一、前言
中国汽车年产量从2001年的234万辆，到2014年年产量已10倍成长至高达到2300万辆，以单一国家来看，中国大陆为全球第一大汽车销量市场，第二大是美国。于中国大陆销售的汽车品牌已经是百家争鸣，各家皆有3至12种以上各式型号的车型，因应汽车消费者对汽车外型与性能要求日益增强，各汽车厂车型外型改款速度必须以快达约2年便必须推出程度不一之改款车型来对应市场竞争。
使得汽车模具的开发周期不断被压缩，现今每年汽车模具市场必须推出的模具数量已较10年前大幅增长，汽车模具市场产值也不断被推升增长。
因应模具开发交货周期的极度压缩，高速加工在汽车模具的应用已经是必然趋势，甚至是能否接到客户订单的关键因素。本文将针对模具现代加工技术与高速高精度五轴机床的应用做一深入详细的探讨。
二、现代模具高速加工对机床的要求
模具加工用户对大型高速高精度加工中心机的需求，还是以型面精加工为主要要求，但是期望机床能弹性对应其他制程之紧急需求，确保整体制程的柔性化。例如，机床能因应特殊需要时施作粗加工胚料移除(高切削移除率加工)、模具冷却水通道之深孔加工或整修等这些本来应该在其他专用机台上施做的工序。
除此之外，高速高精度模具加工中心机必须具备以下特性：
A. 绝佳的结构刚性与阻尼特性和精度稳定性，以适应高速进给以及频繁的高加减速
B. 高速加工的必备基本条件
高速电主轴15000rpm以上，并具备两面拘束刀柄 HSK type。
主轴具备良好动平衡、刚性、热稳定性、足够的功率和力矩
切削进给达10m/min以上，并具备优异的路径精度控制能力
快速进给50m/min以上，缩短非加工时间等无效工时
高加减速特性，1米行程以下机床一般需1G, 2米以上机床需0.5G以上
C. 利用五轴加工来减少放电加工时间、减少长刀具之使用、减少工序与工件重新装夹：
减少工序与减少工件重新装夹能带来巨大效益，根据统计，78%的加工失误与误差来源是来自于增加工序与工件重新装夹定位。D. 针对各种不同大小尺寸与重量的工件，能维持相同加工性能表现。
三、汽车模具加工的需求种类
汽车产业主要的中大型模具加工，大致可分为以下几类，
A. 五金冲压件模具(Stamping Die)
外板件冲压模：
要求模具型面须具备优异的精加工质量与尺寸精度，最大模具近5米长，例如 body side模具、对称双门模具
内板件冲压模：型面质量要求较内板件低
B. 塑料件模具 (Plastic Injection Mold)
常见材料有45号钢/P20/2738/2344/H13/SKD61/SKD11/8402/2343/NAK80等
外饰件模具：如保险杆、水箱罩、塑料件叶子板等，保险杆模具尺寸最大长度约3米
内饰件模具：如仪表板、车门内饰板、中控台。内饰件注塑模具型面许多加强肋，一般需要大量放电加工工序
车灯模具 (Automotive Lamp Mold)：如灯体、饰圈、反射镜、配光镜等，模具尺寸通常1.5mx1.5m以下。
C. 橡胶模具 (Rubber Mold)
主要是模胎模具，常见材料有铸铁、铸钢、铸铝、合金铸钢等。
D. 成品检具 (Checking Guage)
用来快速检测板金覆盖件与注塑件之量产成品，一般以铝合金与代木材料为主，对型面轮廓精度与定位孔空间精度的要求很高。
E. 整车快速造型 (Rapid Prototyping)
机床尺寸要求能加工整车原型尺寸，常见加工材料包含泡沫塑料(聚苯乙烯), 黏土, 树脂材料, 铝/锌合金。底下为APEC专用于汽车快速造型之大型五轴高速加工机实际加工视频连结，该机床加工行程达七米 x 四米 x 两米，并能选配集尘过滤系统。
四、直线电机实现了高速加工的理想
自199X年，DMG开始大量推出直线电机驱动之机床，配合刀具技术、CAD/CAM软件技术的快速发展，企图将高速切削应用普及化，取代主流传统加工。相较于传统伺服马达透过联轴器、滚珠裸橄、螺帽之驱动方式，直线电机驱动所带来的优势，包含了动力直接传递，没有机械效率损耗，没有机械背隙，少了复杂的机构传递，其系统伺服频宽可大幅提高，因而大幅提升切削动态特性。
