工具機系統設計與分析 主軸系統(一).pdf

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1、主軸系統主軸系統主軸系統主軸系統( (一一) ) 系統簡介系統簡介系統簡介系統簡介 紀華偉紀華偉 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 肇遠肇遠 友嘉實業股份有限公司工具機事業部友嘉實業股份有限公司工具機事業部 2008.03.11 2008.03.11 工具機系統設計與分析工具機系統設計與分析工具機系統設計與分析工具機系統設計與分析 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 2/57 課程內容 概述 主軸架構 主軸設計要求 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 3/57 概述 3C3C 3C3C 一般加工一般加工 一般加工一般加工 模具模具 模具模

2、具 航太輕合航太輕合 航太輕合航太輕合 汽機汽機 汽機汽機 高速鑽孔攻牙，輕削面銑 1mm以下小孔徑鑽孔 高速鑽孔攻牙，輕削面銑 1mm以下小孔徑鑽孔 高速銑削，曲面加工高速銑削，曲面加工 硬鋼材加工，曲面加工硬鋼材加工，曲面加工 高速銑削，鑽孔，攻牙 密搪孔 高速銑削，鑽孔，攻牙 密搪孔 鑽孔，攻牙，面銑，搪孔鑽孔，攻牙，面銑，搪孔 高速高速 高效高效 高高 工具機市場需求 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 4/57 概述 主軸為工具機進加工時，直接帶動刀具 或工件旋轉，進削、研磨等加工程序 之重要單元。 帶動工件旋轉，如床。 帶動刀具旋轉，如銑床。 依驅動方式分為: 齒

3、式 皮帶式 馬達內藏式 直結式 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 5/57 概述 依驅動方式分為: 齒式 motor 優點： 傳動系統扭轉剛性大，能 承受低速高扭負載 適合低速大深加工，但 主軸剛性須加大 缺點： 效差，傳輸功損耗大， 噪音大，油污染 高速受限制 齒及箱體製造成本高 Gear Spindle 8k20k rpm 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 6/57 概述 依驅動方式分為: 皮帶式 Belt motor Spindle 優點： 高張低噪音齒型設計，高 速時噪音比齒式低 組裝，維修容，成本低 缺點： 傳動系統撓性大，扭轉剛性低 皮帶使後

4、端主軸溫升加大 高速運轉受皮帶限制而無法提高 過負荷削使皮帶移。 8k15k rpm 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 7/57 概述 依驅動方式分為: 馬達內藏式 Spindle 定子 轉子 優點： 電磁能直接傳動為機械能，無傳遞功損耗，亦 無須考慮如 DDS 主軸軸器的剛性問題 此外馬達具有雙線圈段輸出功，具備低速高 扭功能 低速重削能大約介於齒式與皮帶式之間 高速削能則較優。 缺點： 製造及材成本高， 組裝複雜，維修困難高 線圈發熱影響主軸溫升。 15k200k rpm 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 8/57 概述 依驅動方式分為: 直結式 S

5、pindle motor 優點： 高速化，噪音遠低於皮帶式主軸 直接電磁能 - 機械能轉換 低傳輸功損耗 低速重削會有皮帶式之跳脫問題 Coupling 缺點： 系統總組合長長， 組裝要求高， 使用在C-frame重集中前端。 動平衡校正較困難， 軸器受削激振鬆脫。 15k30k rpm 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 9/57 概述 各式主軸 滾珠軸承主軸 軸線可動主軸 液靜壓主軸 液動壓主軸 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 10/57 主軸架構 削中心機(Turning Center) 資源: FAG PulleyMain Bearing set

6、 Supporting Bearings Chuck 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 11/57 主軸架構 綜合加工機(machining Center) Tool HolderMain Bearing setSupporting BearingsBalancing block Mounting FlangeWater JacketPulley 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 12/57 主軸架構 綜合加工機(machining Center) 密封環密封環 密封環密封環 刀把介面刀把介面 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 13/

7、57 主軸架構 綜合加工機(machining Center) 馬達定子馬達定子 馬達轉子馬達轉子 HSK刀把刀把 卻水套卻水套 卻水套卻水套 碟型彈簧碟型彈簧 馬達內藏式主軸 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 14/57 主軸架構 Pulley Mounting Flange Water Jacket Main Bearing set Supporting Bearings Balancing block 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 15/57 主軸架構 心軸 軸承 刀具夾持系統 卻系統 潤系統 密封設計 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自

8、動化工程學系 16/57 主軸架構 心軸 主軸之心軸為一多段式中空階梯樑，是主 軸單元重要結構元件。 功能 提供主軸所需剛性。 提供刀把介面及刀具夾持系統。 與軸承組成主軸-軸承系統，為主軸旋轉組件。 提供主軸中心出水(CTS)機構(部分系統)。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 17/57 主軸架構 心軸 設計考 等效慣性矩:各階段之長與截面尺寸設計。 軸承間之跨距: 軸承間距影響心軸負荷變形。 懸伸:前端軸承至刀把介面距。 F Y 刀具端軸承 後端軸承 刀具端軸承 後端軸承 aL 跨距懸伸跨距懸伸 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 18/57 主軸架

