臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
車銑複合加工機上之關鍵模組刀塔單元在高速（約3000轉至4500轉之間）運轉時，因銑削軸與齒輪之間相互摩擦而產生熱量，且此熱量在密閉空間內不易降溫，再加上馬達運轉時所產生的熱量，使刀塔各部位因溫度上升，出現熱膨脹現象。為了改善此種因熱效應造成機體膨脹，因而產生刀具與工件的相對位置和精度劣化，造成加工零件公差超出標準或精度不穩定之問題，本論文深入探討車銑複合加工機因溫升對刀塔所造成之影響，並藉由油壓驅動系統及外部冷卻系統之設計，使銑削軸轉速提升達6000轉，並持續於高速運轉及切削時，有效穩定控制刀塔溫度變化，使刀塔可長時間加工。同時本研究可減少刀具之伸長量達60%，進而提升國內動力刀塔逐步進入高經濟價值及高技術領域之市場。此外為了降低工具機將近70%與生產量無關的固定能源消耗，本論文透過變頻原理配合油壓系統與反相換流器之控制，降低幫浦在待機時壓力，使其最小化，運用壓力與流量的控制降低液壓油溫度，並比較現有刀塔所使用油壓系統之輸出功率之差異，以改善工具機之耗電量，可節省約36%之電力損耗。本研究藉由上述之改善，使車銑複合加工機之刀塔加工效率提升，更發揮高速、高效切削能力，讓一機多功能之車銑複合加工機更能與歐、美、日等高技術水準工業國家之產品相抗衡。
關鍵字 : 動力刀塔、熱膨脹、電力損耗、變頻原理

Abstract
The fastest rotation, between 3000 and 4500 turns, of the turret in a CNC slant bed lathe generates heat from gears and cutting axis in the power turret, and this causes the thermal expansion of the turret due to the difficulty to dissipate the heat in a closed space. In order to solve the inaccuracy of machining components’ position due to the thermal expansion, which will lead to an excess error and unstable accuracy of processed pieces, thus this thesis aims to deeply study the effect of temperature raise on the turret and to control the increase and stability of temperature during high speed running by the design of an efficient external coolant system. This research not only increases the shaft rotation to 6000 turns with stable temperature, but also reduces the thermal growth of tooling about 60% during long time machining process. Thus, the research will contribute to the high economic value and high technology level for the domestic CNC slant-bed lathe. Furthermore, as the machine tool under operating production, 70% energy is the fixed consumption, which is not related to production. Thus, the thesis adopts the principle of frequency conversion with oil pressure system and inverter control to minimize the pump pressure during waiting period. It decreases oil pressure temperature by controlling the pressure and flow and saves about 36% power consumption.
Through the improvement mentioned above, the turret process efficiency of turning-milling complex machining is increased by high speed and efficient cutting.
Keyword: Power turret, Thermal expansion, Power wear, Inverter

目 錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
謝誌 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix

第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 論文架構 5
第二章 理論基礎與現況分析 6
2.1 標準型刀塔結構 6
2.2 動力刀塔之結構 12
2.3 刀塔優缺點分析與比較 26


第三章 動力刀塔溫升控制設計 34
3.1設計依據 34
3.2 油壓式動力刀塔溫升控制之設計 37
3.3 節能設計 44
第四章 實驗結果與討論 55
4.1 溫升測試 55
4.2 節能測試 64
第五章 結論與未來研究方向 66
參考文獻 68
附件 71

