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研究生:張國鑫
研究生(外文):Kuo-Hsin Chang
論文名稱:溫度效應與高轉速下之盤型彈簧施力對高速氣浮主軸刀具夾持力之影響研究
論文名稱(外文):Investigation of the exerting force of disc springs in affecting the clamping effectiveness of cutting tool under influences of temperature and high rotation speed for high-speed air bearing spindle systems
指導教授:陳永樹陳永樹引用關係
指導教授(外文):Yeong-Shu Chen
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:機械工程學系
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:2008
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:109
中文關鍵詞:高速主軸氣浮軸承盤型彈簧刀具離心力溫度拉刀力
外文關鍵詞:centrifugal forcecutting tooldisc spring drawbar forcegas bearinghigh speed spindletemperature
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高速切削是近年來切削加工方面的主要發展趨勢,而高速主軸為高速切削的關鍵技術核心,需具備高精度、耐磨損等特點,因此極具開發與應用價值。隨著氣浮軸承技術的逐漸成熟,轉速每分鐘高達數萬甚至數十萬轉之氣浮式高速主軸,已經被廣泛的應用在如PCB鑽孔機、以及晶圓切割機等領域。國內工業界對於氣浮軸承研究起步較晚,面臨高速化切削加工的市場競爭壓力下,開發氣浮軸承關鍵技術及相關應用技術,是值得投入的重要課題。本研究針對氣浮主軸之由盤型彈簧壓縮變形所產生的回復力,所轉而提供之拉刀力,在高轉速與溫度效應等因素影響下,對刀具夾持效應之影響,進行理論分析與相關實驗。
氣浮主軸系統之拉刀機構,是由盤型彈簧、鑽嘴、拉桿襯套所組成。此拉刀機構用途在夾持刀具,以利主軸系統進行切削加工。若拉刀機構所提供之拉刀力不足則直接影響主軸的切削力、切削移除率、縮短刀具壽命及振動等問題。
研究首先利用實驗驗證盤型彈簧的彈性係數曲線模式,並結合有限元素模擬分析討論離心力對盤型彈簧變形之影響;此外,並進一步研究加工時之溫度升高對盤型彈簧拉刀力的影響。同時,亦利用理論計算獲得這些狀態下對應盤型彈簧形變所能提供之拉刀力。因此,結合盤型彈簧先預壓變形,經高速旋轉的離心力作用,再加上溫升效應等諸類似實際應用情況,綜合其結果,對於氣浮主軸在設計和加工上發揮實用之具體價值。
With the advent of high speed cutting, the high speed spindle plays the key role in the core techbnologies. It has to have characteristics of high pecision and low wear and thus deserves continuous development for wide applications. Following the grow up of the air bearing technology, the high speed spindles that are used in printed circuit board(PCB) drilling and wafer cutting often runs at tens or hundreds of thousands revolutions per minute(RPM). The start up of air bearing spindle research is somehow a little bit late domestically. However, it is the era of high speed cutting in the competitve global market. It is worthy to put effors in the relating air bearing spindle technology and application developments. Thus,the study takes both theoretical, analytical and experimental approaches to investigate the exerting force that results from the disc spring rebound in affecting the clamping effectiveness of cutting tool when under temperature and high rotation for high-speed air bearing spindle systems.
The draw bar mechanism in the air bearing spindle system consists of disc springs, tool holder and pulling rod with its bushing. It clamps and holds to cutting tool in position during the machinning processes. The cutting forces, chip removal rate, tool life and vibrations all affected by the tool holding force provided by the draw bar mechanism.
First, the study conduts physical tests on the variations of disc spring stiffness versus loading. It is then combined with the finite element analysis(FEA) to explore the deformation of the disc spring as affected by the centrifugal forces. Besides, the influence of temperature rise on disc spring deformation in terms of draw bar force is also considered. Therefore, the discussion integrates the pre-load deformation of disc spring, the centrifugal force in high speed rotation, and the temperature effect…etc. of those conditions in the real cutting process. It is expected that the corresponding results can be benefical to the air bearing spindle design and machinning process applications.
