五軸銑削數控加工之基礎及實作 | 誠品線上

五軸銑削數控加工之基礎及實作

內容簡介

內容簡介 對於CNC四軸及五軸銑削加工，本教材從多軸銑削數控加工的基礎，材料及刀具的建立，工法選擇及刀具路徑計算，加工模擬，加工機模擬，NC碼輸出，機台工作座標設定及刀具長度測量，乃至實際加工，透過八個實際範例，儘可能遵循「通俗實用－無師自通」的原則一步一步進行講解。在電腦輔助加工軟體方面，本書透過編程實例來直接導引多軸銑削加工的應用概念，操作案例經由英國Delcam公司推出的PowerMILL軟體做編寫，它是目前全球市面上廣泛用於2~5軸數控銑削加工自動編程系統。在加工實作方面，本書則通過日本Roland公司MDX-40A CNC雕刻機以及德國Siemens公司SINUMERIK 840D sl控制介面的五軸加工機進行講解。對其他品牌的CAM軟體或控制器介面，讀者應該會很方便的觸類旁通，融會貫通。此外為適應國際化的大趨勢，本教材儘量以中-英文雙語表達，不僅使外籍學生可以使用，更可供本籍學生用來提高英語特別是機械加工專業英語的水準。

作者介紹

作者介紹 ■作者簡介王松浩現職：崑山科技大學機械系教授學歷：美國匹茨堡大學機械工程學博士經歷：崑山科技大學機械系任教十數年；任教前已具數十年國外業界實際經驗專長：電腦輔助設計 製造 工程分析，逆向工程 快速原型，機電整合及創意產品設計獲得獎項：世界各國發明專利25件，專利轉讓三件，國際發明展金牌十數枚，銀銅牌十數枚，並榮獲：2008台灣區機器工業同業公會機械業產學貢獻獎2011國家發明獎2012第七屆臺灣十大傑出發明家獎2012教育部產業先進設備人才培育計畫優良教材獎吳世雄現職：達康科技國際股份有限公司 技術總監學歷：國立台北技術大學（專科二年制） 經歷：主要從事Delcam各產品的新技術推展與技術管理和支援（2001迄今）延伸的產業技術應用解決方案，包括:設計 製造 檢測等完整Solutions 任職達康科技前於業界主要專業領域在汽機車相關零配件的CAD／CAM設計與製造（1994～）於2002年開始琢磨五軸的加工專業領域與各類型五軸加工機的控制後處理英國Delcam原廠五軸專業訓練：2003：泰國2004：英國 2005：韓國

產品目錄

產品目錄 1. 緒 論（Introduction）2. 多軸加工基本運動及座標系統（Basic motion and Coordinate System in Multi-Axis Milling）2.1 多軸銑削加工基本概述（Basics for Multi-Axis Milling） 2.2 銑削加工之座標系統（Coordinate system on milling machines） 3. 多軸銑削加工刀具軸向設定（Tool Axis Setup for 5-Axis Milling）3.1 簡介（ Brief Introduction） 3.2 刀軸設定與加工選項（Tool-Axis Setup and Toolpath Strategies） 3.3 進退刀／偏斜概述（The concept of Lead Lean） 3.4 範例-1 進退刀／偏斜，朝向點／從點（Example-1 Lead Lean, Touard From Point） 3-5 範例-2 朝向線／從線（Example-2 Toward From Line） 3-6 範例-3 朝向曲線／從曲線（Example-3 Toward From Curve） 3-7 範例-4 固定方向（Example-4 Fixed Direction） 4. 四軸加工範例：造型香水瓶（4-Axis Macnining: A Rotary-Bottle）4.1 基本設定（Basic Setup） 4.2 粗加工（Rough Machining） 4.3 精加工（Finish Machining） 4.4 實體加工模擬（Machining Simulation） 4.5 產生並輸出NC 碼（Export NC Code） 5. 五軸加工範例：3+2 定面加工（5-Axis Machining: 3+2 Fixed-Face Milling）5.1 基本設定（Basic Set-up） 5.2 粗加工（Rough Machining in 3-Axis） 5.3 精加工（Finish Machining in 3-Axis） 5.4 3+2 定面加工（Machining for the pockets with 3+2 axis） 5.5 加工模擬（Machining simulation） 6. 五軸加工範例：哆拉A 夢（5-Axis Machining: Model of Doraemon）6.1 基本設定（Basic Setup） 6.2 粗加工（ Rough Machining） 6.3 精加工（Finish Machining） 7. 五軸加工範例：足球（5-Axis Machining: Soccer Ball）7.1 基本設定（Basic Setup） 7.2 粗加工（Rough Machining） 7.3 清溝與Logo 加工（Machining Logo） 8. 五軸加工範例：觀音像（5-Axis Machining: Statue of Guan-Yin, Goddess of Mercy）8.1 基本設定（Basic Setup） 8.2 粗加工（Rough Machining） 8.3 精加工（Finish Machining） 9. 五軸加工範例：高腳杯（5-Axis Machining: High-Foot Cup）9.1 基本設定（Basic Setup） 9.2 內側加工（Machining the Inside） 9.3 外側加工（Machining the Outside） 10. 五軸加工範例：渦輪葉片（5-Axis Machining: Turbine Blades）10.1 葉片工法及前置作業（Turbine Blade Machining Strategies） 10.2 葉片粗加工（Blade Rough Machining） 10.3 葉片精加工（Blade Finishing） 10.4 輪軸精加工（Hub Finishing） 10.5 加工模擬（Simulation） 11. 加工機台模擬（Machine Simulation）模擬步驟（Procedure of Simulation） 12. 加工機基本設定及運行（Basic Setup and Start Machining）12.1 四軸銑床基本設定及運行實例-Roland MDX-40A CNC 雕刻機（Basic setup and operation for Roland MDX-40A 4-Axis Milling Machine）12.2 五軸銑床基本設定及運行實例：西門子SINUMERIK 840D sl 控制器（Basic setup for 5-Axis Machine with Siemens SINUMERIK 840D sl Controller） 附錄1 G&M 碼基本機能簡介（List of Basic G&M Codes for Milling）附錄2 多軸銑削加工認證試題（Certification Tests for multi-axis machining）

