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研究生:徐維謙
研究生(外文):Wei-Chien HSU
論文名稱:高速副主軸切削參數最佳化研究
論文名稱(外文):The Research of the Optimal Cutting Parameters in an Auxiliary High Speed Spindle
指導教授:王海王海引用關係
指導教授(外文):Hai Wang
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:高速副主軸田口分析法高速切削加工
外文關鍵詞:Auxiliary High Speed SpindleTaguchi Method AnalysisHigh Speed Cutting
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高速加工技術雖然擁有許多加工上的效益,但機械設備非常昂貴,並非大部份機械加工業者所能奢望,本研究提出高速副主軸的概念,亦即在傳統的綜合加工中心機上配備高速副主軸,本研究初期以A6061 鋁合金雕銑為標的,切削參數則以切削速度、刀具直徑、刀刃每刃進給速率、切削深度、由加工面表面粗糙度與切削力特徵,使用田口分析法簡化切削參數最佳化搜尋所需的實驗次數,找出最適切的切削參數組合,實驗結果顯示高速副主軸也能達到相當程度高速切削加工的效能,其對高速副主軸組裝市場將有正面的鼓勵,也促使高速加工在國內能更蓬勃發展。
經由實驗結果發現以表面粗糙度為特徵之最佳製程參數為每刃進給0.08mm/tooth、刀具直徑12mm、切削速度380m/min、切削深度為0.1mm,而影響表面粗度實驗因數其權重由大排列到小為:①每刃進給②刀具直徑③切削速度④切削深度,其最佳表面粗糙度可達到4.07μm。以切削力為標地發現最佳製程參數為每刃進給0.08mm/tooth、刀具直徑8mm、切削深度0.1mm、切削速度380m/min,影響切削力實驗因數權重由大排列到小為:①切削深度②刀具直徑③每刃進給④切削速度。本實驗研究之結果可提供給高速加工業者作為切削參數參考之依據。
Although High-Speed Cutting (HSC) technology with many benefits in manufacturing of high quality and efficiency, the HSM machine tools are so expensive that only few working shops own those machines. This paper purposes the idea of auxiliary High Speed spindle in the general type machining center. In the beginning schedule, we set the testing material to be aluminum alloy A6061, from the cutting parameter variables (cutting speed, the depth of cut, feeding rate of each cutting tool blade and the diameter of cutting tool), we employ the finishing surface roughness and cutting force acting on the workpiece to be the evaluating index. In addition, we introduce the Taguchi method analysis to reduce the experiment tasks and find optimizing cutting parameters for aluminum alloy High-Speed Machining. Finally, we construct a protective system for High-Speed spindle operation that applies a circuit to detect the temperatures rise in spindle bearing housing. When the temperature rises abnormally, protective system will terminate spindle’s work immediately. As a consequence, our project can make High-Speed spindles be used extensively, and promote the HSM technology growing up rapidly.
In our end milling experiments, use of cutting speed 380m/min, feed rate 0.08mm per tooth and depth of cut 0.1mm are recommended to obtain the optimal surface finishing quality for the specific test range, the surface roughness obtained is about 4.07μm. Use of cutting speed 380m/min, feed rate 0.08 mm per tooth and depth of cut 0.1mm leads to the minimal value of resultant cutting force on the workpiece. The experimental result of cutting parameters provide useful information to the High Speed Machining operation in a metal cutting factory.
