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8.1 8-1 前言 8.1　工具機的構造 8.2　一般工具機 8.3　電腦數值控制工具機 8.4　特殊工具機

8-1 ▲工具機(Machine tool)在製造系統中扮演著基礎而重要的角色，根據國際標準組織(ISO)所敘述的定義為「無論是製造出胚料或產品，有無切屑產生，將固體材料藉由一動力源的驅動，以物理的、化學的或其他的方法進行成形加工的機械」。

▲工具機可依據其特定目的或構造等，加以分類如 下列所述: 8-1 ▲工具機可依據其特定目的或構造等，加以分類如 下列所述: 1.依加工運動的方式 →工具機的動力源(例如馬達)產生動力，使工件和刀具間產生 相對運動，用以進行材料移除作用，稱此為成形運動。需包 括切削運動(又稱為主運動)和進給運動。

→切削運動為直線形式的工具機有鉋床、插床和拉床等。切 削運動為旋轉形式的工具機又可進一步分為: 8-1 →切削運動為直線形式的工具機有鉋床、插床和拉床等。切 削運動為旋轉形式的工具機又可進一步分為: 工件旋轉者：例如車床、搪床等 刀具旋轉者：例如鑽床、銑床等 工件和刀具同時旋轉者：例如外圓磨床等

泛用工具機(General purpose machine tool) 8-1 2.依適用範圍的程度 泛用工具機(General purpose machine tool) 專用工具機(Special purpose machine tools) 3.依操作控制的方式 產品數量與產品變化性和適用工具機的關係，如圖8.1所示。

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▲工具機的發展主要受到下列因素的影響: 1.動力源和傳動機構的改進 2.刀具材料切削性能的提升 3.產品精度要求的提高 8-1 ▲工具機的發展主要受到下列因素的影響: 1.動力源和傳動機構的改進 2.刀具材料切削性能的提升 3.產品精度要求的提高 4.經濟性生產規模的要求 5.新興工程技術的崛起

8.1 工具機的構造 ▲一般切削作用工具機的主要構造包括三大部份: 由床座與機架、導軌系統和主軸與軸承系統等三者所構成的本體結構 8.1　工具機的構造 8-1 ▲一般切削作用工具機的主要構造包括三大部份: 由床座與機架、導軌系統和主軸與軸承系統等三者所構成的本體結構 主驅動與轉速機構和進給定位等構成的傳動機構 以及控制系

8.1.1 本體結構 ▲床座與機架用於提供一穩固的基礎，目的在承受工具機其他機構或刀具切削時，所產生的各種靜態及動態負荷。 8.1.1　本體結構 8-1 ▲床座與機架用於提供一穩固的基礎，目的在承受工具機其他機構或刀具切削時，所產生的各種靜態及動態負荷。 ▲故對其特性的要求為需具有良好的剛性、熱穩定性、耐磨耗性和制振性等。 ▲導軌系統又稱為滑道與滑面系統，用於引導工作檯或刀座做直線或圓周運動，同時需承受工作檯及工件的靜態負荷與切削時產生的動態負荷。

▲主軸與軸承系統的功用是做為刀具或工件在切削時的支撐，使切削運動能保持一定的準確度。 8-1 ▲主軸與軸承系統的功用是做為刀具或工件在切削時的支撐，使切削運動能保持一定的準確度。

8.1.2 傳動機構 ▲工具機之所以能有效且具經濟性地發揮其功能， 是在於它具備有適當的主軸轉速及進給傳動機構 8.1.2　傳動機構 8-1 ▲工具機之所以能有效且具經濟性地發揮其功能， 是在於它具備有適當的主軸轉速及進給傳動機構 ，用以產生所需的切削速度和進給。 ▲切削速度和主軸旋轉速度的關係已於第七章中敘 述過。 主軸轉速分段的方式可分為有段變速和無段變速兩種類型

▲目前工具機絕大多數是使用馬達(又稱為電動機)做為動力源來驅動各種傳動機構。 ▲液壓傳動機構亦可用於驅動工具機的主軸旋轉和進給運動。 ▲進給定位傳動機構常用者有螺桿驅動、齒輪與齒條驅動和蝸桿與齒條驅動等三種方式。 ▲在長行程的進給時，使用長螺桿可能會有挫屈(Buckling)現象發生，故可改用齒輪與齒條驅動。 8-1

8.1.3 控制系統 ▲電動控制中用以產生自動控制指令的方式有: 8.1.3　控制系統 8-1 ▲電動控制中用以產生自動控制指令的方式有: 1.順序程式控制(Sequence program control，SPC) 2.仿削控制(Tracer control，TC) 3.數值控制(Numerical control，NC) 將各種加工控制指令預先編製成程式，記錄於適當的記憶體 中，經數值控制器讀取後，進行自動控制加工。