商品規格

最佳賣點

最佳賣點 : 對於CNC四軸及五軸銑削加工，本教材從多軸銑削數控加工的基礎，材料及刀具的建立，工法選擇及刀具路徑計算，加工模擬，加工機模擬，NC碼輸出，機台工作座標設定及刀具長度測量，乃至實際加工，透過八個實際範例，儘可能遵循「通俗實用―無師自通」的原則一步一步進行講解。

試閱文字

自序 : 前言 (Preface)

近年來電腦技術的突飛猛進所導致加工技術日新月異,物聯網所引起的「零庫存」概念對製造業革命性衝擊,要求「小批量多樣化」甚至「隨到隨做」的需求。而電腦控制及運算的能力又為以上的需求提供了無限的可能性。因此近年來電腦輔助製造（Computer Aided Manufacturing，CAM）的進步也可以說跳躍性的。Due to great achievements in computer technology, the requests for “Zero Storage” and “Flexible Manufacturing” gradually becomes reality.

因應時代的變遷以及產業競爭的需求，業界和學校近年來引進越來越多的多軸加工中心，因此現在非常需要有一些相關的比較基礎和實用的教材。此外目前在技術考試證照中加工領域只有丙級和乙級，而還沒有相應的甲級證照，筆者認為一個主要原因是在多軸加工（多軸銑削及車銑複合等）技術的普及/規範化有待於提到一定的高度。基於此因以及上司和同事的鼓勵與促使，才拋磚引玉地試圖編寫這本以實作為導向的“電腦輔助性多軸銑削加工”基礎教材。Although more and more multi-axis machine centers have been introduced into companies and schools, there are very few text books to systematically teach fundamentals and practices in this subject. Therefore, this book is an effort to make multi-axis machining process easier to learn.

詳述CNC多軸加工操作的主要步驟,Steps for the Multi-Axis Milling explained in the book：
 CAD模型的輸入,Import and place the CAD model;
 工件材料及刀具選擇，Establish Block material and cutting tools;
 刀具路徑計算，Create toll paths based on the geometry and cutting strategies;
 虛擬加工模擬，Virtual machining simulation to confirm the toll paths;
 虛擬機器模擬，Virtual machine simulation to prevent collision;;
 NC碼輸出，Export NC (G&M) codes;
 機台工作座標確立，Establish Work Coordinate on real multi-Axis milling machine;
 刀具長度測量，Measure toll length compensations;
 四軸或五軸銑削加工的進行, Start to machine.