圖目錄
圖 2-1 刀塔安裝位置 7
圖 2-2 手動刀塔 8
圖 2-3 快換刀塔及可搭配之快換刀座 9
圖 2-4 電動、油壓四方刀塔 11
圖 2-5 盤式刀塔 12
圖 2-6 刀塔實體 15
圖 2-7 兩片式示意圖 16
圖 2-8 三片式示意圖 17
圖 2-9 刀塔離合器實體(固定端) 18
圖 2-10 刀塔離合器實體(活動端) 18
圖 2-11 DIN 5480刀座 19
圖 2-12 DIN 5482 20
圖 2-13 DIN 1809刀座 21
圖 2-14 MT 刀座 22
圖 2-15 歐姆龍近階開關不同材料感應回饋距離 24
圖 2-16 歐姆龍近階開關PNP 接線 24
圖 2-17 刀塔之定位檢知機構組裝圖 25
圖 2-18 動力刀塔 26
圖 2-19 生產線能源消耗圖 31
圖 2-20 液壓源的功率特性 32
圖 3-1 無油路孔鑄件本體剛性分析 36
圖 3-2 增加油路孔位鑄件本體剛性分析 36
圖 3-3 動力刀塔作動系統圖 37
圖 3-4 幫浦流量控制系統建置圖 39
圖 3-5 幫浦流量控制系統與比例分配控制與整合電子裝置之方向閥機構 39
圖 3-6 壓力傳送器 40
圖 3-7 壓力傳送器信號傳輸圖 40
圖 3-8 液壓缸工作循環圖 41
圖 3-9 冷卻機油溫使用範圍 46
圖 3-10 油冷機動作流程圖 47
圖 3-11 油冷機動作原理 47
圖 3-12 冷卻機油黏度變化範圍 50
圖 3-13 變頻器轉換示意圖 51
圖 3-14 換向器電路圖 52
圖 3-15 變頻器控制 54
圖 4-1 刀塔測試機構 55
圖 4-2 B廠牌刀塔溫升測試紀錄 57
圖 4-3 動力刀塔測試點 58
圖 4-4 舊型刀塔暖機運轉溫度變化統計圖 59
圖 4-5 舊型刀塔4500轉運轉溫度變化統計圖 59
圖 4-6 舊型刀塔4500轉之刀具伸長量 60
圖 4-7 雷射測距儀及檢測治具 62
圖 4-8 新型刀塔6000轉刀塔溫度變化量 63
圖 4-9 新型刀塔6000轉刀具伸長量 63
圖 4-10 新型及舊型油壓箱箱體比較 64
圖 4-11 舊型傳統油壓箱無載電流 65
圖 4-12 新型節能油壓箱無載電流 65

表目錄
表 2-1 標準型刀塔比較表 27
表 2-2 現有動力刀塔之比較 28
表 2-3 高速切削加工現況 29
表 2-4 油壓系統之三相感應馬達與變頻馬達的差異性 30
表 2-5 液壓源的特點及適用場合 33
表 3-1 壓力傳送器規格 40
表 3-2 液壓油68AW性質表 49
表 4-1 金屬膨脹係數表 61

參考文獻
[1] 吳正煒，台灣產業投資大陸策略佈局研究，中央大學碩士論文，2004年。
[2] 台中精密機械股份有限公司，主軸性能對高速切削加工之影響，2008年。
[3] 經濟部投資業務處，機械產業分析及投資機會，2008年。
[4] 程泰機械股份有限公司，未來產業分析，2008年。
[5] 厚誠貿易有限公司，潤滑油油品分析，2009年。
[6] Sandvik，刀具使用技術手冊，2002年。
[7] BARUFFADI，TBMA刀塔手冊，2008年。
[8] SAUTER，BA978E刀塔手冊，2005年。
[9] DUPLMATIC，6482/32C-1001刀塔手冊，2008年。
[10] 達佛羅企業有限公司，DUAL 500 型錄，2009年。
[11] NSK ，軸承技術手冊，2008年。
[12] 達佛羅企業有限公司，產品分析參考資料表，2008年。
[13] OKUMA ，MacTurn 250型錄，2008年。
[14] 陳聖文，具曲線齒形之平行圓柱齒輪及錐狀齒輪之設計與分析的研究，成功大學機械工程學系碩士論文，2003年。
[15] 精誠開發國際有限公司，動力刀座型錄，2008年。
[16] OMRON，近階開關型錄，2007年。
[17] 六鑫股份有限公司，LS200型油壓刀塔手冊，2007年。
[18] 維基百科全書，熱傳導方程式，2007年。
[19] 台中精密機械股份有限公司，射出成型機技術手冊，2008年。
[20] DAIKIN，Hybrid System技術手冊，2004年。
[21] 達佛羅企業有限公司，產品開發材料使用規範，2007年。
[22] 張利平，定量泵液壓系統節能方法研究，中國機械工程，2000年。
[23] W.巴克(聯邦德國)，周文譯，液壓阻力回路系統學，機械工業出版社，1980年。
[24] 張利平，液壓氣動系統設計手冊，1997年。
[25] 電子技術的應用，用定量泵供給可變的流量，德國現代工業出版社，1996年。
[26] Anthon Esposito, “Fluid Power with Applications”, Prentice-Hall, New Jersey, 1980.
[27] 張利平，現代工具機液壓站設計的結構選型，2000年。
[28] 哈伯精密工業有限公司，油冷機規格書，2008年。
[29] 李自先、黃哲、汪保標，變頻器實用技術與維修精要，2009年。
[30] 經濟部能源局，能源查核及節約能源案例手冊，2008年。
[31] 小栗富世雄、小栗達男，機械設計圖表便覽，改新增補2-14版，台灣，2003年。
[32] 湯嘉輝，中心加工機高速主軸熱伸長補償研究，台灣綠色能源暨創新產品研討會論文集，125頁至129頁，2008年。