▲自動控制系統的種類包括: 1.開迴路控制系統(Open-loop control system) 8-1 ▲自動控制系統的種類包括: 1.開迴路控制系統(Open-loop control system) 如圖8.2(a)所示，若有誤差也沒有辦法立即得知可以及早修正，故系統控制精度較差。 2.閉迴路控制系統(Closed-loop control system) 如圖8.2(b)所示控制精度較好，大部份的數值控制工具機是採用此種控制系統。

3.適應性控制系統(Adaptive control system) 8-1 3.適應性控制系統(Adaptive control system) 加工進行中的反應參數，例如振動、切削力、主刀刃口位置等的測量值，經裝設有最佳化演算的裝置處理後，產生回饋訊號送至各控制單元對原設定的加工條件進行調整再送出驅動修正指令，如圖8.2(c)所示。

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8.2 一般工具機 ▲指依靠操作人員的手動控制方式，或機械式自動控制方式的工具機，主要用於製造較少量的產品或新開發的原型製品。 8.2 8.2　 一般工具機 ▲指依靠操作人員的手動控制方式，或機械式自動控制方式的工具機，主要用於製造較少量的產品或新開發的原型製品。 8-2

8.2.1 車 床 ▲車床主要是利用單鋒刀具對圓形截面工件進行切削操作的工具機，為使用歷史最久且最普遍的切削加工機器。 8.2.1　車　床 ▲車床主要是利用單鋒刀具對圓形截面工件進行切削操作的工具機，為使用歷史最久且最普遍的切削加工機器。 ▲車床的主要構造是由頭座(Head stock)、刀具溜座(Carriage)、尾座(Tail stock)、床座(Bed)和進給及切螺紋機構(Feeding and thread-cutting mechanism)等五大部份所組成。 8-2

▲車床主要的附屬裝置有三爪夾頭(Chuck)、四爪夾頭、組合夾頭、電磁夾頭和液動夾頭等用以夾持一般工件。 8-2

▲車床依其適用的加工場合及控制方式等被設計成不同的類型，一般分為: 1.普通車床 2.檯式車床(Bench lathe) 3.六角車床 4.自動車床(Automatic lathe) 5.靠模車床(Copying lathe) 6.立式車床(Vertical lathe) 8-2

8.2.2 鑽 床 ▲鑽床是利用鑽頭在工件上進行圓孔加工的工具機，為一種執行單一目標的簡單機器。 8.2.2　鑽　床 ▲鑽床是利用鑽頭在工件上進行圓孔加工的工具機，為一種執行單一目標的簡單機器。 ▲鑽床的主要構造包括床座(底座)、直立的機柱、主軸、轉速機構、進給機構和工作檯等。 ▲鑽床的規格是以可鑽削的最大孔徑、旋徑、床座大小、主軸下端到床座面的距離等加以描述。鑽床主要的附屬裝置有鑽頭夾頭(Drill chuck)用於夾持直柄鑽頭，鑽頭套筒(Drill sleeve)用於夾持錐度柄鑽頭，和虎鉗(Vise)用於夾持工件。 8-2

▲鑽床依其構造和加工目的可分為: 1.檯式鑽床(Bench drilling machine) 2.立式鑽床(Upright drilling machine) 3.旋臂鑽床(Radial drilling machine) 4.成排鑽床(Gang drilling machine) 5.多軸鑽床(Multiple spindle drilling machine) 6.六角鑽床(Turret drilling machine) 7.深孔鑽床(Deep hole drilling machine) 8-2

8.2.3 銑 床 ▲銑床是使用多鋒的圓形狀銑刀對任何截面形狀的工件進行平面、曲面、輪廓、溝槽等不同切削形式加工的工具機。 8.2.3　銑　床 ▲銑床是使用多鋒的圓形狀銑刀對任何截面形狀的工件進行平面、曲面、輪廓、溝槽等不同切削形式加工的工具機。 ▲由於銑床的用途非常廣泛且加工精度良好，故成為機械工廠中不可或缺且為最常使用的機器之一。 8-2