本教材特點, Special features of this book:：
本教材力求通俗易懂，試圖使讀者順著書中步驟就能夠進行軟體/硬體實作；
Easy to read, follow and practice;
如果讀者具備一些基本的三軸CNC銑床加工知識及經驗，則實作起來會更加得心應手；
Feel much easier if the reader has at least basic idea or experience in three-axis milling practice.
本教材主要內容及操作步驟盡可能以中-英雙語展現，以利外籍生的教學以及本籍生英語程度的提高。
Written bilingually in Chinese-English, this book is to serve non-Chinese readers as well as for native-Chinese readers to improve their Professional English.

本書撰寫過程中，得到了各層面的激勵及促使。例如崑山科技大學工學院及機械系長官不懈的鼓勵;達康科技股份有限公司(DelCAM Taiwan)的總經理以及西門子科技股份有限公司臺灣分公司（Siemens Taiwan）相關主管的認可。崑山科技大學機械系與達康科技公司（DelCAM Taiwan）在CNC加工方面密切聯合之研究與教學已有十餘年之久。現在合作編寫此教材，也算是多年以來合作結晶之展現吧。During the preparation and writing of the book, encouragements from the colleagues of Kun Shan University were the source of energy. Moreover, approves from both managements of DelCAM Taiwan and Siemense Taiwan were also appreciated. The close cooperation between Kun Shan University and DelCAM company dates back over more than ten years, and therefore this book could be a very good summery.

此外作者還要特別感謝, Special thanks go to：
•崑山科技大學蒙古國留學生貝德傑,尤瑞雅和哥斯大黎加留學生馬克斯對實際機台操作步驟以及零件實際加工之驗證。
Foreign Students Turbat Byambadelger, Uranzaya Janchivdorj and Max Aguilar Camacho in Kun Shan University (Taiwan) for their tireless efforts in editing the writing and confirmation on machine setup procedure as well as real machining.
•達康科技股份有限公司邱小姐(Kai)在本書編寫及程式編制過程中的大力幫助,
Mrs. Kai of DelCAM Corporation for her great helps in CAM programing and posting out NC codes;
•新營高工模具科高賦源老師對銑削加工常用G&M碼的確認。Mr. F.Y. Gao from National XinYing Industrial Vocational High School, for his confirmation on most used G&M codes in milling operation.

試閱文字

推薦序 : 推薦序

機械加工乃是一門基礎且應用性廣之工業技術，該技術之發展層次往往決定了各類產品(例如：機械零件、家用光電產品、儀器設備以及資訊與通訊產品等)之競爭力，該技術層次亦是進入工業大國之一決定性指標。
工具機具先進機械加工技術之總整，其市場應用不斷地被開發，從早期機汽車及家電產業，歷增模具、航太與3C產業，以及近年新興的生醫、綠能、太空等產業；其技術層次不斷地被提升，今日工具機核心技術之研究，已不再僅侷限於以機構、電控為主體之領域，舉凡資通訊技術(ICT)、光學雷射、影像處理、遠端監控，乃至雲端運算 (Cloud Computing)等，皆屬工具機可整合之技術範疇。
台灣工具機產值與出口值，歷年皆排名世界前五，超越美國、瑞士以及鄰近的韓國，唯台灣工具機產業結構，目前仍遭遇基礎技術不足、通路受制於人、產品同質性高以及匯率與FTA問題等問題。台灣工具機平均單價約為德國及瑞士的1/2，日本的3/5，在國際市場認知上，向以中低級產品為主，如何提升品級乃是當前之最大挑戰。此外，從2013年第一季開始，台灣工具機出口成長幅度受到日幣大幅貶值的影響，與日本價差從原先25~30％縮減為一成多，使得輸出歐美中高階產品之工具機業者首當其衝，亟需基礎技術之廣度教育與提升，再造榮景。
本書《五軸銑削數控加工之基礎及實作》是一本介紹多軸加工技術之專業書籍，個人才疏學淺，得能為其寫序實感榮幸，尤其本書之出書動機乃為提升台灣工具機基礎技術之教育做貢獻，因此為序時內心倍感高興。本書介紹之範圍涵蓋多軸坐標系之學理介紹以及實務加工練習，文體編撰通俗易懂，且佐以中英對照說明，書中加工實例均經實機驗證過，讀著若可依照章節順序研讀，應可快速地進入多軸加工之殿堂。
本書兩位作者均是個人的好友，一位服務於學界、一位服務於業界，兩位作者在國內機械加工專業領域上、同享盛名、學識淵博且得有十數年的合作經驗，在本技術傳承上也得有難得的共識。身為好友，深感驕傲，預祝本書暢銷，並廣受專業人士及學子親睞，得為工具機之基礎技術提升做出貢獻。


