工具機與夾具的完美搭配-富達興

 

 

對於工具機的主要三大主項組成就是：機床、夾具與刀具(工具)，機床包含：床台、主軸、刀塔、床軌、電氣與電腦系統等等，夾具包含：夾持單元、油氣壓單元、刀具(工具)包含：車刀、鑽頭、銑刀、刀桿、滾齒刀、磨輪等等，這三大項的組成件，可以決定加工製造的精度、效能、產能、穩定性與耐久性。而在造價部分以機床、夾具、工具而分成高、中、低。在大多數以代工為主的中小企業，都從小成本投資的刀具工具作為首要投資標地，因為回收與效果是最顯而易見的，因此，在此花費上有較為寬鬆。再來就是機床，因為品牌、生產國家、精度高低，也是最重的投資，近幾年漸漸因為市場的需求與精度的提供，對於工具機的品質更甚嚴苛審視投資，因此國內工具機的生產水平日漸提高，自進口德國或是日本的工具機也有日漸增多的趨勢，因為有很多生產效率高、精度高的機種頗為國內市場所期待而因此陸陸續續進口，始有

所聞。

對於夾具的需求，因為以往生產的零件較為簡易與要求精度不高，所以在國內生產開發的夾具已經足夠應付，導致國外進口的夾具沒有很大的空間可以發揮，相對的國內生產夾具隨著國產機可以行銷全球，並有很好的成績。因此可以知道，夾具的技術水平關係著市場或是地區的產業需求。

 

 

夾具的重要性

【工欲善其事必先利其器】對於夾具與機械有同等重要的地位，機械講求精度、尺寸規格、功能、穩定性與操作性。夾具講究的與機械大同小異，微小不同的是：夾具可以因為夾持穩定延長刀具壽命，可以增加加工效能，更可以影響加工的同軸度、同心度的品質，適當正確地夾持方式，更可以影響真圓度與定位精度。所以，夾具扮演極為重要的角色，近年來由於電動車帶動環保意識抬頭，零件的輕量化或與多功能，更是不勝枚舉，因此對於加工製造中，夾具就可以發揮影響力，舉如：薄件、大尺寸、加工流程繁雜，講求同心定精度，自動化、都與夾具有關連，除可以應想生產外，對於精度上的良品率更是製造者的一大難題。因此，如何慎選與選擇妥善與安全精密的夾具，變成一大課題，在夾具上改善，必定可以在加工生產效率上大大提升。這是一項度可忽略與輕估的加工技術項目。

 

 

夾具應用在哪裡？

以目前工具機來做範圍評估，大約具有65%以上的機械屬於CNC精密加工機械，也是台灣目前出口金額排行在全世界就前５大的主項產品。在2021年的機械出口金額統計近28億美元，約在850億新台幣。其中有近82%屬於金屬切削加工母機，如：車床、銑床、綜合加工機、研磨、齒削、拉鑽床、等等。2021年在全球排名第5，僅次於德國、日本、中國大陸、義大利。(資料來源：經濟部) 

所有的工具機都必須安裝與配備有夾具在機床上，用做來夾持工件與進行加工生產。

因此，夾具可以用在工具機上成為是一項標準與基本配備。所以舉凡做任何一種加工生產，各式夾具的應用就會在機械上提供妥善與正確的夾具。正如：CNC車床使用油壓三爪夾頭，綜合加工機使用卡鉗，滾齒機使用反張夾具、研磨使用頂針夾頭等等。夾具的樣式繁多，最主要的考慮使用因素有：價格、品質、妥善、耐用、穩定與解決方案。牽連的技術有因為機械與加工產品的特性有關，目前在國內，只有極少數的廠商投入此類產品研究，而大多數廠商也以標準夾具夾頭作為標的，隨同工具機機行銷全球。

 

資量來源：台灣機械同業工會   2022.1.10台灣機械設備進出口統計速報

 

