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車銑複合工具機設計模擬與精度分析

國立虎尾科技大學機械與電腦輔助工程系助理教授詹子奇
國立虎尾科技大學機械與電腦輔助工程系研究助理余佳虹

摘要
因應現代化工具機加工的需求,使用者越來越追求精度與效率,複合工具機除了節省時間,也增加效率,因此複合工具機精度與加工效率成為產業上重要的研發課題。
本文探討車銑複合工具機的結構特性,使用有限元素法(FEA)分析整機結構,模擬出最大變形量、振形與結構暫態特性,相關模擬技術應用於設計流程,包括:靜態變形分析、模態分析與暫態分析,本文可作為高階機台開發的設計參考。


一.前言
本文研究臥式車銑複合機主要進行靜剛性與動態特性的分析。本研究使用有限元素分析方法,模擬臥式車銑工具機結構的變形與振動,本研究可作為工具機設計開發的參考指標。本文的研究步驟,如圖1所示。使用有限元素法分析整體工具機結構與設計,本研究應用有限元素法分析靜力變形、振動模態與暫態響應分析,UTSUMI等人 [1]研究並預測刀具在不同形態下的切削特性,HONG等人 [2]分析了大型複合工具機在不同邊界條件下主軸結構受到外部負荷的應力情形,KIM等人 [3]使用了有限元素法分析了機台動剛性特性,ZHAO等研究人員 [4]分析了龍門銑床的靜態與動態剛性分析,並設計機台結構,YU等人 [5]針對床台與立柱等個別鑄件分析其振型,再將鑄件使用約束的形式接合再一起分析整體特性,LEI等人 [6]對於雙軸工具機進行動剛性結構分析,有助於提升結構設計性能。以上是工具機設計分析相關的研究文獻,本文主要是將相關分析技術,應用於開發高階的車銑複合工具機,相關研究成果提供產業機台開發之參考。

二.有限元素分析

有限元素模型

限元素邊界條件設定
工具機主要結構使用Soild187的元素模擬,本機台組合介面之線性運動主要使用線性滑軌,其中滑塊與滑軌的接觸採用彈簧模擬,使用Combin14的元素模擬,相關介面的固定方式根據實際機台組合進行設定,其中重力加速度為9.8 m/s2 。滑塊與滑軌之間彈簧元素如下圖4所示。

 
圖4.車銑複合工具機滑塊與滑軌接觸面設定
車銑複合工具機靜剛性分析
模擬機台加工時的受力,於刀尖點施以Y軸方向-500N的力。分析出的結果可以看出,銑削主軸、X軸鞍座與立柱發生較大變形,最大變形量為14.4μm。靜剛性分析結果如圖5所示。

 

車銑複合工具機模態分析
運用有限元素法進行工具機結構動態分析,設定自然頻率的頻寬範圍為從0~1000Hz並取前三階模態,其結果顯示機台第一階自然頻率為52.3 Hz其振形由立柱往Y軸方向振動,第二階自然頻率為58.6Hz其振形由立柱往Z軸方向振動,第三階自然頻率為86.7Hz其振形為立柱沿X軸呈現扭轉。模態分析如圖6~圖8所示。從分析結果可得知,此構型之機台主要結構弱點在立柱的部分,因此設計上可增加立柱的剛性,將有助於機台之靜動態性能提升。

 

車銑複合工具機動態暫態分析
暫態分析於0.05秒內,Y軸向瞬間受到-500N的切削力,如圖9所示。車銑複合工具機暫態分析可以看到機台的收斂性,取其刀尖點位置觀察結果臥式車銑複合工具機X軸向約0.19秒後收斂在-62um,Y軸向約0.19秒後收斂在17um,Z軸向約0.19秒後收斂在1.2um,各軸向的振動時間-位移圖如圖10~圖12 所示,其中暫態的特性會影響機台加工的動態性能。

三.結論
工具機的加工精度與效率要求越來越高,如果結構強度不夠對於加工精度與性能會有不良的影響,因此結構的分析相當重要。
本文使用有限元素法來探討高階工具機結構靜剛性與動剛性的特性,有助於工具機結構的設計與改進。
本研究模擬實際加工條件,靜剛性分析沿Y軸向對刀尖點施-500N的力,最大變形量為14.4μm。模態頻率前幾階主要為立柱的振動,所以此機種可以提高立柱的結構剛性,暫態能夠看出X軸向最大位移40um約0.19s內可以回到穩定的狀態, Y軸向最大位移20um約0.19s內可以回到穩定的狀態,Z軸向最大位移6.5um約0.19s內可以回到穩定的狀態,本研究結果對車銑複合工具機的結構優化與設計具有重要的參考價值。
參考文獻
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