林穀欽
美國奧克拉荷馬州立大學機械與航空工程博士
崑山科技大學機械系教授/系主任暨所長

試閱文字

內文 : 廣義地說機械工業是典型的技術密集工業，也是國家的樞紐工業。其包括：1. 一般機械，例如紡織機械、化工機械、工具機等；2. 電氣機械，用於電力生產及輸配電用之設備，以及資訊與通訊產品等；3. 運輸工具，包括汽車、機車、自行車、火車、船舶、飛機等及其附件；4.精密機械，包括照相機、望遠鏡、醫療設備、鐘錶、光學儀器、檢驗測試設備等；5. 金屬製品，包括照相機、望遠鏡、醫療設備、鐘錶、光學儀器、檢驗測試設備等。故機械工業有「工業之母」的美譽。Basically speaking, machinery industry is very technology-intensive and also the
fundamental industry of many countries. Therefore, it is usually called the “Mother of Industry”.
一、 機械加工製造業的重要性
（The Importance of Mechanical Manufacturing Industry）
國內通稱之機械工業則僅指一般機械製造業，為狹義的機械工業。係各產業直接於生產之機械設備。範圍包括：工具機、產業機械、通用機械、動力機械及機械零組件等。
由於許多機械設備與下游應用產業相關技術存在著密不可分的關係，因此，下游應用產業對於生產技術之要求，常常成為帶動上游機械工業業著產品改良之主要動力，且機械工業產品品質亦對下游應用產業對外競爭力影響甚巨。機械工業的發展也常被用來衡量一個國家工業進步的程度，為了國家的經濟發展，世界各國無不殫精竭去發展其機械工業。
綜觀機械工業產業特性如下：
1. 為國家工業化程度之指標；
2. 機械工業具有較高的加工層次；
3. 為融合專業科技的工業；
4. 為高度依賴專業人才的產業；
5. 產品週期逐漸縮減；
6. 為技術密集的產業。
全球機械工業主要生產國家以日本、德國、美國為主，而上述國家乃世界上著名之工業大國，因此，台灣也已邁入已開發國家之林，如何提昇國內工業化程度，機械工業之發展占有舉足輕重的影響。機械業發展所需的專業人力較多，亦須有足夠的資金以資配合，是一種技術及資本密集之工業。
台灣在經濟發展的過程中，機械業的發展扮演了相當重要的角色，其主要原因如下述。
1. 台灣的機械工業自1982 年起，與電子資訊工業同列為策略性工業，就融資、租稅及技術等方面，給予優惠及協助以鼓勵廠商，希望透過政府的輔導加速機械工業開發，以帶動
整個工業的發展，進而達成整體產業全面升級之目標。歷經了三、四十年的歷史，發展迄今無論在國內市場或國際市場上已占有舉足較重之地位，且對產業界之發展、整體製造水準之提升，重要性亦逐年加重。
2. 機械業素有「工業之母」之稱，其與下游產業間的互動關係密切，而機械產品品質對產業競爭力影響甚鉅，因此，又成為衡量一國進步與否的指標；如何透過機械品質改良，重劃產業發展藍圖，再藉由產業技術的提升，推動機械的研發，將是產業機械生涯規劃中的重要課題。[1]
二、加工機（工具機）行業的重要性（The Importance of Machine Tool Industry）
加工機（工具機）是用來對工件的外形尺寸或性能進行改變的過程。其主要功能實為製造機器的機器，也因此常被被稱為「工作母機」。按被加工的工件處於的溫度狀態，分為冷加工和熱加工。一般在常溫下加工，並且不引起工件的化學或物相變化，稱冷加工。一般在高於常溫狀態的加工，會引起工件的化學或物相變化，稱熱加工。冷加工按加工方式的差別可分為切削加工和壓力加工。熱加工常見有熱處理、鍛造、鑄造和焊接。
台灣工具機廠商亦是少數以自有品牌行銷國際的重要產業之一。台灣工具機產業在技術整合、產品管理、行銷策略和服務方面具有相當優勢，近年來在政府積極輔導與產業界在提升精密機械之創新研究技術下，工具機產業在高階技術實力不斷精進，且各廠商在國際市場及行銷均有相當豐富的經驗，因此台灣工具機產業具有優良的發展前景。在創新研發的部份，工具機廠商在台灣精品獎、中小企業小巨人獎、工具機研發創新獎⋯⋯ 等獎項屢次獲獎，可見台灣工具機廠商持續在產品創新與技術研發仍不斷的進步；工具機廠商藉由積極研究創新，提升產品之品質、設計及形象，並因此提高我國產品附加價值。其中又以上銀科技、高鋒工業、台中精機等在諸多產品創新的獎項屢榮獲殊榮，可見台灣工具機廠商在研發、設計、品質、行銷等均積極投入並有卓越的成果。
