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工具機螺栓鎖固結合面剛性鑑別與提升探討

摘要"

工具機是由許多零部件組合而成的機器,零部件之間經過精密組配互相接觸形成接觸面,稱為結合面,如導軌與底座、底座與立柱連結之結合面等,結合面往往是多數機台剛性較為薄弱的一環,改善結合面的剛性與精度有助於提升機台的精度壽命與穩定性。本文進行結合面剛性鑑別試驗分析,探討組配參數對結合面剛性變化影響。除發展一種結合面剛性鑑別試驗方法外,並提出設計螺栓參數,使結合面上有最大應力錐面積,藉此優化結合面鎖固剛性,經實驗驗證較業界常用的經驗公式可有效提升結合面剛性值。此外,本文並探討組配參數對結合面剛性的影響,相關實驗結果可作為工具機結合面設計與組裝之參考依據。

關鍵詞:螺栓鎖固、結合面、應力錐面積、剛性

國內生產的精密工具機精度已能達到國際先進國家水準,但在精度保持(壽命)與國外技術領先廠家仍有較大差距,精度壽命已成為提升我國工具機產品價值與市場競爭力的主要瓶頸之一。由於工具機是由許多零部件通過組裝鏟配所組成的機器,零部件之間經過配合互相接觸形成接觸面,稱為結合面,如導軌與結構、底座與立柱間的固定結合面,機台地基墊塊連結之結合面等。由於螺栓連接具有良好的裝調和拆卸維修等特性,在機台構件的組裝上,螺栓連接已是典型固定結合面連接方式,如圖1所示。
對工具機而言,組配不僅花費時間長,且對其最終性能影響巨大,即使是同樣精度的零部件,裝配過程不一樣,品質和性能就會有很大的差異,而工具機零部件之間的結合面剛度與精度對組裝後機台的精度與穩定度有很大的影響,由於結合面是許多機台剛性薄弱環節,組裝鏟配時結合面的接觸率或鎖緊力矩不足,不適當的組配參數,造成結合面剛性與阻尼的下降,在機台切削過程會導致機台動態特性不佳而使機台振動與切削顫振的發生,不僅工件品質不佳,也造結合面夾緊力的下降,影響機台精度的保持與加速精度衰退過程。由於剛性是負載除以變形而得,因此,若能加大機台結合面剛性,以增加儲備剛性與精度的概念,不僅能減少變形改善機台精度與性能,並能增加精度穩定性與延長精度壽命。
本文進行螺栓結合面剛性鑑別與剛性提升技術發展,內容分為﹕(1)透過設計螺栓參數讓結合面上有較大應力錐面積藉此優化結合面剛性;(2)提出一種螺栓結合面剛性識別方法,透過實驗分析求取不同鎖緊力矩下結合面剛性值;(3)結合面剛性鑑別分析試驗,驗證以應力錐理論設計螺栓參數,提升結合面剛性可行性。並探討其他組配參數(加工工藝、螺孔型態)對結合面剛性變化的影響等。

設計螺栓參數得到較大結合面應力錐面積

在螺栓被連接件剛性的研究方面,Shigley等學者[1、2]把壓應力在被連接件中的分佈區域等效為圓錐體與圓柱體,認為在垂直於軸截面方向上均勻分佈,其大小隨軸向位置變化而變化。依上述研究為基礎,設想在螺栓鎖緊後在連結件內會有應力錐產生,如圖2所示螺栓鎖固的接合系統,其螺絲接合(鎖固)的整體結合剛性值KT是由:(Ⅰ)上方被結合段(應力錐區域)的剛性Kf1;(Ⅱ)下方被結合段(應力錐區域)的剛性Kf2;(Ⅲ)結合面的剛性Kc;(Ⅳ)螺栓剛性KB等串並聯而得。由圖2中所展示的公式可知,螺栓與被連接件的剛性變化會直接影響螺栓連接介面裝配過程中夾緊力F的形成,結合面的剛性Kc以及精度保持狀態...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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