9、構 軸承 支持主軸，並限制位移，使主軸繞固定旋轉中 心運動，此外提供足夠界面剛性，使主軸承受 削。 滾動軸承(Rolling Bearing) 液靜壓軸承(Hydrostatic Bearing) 液動壓軸承(Hydrodynamic Bearing) 磁浮軸承(Active Magnetic Bearing ) 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 19/57 主軸架構 軸承 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 20/57 主軸架構 主軸心軸與軸承系統之組合設計，影響主軸之 剛性。 軸承之選用與配置 主軸之內外徑、懸伸與軸承跨距 大大學機械與自動化工程學系大

10、大學機械與自動化工程學系 21/57 主軸架構 主軸襯套管 提供軸承支撐、卻水套及主軸安裝介面。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 22/57 主軸架構 sin 1111 sysspindlebearinghoug kkkk =+ la 心軸變形 襯套變形 軸承變形 系 統 變 形 + + = F F F F 心軸-軸承-襯套管 結構系統: 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 23/57 主軸架構 刀具夾持系統 用並盤形彈簧組合經桿， 瓣爪住刀柄栓，使刀具斜面與 主軸內孔斜面緊密接觸，形成足夠 的界面剛性。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程

11、學系 24/57 主軸架構 刀具夾持系統 F F 碟型彈簧之並(以並上調整刀) mK n Ktotal 11 = n:(圖 n = 20 ) m:並(圖 m = 4) K:單一碟片剛性 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 25/57 主軸架構 刀具夾持系統 刀把介面 7/24錐 BT-403:BT30, BT40, BT50 (日本Bottle Grip 公司) CAT30, CAT40, CAT50 (美國 Catipillar公司) DIN 69871 Form A, Form B: SK40, SK50 面拘束實心刀把 BBT-40,50 (BIG plus ) 面拘束

12、實心刀把 MBT-40,50(Nikken) 1/10錐 面拘束中空刀把HSK A-50, A-63, A-100 面拘束中空刀把KM A-50,A-63,A-80,A-100 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 26/57 主軸架構 刀具夾持系統 BT CAT 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 27/57 主軸架構 刀具夾持系統 SK Form A HSK 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 28/57 主軸架構 刀具夾持系統 面拘束: 防止刀把軸向位移，如BBT刀 把。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 29/57

13、 主軸架構 刀具夾持系統 面拘束中空短刀把: 高介面剛性，密 定位及短換刀時間。 HSKBT 介面長 介面長 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 30/57 主軸架構 刀具夾持系統 面拘束中空短刀把: 高介面剛性，密 定位及短換刀時間。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 31/57 主軸架構 卻系統 主軸熱源 軸承 馬達 削 CTS coolant 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 32/57 主軸架構 潤方式潤方式 油脂潤油脂潤 油潤油潤 使用空氣使用空氣 使用高壓空氣使用高壓空氣 油浴式油浴式 飛濺式飛濺式 滴油式滴油式 噴射式噴射

14、式 循環式循環式 油霧式油霧式 油氣式油氣式 潤系統 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 33/57 主軸架構 油脂潤(Grease Lubrication) 填充(grease quantity) 30% free space in bearing )(10 3 SKFBdqQ mB = Q : 油脂, cm3 qB: 軸承尺寸因子 dm: 軸承平均直徑 = (D+d)/2 B : 軸承寬 21.511.5Factor qB 1301601001304010040Bore diameter 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 34/57 主軸架構 油脂潤(

15、Grease Lubrication) 結構簡單，組裝測試驗證容。 成本低。 免維護。 散熱，工作轉速比油氣式潤低。 油脂會有化問題。 灰塵及削液容侵入。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 35/57 主軸架構 油潤(Oil Lubrication) 給油 黏 摩擦 軸承溫 油與溫升及摩擦損失關係圖 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 36/57 主軸架構 油潤(Oil Lubrication) 6 1 10)( += T nT MMQ o Q : 油, l/min Mo: 摩擦矩(load independent) M1:摩擦矩(load depende

16、nt) n : 轉速, rpm T: 油允許溫升 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 37/57 主軸架構 油潤(Oil Lubrication) 油氣式(oil-air or oil spot) 滾珠使用潤油與空氣混合之後 噴入滾珠軌道，DN 值高。 潤油消耗小，消耗功小， 適合高速長時間續運轉。 發熱少，空氣有卻效果。 成本高，供油系統須嚴格監控穩 定性，否則瞬間燒毀，油調 整費時，組裝及製造過程複雜。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 38/57 主軸架構 油潤(Oil Lubrication) 油霧式(oil/air Mist) 噴射式(oil j

