加工業為考量生產製造品質良率及刀具切削效益，如何有效將切削數據的可視化轉化為切削品質及壽命的量化指標，需取捨於採購刀具耗材的成本以及加工工法的優化，本文分享使用國產智慧刀把就評比相同刀具下的切削特性、槽銑及擺線加工工法、剛性攻牙觀測參數調控需求、球刀磨耗於模具加工品質比較進而結合機器資訊加工狀態監視及建立機械學習預測模型的流程，並分享使用智慧加工進行ESG管理碳排放計算的考慮要因，供部品加工業及中小型企業參考。
前言
自工業4.0所帶動的智慧製造、虛實整合，轉型的浪潮下開啟了智慧機械的時代，為能自動化切削加工製造和品質保證及減少不良品產出的目標，若仍使用傳統機械加工廠所依賴老師傅經驗或機器控制器顯示之主軸負載資訊及使用時數來判斷換刀時機，則可能導致提早替換未崩損仍可使用的刀具或是有品質較差的刀具提早崩裂失效，輕則刀具成本損失，重則不良品產出且必須成為廢品的重工再製，上述將導致成本的增加與資源浪費，進而延伸在淨零碳排的議題[1]下，如何能有效數據化地分析碳排放及減碳則是現今企業必須重視的課題。由於政府持續推動[1]智慧機械產業的升級及淨零碳排議題趨勢下，就法規與資金的持續投入升級智慧化設備，在此波全球智慧製造浪潮，國內廠商須把握絕佳的市場機會。
背景與動機
從智慧製造趨勢看台灣產業的機會與挑戰[2]提出目前工具機產業面臨生產工法與品質仰賴經驗傳承的問題，對於刀具壽命的判斷僅能依靠現場加工人員的經驗，而在刀具磨耗的監測有許多常見方法，白御宏等人[3]彙整出刀具監測的方法有圖像處理法、切削力法、主軸電功率法、切削溫度法、聲發射法與振動法等，惟每個方法都有各自適用的環境，但無法完全使用在各種多變的情境中，以至於刀具壽命無法完整被監測，也無法存取數據進行後續的分析。
因此，適合高精度、極端環境下的應用需求，並且具有較高的兼容性和靈活性下表為刀具監測方法，刀具即時監控技術即成為邁入智慧化的重要感測，同時也擔負生產的加工器械，於接近加工端增加感測器是為了能讓靈敏度提升，資料的可讀性及有效性則可作為加工判別依據[4]，由於與加工程式及刀具的搭配可無限任意組合，為了可以從動剛度的工具機可取出可共通的數據，則是智慧化過程中必要的關鍵技術，因此，若於生產線上的切削物理特性可進行建模，則是最重要判別依歸。
本文就國產無線智慧刀把的應用介紹由淺入深，即便沒有老師傅經驗的傳承，想完成被加工材質的刀具選用、符合高性價比以及更佳的刀具壽命判定、切削加工路徑工法選擇或是生產線品質標準，也能依據建議方向來進行數據化的統計、分析及AI模型來建立，期待能提供加工業者進入低碳轉型的數位化方式。
無線智慧刀把系統介紹
為能使加工過程可取得更精確的數據，最佳的方式則是可在切削負載前端即能取得高靈敏度的訊號，進而將數據可於低延遲地傳輸至接收端，如電腦，以即時呈現加工時的切削負載力。圖1為台灣馬森科技所自行研發量產的無線感測刀把量測系統架構，包含標準刀把BT/HSK及客製化構型需求，在刀把端能使用無線訊號將感測的即時訊號回傳至接收端的無線網路，再傳至所需顯示及儲存的電腦單元內，也能再加上連線至CNC控制器讀取即時參數數據。
一般在切削加工量測會使用固定式動力計，於其上方置放工件，以工件座標系為主，惟若實際加工需求，當包含治夾具及工件後，為能承受質量，所導致之靈敏度級別將大幅降低，圖2為感測刀把座標系，因感測器裝置於刀把內，刀把座標系的定義則可將刀具進行X、Y兩個彎矩方向的合力矩(Bx & By)、Z軸向的負載力(Fz)及扭轉的扭矩力(T)，結合如圖3設備操作軟體顯示畫面所示，由此可量測刀具的切削刃負載彎矩、軸向力及扭矩，可明確地顯示刀具受力後的狀態差異。
圖4為即時紀錄一四刃刀具銑削加工的負載狀態，以刀刃幾何設計上，在具有螺旋角的刀形，切削時所產生的分力是可分在軸向及扭轉。由於彎矩力Bx及By是具有安裝刀具後相對於感測器存在一力臂長度，很明顯地可以看到彎矩力之靈敏度更高於扭矩及軸向力。
表1為本文使用的馬森科技國產感測刀把與國外Pro-micron產品比較，在資料取樣率可至10,000Hz，標準版本最小力分辦率可達0.2Nm(可依需求客製化)，除可量測彎矩力Bx, By、軸向力Fz、扭矩力Torque(T)之外，還有三軸的加速度值，由於在不同的加工應用需求，在取得量測數據後尚需決定最佳觀測判讀所選用訊號值來顯示結果。
測試內容
本文首先就選用刀具的評比、路徑加工工法、剛性攻牙以及模具加工結合機器即時切削資訊等項目進行技術分享，首先以一般刀具的選用為例，尤其在選用上，需經由老師傅的經驗，選取合適的切削條件，以及挑出具有良好耐用性的刀具及量測比較加工表面品質、工件尺寸誤差符合需求等條件，首先就全新的國外SA牌和SU牌捨棄式刀片(圖5)於相同的切削需求下進行測試比較，被加工材質為SUS304，加工方式為槽銑(圖6)，刀具直徑D15.8mm，2刃，主軸轉速S1980rpm，切削進給速度F180mm/min，切削寬度ae15.8mm，切削深度ap2.6mm，加工量測結果如圖7所示。
可以明顯的發現新的SU牌刀片彎矩值是看得出差別，而在扭矩力的比較則是不明顯也不易觀察，SU牌彎矩值相對SA牌是比較大的，而兩種刀具數據差異，會和刀具的幾何角度設計、鍍層材質類型以及最適加工條件等因素有關，而若受到的彎矩力較大，潛在問題則是產生的形變會較大，但是否代表刀片性能就不好，並不能單純以作此為判斷刀片的選用依據，而是要再包含耐久使用時的刀具磨耗量和工件表面品質作為評比依據。
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