第 7 章 工具機的基本元件

1. 機械製造 Manufacturing Processes and Systems 9E 第7章工具機的基本元件

2. 目錄 7.1 工具機 7.2 元件 7.3 馬達 7.4 工件夾持 7.5 工件的運送 7.6 刀具更換 7.7 控制系統

3. 概論 • 大多數工具機具有二個或更多的元件，如基座與頭座(headstock) • 構成工具機結構必須考慮的條件包括：架構須有足夠的剛勁度(rigidity)、適當的形狀、易於操作、切屑去除容易以及安全性等 135

4. 概論 • 具機的性能方面，需要有靜態或動態剛性(stiffness)，以維持所須的準確性與精密度 • 機器結構的穩定性亦須嚴格要求，以免在操作時產生機械加工之震顫(chatter) 135

5. 7.1 工具機 136

6. 7.1 工具機 • 車床與搪床都是使用單鋒刀具的機器，然而其運動方式卻完全相反，稱之為運動反轉(kinematic inversions) • 位移(translational) 指直線運動 • 曲線(curvilinear) 指非直線、非圓周之運動 136

7. 7.1 工具機 • 牛頭鉋床與龍門鉋床皆使用單鋒切削刀具，但結構設計卻不同，其差異點著重在於工件大小 • 圓筒磨床(cylindrical grinder) 採用車床與搪床的運動方式，只是以轉動的磨輪代替單鋒刀具 137

8. 7.1 工具機 137

9. 7.1 工具機 137

10. 7.1 工具機 138

11. 7.2 元件 • 焊接的機架比用鑄造的機架有如下優點： • 其重量約可減輕25% • 機架損壞後的維護相對地容易 • 視機器設計的需要，同一機架可使用各種不同的鋼料 • 因為不須製造昂貴的模型或砂心，容易更改設計且成本低 • 加工或設計上的錯誤易於修正 • 可增加材料於發生較大應力區，以控制機架撓曲變形或振動 139

12. 7.2 元件 • 鑄造法的缺點： • 灰鑄鐵的震動吸收能力優於焊接製成的鋼機架 • 鑄造材料的組織較均勻，因此化學反應可被忽略 • 鑄造法更適合大量生產 • 重型機械之機架可能需要相當大的重量來吸收負荷 139

13. 7.2 元件 • 為適用於攻製螺紋或螺帽等加工，機器轉軸(spindle) 可作正逆兩方向旋轉 • 機器轉軸尚具有動力進給以及多種調整的功能 140

14. 7.2 元件 140

15. 7.2 元件 140

16. 7.2 元件 • 機器結構的重量會影響到機器的性能 • 構成工具機結構的各種固定式或移動式元件，都要依照工件和切削刀具間的相對位置，設置及引導彼此間的運動 • V 型滑道可主導兩方向的運動；滑道面需強制給油潤滑，以免產生刮傷或卡緊不動 • 滑道上亦可裝置滾筒或滾珠軸承(roller or ball bearing) 以減少摩擦 140

17. 7.2 元件 141

18. 7.2 元件 • 如果切削力或負荷不是很大時，則可使用鑄鐵製的滑道及滑動面其上刮有一些很淺的刮痕，稱之為刮花(scraping) • 動力的大小及機械的性能決定靜態與動態的剛性(stiffness)。而工件的大小和形狀，以及切削方式、操作和負荷情況，都會影響到機器結構的形狀及其設計 141

19. 7.2 元件 142

20. 7.2 元件 • 金屬切削常在工件和刀具間伴隨震顫(chatter)，由於它導致表面粗糙度、車削準確度及刀具壽命之不良作用；振動及震顫是複雜的現象 • 振動型式有二： • 強迫振動(forced vibration) • 自激振動(self-induced vibration) 143

21. 7.3 馬達 • 感應馬達(induction motor) 包含電磁鐵、電樞線圈及附電刷之整流器 • 馬達之應用視下列因素而定：交流(AC) 或直流(DC) 電源、起動頻率、起動扭矩大小、變速之段數、負載變異性、超載能力、溫度變化範圍、灰塵、爆炸或腐蝕性氣體、水平或垂直位置以及電能負載 143

