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机械制造之母数控式工具机的进化史

工具机进化史

机械制造之母数控式工具机的进化史

生活中充满了各式各样提供便利服务、娱乐享受的发明:手机、捷运、笔记本、计算机、汽车……,这些呈现在消费者眼前的精致成品,都是由一道道复杂的工序所加工组装而成。其中在产品的工业制程里,工具机具备了相当关键的地位,没有它就无法生产设备与零件,因此获得了机械之母的称号。然而它虽然扮演重要角色却鲜为人知。因此在此篇中我们将揭露工具机的产业状况,了解它为制造业带来的贡献,并延伸未来的可见发展。

工具机是什么?

事实上如果我们要追溯工具机的发展历史,可能要回到几千年以前,因为在广泛的定义下所有非靠人力、用来加工的工具都可以称作工具机。但现在我们介绍的工具机,专指的是运用在制造业上的一种动力驱动的固定式机械装置,可以用来将金属或其他材料加工成零件。在工业制程上的工具机主要包括金属切削、金属成形这两大范围,而不同种类的工具机可以根据刀具、运动方式的不同完成不同的指令。金属切削的功能是将金属工料除去,包括车床、钻床、铣床与非传统加工工具机等。金属成形则是将金属塑造成某一形状,有压床、液压压床等。

工具机进化史

工具机的发展除了工业革命所带起的产业需求以外,也在最近一波信息化革命掀起另一波高潮。事实上工具机数字化的年代甚早,在计算机刚刚出世的一九五零年代第一台数控工具机就诞生了,在当时可说是非常先进的产品。所谓的数值控制工具机就是在工具机台上搭载具有管理功能的数控系统,藉由输入相关数值,经计算机运算之后下达指令,让工具机进行刀具移动、刀具更换、主轴运转等动作。不过可惜的是将计算机运用到工具机台上以后,大部分的工具机研发都走向工具机台本身的机械装置与控制性能,比较少藉由提升软件技术来升级机台价值。

到了1990年代为了应付越来越精密的工业制程,工具机的构造日益复杂,五轴工具机、车铳复合工具机相继出现。一台搭载了多种功能的工具机虽然很方便,却也因此对使用者不太友善,工具机厂商这才惊觉软件辅助的重要性,因此又将重心转移至如何应用软件协助使用者更好操作、并发挥工具机的最佳性能,直至现在,大多数工具机已经搭载了诊断监控、安全防护等功能,现在更在智慧化的风潮下走上了另一波风起云涌的改造大业,朝着结合网络、虚实整合的方向前进。

工具机产业链

全球工具机的主要生产国前三名分别是中国大陆、日本\德国,而台湾则名列第七大制造地区,观之全球趋势我们可以发现目前工具机的生产基地已经逐渐从欧洲区转移到亚洲,尤其中国大陆因为其内需市场庞大,更在近几年来突飞猛进。

工具机进化史

工具机的上游产业包括滚珠螺杆、线性滑轨等零件生产,由于工具机制程复杂且所需零件众多,多半由不同零件厂商协力铸造,部分由国外进口、部分由国内业者自行制造、研发,零组件再交由加工厂进行加工,方式有非常多种,例如车、铣加工、研磨加工、放电加工、齿轮加工与雷射加工等。加工后的组件再交由工具机厂商进行设计、整合及组装,以及完成后的品管测试与销售。

台湾的工具机产业在中部形成完整的产业聚落,由多家负责不同制程的中小企业组成。早期业者多半根据国外引进的先进技术设备,进行复制、拆解与改良并自行研发,以中阶质量、低价位主攻东南亚等开发中国家市场。近几年技术累积的程度渐高之后,也透过产学合作、策略联盟等方式进行自主研发,朝向中高阶机种迈进。

工具机可应用于不同领域的机械制造,如航天、国防、汽机车、生医、电子等产业。台湾生产的工具机主要被应用于一般零件、3C产业、汽机车工业等,在这些产业进程中发挥不可或缺的力量。接下来就以汽车工业为例,说明工具机对产业的贡献。

汽车工业中的工具机

全球有60%-70%的工具机用于汽车产业,无论是整车组装或是汽车零组件都非常需要先进工具机及其所组成的生产线。工具机的采购通常会占固定资产总投资金额的三分之二,因此直接影响到汽车的制造成本。

在汽车的组装制程里,首先要经过冲床将钢板压成车的外壳,这涉及汽车的曲面与线形设计,以及模具的冲压设计,再经过焊接、车门车盖加装等步骤,接着装配引擎、传动及防震等系统,最后再加以内部装潢、油压系统、燃料系统及车轮等。

上述所说的零件、模具、系统等,都是在前段由工具机加工而成,而后段的装配流程也有工具机的参与,可说是非常重要的应用。除此之外工具机也在制程中发挥了推进的力量,例如铝轮圈自动化系统,以自动化的生产线,每四分钟即可完成内外轮圈的高效率生产,让汽车由过去的铁圈升级为现今普遍使用的铝合金轮圈。

工具机未来的发展

为了符合需求产业所要求更优质的工艺制程,全球工具机厂商的发展趋势主要有两大主轴:一为提供性价比高的优质产品,二为客制化的系统整合与服务。

工具机进化史

一、性价比高的综合型工具机

在工具机本身的硬件升级方面,将机械手臂结合工具机、并搭配自动化制程,可大幅降低人事成本,逐渐成为各家工具机厂商的主要产品。而一台工具机上可执行不同种类的加工操作,此种多工型态的复合式工具机也逐渐成为为了因应市场弹性化、少量多样的生产需求时,所必备的机具。另外也有一些厂商朝向开发可供复合材料加工的工具机,以符合未来材料替换的趋势,尤其是针对在航天领域上飞机轻量化的改造。在技术演进与工业需求下,工具机已经从过去满足专业单一的功能转为越趋复杂的多工整合了。

二、客制化的系统整合与服务

工具机的发展也搭上智慧制造、智动化的顺风车,朝软硬结合的方向前进。配备具备高技术价值的控制器,除了可增加加工时的精确度、进行数据收集并分析产品使用状况、实现各种不同的辅助加工与管理功能以外,也可透过网络诊断进行远距维修,并为客户订定客制化的系统服务,帮助达成更高的生产效益。

未来的工具机可以处理更精微的加工、应付各种弹性多元的加工方式,并朝智能化、低耗损的方向前进,继续在机械产业中发挥关键的力量。

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