工厂变电所毕业设计正文

1、工具機主軸靜剛性分析與測試之整合摘要由於本日製造加工的要求愈來愈嚴格，工具機逐漸朝高精度、高產能的方向發展，因此對工具機剛性的問題也日益受到廣泛的留意。在整部機器中，以主軸對加工精度和加工能力 的影響最大，因為加工運作下，絕大部份之切削力均由主軸承擔，主軸本身的迴轉精度和主軸與軸承的間隙亦影響加工精度，為了進步工具機的切削性能，增加機台穩定性，因此 對主軸靜剛性的分析與測試勢在必行。 由於理想之有限元素模型與實際之實驗靜力變形結果有甚大差異，很難將FEM 模型分析結果，應用於主軸設計依據，而使有限元素應用發展受限制。本文利用測試與有限元素分析，同時對主軸靜剛性做分析與實驗比較，並根據比較結果，

2、調整有限元素分析上的介面結構參數，使其與測試值吻合，其結果將是未來主軸靜剛性設計上預測分析的基準。 導論 CNC 車床乃一台機器可行徑向車加及軸向鑽孔、搪孔、攻牙、車加的工具機。其核心組件 頭部，通常是由主軸、馬達、油壓缸、夾頭、軸承和各傳動元件組成。當車 床行加工操縱時，是由主軸端加裝夾頭來夾持工件直接參與切削作業，所以主軸頭的性能 對加工品質和生產效率有重要的影響。 主軸靜剛性(static rigidity)在主軸性能上扮演著重要角色。而對主軸單元的靜剛性要求是指在外力作用下，主軸應具有一定的抵抗變形能力。也就是在外力的作用下，主軸應 能保持一定的工作精度。主軸的靜剛性大小，通常以使主軸

3、產生單位位移時，所需施加 的作用力來表示，此變形為主軸和軸承的變形總和。 在已往對於主軸的設計分析，常根據組立圖主軸的配置，建立分析模型，將主軸的軸承模擬成一彈簧，並依軸承公司推薦的軸承剛性值，來給予分析模型彈簧剛性。這種忽略軸承 裝配剛性的作法，造成了設計與分析出的主軸剛性與實際的不同。當設計人員制定機械規格，需要更精確的機械剛性數據；或者客戶要買機器，想知道更明確的切削能力時，分析 所得出的主軸單元理論剛性，只是參考值而很難給予正確答案。須知，CNC 車床面臨的加工條件各式各樣，所需依附之機械設計規格、裝配限制條件也因此而不同，單純的主軸靜 剛性分析，便會與實際脫節，難達實用目的。 基於上

4、述理由，主軸靜剛性分析中之未知數(軸承剛性)調校，便顯得非常重要。本研究將以實際的靜剛性量測，並配合建立有限元素分析模型，將量測與分析的數據加以比對，以量測的數據為基準，調整分析模型參數，使理論值與測試值吻合，最後並對相關問題點提出討論。靜剛性實驗量測 安裝模擬刀具、模擬工件、出力單元(Load Cell)、渦電流位移計(eddy current)於CNC車床的刀架與夾頭間，並把出力單元(Load Cell)與渦電流位移計透過A/ D轉換器連至電腦，在電腦內LT/CONTROL 軟體所設計的程式抓取出力與變形的數據描繪於X-Y座標上。 有限元素分析 根據主軸單元之設計組立圖，利用MSC/XL軟

5、體以BAR 元素模擬主軸、彈簧元素模擬軸承建立分析模型，其實體與建立之有限元素分析模型。 2.軸承以彈簧元素模擬，其剛性值參照SKF公司提供的軸承剛性計算式： c = k * d (1) c:軸承剛性(N/um)  k:剛性係數(視不同之軸承及預壓而定). d:軸承孔徑(mm). 3.主軸材料採用 SCM4 材質，其材料性質參數: E(彈性係數)=21100 Kgf/mm2 n(poisson ratio)=0.29 j(密度)=7.86x10-6 Kgf/mm3 4.負荷條件與邊界條件: 為了與測試條件相吻合，施於主軸的負荷除了測試時的100Kgf 外，尚須加上此力對主軸 鼻端所產