中文摘要•••••••••••••••••••••••••i
英文摘要•••••••••••••••••••••••••ii
致謝 ••••••••••••••••••••••••••iii
目錄 ••••••••••••••••••••••••••iv
表目錄 •••••••••••••••••••••••••vii
圖目錄•••••••••••••••••••••••••viii
符號說明 ••••••••••••••••••••••••xi
第一章 緒論 ••••••••••••••••••••••1
1-1 前言•••••••••••••••••••••••••2
1-1-1 氣浮式主軸•••••••••••••••••••••9
1-1-2 盤型彈簧••••••••••••••••••••••13
1-1-3 盤型彈簧在氣浮式主軸內的應用••••••••••••15
1-2研究動機與目的 ••••••••••••••••••••18
1-3 文獻回顧 ••••••••••••••••••••••20
1-3-1 彈簧力的基本公式及計算•••••••••••••••20
1-3-2 離心力對彈簧力的影響••••••••••••••••22
1-4 研究方法 ••••••••••••••••••••••24
第二章 理論背景••••••••••••••••••••25
2-1 盤形彈簧的基本理論 •••••••••••••••••25
2-1-1 J.O. Almen and A. László的理論•••••••••••25
2-1-2 Gerald Wempner的分析 •••••••••••••••26
2-1-3 Curti and Orlando的分析••••••••••••••29
2-1-4 Bagavathiperumal等的研究 •••••••••••••34
2-2 盤形彈簧的一般應用計算 •••••••••••••••35
2-2-1 串聯及並聯•••••••••••••••••••••35
2-2-2 摩擦••••••••••••••••••••••••37
2-2-3 依照DIN 2092摩擦力的計算 •••••••••••••39
2-3 離心變形的研究 •••••••••••••••••••40
2-3-1 盤型彈簧數學模型••••••••••••••••••41
2-3-2 軸向外力與變形之關係••••••••••••••••48
2-3-3 拉刀機構拉刀力計算與分析••••••••••••••50
第三章 實驗•••••••••••••••••••••••53
3-1 實驗設備介紹 ••••••••••••••••••••53
3-1-1 拉力試驗機•••••••••••••••••••••53
3-2-2 溫度箱與溫度控制器•••••••••••••••••54
3-3-3 盤型彈簧實驗治具••••••••••••••••••54
3-2 樣品的準備 •••••••••••••••••••••56
3-2-1 樣品的選擇•••••••••••••••••••••56
3-2-2 樣品的實驗前處理••••••••••••••••••58
3-3 溫度分析 ••••••••••••••••••••••59
3-3-1 單片盤型彈簧••••••••••••••••••••59
3-3-2 六片堆疊盤型彈簧••••••••••••••••••60
3-4 結論 ••••••••••••••••••••••••64
第四章 FEM模擬分析••••••••••••••••••••67
4-1 單純壓縮負載 ••••••••••••••••••••69
4-2 離心分析 ••••••••••••••••••••••71
4-3 溫度分析 ••••••••••••••••••••••74
4-3-1由單純升溫膨脹所產生的軸向負載 •••••••••••75
4-3-2 壓縮+旋轉離心+升溫的模擬分析••••••••••••76
4-4 模擬分析結論 ••••••••••••••••••••77
第五章 實例推算•••••••••••••••••••••81
5-1 拉刀力公式推導 •••••••••••••••••••84
5-2 面壓力之計算 ••••••••••••••••••••85
5-3 實例計算 ••••••••••••••••••••••87
5-3-1 應用基本公式••••••••••••••••••••88
5-3-2 提供切削扭矩之拉刀力的影響•••••••••••••89
5-3-3 刀具夾頭離心力之影響••••••••••••••••91
5-3-4 提供切削扭矩之拉刀力加上刀具夾頭離心力之影響••••93
5-3-5 額定最低轉速的溫度模擬•••••••••••••••96
5-3-6 不同預壓量,轉速2萬轉時的負載數據分析 •••••••97
5-3-7 不同預壓量,到轉速2萬轉,再從25℃升至100℃時的負載數據分析•••••••••••••••••••••••••••98
5-4 實例推算結論 ••••••••••••••••••••100
第六章 結論•••••••••••••••••••••••101
第七章 參考文獻•••••••••••••••••••••106
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