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引领航太工业起飞 仰赖刀具加工创新材料
 

【作者: 陳念舜】2016年01月14日 星期四

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因应航太产业向来具备严格品质系统认证且高复杂的整合技术,不仅向来被世界各国均视为国家产业技术能力指标;近来更随着亚洲航空市场需求不断增加,被看好是未来20年内少数能维持明显成长的产业。随着该产业即将成为下一波台湾工具机制造、加工厂商竞逐主流,未来如何加工所需航太用的非铁金属材料:铝、钛、镍基合金及复合材料等,让业者须不断积极寻求更完善的刀具系统解决方案。工研院也与加拿大哥伦比亚大学(UBC)持续密集合作,支援业者开发所需高效率加工设备及应用技术。


针对航太零组件加工 法人提供高效应用技术


图1 : 航太产业需具备严格品质系统认证且高复杂度的整合技术(source:3dprint.com)
图1 : 航太产业需具备严格品质系统认证且高复杂度的整合技术(source:3dprint.com)

工研院智慧化工具机技术中心数位制造技术部经理彭达仁进一步分析,如航太用零组件要求轻量、高刚性及高可靠度,导致其不用​​铸造工法,以免因锁孔增添应力疲劳风险,而改用工具机大量移除90~95%以上块材、满足高效率制造需求。却在加工后容易形成薄壁特征,造成工件加工时震动更甚于一般模具,现今设备制造商除了考量End User加工时刀具、机台之震动外,还要加上工件。


因为所采用的铝、钛/镍基合金等零件材质、尺寸及样式有明显特性差异,须对应加工设备之速度、加减速、刚性及构型、主轴扭力等不同特性,而有高度专用化趋势。包括切削铝质材料时须靠高转速加工,使得精修之切线速度达700m/s、主轴转速15,000rpm以上,进给之响应性与加减速度要够高、够快,以免过慢会「黏刀」;反之,加工钛/镍基等难切削材料时,仅要求低切线速度约30m/s及低转速600rpm,但刚性要够高,才能满足增加的进给与加减速度。但他也强调:「当不断提升机台结构刚性和切削效率后,最后受不了的恐怕是刀具,而必须利用刀具中心高压/液态氮冷却技术,达到更有效冷却、润滑。」Makino、MAG便分别透过高压冷却和特殊矿物润滑油,以及加入刀具中心液态氮等冷却技术,减轻刀具磨耗,延长使用寿命。


此外,针对切削过程中产生的振动来源约可分为:低频(机台结构、传动系统振动)、高频(刀具、薄壁工件、主轴)。彭达仁指出,因为主轴与刀具系统并非刚体,而由轴承、夹爪、弹簧等多个零组件构成,在切削时都会震动,导致无法单凭理论计算刚性。须藉由加速规敲击刀具等动态特性量测,得知Stability lobes(切削稳态图)和机台频率响应函数(FRF),才能清楚掌握机台切削性能;经实际加工测试也发现转速与切深才会影响颤振,而非扭力与进给量。


彭达仁认为,End User在加工铝合金时,几乎可忽略低频因素,反而应更重视主轴动刚度造成的影响较大。至于以低转速切削钛/镍基材料时,则由于刀具自然频率增、颤振少,遇到的高频问题小,而以刀具磨耗问题居多,恐导致频率能量失效,结构频率的问题较大。此外,在加工发动机等薄壁件时,因低频使得制程阻尼更严重,抵销刀具振动,常须处理的是薄壁件带来的振动问题,而非刀具。


到了要求移除量大,以免加工时间更长的航太加工产业,只要能有助于缩减工时而提升产能的价值更高,导入模拟切削分析技术也更有意义。工研院也因此导入加拿大哥伦比亚大学的数位制造模拟技术,透过Stability Lobes(协助End User在适当转速、切深范围内加工,避免颤振;设计者也能事先得知机台构型,加以改善。


精密机械研发中心(PMC)去年也同样与工具机四强友嘉实业、永进机械、百德机械、崴立机电结盟,催生「切削颤振研究联合实验室」启用,希望提升工具机产业附加价值,最高可提升切削加工效率达30%。PMC董事长严瑞雄表示,在工具机切削加工过程中,常会面临刀具振动引起的加工不稳定现象,在工件表面留下颤振刀痕;当刀具再次经过这些刀痕时,就会引起更大的振动,在工件表面产生更深的刀痕,造成工件表面的波浪形和较大的粗糙度并且加速刀具的磨耗。导致刀具或工件损坏,并造成切削品质难管控、效率低落,浪费重做时间及成本。


友嘉实业副总经理林肇嘉也指出,该过程过去只能凭老师傅经验解决,没有科学数据、产生加工盲点,无法即时回应顾客需求,造成失单、退机等问题。在「切削颤振研究联合实验室」建置后,即进驻了4家联盟厂商最畅销的机台为载具,提供大量且科学的机台实机操作数值做为佐证资料。期待透过颤振预测、建立切削力系数资料库、工具机切削性能测试,提供业界最精准、最科学的数值,有助于提升切削加工效率、缩短生产周期,让台湾工具机产业朝高品质之路迈进。



图2 : 针对航太零组件加工特性,法人也与加拿大哥伦比亚大学密切合作,支援业者开发所需高效率加工设备及应用技术。
图2 : 针对航太零组件加工特性,法人也与加拿大哥伦比亚大学密切合作,支援业者开发所需高效率加工设备及应用技术。
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