6、生的力矩。模擬軸承的彈簧則採接地處理。 5.MSC/NASTRAN 解法以SOL101。 主軸靜剛性量測結果 根據本公司所生產之車床，VT-20、 VT-26、VT-36來做靜剛性實驗量測與分析，VT-20 主軸鼻端變形圖,施與外力100Kgf 後變形約7.5um。VT-26主軸鼻端變形圖,施與外力100Kgf 後變形約3.5um。VT-36主軸鼻端變形圖, 施與外力100Kgf 後變形約2.0um。 有限元素分析結果 負荷、邊界條件與實驗量測幾乎相同的有限元素分析模型，以SKF公司提供之軸承推薦剛性值，來賦予分析模型上之彈簧剛性，結果得到VT-20 分析模型主軸鼻端變形量3.12 um；VT

7、-26分析模型主軸鼻端變形量2.14um；VT-36 分析模型主軸鼻端變形1.48um 。有限元素分析與實驗量測之數據比較參考表1。表1 主軸靜剛性理論分析與實驗量測變形數據比較機種/變形分析主軸鼻端變形(um)實驗量測主軸鼻端變形(um)分析/量測(%) VT-203.127.542 VT-262.143.561VT-361.48274 分析模型軸承剛性的調校 1.方法 (1)依前述之軸承剛性估算法: c = k * d (1) 則 c1 = k * d1 c1 :前軸承剛性 c2 = k * d2 c2 :後軸承剛性 c1/c2= d1/d2 (2) (2)比對量測與分析結果，根據主軸鼻真

8、個變形(分析與量測)相差倍率來調整軸承剛性， 而前後軸承剛性比維持 d1/d2。 2.結果 依據上述方法，調整 VT-20、VT-26、VT-36 的前後軸承剛性，得出軸承理論剛性值與實際軸承裝配剛性比較表，如表2。表2 主軸軸承理論剛性與實際裝配剛性比較機種/主軸 剛性前軸承理 論剛性值 (Kgf/mm) 後軸承理 論剛性值 (Kgf/mm) 前軸承實際 裝配剛性值(Kgf/mm) 後軸承實際 裝配剛性值(Kgf/mm)VT-20 300,0 270,00054,672 49,205 VT-26 390,000360,000 137,953127,167 VT-36 480,000450,0

9、00 244,904 229,622 由上表數據計算得知，VT-20 的軸承裝配剛性值約為理論值之五分之一；VT-26 的軸承裝 配剛性值約為理論值之三分之一；VT-36 的軸承裝配剛性值約為理論值之二分之一。 結論與討論 1.分析與實驗數據比較的結果顯示，裝配出來的主軸軸承剛性值都比廠商給的建議值低，證明要增進主軸剛性，在裝配上仍有改善的空間。而這種改善必須把熱溫升、量具精度、市場需求與經濟效益與予綜和考量。2.以表3的機械規格及實際實驗分析成果來看，較小的VT-20 以高轉速為產品走向，在軸承的預壓裝配上較守舊，實際軸承裝配剛性為推薦值之五分之一；VT-26 與 VT-36 的裝配剛性較佳，分別為推薦值的三分之一與二分之一。表3 實驗車床之主軸機械規格機種/類別 均勻外徑(mm) 內徑 均勻面積 慣性矩(mm4) 最高轉速(rpm) 冷卻方式line VT-20 104.661 6,561,037.7 6,000 空氣冷卻 VT-26 133.6 86 16,021,351.3 3,500 空氣冷卻 VT-36161.8 10329,619,288 2,500 空氣冷卻3.本公司生產的車床雖屬泛用型車床，適用於大部分的加工條件，但如能在裝 配前事先知 道客戶的加工需求，必能生產出更合乎客戶要