面對的挑戰

在前文已經談到，夾具最大宗就是提供工具機的應用夾持方案，用以藉此提升工具機的價值與效能，往往夾具的費用遠低於工具機，可以說是一種配件，但開發出正確的夾具應用卻可以提升工具機的產值從30%到數倍之多。因此，每位生產者會是機械製造商，莫不紛紛投入對於夾具的應用技術開發與

研究。

但是在台灣以代工為主的產業，很多零件生產都屬於非自行開發，所以精材質設計上的要求，已經被圈選題目完成，沒有很大的空間，可以設變，因此，都必須依圖施工，或是維繫改變，對於在零件上的製造工藝並沒有權力可以更改，因此，就必須完成射箭畫靶的使命，找尋方法來完成。又因國內以生產標準夾具為主，對於製程改善與創新製程，無法提供製造者更具突破性開發的夾具，因此是一項頗具挑戰的科目。

所以有部分進口業者就引進相關的技術與產品，藉來提升國內生產製造的水準與技術，對於在歐洲、日本、美國等工業先進國家，此類技術也因為工具機的提升，進而夾具業能水漲船高、蓬勃發展。舉凡在所有工具機的夾持應用，有幾乎在95%都能有相當成熟的產品與應用，對於代工業者與機械業者有另一種途徑可以參考與學習，進而也提供國內的生產製造技能提升。

 

產業對於夾具的需求性

以目前國內的加工生產，有大多數的夾具採用油壓三爪夾頭或是手動卡鉗來做夾持在CNC車床或是綜合加工機，但此類都屬於是標準夾具，已經有近40年的歷史，近來工具機的功能、效能、質能、都以大大提升，卻是礙於技術的傳承，夾具技術方面窒礙難行。主要原因有：一．可用就好，二．講求價格成本要低，三．工廠內無法做技術的傳承與研究，四，較少投資在夾具的改善，五．技職教育的缺乏。這五項因素，影響生產者的成本日漸提高而不自知，因為不良率的控制不易與妥善率的不穩定性，造成生產延遲或是取消，生產者因為未能察覺或是分析，因此取向購買更高、更具彈性的工具機，往往價格再往上提升，成本更高，但因為對原有夾持應用的忽略，並無法改善原有存在的問題，有形與無形成本因此還是居高

不下。

這個目標與亟待解決的難題，隨著工具機的價格提升，相對的在五大因素的第二、四項，講求價格成本要低的項目與投資改善得到釋放，生產者因為機械投資增加，而願意在夾具方面與技術提升方面增加，一線曙光乍現，對於技術的提供因此有了新的目標。

 

如何運用夾具

夾具對於工具機有極大的幫助作用，如同工具機有越來越多種樣式，來滿足製造與加工的需求，而且也越分越細。因此，如何運用夾具來達到工作效能，是個大學問。以目前製造加工大約可分成三大類來探討。一、車床加工，大多數採用圓形或是異形材料，主要是工件必須要旋轉，具有車削、鑽孔、車牙、切槽、搪孔等功能，若是再加上銑削、側鑽、不等向的銑削，可有正副主軸每次一件的加工，都歸類到車床類。二是綜合加工機，可以一次多件或是大型工件，可以在機床上做翻轉分度加工，如：銑削、鑽孔、攻牙、屬於異形、方形、等不規則物件，都歸類到綜合加工機類。三、磨床，精密的加工過程，經過熱處理後，需要做最後的精密加工，往往精度都須控制在0.01mm以下，幾何精度更是高要求，此類物件的生產產值最高且最費工。

如何可以達到夾具的三大功能：一、夾持精度高，二、夾持力度足夠妥善，三、具有經濟產值。這是在選擇合適的主要指標，任何的加工與生產，都需要做好選擇與考慮評估，可以協助在良品率與成本之間達到最佳化。

 

 

      

