因應(yīng)航太產(chǎn)業(yè)向來具備嚴格品質(zhì)系統(tǒng)認證且高複雜的整合技術(shù)，不僅向來被世界各國均視為國家產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力指標(biāo)；近來更隨著亞洲航空市場需求不斷增加，被看好是未來20年內(nèi)少數(shù)能維持明顯成長的產(chǎn)業(yè)。隨著該產(chǎn)業(yè)即將成為下一波臺灣工具機製造、加工廠商競逐主流，未來如何加工所需航太用的非鐵金屬材料：鋁、鈦、鎳基合金及複合材料等，讓業(yè)者須不斷積極尋求更完善的刀具系統(tǒng)解決方案。工研院也與加拿大哥倫比亞大學(xué)(UBC)持續(xù)密集合作，支援業(yè)者開發(fā)所需高效率加工設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)。

針對航太零組件加工　法人提供高效應(yīng)用技術(shù)

圖1 : 航太產(chǎn)業(yè)需具備嚴格品質(zhì)系統(tǒng)認證且高複雜度的整合技術(shù)(source:3dprint.com)

　　工研院智慧化工具機技術(shù)中心數(shù)位製造技術(shù)部經(jīng)理彭達仁進一步分析，如航太用零組件要求輕量、高剛性及高可靠度，導(dǎo)致其不用鑄造工法，以免因鎖孔增添應(yīng)力疲勞風(fēng)險，而改用工具機大量移除90~95%以上塊材、滿足高效率製造需求。卻在加工後容易形成薄壁特徵，造成工件加工時震動更甚於一般模具，現(xiàn)今設(shè)備製造商除了考量End User加工時刀具、機臺之震動外，還要加上工件。

　　因為所採用的鋁、鈦/鎳基合金等零件材質(zhì)、尺寸及樣式有明顯特性差異，須對應(yīng)加工設(shè)備之速度、加減速、剛性及構(gòu)型、主軸扭力等不同特性，而有高度專用化趨勢。包括切削鋁質(zhì)材料時須靠高轉(zhuǎn)速加工，使得精修之切線速度達700m/s、主軸轉(zhuǎn)速15,000rpm以上，進給之響應(yīng)性與加減速度要夠高、夠快，以免過慢會「黏刀」；反之，加工鈦/鎳基等難切削材料時，僅要求低切線速度約30m/s及低轉(zhuǎn)速600rpm，但剛性要夠高，才能滿足增加的進給與加減速度。但他也強調(diào)：「當(dāng)不斷提升機臺結(jié)構(gòu)剛性和切削效率後，最後受不了的恐怕是刀具，而必須利用刀具中心高壓/液態(tài)氮冷卻技術(shù)，達到更有效冷卻、潤滑。」Makino、MAG便分別透過高壓冷卻和特殊礦物潤滑油，以及加入刀具中心液態(tài)氮等冷卻技術(shù)，減輕刀具磨耗，延長使用壽命。

　　此外，針對切削過程中產(chǎn)生的振動來源約可分為：低頻(機臺結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)振動)、高頻(刀具、薄壁工件、主軸)。彭達仁指出，因為主軸與刀具系統(tǒng)並非剛體，而由軸承、夾爪、彈簧等多個零組件構(gòu)成，在切削時都會震動，導(dǎo)致無法單憑理論計算剛性。須藉由加速規(guī)敲擊刀具等動態(tài)特性量測，得知Stability lobes(切削穩(wěn)態(tài)圖)和機臺頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)，才能清楚掌握機臺切削性能；經(jīng)實際加工測試也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與切深才會影響顫振，而非扭力與進給量。

　　彭達仁認為，End User在加工鋁合金時，幾乎可忽略低頻因素，反而應(yīng)更重視主軸動剛度造成的影響較大。至於以低轉(zhuǎn)速切削鈦/鎳基材料時，則由於刀具自然頻率增、顫振少，遇到的高頻問題小，而以刀具磨耗問題居多，恐導(dǎo)致頻率能量失效，結(jié)構(gòu)頻率的問題較大。此外，在加工發(fā)動機等薄壁件時，因低頻使得製程阻尼更嚴重，抵銷刀具振動，常須處理的是薄壁件帶來的振動問題，而非刀具。

　　到了要求移除量大，以免加工時間更長的航太加工產(chǎn)業(yè)，只要能有助於縮減工時而提升產(chǎn)能的價值更高，導(dǎo)入模擬切削分析技術(shù)也更有意義。工研院也因此導(dǎo)入加拿大哥倫比亞大學(xué)的數(shù)位製造模擬技術(shù)，透過Stability Lobes(協(xié)助End User在適當(dāng)轉(zhuǎn)速、切深範(fàn)圍內(nèi)加工，避免顫振；設(shè)計者也能事先得知機臺構(gòu)型，加以改善。

　　精密機械研發(fā)中心(PMC)去年也同樣與工具機四強友嘉實業(yè)、永進機械、百德機械、崴立機電結(jié)盟，催生「切削顫振研究聯(lián)合實驗室」啟用，希望提升工具機產(chǎn)業(yè)附加價值，最高可提升切削加工效率達30％。PMC董事長嚴瑞雄表示，在工具機切削加工過程中，常會面臨刀具振動引起的加工不穩(wěn)定現(xiàn)象，在工件表面留下顫振刀痕；當(dāng)?shù)毒咴俅谓?jīng)過這些刀痕時，就會引起更大的振動，在工件表面產(chǎn)生更深的刀痕，造成工件表面的波浪形和較大的粗糙度並且加速刀具的磨耗。導(dǎo)致刀具或工件損壞，並造成切削品質(zhì)難管控、效率低落，浪費重做時間及成本。

　　友嘉實業(yè)副總經(jīng)理林肇嘉也指出，該過程過去只能憑老師傅經(jīng)驗解決，沒有科學(xué)數(shù)據(jù)、產(chǎn)生加工盲點，無法即時回應(yīng)顧客需求，造成失單、退機等問題。在「切削顫振研究聯(lián)合實驗室」建置後，即進駐了4家聯(lián)盟廠商最暢銷的機臺為載具，提供大量且科學(xué)的機臺實機操作數(shù)值做為佐證資料。期待透過顫振預(yù)測、建立切削力係數(shù)資料庫、工具機切削性能測試，提供業(yè)界最精準(zhǔn)、最科學(xué)的數(shù)值，有助於提升切削加工效率、縮短生產(chǎn)周期，讓臺灣工具機產(chǎn)業(yè)朝高品質(zhì)之路邁進。

圖2 : 針對航太零組件加工特性，法人也與加拿大哥倫比亞大學(xué)密切合作，支援業(yè)者開發(fā)所需高效率加工設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)。