亚太菁英(APEC)于2006年将直线电机高速加工机成功于台湾知名汽车五金覆盖件模具厂-协欣公司(中日合资企业)做模具加工之高速化应用，将精加工切削进给从原本SNK机台之4m/min，提升至10m/min，在业界造成不小震撼。
早于2005年，亚太菁英(APEC)便开始和德国博世(Bosch)工业集团长期策略合作，将Bosch Rexroth的直线电机产品与技术搭载在APEC的大型高速天车式加工中心。整副模具加工速度平均可缩减至原本50%，优良的加工面质量和型面精度，更可大幅节省人工打磨抛光时间与合模次数。
五、大型五轴直线电机高速加工机的优势特色
亚太菁英针对汽车产业模具、检具、快速造型的需求，提供了两大解决方案：GM机型与G机型。GM机型采用专利Box in Box重心驱动高架框架式结构，拥有最佳的结构刚性、精度稳定性以及钝化环境温度影响。G3020/G2540机型则采用整体式U型床身结构，拥有最短力流结构刚性与最小的占地面积，为寸土寸金的厂房提供最高水平的单位面积生产效率。
以上两种机型之架构皆为工作台固定式，三轴高架重迭之天车式结构，机台性能不受模具工件大小重量变化所影响。这些机型皆为直线电机驱动, 轴向进给高达60m/min，并具备大扭矩两轴头与高速电主轴，可同时做高切削移除率之加工与高速精加工。
以亚太菁英G3020直线电机五轴高速加工机为例，此机搭配HSK63A-24000rpm电主轴，可以在一个机台上施做下列五种典型加工，提供最优异的加工性能与制程柔性化：
A. 大量胚料移除：材料45号钢, 刀具直径 50mm, 切宽35mm, 切深0.8mm，feedrate=12m/min, 切削移除率 CRR可达 336 cc/min
B. 深孔枪钻加工：材料45号钢, 刀具直径30mm, 主轴转速1273 rpm, 轴向进给 127mm/min
C. 型面精加工：刀径25mm，刀具路径节距 pitch=0.5mm, 主轴转速12000rpm, feedrate 11m/min
D. 多刀清角：刀径2mm, 主轴转速18000rpm, 切削进给1760mm/min
E. 型面镜面超精加工：刀具直径0.8mm, 主轴转速 22000rpm, feedrate=800mm/min
底下为轮胎模具自素材开始大量胚料移除、中加工、半精加工、精加工、沟槽加工之视频连结，可以看出大型五轴加工机床依然具有一定程度的粗加工胚料移除能力，更能一次性处理各种加工需求。
乔丰集团为两岸知名汽车覆盖件模具制造商，自2012年开始大量引进亚太菁英 GM大型五轴高速加工机, 三轴全直线电机驱动, Box in Box天车式结构, 加工行程3m x 5m x 1m。在刀具摩耗的权衡考虑下, 目前实际加工进给可达12~15m/min, 五轴/3+2轴/三轴等不同工法间的相接面阶差, 也能获得相当优异的控制。配合自动换刀、雷射刀长刀径监控补正、工件自动机上量测分析补正，能达到 24hr / 1 day 高效率三班连续生产模式。在整厂制程改善方面，受惠于优良的加工质量，其模具重要加工面质量不再倚赖资深钳工打磨抛刀光人员，故能进一步引入工厂制程管理系统来做制程升级与无人化/少人化作业。
计算其机台工时成本、模具产量提升率、人工钳工时间成本, 精算后每机每年可节省26万美金(约161万人民币) 制造成本，模具质量也获得美国、德国汽车大厂客户的肯定，汽车大厂客户甚至要求该使用者全面将此制程优化成果提升推广至集团世界各地工厂。
六、结语
高速加工从1930~40年代便开始有理论提出，在大型汽车模具上的应用，却是因为五轴观念的普及、刀具与CAD/CAM技术的推陈出新、高速电主轴与两轴头的发展、直线电机驱动技术的发展，才使得高速加工概念在近五到十年于大型模具产业间发酵。我们期待大型高速高精度五轴机床技术能和现代模具制造技术并行发展，在世界汽车供应链上扮演举足轻重的角色。