在海外布局方面，除了在全球五大洲皆有經銷商外，上銀、台中精機、東台、亞崴、程泰、金豐、亞德客、福裕、協易、龍澤、油機、協鴻、友嘉等分別在中國大陸、德國、美國、日本、瑞士、捷克、法國、以色列亦有海外子公司；因此台灣工具機產業不只深耕國內，並拓展事業版圖至全球各地。
雖然台灣工具機產業榮景可期，但是所面臨的全球競爭也是十分嚴厲的。工具機產品設計層次可依序往上分為：標準化／無差異化；模組化／差異化；直到融入美學與體驗經濟的個性化／體驗化。而台灣工具機約落在設計模組化，與差異化之間；日本為設計差異化，與個性化間；德國則居於最高位置的設計個性化與體驗化間，造就3 國生產的工具機存在著極大的價格落差。在競爭激烈的大陸市場中，日系機種售價可比台灣貴1 倍，德國機更是台灣機的10 倍之多[2]。
三、多軸加工的重要性（The Importance of Multi-Axis Milling）
導入的思維在於一機多用途的3 軸高速加工、3+2 軸定位加工、5 軸定位鑽孔和5 軸連續加工等應用優勢，相對於軟硬體技術的提升與成本的降低也是產業界導入的主因考量。
五軸加工機在加工上比較於三軸加工機多了那些優勢？What are the advantages of
5-Axis over 3-Axis machining？
• 加工深穴模具，Deep pocket machining：允許夾持短刀具加工陡峭側壁或凸島，降低斷刀的風險與減少放電加工。
• 縮短刀具長度，Shorten necessary tool length：提高刀具剛性、延長刀具壽命，也提高加工表面精度及品質。
• 允許加工倒勾區域，Make it possible to machine overhanging geometries：減少成形刀的使用，減少後製作流程（EDM 及拋光）。
• 一次工件夾持定位，Reduce the time and cost for changing fixtures：利用刀軸的旋轉，完成各部位最適宜的加工方式以減少夾治具的架設及設定。顯著的時間效益在於減少工件重覆裝夾時間，提高了加工精度。
五軸加工應用基本上有分為3 個種類，Three major categories for 5-Axis machining：
• 多面固定軸向加工（5 面 & 3+2 軸），Multi-Face fixed axis (5-Faces or 3+2) milling：切削時旋轉軸固定， 73% 五軸加工應用採用固定式3+2 軸加工，廣泛應用於幾何特徵零件加工、車燈模加工及保險桿加工。
• 多軸向鑽孔加工，Multi-axis drilling：對於多次翻面的加工孔系，可以一次裝夾就加工完成，如引擎。
• 連續五軸同動加工，Milling with 5-Axis simultaneous motion：依加工物的需求，同時轉動兩個旋轉軸及移動三個直線軸進行加工的動作，適合加工葉片／深穴模具。
五軸加工機可應用在那些產業，Applications of 5-Axis machining：
• 汽車工業，Automobile：全尺寸車身模型製作，車身鈑金衝壓模具模面加工，車燈模側花加工，輪胎模具製作。
• 模具業，Injection Molding：塑膠模具用於細微清角取代放電， 3C 模具，鞋模多軸孔向加工。
• 工具機業，Machine tools：導螺杆，滾齒凸輪加工，捨棄式刀具刀把加工。
• 產品開發快速原型，Rapid prototypes, Mockups：產品設計打樣，3C，汽機車。
• 醫療器材業，Medical Device：齒模，骨釘骨板，人工關節。
• 能源工業，Energy：壓縮機葉片，發電機組渦輪扇葉，高效率風扇。
• 造船工業，Ship building：高效率船舶推進器漿葉，船身模具。
• 航太工業，Aerospace：機身結構框架，單片機翼表面，其它特殊零件加工。