目錄
中文摘要 I
ABSTRACT VII
表目錄 XI
圖目錄 XII
第一章 緒 論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 相關文獻回顧 3
1.3 研究方法 12
1.4本文大綱 16
第二章 系統架構 17
2.1 系統介紹 17
2.2 系統架設 21
2.3 切削動力計架設 23
2.4 溫度感測器架設 25
第三章 表面粗糙度 30
3.1 加工表面品質優劣判斷 30
3.2 表面粗糙度相關名稱及定義 31
3.3 表面粗糙度的表示法 33
3.4 表面粗糙度的測定法 35
3.5 一般機械加工法表面粗糙度範圍 39
3.6 影響粗糙度的因素 40
第四章 田口式實驗計畫法 42
4.1 實驗規劃及所需面對的問題 42
4.1.1實驗進行的方法 42
4.1.2實驗數據如何有效分析 44
4.1.3各項的影響因素中,每一個因數的重要性為何 44
4.1.4選出的因數是否有足夠代表性 45
4.2 田口品質工程簡介 45
4.2.1 田口玄一對品質的定義 46
4.2.2 線外的品質工程-產品設計的三階段 47
4.2.3 田口實驗規劃法 48
4.3 直交表簡介 50
第五章 高速副主軸銑削實驗設計 56
5.1 高速端銑削粗銑實驗規劃 56
5.2 高速端銑削精銑實驗規劃 57
5.2.1 高速側銑削精銑實驗規劃 59
5.3 實驗相關系統與設備 61
5.4 實驗量測設備 62
第六章 實驗結果與分析 63
6.1 端銑削粗銑結果與分析 63
6.2端銑削精銑表面粗糙度量測結果與分析 64
6.3表面粗糙度變異數分析 67
6.4 端銑削表面粗糙度驗證實驗 69
6.5側銑削精銑切削力量測結果與分析 72
6.6 側銑削切削力變異數分析 74
6.7 側銑削切削力驗證實驗 75
6.8 未切削與切削時冷卻水出口之現象 76
6.9 3D高速與傳統加工時間比較 78
第七章 結論與未來展望 82
7.1結論 82
7.2未來展望 83
參考文獻 85
附錄A 切削動力計校驗圖 88
附錄B 高速副主軸暖機程式圖 89
附錄C 高速主軸規格 91
附錄D 切削曲面NC程式碼 92

表目錄
表1.1 傳統銑削與高速銑削加工條件之差異性 5
表1.2 高速切削優點和重要性 8
表1.3 高速切削之應用 8
表2.1 Z軸垂直度誤差量測數據表 22
表3.1 一般機械加工法表面粗糙度範圍及適當的截斷值 40
表4.1 的直交表 52
表4.2實驗計畫–傳統式與田口式之比較 55
表5.1 12端銑刀槽銑MRR實驗數據 57
表5.2 四因子三水準表樣本 58
表5.3 直交表 58
表5.4 槽銑實驗單 59
表5.5 端銑實驗參數 59
表5.6 側銑實驗單 60
表5.7 側銑實驗參數 60
表5.8 A6061鋁合金化學成份 61
表5.9 A6061鋁合金機械性質 61
表5.10 端銑刀規格表(單位:MM) 62
表6.1 粗銑實驗結果分析表 63
表6.2 RMAX量測數據及S/N值 65
表6.3 RMAX之S/N回應表 66
表6.4 最佳製程參數 67
表6.5 端銑削變異數分析 69
表6.6 最佳化參數驗證表 70
表6.7 切削力實驗結果 72
表6.8 切削力S/N回應表 73
表6.9 切削力大小排列組合 73
表6.10 側銑最佳切削參數和影響因子 74
表6.11 側銑削變異數分析 74
表6.12 最佳化參數驗證表 76
表6.13 切削時間比較表 78


圖目錄
圖1.1 高速切削與高速工具機設計操作之整體考量圖 2
圖1.2 1931年德國SALOMON專利 DEUTSHE PATENNTSCHRIFT NR.523594 5
圖1.3 高速切削與傳統切削之特性對照圖 6
圖1.4 高速切削優點圖示 7
圖1.5 影響表面粗糙度之實驗流程圖 13
圖1.6 探討切削力之實驗流程圖 14
圖1.7 整體實驗流程圖 15
圖2.1 未安裝高速主軸前之設備圖 17
圖2.2 高速副主軸所需之運轉設備 18
圖2.3 空氣乾燥機 18
圖2.4 氣壓三點組合設備 19
圖2.5 KEB F5G變頻器 20
圖2.6 哈伯精密HWK-400PTSA冷卻水機 20
圖2.7 冷卻水機工作溫度範圍 21
圖2.8 未裝設高速主軸前垂直度量測 22
圖2.9 已裝設高速主軸垂直度量測 22
圖2.10 高速副主軸系統架設完成圖 23
圖2.11 切削動力計之校正 24
圖2.12 KISTLER 9257B工件安裝完成架設圖 24
圖2.13 KISTLER 5019A電荷放大器實體圖 25
圖2.14高速主軸溫度感測器埋藏點 25
圖2.15 K TYPE THERMOCOUPLE埋藏置冷卻水管中 26
圖2.16 冷卻水出口溫度感測器埋設完成圖 26
圖2.17 NI USB-9211實體圖 27
圖2.18 NI USB-9211電路圖 27
圖2.19 表面粗度系統架構示意圖 28
圖2.20 切削力量測系統示意圖 29
圖3.1 斷面曲線圖 31
圖3.2 粗糙度曲線 32
圖3.3 截斷值示意圖 32
圖3.4 平均線 33
圖3.5 最大高度法 33
圖3.6 十點平均粗糙度 34
圖3.7 中心線平均粗糙度 35
圖3.8 用粗糙度標準片比較檢驗工件的粗糙度 36
圖3.9 光線切斷法 37
圖3.10 光波干涉法 38
圖3.11 探針式表面粗度儀 39
圖3.12 探針式表面粗度儀量測原理 39
圖3.13 影響表面粗糙度的主要原因 41
圖4.1 田口式的實驗計畫法流程 54
圖4.2 田口式品質工程與實驗計畫之對照 55
圖5.1 MAHR M4PI 表面粗度儀 62
圖6.1 量測點示意圖 65
圖6.2 RMAX之S/N回應圖 66
圖6.3 端銑削貢獻率分佈 69
圖6.4 切削力S/N回應圖 73
圖6.5 側銑削貢獻率分佈 75
圖6.6 切削與未切削埋藏於冷卻水出口溫度感測 76
圖6.7 3D切削工件圖 79
圖6.8 實際切削模擬圖 79
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