▲銑床大致分為： 1.臥式銑床 2.立式銑床 3.萬能銑床 4.床型銑床 5.龍門銑床 6.靠模銑床 7.螺紋銑床 8.工具銑床 8-2

8.2.4 搪 床 8.2.5 拉 床 ▲搪床是使用單鋒或多鋒的搪孔刀，對工件上已存在的孔做孔徑擴孔或內孔壁表面的精加工。 8.2.4　搪　床 ▲搪床是使用單鋒或多鋒的搪孔刀，對工件上已存在的孔做孔徑擴孔或內孔壁表面的精加工。 ▲搪床也可配合其他刀具做車削、銑削、鑽孔或攻螺紋等工作。 8-2 8.2.5　拉　床 ▲拉床是以不同形狀的拉刀在工件已有的孔內壁表面或工件本身的外表面上，拉削出所需形狀的工具機。

8.2.6 磨 床 ▲磨床是使用高速旋轉的磨輪對工件做精密加工的工具機。 8.2.6　磨　床 ▲磨床是使用高速旋轉的磨輪對工件做精密加工的工具機。 ▲磨輪的功用和銑刀類似，但其切削作用是由許多小磨料顆粒所形成的類似切削刀具所完成，這些磨料顆粒並無一定的形狀。 ▲磨削加工可得到高尺寸精度及良好表面粗糙度的加工面，且適合於高硬度材料的加工。 8-2

▲磨床的選用和被磨削工件的形狀有關，其種類及構造分別敘述如下: 1.平面磨床(Surface grinder) 2.外圓磨床(Cylindrical grinder) 3.內圓磨床(Internal grinder) 4.無心磨床(Centerless grinder) 5.工具磨床(Tool grinder) 6.特殊磨床(Special grinder) 8-2

8.3 8.3　電腦數值控制工具機 ▲控制(Numerical Control，NC)是利用電子計算機的原理，將數字及符號等資料轉換成一系列可判讀的訊號，用以控制機器依事先設定的各種加工方式及條件，使達成各種自動化控制的目的。 ▲以電腦結合數值控制原理所形成的電腦數值控制(Computer numerical control，CNC)已廣泛地應用於各類型工具機，成為各種產業邁向自動化、精密化及省力化發展趨勢的必備機具。 8-3

▲CNC工具機具有下列的優點: 1.可提高產品設計與加工的彈性。 2.可免除人為加工誤差。 3.減少工模、夾具等加工前置作業的準備時間及費用。 4.一部CNC工具機可進行多種加工。 5.可使製造成本降低。 6.現場操作人員的技術要求較低、工作負荷較輕且安全性也較高。 8-3

▲CNC工具機的缺點有: 1.機具設備相對比較貴 2.維護保養的要求較高，且故障的機會較多 3.需有程式設計人員的訓練與培養 4.對形狀簡單的少量生產而言，並不符合經濟效益 8-3

8.3.1 數值控制 ▲數值控制的意義為利用數值資料來控制機器的運轉。 8.3.1　數值控制 ▲數值控制的意義為利用數值資料來控制機器的運轉。 ▲程式是由控制工具機執行各種動作的一系列指令所組成，程式指令也就是操作者和數控工具機之間溝通的橋樑。 ▲程式設計製作的基本流程如圖8.3所示。 8-3

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▲程式編輯的目標在控制刀具與工件的相對運動， 使得到所要的工件形狀、尺寸及表面特性。 ▲程式編輯的目標在控制刀具與工件的相對運動， 使得到所要的工件形狀、尺寸及表面特性。 ▲需先設定刀具與工件在加工中的相對運動路徑， 此動作是由座標系統的座標值來導引。 數控工具機在應用上通常採用的座標系統有卡式(Cartesian) 座標系統和極(Polar)座標系統。 ▲座標值的表示法又可分成絕對座標(Absolute positioning)和增量座標(Incremental positioning) 。 8-3

▲由於數控工具機要求的加工範圍和加工精度各有不同，故加工路徑的控制系統也會隨之選用不同者，其基本的形式有三種，如圖8.4所示。 1.點到點定位控制(Point-to-point position control) 2.直線切削控制(Straight path cutting control) 3.輪廓切削控制(Contouring cutting control) 8-3

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8.3.2 構造和種類 ▲電腦數值控制工具機的基本構造包含四大部份: 1.控制系統 8.3.2　構造和種類 ▲電腦數值控制工具機的基本構造包含四大部份: 1.控制系統 控制系統的功能為對數值控制程式解讀分析，做為加工路徑計算及誤差的修正，並輸出指令到驅動系統 硬體設備有中央處理單元(CPU)、記憶體(ROM、RAM)、輸出入介面卡(I/O interface card)等 軟體作業系統包含按鍵及螢幕顯示、程式檔案編修管理、切削路徑控制、補償、可程式控制、機械常數記憶及診斷等軟體 週邊輔助設備包含個人電腦、讀帶機、磁碟機等 8-3