CNC車床

一般標準夾具安裝在cnc車床上的夾具幾乎都是油壓三爪夾頭，舉凡國產品、日規品或極少數的德國夾頭，幾乎都為機械成本考量，因此，最為普遍也是成本最低又無需做任何調教，輕鬆省事。但其實在使用方面對於生產者卻不一定適用，主要有幾項原因：夾具的離心力、夾持力、重複安裝精度、可預期達到的夾持同心度、耐用性與特殊工件的夾持方式。以上的考量正逐漸考驗投資或是管理者，因為，確實在油壓三爪無法長期滿足使用。因此，在歐美地區早對於大多數的圓柱型工件採取使用套筒模式，其主要原因是安裝簡易、耐用、成本低、精度在可控範圍，無須具有多年經驗的技工來執行換線加工，可以一次滿足上述的不適用原因。

其主要功能具有全面化的提升換線與夾持上的效能，在品質、精密、耐用、方便上，可以提升2-10倍的工作效果。(一) 換線快速，更換不同的夾持尺寸，可在15秒內完成。(二)夾具無離心力的影響，且具動平衡。(三)整體夾具採合金鋼熱處理研磨精緻完成，耐磨耗與壽命持久。(四)精度保持在0.01mm同心內，任何人都可以簡易操作。(五)具有後拉效果，可以穩固夾持工件，增加刀具的壽命。(六)內孔反張夾持，突破三爪修爪的缺點，更具剛性，且更換容易快速，精度更高，可以夾持自6mm-200mm 範圍大。(七)可以簡易擴充功能性夾具，如：頂針、電磁盤、三爪、二爪，充分使工具機具有多彈性地夾持可能性。(八)快換夾具與自動化，可以快速更換不同夾具，以往需要至少2小時或更久時間甚至是不可能，但採用夾具王套筒夾頭可在5分鐘內可以更換完畢，甚至可以採用自動化更換方式，當你需要智慧製造或是自動生產時，已經植入在未來的模式當中，不用再次更換夾具的世代。機械的功能越加提升，就更需要更多專業的夾具，你必須要考慮合適性，而非只有一種夾具可以解決所有夾持…

 

 

 

 

綜合加工機

加工機的生產數量比CNC車床更具價值性且數量更大，一般而言，機床數是3:1 的比例，也就是每3台綜合機工機會有一台cnc車床，這意思就是表示在市場上對機械的需求，有一定的比例。因此，綜合加工機的夾具就更加難以掌控，且不像車床，可以裝上油壓三爪夾頭已是一種標準夾具配備，隨時可以投入生產。在綜合加工機上往往因為加工產品的大小、外型、加工部位、精密度要求、床台大小限制、而會有不同的夾具，這也是非一種或是二種夾具可以滿足在綜合加工機上的加工需求，也造成夾具成本價格一直往上攀升，成為加工上的一項成本考量。

目前對於加工機上的夾具，大致有分為卡鉗、手動壓扣夾具盤、氣壓式、油壓式、真空式、手動式、特製式，往往都是依工件特性設計，為不同在於採用手動或氣動模式，影響所以在於每天的產出與機械稼動率，稼動率愈高表示機械生產的產能可以越高，如果一切夾持穩固性合宜，往往稼動率與良品率的提升就是可以讓生產更加順暢。因此，提升稼動率成為綜合加工機的生產提升指標，零點定位系統的需求就會更加

普遍。

零點定位加上夾持治具結為一體，可以讓更換工件在機下作業，沒有因工件更換而機床停滯的問題，當採用零點定位系統，可以使原有機床上更換工件大大縮短，相對的更換夾具的時間有可以減少更多校正時間。目前所有零點定位都強調可以達到0.005mm的定位精度，因此,在替換精度上都已達到不錯的水平，這可謂一大佳音。舉凡在一般床台、分度盤、橋式旋轉盤，五軸機轉盤，都可以安裝，以達到減少校正的時間。所以，如果零點定位都大同小異，那如何來做選擇與重點呢？筆者建議有五大考量重點(一)不鏽鋼材質，避免生鏽。(二)尺寸合宜，有多種規格可以選擇(三)具有防屑功能,避免鐵屑進入丸穴(四)售後服務，異於清潔，不易卡屑(五)手動、氣動驅動模式。 因為，零點定位的使用只會越趨增多，因此選擇一個合適的系統是很重要的一項投資考量。

