工廠變電所畢業(yè)設(shè)計(jì)正文

1、工具機(jī)主軸靜剛性分析與測(cè)試之整合摘要由於本日製造加工的要求愈來(lái)愈嚴(yán)格，工具機(jī)逐漸朝高精度、高產(chǎn)能的方向發(fā)展，因此對(duì)工具機(jī)剛性的問(wèn)題也日益受到廣泛的留意。在整部機(jī)器中，以主軸對(duì)加工精度和加工能力 的影響最大，因?yàn)榧庸み\(yùn)作下，絕大部份之切削力均由主軸承擔(dān)，主軸本身的迴轉(zhuǎn)精度和主軸與軸承的間隙亦影響加工精度，為了進(jìn)步工具機(jī)的切削性能，增加機(jī)臺(tái)穩(wěn)定性，因此 對(duì)主軸靜剛性的分析與測(cè)試勢(shì)在必行。 由於理想之有限元素模型與實(shí)際之實(shí)驗(yàn)靜力變形結(jié)果有甚大差異，很難將FEM 模型分析結(jié)果，應(yīng)用於主軸設(shè)計(jì)依據(jù)，而使有限元素應(yīng)用發(fā)展受限制。本文利用測(cè)試與有限元素分析，同時(shí)對(duì)主軸靜剛性做分析與實(shí)驗(yàn)比較，並根據(jù)比較結(jié)果，

2、調(diào)整有限元素分析上的介面結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其與測(cè)試值吻合，其結(jié)果將是未來(lái)主軸靜剛性設(shè)計(jì)上預(yù)測(cè)分析的基準(zhǔn)。 導(dǎo)論 CNC 車床乃一臺(tái)機(jī)器可行徑向車加及軸向鑽孔、搪孔、攻牙、車加的工具機(jī)。其核心組件 頭部，通常是由主軸、馬達(dá)、油壓缸、夾頭、軸承和各傳動(dòng)元件組成。當(dāng)車 床行加工操縱時(shí)，是由主軸端加裝夾頭來(lái)夾持工件直接參與切削作業(yè)，所以主軸頭的性能 對(duì)加工品質(zhì)和生產(chǎn)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(duì)主軸單元的靜剛性要求是指在外力作用下，主軸應(yīng)具有一定的抵抗變形能力。也就是在外力的作用下，主軸應(yīng) 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(chǎn)生單位位移時(shí)，所需施加 的作用力來(lái)表示，此變形為主軸和軸承的變形總和。 在已往對(duì)於主軸的設(shè)計(jì)分析，常根據(jù)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(lái)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(shè)計(jì)與分析出的主軸剛性與實(shí)際的不同。當(dāng)設(shè)計(jì)人員制定機(jī)械規(guī)格，需要更精確的機(jī)械剛性數(shù)據(jù)；或者客戶要買機(jī)器，想知道更明確的切削能力時(shí)，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(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)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(huì)與實(shí)際脫節(jié)，難達(dá)實(shí)用目的。 基於上

4、述理由，主軸靜剛性分析中之未知數(shù)(軸承剛性)調(diào)校，便顯得非常重要。本研究將以實(shí)際的靜剛性量測(cè)，並配合建立有限元素分析模型，將量測(cè)與分析的數(shù)據(jù)加以比對(duì)，以量測(cè)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，調(diào)整分析模型參數(shù)，使理論值與測(cè)試值吻合，最後並對(duì)相關(guān)問(wèn)題點(diǎn)提出討論。靜剛性實(shí)驗(yàn)量測(cè) 安裝模擬刀具、模擬工件、出力單元(Load Cell)、渦電流位移計(jì)(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(jì)透過(guò)A/ D轉(zhuǎn)換器連至電腦，在電腦內(nèi)LT/CONTROL 軟體所設(shè)計(jì)的程式抓取出力與變形的數(shù)據(jù)描繪於X-Y座標(biāo)上。 有限元素分析 根據(jù)主軸單元之設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)算式： c = k * d (1) c:軸承剛性(N/um)  k:剛性係數(shù)(視不同之軸承及預(yù)壓而定). d:軸承孔徑(mm). 3.主軸材料採(cǎi)用 SCM4 材質(zhì)，其材料性質(zhì)參數(shù): E(彈性係數(shù))=21100 Kgf/mm2 n(poisson ratio)=0.29 j(密度)=7.86x10-6 Kgf/mm3 4.負(fù)荷條件與邊界條件: 為了與測(cè)試條件相吻合，施於主軸的負(fù)荷除了測(cè)試時(shí)的100Kgf 外，尚須加上此力對(duì)主軸 鼻端所產(chǎn)

6、生的力矩。模擬軸承的彈簧則採(cǎi)接地處理。 5.MSC/NASTRAN 解法以SOL101。 主軸靜剛性量測(cè)結(jié)果 根據(jù)本公司所生產(chǎn)之車床，VT-20、 VT-26、VT-36來(lái)做靜剛性實(shí)驗(yàn)量測(cè)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(jié)果 負(fù)荷、邊界條件與實(shí)驗(yàn)量測(cè)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(lái)賦予分析模型上之彈簧剛性，結(jié)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(shí)驗(yàn)量測(cè)之?dāng)?shù)據(jù)比較參考表1。表1 主軸靜剛性理論分析與實(shí)驗(yàn)量測(cè)變形數(shù)據(jù)比較機(jī)種/變形分析主軸鼻端變形(um)實(shí)驗(yàn)量測(cè)主軸鼻端變形(um)分析/量測(cè)(%) VT-203.127.542 VT-262.143.561VT-361.48274 分析模型軸承剛性的調(diào)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(duì)量測(cè)與分析結(jié)果，根據(jù)主軸鼻真

8、個(gè)變形(分析與量測(cè))相差倍率來(lái)調(diào)整軸承剛性， 而前後軸承剛性比維持 d1/d2。 2.結(jié)果 依據(jù)上述方法，調(diào)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(shí)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(shí)際裝配剛性比較機(jī)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(shí)際 裝配剛性值(Kgf/mm) 後軸承實(shí)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(shù)據(jù)計(jì)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(jié)論與討論 1.分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較的結(jié)果顯示，裝配出來(lái)的主軸軸承剛性值都比廠商給的建議值低，證明要增進(jìn)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(chǎng)需求與經(jīng)濟(jì)效益與予綜和考量。2.以表3的機(jī)械規(guī)格及實(shí)際實(shí)驗(yàn)分析成果來(lái)看，較小的VT-20 以高轉(zhuǎn)速為產(chǎn)品走向，在軸承的預(yù)壓裝配上較守舊，實(shí)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(shí)驗(yàn)車床之主軸機(jī)械規(guī)格機(jī)種/類別 均勻外徑(mm) 內(nèi)徑 均勻面積 慣性矩(mm4) 最高轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)出更合乎客戶要