鮮為人知的「機械之母」─工具機

作者:Kang   |   2016 / 09 / 09

文章來源:Kang   |   圖片來源:Jayroz


生活中充滿了各式各樣提供便利服務、娛樂享受的發明:手機、捷運、筆記本、電腦、汽車……,這些呈現在消費者眼前的精緻成品,都是由一道道複雜的工序所加工組裝而成。其中,在產品的工業製程裡,工具機具備了相當關鍵的地位,沒有它就無法生產設備與零件,因此獲得了「機械之母」的稱號。然而它雖然扮演重要角色、卻鮮為人知。因此在此篇中,我們將揭露工具機的產業狀況,了解它為製造業帶來的貢獻,並延伸未來的可見發展。

工具機是什麼?

事實上,如果我們要追溯工具機的發展歷史,可能要回到幾千年以前,因為在廣泛的定義下,所有非靠人力、用來加工的工具都可以稱作工具機。但現在我們介紹的「工具機」,專指的是運用在製造業上的一種動力驅動的固定式機械裝置,可以用來將金屬或其他材料加工成零件。在工業製程上的工具機主要包括金屬切削、金屬成形這兩大範圍,而不同種類的工具機可以根據刀具、運動方式的不同完成不同的指令。金屬切削的功能是將金屬工料除去,包括車床、鑽床、銑床與非傳統加工工具機等。金屬成形則是將金屬塑造成某一形狀,有壓床、液壓壓床等。

[精密機械]機械之母:工具機-04

工具機的發展除了工業革命所帶起的產業需求以外,也在最近一波資訊化革命掀起另一波高潮。事實上工具機數位化的年代甚早,在電腦剛剛出世的一九五零年代,第一台數控工具機就誕生了,在當時可說是非常先進的產品。所謂的數值控制工具機(CNC Machines Tools)就是在工具機台上搭載具有管理功能的CNC數控系統(Computerized Numerical Control System),藉由輸入相關數值,經電腦運算之後下達指令,讓工具機進行刀具移動、刀具更換、主軸運轉等動作。不過可惜的是,將電腦運用到工具機台上以後,大部分的工具機研發都走向工具機台本身的機械裝置與控制性能,比較少藉由提升軟體技術來升級機台價值。

到了1990年代,為了應付越來越精密的工業製程,工具機的構造日益複雜,五軸工具機、車銃複合工具機相繼出現。一台搭載了多種功能的工具機雖然很方便,卻也因此對使用者不太友善,工具機廠商這才驚覺軟體輔助的重要性,因此又將重心轉移至如何應用軟體協助使用者更好操作、並發揮工具機的最佳性能,直至現在,大多數工具機已經搭載了診斷監控、安全防護等功能,現在更在智慧化的風潮下走上了另一波風起雲湧的改造大業,朝著結合網絡、虛實整合的方向前進。

工具機產業鏈

全球工具機的主要生產國前三名分別是中國大陸、日本與德國,而台灣則名列第七大生產國,觀之全球趨勢,我們可以發現目前工具機的生產基地已經逐漸從歐洲區轉移到亞洲,尤其中國大陸因為其內需市場龐大,更在近幾年來突飛猛進。

[精密機械]機械之母:工具機-05

工具機的上游產業包括滾珠螺桿、線性滑軌等零件生產,由於工具機製程複雜,且所需零件眾多,多半由不同零件廠商協力鑄造,部分由國外進口、部分由國內業者自行製造、研發,零組件再交由加工廠進行加工,方式有非常多種,例如車、銑加工、研磨加工、放電加工、齒輪加工與雷射加工等。加工後的組件再交由工具機廠商進行設計、整合及組裝,以及完成後的品管測試與銷售。

台灣的工具機產業在中部形成完整的產業聚落,由多家負責不同製程的中小企業組成。早期業者多半根據國外引進的先進技術設備,進行複製、拆解與改良並自行研發,以中階品質、低價位主攻東南亞等開發中國家市場。近幾年技術累積的程度漸高之後,也透過產學合作、策略聯盟等方式進行自主研發,朝向中高階機種邁進。

工具機可應用於不同領域的機械製造,如航太、國防、汽機車、生醫、電子等產業。台灣生產的工具機主要被應用於一般零件、3C產業、汽機車工業等,在這些產業進程中發揮不可或缺的力量。接下來就以汽車工業為例,說明工具機對產業的貢獻。

汽車工業中的工具機

全球有60%~70%的工具機用於汽車產業,無論是整車組裝或是汽車零組件都非常需要先進工具機及其所組成的生產線。工具機的採購通常會佔固定資產總投資金額的2/3,因此直接影響到汽車的製造成本。

在汽車的組裝製程裡,首先要經過沖床將鋼板壓成車的外殼,這涉及汽車的曲面與線形設計,以及模具的沖壓設計,再經過焊接、車門車蓋加裝等步驟,接著裝配引擎、傳動及防震等系統,最後再加以內部裝潢、油壓系統、燃料系統及車輪等。

上述所說的零件、模具、系統等,都是在前段由工具機加工而成,而後段的裝配流程也有工具機的參與,可說是非常重要的應用。除此之外,工具機也在製程中發揮了推進的力量,例如「鋁輪圈自動化系統」,以自動化的生產線,每四分鐘即可完成內外輪圈的高效率生產,讓汽車由過去的鐵圈升級為現今普遍使用的鋁合金輪圈。

工具機未來的發展

為了符合需求產業所要求更優質的工藝製程,全球工具機廠商的發展趨勢主要有兩大主軸:一為提供性價比高的優質產品,二為客製化的系統整合與服務。

[精密機械]機械之母:工具機-06

1. 性價比高的綜合型工具機

在工具機本身的硬體升級方面,將機械手臂結合工具機、並搭配自動化製程,可大幅降低人事成本,逐漸成為各家工具機廠商的主要產品。而一台工具機上可執行不同種類的加工操作,此種「多工型態」的複合式工具機也逐漸成為為了因應市場彈性化、少量多樣的生產需求時,所必備的機具。另外,也有一些廠商朝向開發可供複合材料加工的工具機,以符合未來材料替換的趨勢,尤其是針對在航太領域上飛機輕量化的改造。在技術演進與工業需求下,工具機已經從過去滿足專業單一的功能轉為越趨複雜的多工整合了。

2. 客製化的系統整合與服務

工具機的發展也搭上智慧製造、智動化的順風車,朝軟硬結合的方向前進。配備具備高技術價值的控制器,除了可增加加工時的精確度、進行數據收集並分析產品使用狀況、實現各種不同的輔助加工與管理功能以外,也可透過網路診斷進行遠距維修,並為客戶訂定客製化的系統服務,幫助達成更高的生產效益。

未來的工具機可以處理更精微的加工、應付各種彈性多元的加工方式,並朝智能化、低耗損的方向前進,繼續在機械產業中發揮關鍵的力量。

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Kang
喜歡觀察思考,喜歡充滿挑戰並且有趣的事,實踐的過程常感到很幸福。
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