工具機高速主軸之性能測試與分析 郭慶祥、吳政憲
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摘 要
高速切削已經逐漸成為機械加工的主流，要達成此一目標，工具機主軸的轉速勢必要提昇，但主軸高速運轉時，溫昇變形
、迴轉精度及靜動剛性的問題，必須加以克服，才能提昇加工精度。但軸承在高速運轉下的動態負荷及溫昇乃是提高轉速 的主要障礙，如何選擇適當的軸承配置和預壓量，以及提昇潤滑技術來減少軸承的發熱量，同時又能維持足夠的剛性，以 抑制結構變形及顫振(chatter)，將是工具機主軸突破轉速限制的關鍵。 由於主軸轉速提高，傳統的油脂潤滑(grease
lubrication)方式已無法應用於高速主軸，取而代之的將是新式的潤滑方式，而其中油氣潤滑(oil-air lubrication)系統具備了油 量控制精確、低消耗功率和低污染等優點，乃高速主軸較理想的潤滑方式。但是油氣潤滑系統採用每隔一段時間供給一定 量潤滑液的方式，為了要達到軸承所需要的潤滑區域，必須精確地控制供油量，所以要在這種間歇式的供油條件下維持穩 定的供油狀況並不容易。另外，軸承預壓量也是影響主軸動態性能的重要因素，預壓量會影響到主軸剛性，而造成的溫昇 熱變形，也會使軸承預壓量再度改變，而這些因素都會影響主軸的動態迴轉精度。這些參數及特性之間的關係，是急需探 討和研究的。 綜觀以前的參考文獻可以發覺，以往的研究大多針對油氣潤滑軸承，或是簡易的測試用主軸進行分析，而且 測試的結果並不完整，因此本研究將對商用的工具機油氣潤滑主軸，進行動態性能的測試與分析，探討供油參數及主軸受 動態切削負荷下之溫昇熱變形，並改變軸承預壓量，分析預壓量與主軸靜動剛性、溫昇熱變形及迴轉精度之關係。除了進 行實際的測試外，在本研究中亦利用有限元素的分析方法與實驗值比對，以建立完整分析技術，以供業界在設計主軸時的 參考。
關鍵詞 : 油氣潤滑主軸、溫昇變形、動態迴轉精度、軸承預壓、靜剛性、動剛 目錄
第一章 緒論 1.1 前言--P1 1.2 文獻回顧--P2 1.3 研究目的及方法--P6 1.3.1 溫昇熱變形實驗分析--P7 1.3.2 主軸迴轉精度檢 測--P7 1.3.3 主軸之靜動剛性測試與分析--P8 1.4 論文架構--P9 第二章 油氣潤滑主軸系統之供油穩定性實驗 2.1油氣潤滑主 軸之潤滑原理--P11 2.2影響供油穩定性之參數評估--P14 2.3供油穩定性之實驗方法與步驟--P16 2.3.1油氣輸送管對供油穩定 性之實驗方法--P17 2.3.2噴油時間間隔對供油穩定性之實驗方法--P19 2.3.3空氣壓力對供油穩定性之實驗方法--P20 2.3.4每 次噴油量對供油穩定性之實驗方法--P21 2.3.5潤滑油黏度對供油穩定性之實驗方法--P21 2.4 建立最佳供油參數--P24 2.4.1油 氣輸送管對供油穩定性之影響--P24 2.4.2噴油時間間隔對供油穩定性之影響--P25 2.4.3空氣壓力對供油穩定性之影響--P27 2.4.4每次噴油量對供油穩定性之影響--P29 2.4.5潤滑油黏度對供油穩定性之影響--P30 第三章 主軸結構靜動剛性測試與分析 3.1靜剛性測試與分析--P34 3.2動剛性測試與分析--P38 3.3靜剛性測試與分析結果與討論--P40 3.4動剛性測試與分析結果與 討論--P50 第四章 主軸溫昇熱變形測試與分析 4.1 主軸溫昇熱變形測試與分析--P56 4.2 主軸溫昇熱變形測試與分析結果與 討論--P67 第五章 主軸迴轉精度檢測 5.1 主軸迴轉精度量測方法--P78 5.2 主軸迴轉精度檢測結果--P83 第六章 結論與未來研 究方向--P91
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