22. 7.3 馬達 • 馬達則僅依電源而區分為 • 交流 • 單相 • 雙相 • 三相 • 直流 • 串聯馬達 • 並聯分激馬達 144

23. 7.3 馬達 • 馬達則僅依電源而區分為 • 交流 • 單相 • 雙相 • 三相 144

24. 7.3 馬達 • 串聯馬達 • 藉一可變電阻之控制而與磁場線圈串聯，具有較高起動扭矩，但負荷增加時，速率會降低 • 並聯分激馬達 • 負荷增加時仍能保持相當穩定之速率，然其起動扭矩並不大 144

25. 7.4 工件夾持 • 工件夾持裝置，通常利用機械式、液壓、氣壓、電氣、磁性或以凸輪等方式的夾持裝置，以降低夾持工件的時間 • 工件的夾持、加工完成後的釋放，以及再夾持下一個工件等動作，都是全自動的 144

26. 7.4 工件夾持 • 支持工作物於兩頂針之間 • 適合於長形工件，並能承受較大的切削力重 • 牽轉器(dog) 是一種聯結的方式 145

27. 7.4 工件夾持 • 心軸 146

28. 7.4 工件夾持 • 面板 146

29. 7.4 工件夾持 • 夾頭 • 萬能夾頭(universal chuck) • 獨立夾頭(independent chuck) • 組合夾頭(combination chuck) • 鑽頭夾頭(drill chuck) 147

30. 7.4 工件夾持 147

31. 7.4 工件夾持 • 筒夾 • 通常用於夾持棒狀材料，其有各種標準大小的夾爪，適用於圓形、方形、以及六角形的棒料 • 大型棒料，有時可以平行閉合式(parallel-closing type) 筒夾夾持之，但通常仍是以彈簧式(spring type) 筒夾較普遍 • 彈簧筒夾有三種不同的型式：推出式、拉回式與固定式筒夾 147

32. 7.4 工件夾持 148

33. 7.4 工件夾持 • 心軸 149

34. 7.4 工件夾持 • T型槽及虎鉗 • 在銑床、龍門鉋床和牛頭鉋床等的工作檯面上，都留有T 型槽(T-slots)，用以固定或夾持待加工的工件 149

35. 7.4 工件夾持 150

36. 7.4 工件夾持 • 磁性夾頭 • 永久磁鐵夾頭(permanent magnet chuck) • 直流電磁化 • 直流電磁夾頭(direct-current chuck) 150

37. 7.4 工件夾持 150

38. 7.4 工件夾持 151

39. 7.5 工件的運送 • 在職業安全衛生法(Occupational Safety and Health Act) 和管理實務中的規定，建議當工件數量太多或過重，為操作者安全及福利著想，應使用機器人、自動設備或其它搬運設備以搬運工件 151

40. 7.5 工件的運送 152

41. 7.6 刀具更換 • 較常見的刀具替換方式則是轉軸能移動至位於機器封箱中的刀具貯存倉或旋轉檯，並直接交換刀具。在轉軸下降，觸及新的刀具，並將其插入於錐孔中之後，動力驅動之拉桿將使分裂式筒夾夾緊刀具，令其工作端露在外面。如果刀具的貯存倉和轉軸有一段距離，則新刀具須以機械輸送至主軸上 152

42. 7.6 刀具更換 153

43. 7.7 控制系統 • 以人工控制的機器，意即以肌肉作動力取代馬達來裝入零件、移動工作檯、滑架等，此稱為感覺機器(sensitive machine) • 最早電氣控制之核心為極限開關(limit switch)，此為一簡單開關裝置，通常為開或關狀態，只要一碰及，就可改變狀態 153

44. 7.7 控制系統 • 控制零件已由電氣開關或電子轉換器進步至積體電路，再至微處理器(microprocessors) • 控制系統連結各單元組合成一架構，因而可提供所期望之系統響應。其中包含輸入輸出之關係以方塊圖(block diagram) 表示想控制的製程(process) 或元件(component) 154

45. 7.7 控制系統 154

46. 7.7 控制系統 156

47. 7.7 控制系統 156

48. 7.7 控制系統 • 伺服機構(servomechanisms) 對於機械定位及馬達旋轉之控制極為重要 • 馬達磁場電樞線圈產生之電壓稱為反電動勢(back EMF) • 馬達之空氣摩擦與軸承磨擦及機械負載均為此系統負荷之影響因素 155