9月快訊-2: 為台灣加油打氣專欄_台灣的精密機械─線切割機 / 李家同 (作者為本會理事長)

張貼者:2015年9月7日 下午10:54台灣精密工程學會   [ 已更新 2015年9月7日 下午11:04 ]

    我們國家絕對要往精密工業的方向邁進,所以我在這裡介紹一種機器,叫做線切割機。這個線切割機的詳細機械構造我是沒有辦法解釋的,因為我也搞不清楚。我只能設法將它最重要的原理解釋給大家聽。

 

    假設我們有一塊鋼板,我們要在這個鋼板上挖一個圓洞,不要忘記鋼板是非常硬的,挖洞的目的是要有一個鋼製的圓形物體,這是用來作為模具的,所以這個圓必須非常準確。怎麼做呢?請看圖一。

 

 

    我們將一根銅線穿過鋼板,假設這個銅線有切割作用,我們可以將銅線移動一個圓圈,再走回原點,這樣就會得到一個鋼製的圓形物體。這看起來很簡單,其實我是亂講的,因為一般的銅線絕對不會有切割的作用。為什麼我們的銅線會有切割的原理呢?請看圖二

   

    我們一開始的時候是在鋼板上打了一個小洞,必須注意這是一個非常小的洞,然後將銅線穿過這個洞的中央,可是不碰到這個鋼板。因為銅線有切割的作用,所以銅線附近的鋼板有一部分會脫落下去。如果我們按照預定的軌跡移動銅線,在鋼板上就形成了一個溝,溝的內部有一個圓,銅線走一圈回到原點,這個小圓就會掉下去,這就是我們所要的元件。

 

    我們要知道,如果以肉眼來看,銅線和鋼板是接觸的,其實不然。圖三是假設我們從側面去看,可以看出鋼板被我們先用一種方法穿了一個小洞,銅線非常準確地穿過這個洞的中央,銅線和鋼板是絕對不接觸的。銅線與鋼板的距離是30~50μm,所謂一個μm是一百萬分之一公尺,這當然是非常小的距離。

 

 

    為什麼銅線會切割呢?乃是利用火花放電的原理。打雷時的閃電就是火花放電,我們如果在銅線上通一個很大的電流,這個電流必須是短時間的,銅線和鋼板之間就會產生一種所謂的火花放電。這種火花放電會引起高熱,使得金屬的表面受到一些切割的力量,有一些金屬的表面就會脫離金屬而掉了下來。如果我們將銅線按照既定的軌跡移動,就可以產生我們所要的圓。當然我們不一定要一個圓,也可以是一個方形或者更加複雜的形狀。

 

    我們的電流有多大呢?電流是相當大的,是五百安培。可是這個電流的時間當然是相當短的,最短是0.1μsecond,最長是1μsecond。每次通電以後還要有一段休養生息的時間,因為銅線吃不消一直通電的,所以這個做法是通一段時間的大電流,然後休息一段時間。我們在一秒鐘內要做十萬次如此的通電又休息的動作。通電又休息就表示一定有一個開關在不停地又開又關,但是這個開關的動作是要非常迅速而準確的,一秒鐘內我們要開關十萬次,必須注意通電和不通電的時間又是不一樣的。這個開關是我們國人自己設計製造的。

 

    如何能夠使銅線移動呢?這當然是我常常講的控制器。線切割機也是一種工具機,當然這是非常特殊的工具機,因為它沒有用到刀具。任何工具機都有一個控制器,這個線切割機的控制器又很不容易做,因為要使這個銅線移動,上端要有人推它,下端也要有人推它,而且兩者的推力和方向要完全相同,否則這個銅線就會斜掉了。這種線切割機也被稱為五軸工具機,為什麼是五軸,以後再講吧。大家要知道五軸工具機是比較昂貴的。

 

    也許有人會問,金屬被切割的小片掉到哪裡去了?我們的機器其實是浸在水裡的,所以金屬的碎屑就到了水裡。

 

    現在要講的是這個機器實在是不容易的,假設做得不夠精確,我們的銅線走了一圈沒有準確地回到原點,一切都白費了。假設電流通過的時間太短也不行,太長也不行,所以我們其實要設計得非常好,才能夠使得銅線有切割的作用。還有一點,銅線的上下端移動都要控制得完全一樣,這也不容易。我在此再說一次,這些控制系統都是自己設計、自己製造的。

 

    這個控制器的作用猶如我們開汽車,我們開車可以轉彎,假設我們要左轉,可是左轉以後馬上要右轉,這是不容易的事,即使在那些亂七八糟的電影上也很少看到這種特技表演。要使一個機械左轉以後在短時間內右轉也是不容易的事,如果我們向外國買一個控制器,這樣的切割是做不到的,可是現在我們的控制器是我們自己設計的,而且我們對於我們的機械也非常有經驗,所以我們可以利用自己的經驗來修改控制器的軟體,這種兩次急速轉彎的切割也就可以完成了。

 

    馬總統常常說,我們要有自己的麵團,也就是說我們要有自己的關鍵性技術。要完成一個精密的機械,很多關鍵性的技術都必須掌握住,關鍵性的零組件也要能自己訂做。我們應該感覺到我們國家是在進步。

 

    最後,大家也許會問,這樣一部工具機要多久才能設計出來?答案是相當久的,據我所知,很多在這些設備上工作的工程師都有二十年的經驗,他們沒有見異思遷,一直在設法使自己的機器越來越精確,我們應該以他們為榮。

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