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技術趨勢
逆境突圍深化產業競爭力 升級台灣滾珠螺桿技術
2020.06.09∣瀏覽數:394

美中貿易戰所帶來的市場不確定性,導致台灣原本站在世界前茅地位之工具機業,於2019年之際,全國業績大幅下降。唯有工具機業本身產品功能快速提升,才能與德國及日本之高精密產品競爭。危機即轉機,期能在這種巨變的環境中突破困境,屹立不搖。自學校畢業後,筆者一直從事精密機器零組件、精密機器之加工製造及技術研究,並多次赴歐、美、日等國家之先進工廠,學習技術實務及理論幾達數十年之久,今藉此機械業不景氣時機,發表個人多年來之研究淺見心得,謹供業者參考,期對台灣精密滾珠螺桿業,有所助益。
文 ◆ 光騰工業科技股份有限公司 陳俊彥

工具機性能提升以高速及高精度的加工能力為目標
工具機是台灣少數自力更生發展技術的產業,其技術與德、日、義等國雖有落差,不過從整體產業面來看,仍屬於前段班。2010年前後是台灣工具機的高峰期,日後大陸業者迅速追來,在標準型機台展開價格戰。而為使台灣業者自身產品有更高附加價值,需配合工業4.0、智慧化機械,來實現高速及高精度的加工能力目標。
由於工業的高度發展,對工具機的速度和效率都提出了更高的要求。在產品製造上追求的是「高速」與「高精度」的加工性能,因此工具機必須對,1) 機台剛性之提高,2)具備高速主軸系統,3) 要有高速精準的進給系統 (即滾珠螺桿系統)等三項問題做改進對策。
對於上述1)及2),可委由工具機製造廠或配合主軸專業廠來改善,3) 則由滾珠螺桿製造廠來配合做改善。


滾珠螺桿的製程改善與精進
滾珠螺桿不僅在機械業上屬於一種非常廣用的機構外,就連光電、半導體甚至是醫療產業都時常用到的傳動組件。在滾珠螺桿本身製造過程中,也採用多個精密的製造流程,越精密的螺桿,其定位越精準,但滾珠螺桿在其行程越長時,所能維持的精度也就
越低。


圖1 滾珠螺桿研磨(Ball screw shaft grinding)

圖2 導軌表面粗度之優化,如Ra≒0.3μm進步到Ra≒0.02μm。

圖3 原始設計(From Taylor Hobson)

本文主要在探討如何針對滾珠螺桿製程中所產生的問題來提供改善,藉由各國研究資料及筆者自身多年精密加工的經驗,針對製程、成品分析、超精光技術應用提出幾項對策,以供參考。
1. 製程問題之改善由於滾珠螺桿是使用鋼球及導軌(Racewaytrack)來承擔運動轉換,隨鋼珠運動及導軌幾何形狀精度會產生振動或噪音,故在提高滾珠螺桿的精度時,其導軌面有以下幾項要素需注意:
(1)優化導軌表面粗度(Surface roughness),利用超精光技術(Superfinishing technology)將研磨後之表面粗度,大約Ra≒0.3μm降到Ra≒0.02μm,及控制導軌表面形成低角度的交叉條紋角(Crosshatch angle),使之易含油,可大幅降低運轉噪音,參考圖2。
(2)維持哥德弧形狀(Gothic arch shape),利用砂輪削正(Truing),使安裝後之砂輪外徑與砂輪心軸同心,或將變形的砂輪研磨面修正,利用砂輪之削銳(Dressing),把砂輪平滑的表面或填塞的表面削去,露出新的研磨面,恢復研磨能力,並藉超精光技術修正研磨後曲率,參考圖3、圖4及圖5。

圖4 加工後 (From ZEISS)
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潭興精工企業有限公司