佳的加工精度。
結 論
高速切削加工時代的來臨並已逐漸成為切削加工的主流，其縮短了製造時程、提升了加工精度及降低了成本。在邁向高速切削加工領域，國內工具機廠朝高速切削加 工機發展刻不容緩，其關鍵模組「高速主軸」之國產化亦是重要課題。在日本工具機廠因規模大產量大其所需的高速主軸列為各工具機廠的發展重點，歐洲工具機廠 則部份自製及部份使用主軸專業廠之高速主軸。國產高速加工機能否快速切入這個市場，高速主軸的開發及製造將扮演重要的角色。主軸轉速提高相對其零件需求精 度也較高，對高速主軸零件要求尺寸精度在3m m以內、幾何精度在2m m以內、表面粗度在0.8S以內及組裝須在潔淨室內，確實是一個相當大的技術瓶頸。如能集合數家工具機廠所需之高速主軸的量，由專業主軸廠建立標準廠房環 境，引進精密加工設備，將可突破高速主軸國產化的瓶頸。
參考文獻
﹝1﹞高速加工研討會講義 85年03月14日舉辦 工研院機械所及磨粒加工學會
﹝2﹞高速銑削的要件及課題 機械技術第47卷第9號1999年9月號
﹝3﹞高速切削工具機技術研討會講義 88年03月25日舉辦 工研院機械所
﹝4﹞BALANCEING ON FLY CUTTING TOOL ENGINEERING (APRIL 1998)
﹝5﹞FISCHER 型錄

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