五軸銑削數控加工之基礎及實作

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。

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...

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）　
5. 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）　
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）

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，...