MAGAZINE
刊物內容

回列表

冷卻控制技術在工具機熱變位之應用

摘要"

工具機加工過程中,主軸的高速旋轉會產生大量的摩擦熱,此些熱量會使得主軸於運轉過程中產生熱偏移的狀況,從而對於加工工件的準確度產生很大的影響。因此,於運轉過程中所產生的熱量,必須透過冷卻系統即時將熱量由運轉中的主軸排除。此外,當主軸在停機時,主軸的溫度相對是較低。再開始進行加工前,往往需要將主軸運轉進行一段足夠時間,以進行系統暖機,並使得主軸的溫度能達到運轉加工時的溫度。然而,一般未裝置加熱系統的工具機,暖機往往需要花費1小時,相當耗時。因此為增進工具機的加工準確度與縮短系統暖機所需的時間,於暖機時進行強制加熱,且於加工運轉時進行即時的冷卻,將是未來高精密工具機發展的趨勢。本研究針對加工機台進行主軸的暖機與冷卻系統的開發,此系統加熱與冷卻的功能整合為一,能縮短暖機時間,並針對主軸加工的熱負荷,進行即時與有效的冷卻,以使主軸運轉溫度維持恆定。

關鍵詞:熱誤差、熱變位、熱抑制


工業發達的時代,工具機的普遍性已經有目共睹,機台須多樣且符合各個生產位置,工具機機台的穩定性要求更是嚴苛,無論是工具機本身或是外在環境都將直接或間接的影響加工的精密度;然而,近年來熱變形的要求逐漸受到重視,工具機除了要求加工主軸轉速快之外,更重視了因長時間加工所導致工具機加工精度誤差等問題;因此,必須找出主軸與機台間的熱溫狀態,評估工具機熱變形對於的加工精度的影響。
一般而言,影響工具機精度的因素包含機具的靜態幾何誤差以及動態的熱誤差,而熱誤差又是超精密加工機最主要的誤差來源,在切削加工過程中所產生的溫升造成的熱變位,往往使得加工精度降低及品質不佳。工具機加工時之誤差有40%至70%是由熱變位所造成[1]。由於在工具機的運轉或切削加工過程中很難避免熱的產生,如何抑制工具機的溫度變化,進而設計有效的熱管理措施,便是發展超高精度工具機的一項重要任務。
Zhang等人[2]發明一種新式優化工具機性能的結構設計,方法是在結構兩側和主軸架前部建立導熱槽,將冷卻液注入槽中,可以冷卻主軸箱和主軸,從而降低整個結構因加工所產生的溫度以減少熱變形。
Hong等人[3]於2007年等人研究探討碎形微通道網路之散熱器,利用三為Navier-Stokes方程式與能量方程式計算出碎形微通道的流體力學及熱傳特性,同時考慮微通道壁的共軛熱傳效應。據研究發現,由於微通道原先的結構限制,熱點有可能出現在散熱器通道底壁上,在稍做修改成碎形結構後,散熱片的流體力學和熱性能有很大的改善。修正後的碎形微通道散熱器與原先之散熱器的性能進行比較,發現該修正之碎形微通道散熱器,在相同壓降和冷卻液抽取率的條件下,熱阻和溫度均勻性方面都比原本改善許多。
陳紹賢等人[4]研究發現影響工具機加工精度的主要誤差來源在於機具加工期間因主軸熱溫升使結構熱變形所產生的熱誤差,因此針對主軸溫升熱變形進行量測與實際補償,以智能化模組建立一套熱溫升與熱位移量測系統,透過Macro Executor補償監控畫面進行補償驗證。由實驗結果得知,補償後主軸Z軸方向熱誤差變形由106µm降低至40µm。
Xu等人[5]發現滾珠導螺桿的熱誤差會直接影響機台的定位精度,所以他們研究了一種中空形式的滾珠導螺桿,並在中空的結構中注入冷空氣使其產生強制對流,使其能更快達到熱平衡,並克服熱誤差,該研究使用集總電容法(MLCM)以及有限元素法(FEM)進行數值分析,並與實際實驗比較。
Naeem S. Mian 等人[6]提出以有限元素法來分析環境溫度的變化對機台變位的影響,例如白天和黑夜或不同季節等較大的環境溫度變化,就會對工具機的加工精度產生影響。而內部的影響在於加工中產生熱使熱量傳導至機具結構,導致非線性結構的熱變形。此研究採用有限元素FEA分析,並以此模擬分析方法得到的數據與實驗結果,將精度誤差穩定在12µm以內。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

READ MORE BACK TO LIST