磨床

所有加工製程中最為關鍵的一個工程就是研磨，無論是外圓、內圓、輪廓、齒輪研磨、power Skiving，都在此製程決定產品的精度，經過熱處理後，在這製程將所有重要的精度完成。即使是粉末冶金工件，有可以採用硬車(熱切削)或研磨方式來達成最後一個製程。工件無論大小長短，異形或是特殊，都需要有正確地夾持方法來完成，如果配合自動化的需求，那更是一大工程。對於磨床或齒輪研磨的夾具，與車床的研磨較為近似，但是精度與防汙性的要求更甚嚴格。因為研磨過程中，產生大量的切削水四濺，研磨汙泥也隨著噴濺，主軸轉速低，因此大多數的魔削妮都是往夾頭端沖刷，經過一段時間，汙泥就會卡死在夾頭內部機構，造成精度不良或是必須定期做清洗動作，耗時耗工。

對於夾持可以分為夾持內孔、夾持外徑、夾持齒節、雙頂針支撐、要求的精度在同軸度約在0.005mm以內，比車床的要求更高，因為產出的速度不快，相當倚重經驗與技術，仰賴機台精度比重高，因此，在磨床上的夾具就扮演極重要的角色。對於磨床夾具的選擇, 有幾項建議考量：

(一)具有機構自潤功能免保養，可保持夾具精度與壽命。

(二)可採用氣動驅動模式或油壓驅動。

(三)重複精度需在0.005mm以內

(四)更換夾爪不用再次精修，交換精度高

(五)具有氣密功能，以便日後自動化可以繼續使用。

(六)標準化零件更換維修，售服是重點。

無論是大量或是少量的生產，對於研磨的精度考驗都是一樣的，因為是最後一個製程，不能有任何差錯。如果無法達到精度要求，往往需要重來，就是再從頭開始製造，製程的時間，工時工作的安排與浪費，都會是一項極大考驗。因此，夾具往往影響深遠，應該要慎重與謹慎選擇合適的廠商與夾具。

 

特殊夾具應用

近年來，由於電動車的風行，環保意識的抬頭，醫療產品的帶動，對於整體製造生產加工，產生很大的變化，也許棒材類工件少了，單件加工產品多了，鍛件、鑄件、粉末件越來越複雜，不鏽鋼零件加工不是簡單，都影響加工製造業，在購買或是增添工具機時的考量一項重大因素—夾具，將使用甚麼夾具呢？ 以下舉出幾項較為非傳統思考的工件夾持應用，用來參考。

 

具有自動夾持功能研磨夾頭可以自動更換軸類工件

 

全密封夾頭可保耐用與精度

 

機械/刀具/夾具的完美組合

當採用合適的工具機，即是可以達成對於加工製程的要求，在加工時間、工件精度、加工穩定度，可以有高良品率的產出，就是完美的組合。在機械、刀具(磨具)、夾具(模具)完好的搭配下，不是可以單一因素就可以完成，很多的情形下，機械的穩定度與精密性，決定了可以生產與否的重要因素，夾具、工具再精良，也是無用。相對的，採用合適的機床，穩定的產出，刀具就有很多可以選擇，不難找到合適的刀具或是磨具來解決加工上的困難，而一般的情形下，機械加上刀具已可以完成近85%的工作，最後就是選擇正確合適的夾具可以增強加工效能，目前的第一選擇都是在精度上可以達到要求即可，如車床上0.01/0.008mm的同心度，綜合機工機上的0.005mm重複定位，磨床的重複夾持/同心度/圓筒度0.005mm以下，至於穩定性或是可以有效夾持增加刀具壽命，還未在選項當中。加工的成本來自良品率的高低與加工項能，如果可以充份掌握與控制這個特性，將會是最完美的製造成果。因此，夾具產生的精度效果是最為被重視的，加上合適的工具機與工刀具，就是一項完美的組合。