17、et) Oil/Air Mist Oil Jet 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 39/57 主軸架構 密封設計 密封之目的 防止潤油及油脂從軸承中洩出。 防止削液或灰塵、屑等物從外部侵入。 密封設計考慮因素 轉速 空間設計 件安裝步驟 主要密封方向（式或臥式） 價格與效果 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 40/57 主軸架構 油槽方式 市購甩油環 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 41/57 主軸架構 單迷宮環 多迷宮環 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 42/57 主軸架構 迷宮環排水孔(水平用) 迷宮環排

18、水孔(垂直用) 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 43/57 主軸架構 氣幕方式（air seal） 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 44/57 主軸架構 主軸馬達 功扭圖是主軸削性能的評價基礎，也是評估選用機 器的首要考指標，對於使用者而言，選用機器前須解 削條件需求才能正確選擇規格。 續定格(continue rated ) :可續運轉的輸出功。 30分鐘定格(30min rated):輸出功較大,但能承受30分鐘。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 45/57 主軸架構 主軸馬達 廣域馬達:基速低，低速就全功輸出，扭大。 非廣

19、域馬達:基速高，扭較小。 基速 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 46/57 主軸架構 主軸馬達 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 47/57 主軸設計基本要求 轉速 迴轉 靜剛性 承載能 熱穩定性 壽命與可靠 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 48/57 主軸設計基本要求 高速、高、 高剛性主軸單元 高速、高、 高剛性主軸單元 高性能軸承高性能軸承 高性能軸承高性能軸承 高性能刀具 夾持系統 高性能刀具 夾持系統 高性能刀具 夾持系統 高性能刀具 夾持系統 適當主軸設計適當主軸設計 適當主軸設計適當主軸設計 高主軸元件高主軸元件 高

20、主軸元件高主軸元件 適當組裝程序適當組裝程序 適當組裝程序適當組裝程序 動平衡校正動平衡校正 動平衡校正動平衡校正 高性能主軸馬達高性能主軸馬達 高性能主軸馬達高性能主軸馬達 高效卻系統高效卻系統 高效卻系統高效卻系統 高性能潤系統高性能潤系統 高性能潤系統高性能潤系統 主軸系統關鍵技術 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 49/57 主軸設計基本要求 轉速 主軸轉速範圍根據工具機削速及工件或刀 具尺寸而定。 影響轉速因素: 軸承種、尺寸、排與預壓 卻系統 潤系統 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 50/57 主軸設計基本要求 迴轉 主軸作迴轉運動時，線速

21、為的點之線為 迴轉中心線 主軸迴轉中心線有6個自由，除繞想迴 轉中心線之運動是加工所需要的，其餘5個自由 是誤差運動。 實際迴轉中心線相對於想迴轉中心線之位置 偏移為迴轉誤差。迴轉誤差範圍稱為迴轉 。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 51/57 主軸設計基本要求 迴轉 主軸迴轉誤差基本型式 純徑向誤差 角誤差 軸向誤差 當與同時存在時，合成誤差稱為徑向誤差 當與同時存在時，合成誤差稱為端面誤差 )(t )(t )(tz )(t)(t)(tr )(tz)(t)(tf 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 52/57 主軸設計基本要求 迴轉 主軸迴轉誤差基本型

22、式 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 53/57 主軸設計基本要求 徑向誤差 端面誤差 )()()(tLtrtr o = )()()(tRtztf o = 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 54/57 主軸設計基本要求 主軸迴轉測 靜態測 以密標準試棒插入主軸錐孔中，低速旋轉主軸，使用千分表 測特定位置之外圓表面及端面。千分表之大與最小 之差，即為主軸之迴轉誤差。 測並非於實際轉速下進，且包含試棒安裝誤差誤差，無法 反應主軸真正之迴轉。 動態測 為避免靜態測之缺點，使用非接觸式感測器，測主軸於實 際轉速下之迴轉誤差。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械

23、與自動化工程學系 55/57 主軸設計基本要求 靜剛性: 主軸靜剛性是指主軸抵抗(靜態)外引起變形能。 主軸靜剛性是評估主軸結構系統性能表現的重點。 主軸靜剛性定義為使主軸產生單位變形所需之 值(kg/m) F K = 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 56/57 主軸設計基本要求 承載能 主軸承載能係指主軸保證正常工作條件並具 有額定壽命時所能承受之最大負荷。 與軸承選用、馬達扭與功、傳動系統及主 軸有效直徑有關。 熱穩定性 主軸運轉時，由於摩擦、削及馬達等熱源造 成主軸部件溫上升，因而造成主軸部件變形 迴轉中心線偏移、配合間隙改變，最終導致加 工誤差。 設計要求溫升範圍小且快速達到穩定。 大大學機械與自動化工程學系大大學機械與自動化工程學系 57/57 主軸設計基本要求 壽命與可靠 主軸部件壽命指保持其及性能之使用期 限，主要受限於軸承壽命。 可靠係指主軸於壽命期內，持續運轉並維持 及性能之能。主軸可靠之一般以其 MTBF (Mean Time Between Failure)估算。