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技術趨勢
工具機機械設計工程師能力鑑定說明-主軸篇
2018.09.18∣瀏覽數:280

在CNC工具機之主軸為重要的關鍵元件 之一,心軸本體為速度、剛性與變性主要的 關鍵參數,因此設計主軸時如何獲得高速與 高剛性在心軸設計則相形重要。在傳動方面 主要分為皮帶式、齒輪式、內藏式與直節式 等傳動動力之形式,因此主軸也是常常利用 傳動形式進行分類。一般主軸單元的總體要 求是保證在相同的負載與轉速下,帶動工件 或刀具精確而穩定的繞其軸心線旋轉,並長 期保持這種性能。因此有下列的基本要求﹕ 1.旋轉精度2.剛性3.抗振性4.溫升與熱變形 等,本單元將介紹CNC工具機機械人才鑑定 主軸設計與應用相關科目與技術。

文 ◆ 國立勤益科技大學 機械工程系 陳紹賢

主軸分類原理:
CNC工具機主要有車床與銑床兩大類其應 用有所差異,一般車床主軸夾持工件進行旋 轉運動,則X/Z軸進行切削加工運動,因此夾 頭與旋轉油壓缸為重要的夾持機構並且與主 軸進行整合。而銑床主軸夾持刀把與刀具進 行旋轉運動,則X/Y/Z軸進行切削加工運動, 因此拉刀機構為重要的刀具夾持機構並且與 主軸進行整合。然而主軸設計時必須考慮與 計算之項目如下:(1)計算切削力、馬達加減 速時間等,作為主軸馬達選用相關資料,也 為計算軸承壽命之依據;(2)主軸心軸本體主要 參數確定,主要在決定主軸之內徑、外徑、懸伸量及跨距等; (3)主軸剛性計算分析,主 要包括徑向剛性、扭轉剛性及臨界轉速計算 分析; (4)軸承的計算,依選定之軸承計算其 疲勞壽命; (5)皮帶資料,此部份為廠商提供 之技術資料; (6)盤形彈簧計算,確認其疲勞 壽命; (7)拉鬆刀力量分析等,其中主軸主要 的結構如圖1所示,在刀把主要有3種規格, 包含BT系列錐度為7/24,HSK系列錐度為 1/10,Capto系列錐度為1/20。

工具機機械設計之主軸選用計算
一般CNC工具機主軸構造形狀主要決定 於軸上安裝的傳動件,軸承等零件類型、 數量、位置與安裝方法,為便於裝配常把 主軸作成階梯形。主軸前端(鼻端)懸伸應 儘量縮短,其前端形狀已經標準化。主軸通 常為空心,中心孔用於通過刀具拉桿、拉刀 機構或工件拉桿。為了通過較粗的拉桿與減 輕主軸重量,中心孔常希望大些。但中心孔 過大會影響主軸剛性,在工程應用時,工具 機極少因主軸疲勞斷裂而失效,但由於主軸 在切削力作用下變形過大,或產生切削自激振動而使工具機無法滿足生產需求的案例較 多。因此,設計工具機主軸時主要以剛性為 設計需求而非強度。主軸的靜剛性,反映了 主軸抵抗靜態外負荷的能力。主軸的彎曲剛 性K ,定義為主軸前端產生單位徑向位移, 在位移方向所需施加的力。主軸的主要參數 是指:主軸平均直徑D(或主軸前軸頸直徑 D1),主軸內孔直徑d,主軸懸伸量a和主軸 支承跨矩L ,如圖2所示。

以上參數直接影響主軸的工作性能,但 為簡化問題,主要以靜剛性條件來確定這些 參數。即選擇 D、d、a等值使主軸獲得最 大靜剛性。同時也兼顧到高速性、抗振性等 需求。按工具機類型,根據主軸傳動的功率 或最大加工直徑等,初步決定主軸平均直徑 D(前端軸頸直徑),為不使主軸溫升過高或保 證軸承壽命,需要驗算dn值。在不降低主軸 剛性的原則下,確定主軸內孔直徑d同時滿足 該類工具機對孔徑的要求。主軸懸伸量a。取 決於主軸端部之結構,為提高主軸系統與元 件之剛性值,應使其盡量小。切削加工(如銑削)時須承受斷續衝擊負荷,為避免產生振動 影響加工表面粗度,除了彎曲剛性外,主軸 扭轉剛性值也須講究。有人建議1/60。/m, 但此值相當高,並不太容易達到,若有1/8。 /m以上剛性值,應也相當足夠了。剪應力係 由單位長度的扭轉角 θ 求得,而剪應力與扭 矩 T 之關係,則可依力矩原理求得。即軸承 受扭矩 T 作用時,其橫截面所生之剪應力, 對軸中心線的力矩總和必等於該截面所承受 之扭矩。軸之單位長度的扭轉角與扭矩成正 比例,而與 GJ 成反比例。GJ 稱為軸之扭 轉剛度,此值可顯示軸對扭轉變形的抵抗能 力。因此主軸外徑設計時須考慮扭轉剛性與 扭轉角,進而參考軸承標準規格訂定主軸外徑。在齒輪式主軸主要優點為高扭力且重切 穩定性佳,缺點為慣性高不利高速化、高速 時噪音大與維修組裝技術高。皮帶式主要應 用齒型皮帶(時規皮帶) 可傳遞扭力較大,不 易產生滑差,但高速時容易產生風切聲,V型 皮帶易達到高速的需求,但可傳遞扭力較小 且易因皮帶張力不足而產生滑差。高速時產 生的風切聲較小而尖銳。下列為齒輪式主軸 與皮帶式主軸評鑑內容對應,如表1所示。

一般齒輪式主軸與皮帶式主軸應用適合中 重切削與低轉速之應用,而直結式主軸與內藏 式主軸應用於輕切削高進給之應用方式,直結 式主軸為高速切削應用的入門形式,主要優點 為構造簡單與容易直傳高速化,缺點為高速連軸器成本高、抓刀系統設計較困難與連軸器應 用技術等。在高速內藏式主軸方面主要優點為 容易達到高轉速、震動較低、容易模組化與噪 音低,缺點為主軸需解決熱溫升之問題、製造 維護成本高與模組製造技術要求較高,其中在 選用計算上則如表2所示。

主軸系統相關技術-主軸跨矩設計
一般在切削時先定義切削的移除率單位以 CC為主,其中移除率與切削寬度、進給速度 與切削深度成正比關係,當移除率為定值時 進給率提高則可降低切削深度,則可達到高 速切削之目標,因此內藏式與直結式主軸則 適合高速切削之方式,高進給低切深的切削方式。


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