模具高速加工與高精密五軸機床之應用

一、前言

中國汽車年產量從2001年的234萬輛，到2014年年產量已10倍成長至高達到2300萬輛，以單一國家來看，中國大陸為全球第一大汽車銷量市場，第二大是美國。于中國大陸銷售的汽車品牌已經是百家爭鳴，各家皆有3至12種以上各式型號的車型，因應汽車消費者對汽車外型與性能要求日益增強，各汽車廠車型外型改款速度必須以快達約2年便必須推出程度不一之改款車型來對應市場競爭。

使得汽車模具的開發周期不斷被壓縮，現今每年汽車模具市場必須推出的模具數量已較10年前大幅增長，汽車模具市場產值也不斷被推升增長。

因應模具開發交貨周期的極度壓縮，高速加工在汽車模具的應用已經是必然趨勢，甚至是能否接到客戶訂單的關鍵因素。本文將針對模具現代加工技術與高速高精度五軸機床的應用做一深入詳細的探討。

二、現代模具高速加工對機床的要求

模具加工用戶對大型高速高精度加工中心機的需求，還是以型面精加工為主要要求，但是期望機床能彈性對應其他制程之緊急需求，確保整體制程的柔性化。例如，機床能因應特殊需要時施作粗加工胚料移除(高切削移除率加工)、模具冷卻水通道之深孔加工或整修等這些本來應該在其他專用機臺上施做的工序。

除此之外，高速高精度模具加工中心機必須具備以下特性：

A. 絕佳的結構剛性與阻尼特性和精度穩定性，以適應高速進給以及頻繁的高加減速

B. 高速加工的必備基本條件

高速電主軸15000rpm以上，并具備兩面拘束刀柄 HSK type。

主軸具備良好動平衡、剛性、熱穩定性、足夠的功率和力矩

切削進給達10m/min以上，并具備優異的路徑精度控制能力

快速進給50m/min以上，縮短非加工時間等無效工時

高加減速特性，1米行程以下機床一般需1G,  2米以上機床需0.5G以上 

C. 利用五軸加工來減少放電加工時間、減少長刀具之使用、減少工序與工件重新裝夾：

D. 針對各種不同大小尺寸與重量的工件，能維持相同加工性能表現。

三、汽車模具加工的需求種類

汽車產業主要的中大型模具加工，大致可分為以下幾類，

A. 五金沖壓件模具(Stamping Die)

外板件沖壓模：

要求模具型面須具備優異的精加工質量與尺寸精度，最大模具近5米長，例如 body side模具、對稱雙門模具

內板件沖壓模：型面質量要求較內板件低

B.  塑料件模具 (Plastic Injection Mold)

常見材料有45號鋼/P20/2738/2344/H13/SKD61/SKD11/8402/2343/NAK80等

外飾件模具：如保險桿、水箱罩、塑料件葉子板等，保險桿模具尺寸最大長度約3米

內飾件模具：如儀表板、車門內飾板、中控臺。內飾件注塑模具型面許多加強肋，一般需要大量放電加工工序

車燈模具 (Automotive Lamp Mold)：如燈體、飾圈、反射鏡、配光鏡等，模具尺寸通常1.5mx1.5m以下。

C. 橡膠模具 (Rubber Mold)

主要是模胎模具，常見材料有鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁、合金鑄鋼等。

D. 成品檢具 (Checking Guage)

用來快速檢測板金覆蓋件與注塑件之量產成品，一般以鋁合金與代木材料為主，對型面輪廓精度與定位孔空間精度的要求很高。

E. 整車快速造型 (Rapid Prototyping)

機床尺寸要求能加工整車原型尺寸，常見加工材料包含泡沫塑料(聚苯乙烯), 黏土, 樹脂材料, 鋁/鋅合金。底下為APEC專用于汽車快速造型之大型五軸高速加工機實際加工視頻連結，該機床加工行程達七米 x 四米 x 兩米，并能選配集塵過濾系統。

四、直線電機實現了高速加工的理想

自199X年，DMG開始大量推出直線電機驅動之機床，配合刀具技術、CAD/CAM軟件技術的快速發展，企圖將高速切削應用普及化，取代主流傳統加工。相較于傳統伺服馬達透過聯軸器、滾珠裸橄、螺帽之驅動方式，直線電機驅動所帶來的優勢，包含了動力直接傳遞，沒有機械效率損耗，沒有機械背隙，少了復雜的機構傳遞，其系統伺服頻寬可大幅提高，因而大幅提升切削動態特性。

