工具機 (CNC Machine Tools)

工具機 (CNC Machine Tools)

工具機，是指用於加工工件的動力裝置，為機械零件製造過程中的重要設備。工具機一般可用作其他工具的成型，切削和連接。

中華人民共和國目前為世界最大工具機生產國，2012年產值占全球產值的22個百份比。

1712年，湯瑪斯·紐科門發明了大氣活塞蒸氣機。1765年，詹姆斯·瓦特提出新型蒸汽機的構想，將冷凝器與氣缸分離開來，使得氣缸溫度可以持續維持在注入的蒸汽的溫度，可改良紐科門蒸氣機效率低的問題。然而對於新型蒸汽機中直徑一米、長度二米的大型汽缸，由於當時的工具機技術最好僅能做到二公分的公差，無法克服活塞與大型氣缸的組裝密合問題，新型蒸汽機發展遭遇了瓶頸。1775年，約翰·威爾金森發展出鏜床(搪床)，將加工公差推進至數毫米，成功解決瓦特蒸汽機的關鍵技術困難。於是1776年，瓦特成功製造出第一批效率更高的新型蒸汽機，並應用於實際生產。現時，工具機也包括3D列印機。

組件名稱

在工具機上待加工的金屬稱為「工件」，用來切削工件的工具稱為「刀具」。工具機提供動力造成工件與刀具的相對運動，並且精確控制此相對運動，去除工件上不要的部分。某些機器如車床是轉動工件，進給刀具。也有機器如鏜床(搪床)，轉動刀具，進給工作檯以移動工件。

工具機的基本組件包括以下組件：支承機構、驅動裝置、進給機構、導向機構、控制和操縱系統、潤滑系統、冷卻系統、安全裝置等。

• 頭座：可提供驅動與進給刀具或是旋轉工件的動力。內含主軸、變速齒輪系統等。
• 機柱：提供垂直的支撐。某些機器的機柱也提供頭座上下移動的能力。
• 工作檯：支持固定加工中的工件。某些機器如鋸床，其工作檯也提供進給工件的能力。
• 鞍座、床檯（基座/底座）、滑道(分成硬軌/線軌)等：經由潤滑系統支撐其他組件，有時提供進給自由度。

動力來源

工具機的動力可由電動機提供。電動機可分為”直流馬達”與”交流馬達”。傳統上直流馬達有功率輸出大，加減速反應靈敏順暢、溫度低等優點。但直流馬達具有電刷等易損壞零件。整流時產生之火花可能導致火災，最高速率因此受限。易損壞零件也提高故障率。交流馬達不需電刷。加上近年來功率、加減速反應目前最先進的技術是直線電機直接驅動工具機的直線軸轉電機經”滾珠導螺桿(Ballscrew)”或者齒輪齒條等傳動機構間接驅動。

分類

工具機按加工方法可分為銑床、車床、磨床、鑽床等。按工具機構造可分為檯式、落地式、龍門式、多機頭式(多主軸頭)等四種。按自動化程度可分為傳統金屬切削機，數值控制與電腦數值控制工具機。

數控工具機

數值控制工具機及電腦數值控制工具機已成為零件加工工業的重要設備。與傳統工具機相比，電腦數值控制工具機較適合精密零件生產。

優點

• 高精確度。高品質。
• 資料易儲存修改。如果程式設計良好，可以通用於不同時間地點的工具機，生產相同的產品。不需重新設計。
• 可自動換刀、送料、機械手(Robot)等，自動程度更高。
• 「適應控制」維持工具機於最佳生產條件。
• 較長的刀具壽命。
• 增加工作時間提高機器使用率（下班無人化看管仍可工作）
• 高效率、高品質、高良率。在成品外形複雜精細時尤其明顯。
• 減少夾具、治具。因此減少前置成本與準備時間。
• 加工多樣化。在少量多樣的生產模式下可減少單位成本。
• 減少勞力人事成本。一操作員可同時操作數台機器。
• 加工時間、單位成本易控制掌握，因此可有效掌握生產計劃，並且能減少呆料。
• 操作簡便。一旦程式設計完成，操作就減少對高技術操作人員依賴。
• 免除操作者誤差，提高良率。

缺點

• 電腦數值控制工具機初期購置成本高。
• 程式人員須有加工、操作等知識。
• 設備精密複雜，維護與保養成本高。
• 依賴程式設計師、機械維修專業人員。此類人員訓練較一般技術員困難。
• 以兩頂針支持工件：以機器頭座(主軸頭)與尾座各一頂針夾住工件。適合用於夾持長形工件進行旋轉，能承受較大的切削力量。
• 心軸：以頭座伸出的心軸，穿過圓柱形工件軸心已有的孔洞。
• 面板：以夾具將工件固定在工具機的一個面板上。適用於平板、不規則形的工件。
• 夾頭：以類似爪子的組件抓住工件。

除了操作員安全訓練之外，工具機上也有數種設計維護安全，例如在工具機外裝置防護罩 (全密式護罩) 防止異物伸入；裝置光電偵測器( Electronic Sensor)以在異物伸入時發動緊急停止；將控制裝置設定為雙手按鈕等等。 

（資料來源：維基百科，自由的百科全書）