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工具機適應式熱平衡技術介紹

摘要"

本文介紹以多重物理耦合模擬分析與實驗量測來解析一國產三軸立式綜合加工中心機運轉時的暫態熱變位特性,提出以主軸頭結構溫度雙向調控方式修正主軸頭熱誤差的「適應式熱平衡技術」(Adaptive Thermal Balance®)概念。實驗於機台上設置多個關鍵溫度點量測,同時使用非接觸式渦電流位移感測計得到即時的主軸頭切削端點的熱位移。模擬方面進行熱、流、固多重物理耦合模擬分析,建立機台的熱變位模型,並且經由與基準的實驗數據相互比較,適度修正模擬分析設定的熱源及邊界條件,使所建立的模擬模型可有效用於分析預測機台運轉時主軸頭結構溫度及熱變形之間的關係,評估結構上影響主軸頭結構熱變位的關鍵點;同時進而搭配實驗數據,以統計方法分析量測點溫度變化與切削端點熱變位的相關性。在改善熱誤差方面,首先模擬使用散熱風扇改變主軸頭板金內部流場,提高對流散熱的效果,期望使整體機台溫度降低。接著根據熱平衡技術概念,模擬分析如何以局部微型溫度調節裝置改變主軸頭結構溫度分佈,期以進一步修正主軸頭熱變位,有效改善加工精度。模擬分析的預測結果以實驗進行驗證,機台穩定運轉然後開啟主軸頭雙向溫度調節系統,即時量測主軸頭溫度與位移量變化。根據實驗結果證實,本研究所提出與發展的工具機熱平衡技術,的確可有效地在機台結構不需變更及節能的情況下,達到即時修正切削點熱變位的效果,特別是可以有效使加工端點偏傾情況獲得明顯的改善。

關鍵詞:工具機熱誤差、多重物理耦合分析、熱平衡技術。

一般工具機常見的誤差有幾何誤差、切削誤差及熱誤差,而熱誤差的部分可佔整體誤差達70%[1-3]。因此,近年來國內外工具機設計及製造廠商除了持續鑽研降低幾何誤差的方法與技術,對於工具機溫升所造成的熱誤差問題也開始進行積極深入的研究。特別是在越來越多自動化系統的使用下,因為電氣設備(熱源)的增加,以及高精度高效率切削的要求提升,需要更深入的考慮熱對於工具機加工精度的影響。造成機台溫升熱變形進而導致熱誤差的原因主要包含結構幾何形狀的設計、材料性質、接觸條件、冷卻系統設計、機台內部運轉元件(例如:軸承、馬達、進給軸、皮帶輪…等等)產生的熱、切削熱、週邊設備與熱源,以及外在的流場與環境溫度變易等等。上述這些因素相互耦合影響,最終造成工具機產生複雜的熱變形。為了降低熱變形的影響,方式之一是藉由使用低熱膨脹係數材料、低熱傳導係數材料及透過潤滑與冷卻系統的溫度控制,減少熱誤差的產生[4]。也可使用冷卻系統控制環境與機台的溫度;然而工廠內部環境範圍可能極為龐大,且難以只針對特定區域冷卻,因此冷卻系統消耗的能量可能佔整體機台運轉所耗能源相當大的一部分[5,6]。另外一個常見的方式則是以實驗量測(或搭配模擬分析)所建立的熱變形分析模型,透過自動監測控制與補償技術進行溫升熱補償[7-10]。然而這些方式已逐漸無法完全滿足現今工具機對於高精度的要求。有鑒於此,日本知名工具機廠商OKUMA提出「熱親和」(Thermo-friendly)的概念,重新檢視機台設計與熱誤差補償方式的搭配。熱親和技術的核心概念為:除了進行即時的溫度與熱變位量測以進行控制加工端點的熱補償,更重要的是從設計端即以穩定平衡的溫度分佈與較容易控制預測的熱變形為結構設計目標,同時將環境以及主要熱源適當地隔離,或作適當的熱源以及散熱系統配置,以降低熱變形或簡化熱變形的複雜度,進而能夠更有效地控制與降低工具機的熱變位。
欲大幅提升工具機的熱穩定性與加工精度,必須先確實了解與掌握機台的熱變位特性。運用模擬分析技術,可以在有限的實驗條件與數據的情況下,快速有效地了解機台的溫升與熱變位的特性,以及影響熱變位的結構與溫度關鍵點;同時可以得知在不同運轉參數與環境條件下機台的溫升與熱變位響應[3,11-13]。本研究使用有限元素分析軟體ANSYS進行熱-流-固多重物理耦合模擬,建立一工具機熱變位分析模型,配合實驗量測數據,深入分析一國產三軸立式綜合加工中心機運轉時的暫態熱變位特性。實驗根據國際標準規範[14],於機台上設置多個關鍵溫度點量測,同時使用非接觸式渦電流位移感測計得到即時的主軸頭切削端點的熱變位。所建立的工具機熱變位分析模型,可於不同環境與操作條件下預測工具機的溫度分佈與熱變位特性,並且可用於評估結構上影響主軸頭結構熱變位的關鍵點,進而可更有效率地搭配實驗數據與應用統計方法,分析關鍵點溫度變化與切削端點熱變位的相關性,並作為熱誤差改善策略以及模型的發展基礎。
在改善熱誤差方面,首先模擬使用散熱風扇改變主軸頭板金內部流場,提高對流散熱的效果,期望使整體機台溫度降低。接著,本研究根據主軸頭溫度變化與熱變位相關性的特性分析結果,提出以主軸頭結構溫度雙向調控方式修正主軸頭熱誤差的「適應式熱平衡技術」(Adaptive Thermal Balance®)概念。根據熱平衡技術概念,經由模擬分析如何透過局部微型溫度調節裝置改變主軸頭結構溫度分佈進一步修正主軸頭熱變位。以模擬分析的預測結果進行實驗,機台穩定運轉然後開啟主軸頭雙向溫度調節系統,即時量測主軸頭溫度與位移量變化,特別是因為主軸與主軸頭結構的溫度分佈以及熱變形量不均勻所造成的切削加工端偏斜的熱彎曲現象(Thermal bending)[15]。本文將呈現一實際研究計畫案中經由實驗驗證適應式熱平衡技術對於改善工具機熱誤差的成果;此研究案係與友嘉實業股份有限公司執行之產學合作計畫,並配合經濟部業界科專計畫─國產高階智動化五軸加工系統關鍵技術開發計畫之合作技術開發並應用於工具機產品。……(更多內容,請見機新刊雜誌)

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