亞太菁英(APEC)于2006年將直線電機高速加工機成功于臺灣知名汽車五金覆蓋件模具廠-協欣公司(中日合資企業)做模具加工之高速化應用，將精加工切削進給從原本SNK機臺之4m/min，提升至10m/min，在業界造成不小震撼。

早于2005年，亞太菁英(APEC)便開始和德國博世(Bosch)工業集團長期策略合作，將Bosch Rexroth的直線電機產品與技術搭載在APEC的大型高速天車式加工中心。整副模具加工速度平均可縮減至原本50%，優良的加工面質量和型面精度，更可大幅節省人工打磨拋光時間與合模次數。

五、大型五軸直線電機高速加工機的優勢特色

亞太菁英針對汽車產業模具、檢具、快速造型的需求，提供了兩大解決方案：GM機型與G機型。GM機型采用專利Box in Box重心驅動高架框架式結構，擁有最佳的結構剛性、精度穩定性以及鈍化環境溫度影響。G3020/G2540機型則采用整體式U型床身結構，擁有最短力流結構剛性與最小的占地面積，為寸土寸金的廠房提供最高水平的單位面積生產效率。

以上兩種機型之架構皆為工作臺固定式，三軸高架重迭之天車式結構，機臺性能不受模具工件大小重量變化所影響。這些機型皆為直線電機驅動, 軸向進給高達60m/min，并具備大扭矩兩軸頭與高速電主軸，可同時做高切削移除率之加工與高速精加工。

以亞太菁英G3020直線電機五軸高速加工機為例，此機搭配HSK63A-24000rpm電主軸，可以在一個機臺上施做下列五種典型加工，提供最優異的加工性能與制程柔性化：

A. 大量胚料移除：材料45號鋼, 刀具直徑 50mm, 切寬35mm, 切深0.8mm，feedrate=12m/min, 切削移除率 CRR可達 336 cc/min

B. 深孔槍鉆加工：材料45號鋼, 刀具直徑30mm, 主軸轉速1273 rpm, 軸向進給 127mm/min

C. 型面精加工：刀徑25mm，刀具路徑節距 pitch=0.5mm, 主軸轉速12000rpm, feedrate 11m/min

D. 多刀清角：刀徑2mm, 主軸轉速18000rpm, 切削進給1760mm/min

E. 型面鏡面超精加工：刀具直徑0.8mm, 主軸轉速 22000rpm, feedrate=800mm/min

底下為輪胎模具自素材開始大量胚料移除、中加工、半精加工、精加工、溝槽加工之視頻連結，可以看出大型五軸加工機床依然具有一定程度的粗加工胚料移除能力，更能一次性處理各種加工需求。

喬豐集團為兩岸知名汽車覆蓋件模具制造商，自2012年開始大量引進亞太菁英 GM大型五軸高速加工機, 三軸全直線電機驅動, Box in Box天車式結構, 加工行程3m x 5m x 1m。在刀具摩耗的權衡考慮下, 目前實際加工進給可達12~15m/min, 五軸/3+2軸/三軸等不同工法間的相接面階差, 也能獲得相當優異的控制。配合自動換刀、雷射刀長刀徑監控補正、工件自動機上量測分析補正，能達到 24hr / 1 day 高效率三班連續生產模式。在整廠制程改善方面，受惠于優良的加工質量，其模具重要加工面質量不再倚賴資深鉗工打磨拋刀光人員，故能進一步引入工廠制程管理系統來做制程升級與無人化/少人化作業。    

計算其機臺工時成本、模具產量提升率、人工鉗工時間成本, 精算后每機每年可節省26萬美金(約161萬人民幣) 制造成本，模具質量也獲得美國、德國汽車大廠客戶的肯定，汽車大廠客戶甚至要求該使用者全面將此制程優化成果提升推廣至集團世界各地工廠。

六、結語

高速加工從1930~40年代便開始有理論提出，在大型汽車模具上的應用，卻是因為五軸觀念的普及、刀具與CAD/CAM技術的推陳出新、高速電主軸與兩軸頭的發展、直線電機驅動技術的發展，才使得高速加工概念在近五到十年于大型模具產業間發酵。我們期待大型高速高精度五軸機床技術能和現代模具制造技術并行發展，在世界汽車供應鏈上扮演舉足輕重的角色。