2.驅動系統 3.測量系統 4.本體結構 8-3

▲電腦數值控制工具機已被廣泛地應用於各種製造 業上，依其應用領域可分為五大類型: ▲電腦數值控制工具機已被廣泛地應用於各種製造 業上，依其應用領域可分為五大類型: 1.傳統切削加工 2.精密研磨加工 各類型CNC磨床和CNC電化學磨床 3.非傳統切削加工 4.非切削加工 5.特殊用途 8-3

8.4 特殊工具機 8.4.1 專用工具機 8.4 1.靠模車床(Tracer lathe or Copying lathe) 8.4　 特殊工具機 8.4.1　專用工具機 1.靠模車床(Tracer lathe or Copying lathe) 2.自動車床(Automatic lathe) 單軸自動車床(Single spindle automatic lathe) 多軸自動車床(Multiple spindle automatic lathe) 3.車螺紋專用機 4.滾齒機(Gear hobbing machine) 8-4

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8.4.2 高速工具機 ▲高速切削(High speed machining，HSM)已成為 提高生產率及達成精密製造的關鍵技術之一。 8.4.2　高速工具機 ▲高速切削(High speed machining，HSM)已成為 提高生產率及達成精密製造的關鍵技術之一。 ▲高速切削的定義有下列幾種: 1.主軸轉速在10000 rpm以上者 2.依不同工件材料的切削線速度衡量，例如鋼材在400 m/min 以上、鋁材在1000 m/min以上者 8-4

3.以軸承直徑(，mm)和主軸轉速()的乘積衡量，當值在120萬 (mmrpm)以上者。 4.以刀把機構衡量，例如10000 rpm/#50 taper、20000 rpm/#40 taper、25000 rpm/#30 taper 者。 5.以主軸馬力和轉速衡量，例如10000 rpm/50 hp、15000 rpm/40 hp、30000 rpm/30 hp、40000 rpm/15 hp、60000 rpm/10 hp者。 8-4

▲高速切削可用於車削、銑削、鑽削、磨削和其他切削加工方法，其中以高速銑削的應用較多。 ▲高速切削的加工特性為高主軸轉速配合淺切削深度及高進給速度，可同時得到高加工效率和高加工精度，此為傳統切削加工所無法兼顧的良好效果。 8-4

▲高速切削的主要優點: 可得到接近拋光效果的表面粗糙度。 減少許多後續加工所需的時間及成本。 刀具磨耗因每迴轉切除量的降低而減緩。 故可延長刀具壽命。 切削力會變小。 故可加工薄壁、細長比較高或剛性差的工件。 大部份的切削熱被切屑帶走。 8-4

▲缺點: 需先進行較昂貴的機器、刀把、刀具等的投資。 且維護費用也較高。 以及安全防護設施要求非常嚴格。 高速切削目前主要應用於航太工業、汽機車工業、模具工業和3C產業。 8-4

▲高速切削工具機必須具備的基本構造有: 1.高速主軸 一般要求高速主軸的DN值需在120萬(mmrpm)以上，主軸轉速可從10000～100000 rpm 2.高速進給驅動機構。 3.高速電腦數值控制系統 在高速切削時，對電腦數值控制系統中的處理、運算和傳輸加工資料的速度要求也隨之大為提高，否則可能產生加工所需資料的傳送跟不上實際加工進行的速度，造成刀具停頓而導致精度偏差的發生。 8-4

4.高壓及大流量冷卻系統 一般採用可產生具有高壓(約6～7MPa)及大流量(約60公升／分鐘)切削液的冷卻系統。此外，尚可藉著特殊設計，由主軸提供高壓冷卻液經具有內部中空孔的刀柄或刀具，直接對切削加工區進行沖刷作用。 8-4

8.4.3 超精密工具機 ▲超精密加工同樣是尖端科技發展中的關鍵性技術， 被應用在製造精度要求較高的電子、資訊、光電 8.4.3　超精密工具機 ▲超精密加工同樣是尖端科技發展中的關鍵性技術， 被應用在製造精度要求較高的電子、資訊、光電 、通訊、航太、能源、醫療和生物科技等高科技 產品的元件上。 ▲超精密加工可分為鏡面加工和精細加工兩大類: 目前鏡面加工的要求是指工件加工面的表面最高粗糙度 (Rmax)不大於0.001 €%μm，幾何形狀的準確性為0.01μ €m， 代表性的產品有反射鏡、多面鏡、光碟片、雷射。 8-4

精細加工的要求是指最小位置的準確性為1 €%μm，尺寸微細度為0.01 €%μm，代表性的產品有超大型積體電路元件。 8-4