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研究生:朱俊卿
論文名稱:高速主軸振動量改善之研究
指導教授:鍾翼能鍾翼能引用關係羅鈞壎
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:高速主軸振動量高速切削加工技術
外文關鍵詞:high speed spindlevibration quantityhigh-speed cutting process
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中文摘要
皮帶傳動式高速主軸普遍使用在CNC立式中心加工機,該主軸結構之特性為具有最簡易架構,也是經濟價值最高的設計;皮帶傳動式主軸被廣泛使用在金屬切削加工業、模具製造業與3C產業。但是,為使立式中心加工機提昇其附加價值,並迎合高速切削技術的需求,主軸的轉速需求必須不斷的提高,但主軸在高速旋轉情況下,主軸振動量與噪音大,影響切削刀具與軸承等使用壽命,極易造成產品可靠度與品質不穩定。
為改善主軸振動量太大的問題,本文依據轉子平衡概念,及平衡的要求與振動量等級標準,本研究應用高精密等級瑞士產Studer S40 CNC內孔磨床,研磨加工軸心之內孔,提高內孔表面粗糙度Ra 1.6至Ra 0.4與同心度0.01 mm,藉以提高軸心間的配合精度,降低心軸間配合間隙和振動量。並以刀桿夾持固定端鍵一體式之結構與使用倍力式拉桿機構等,降低拉刀機構因長度太長而產生之共振問題。
本文並以健椿公司之型號MV1110高速主軸為例,將其結構與設計改良,進行ISO40高速主軸結構分析研究,以實驗方法量測主軸振動與改善軸心內孔之表面精度公差之關係。經實測結果顯示,新設計之ISO40高速主軸在轉速12000rpm時;主軸頂部振動量由22.6 mm/s降為1.163 mm/s;主軸底部振動量由11.51 mm/s降為1.451 mm/s,大量改善主軸之振動量;而噪音值亦由90db降為82db,有效改善主軸振動量及噪音之問題,符合高速主軸加工切削技術之需求。

Abstract
The belt type high speed spindle is generally used in the CNC vertical
maching center. The characteristic of structure is to has the simplest construction
and also the most economical design. The belt type spindle is widely used in the
metal cutting, mold making, and the 3C industry. However, in order to enhance
the vertical maching center’s added value and meet the demand of high-speed
cutting technology, the spindle’s running speed have to be accelerated. But
spindle’s vibration and noise also increases at the same time, which affects service
lives of cutting tool and bearing. It will make damage to the product’s reliability
and the quality.
In order to improve the vibrating problem of spindle, based on the rotor
balanced concept, request of balance, and the standard of vibration quantity rank.
This research applies high precision Switzerland-produced Studer S40 CNC
internal grinding machine to grind the internal hole of the processed shaft and
improves the hole’s surface roughness from Ra 1.6 to Ra 0.4 with concentricity
0.01 mm. It reduces the gap and vibration between shafts by means of enhancing
the accuracy of the spindle’s shafts. Besides, using the structure that shank
integrated with fixed keyway, and also the draw bar system with triple clamping
force to reduce the resonation result from a too long clamping unit.
To take MV1110 high speed spindle produced by Kenturn as an example in
this article, analyzes ISO40 high speed spindle’s structure and improves its
structure and design method. And then, it takes an analysis and research by
measuring the vibration result after improving the inner hole’s superficial accuracy
tolerance.The test result shows the new design ISO40 high speed spindle’s
V
vibration quantity of the front side decreases from 22.6 mm/s to 1.163 mm/s, and
the vibration quantity of the rear side decreases from 11.51 mm/s to 1.451 mm/s
when rotating speed at 12000 rpm. The vibration quantity is greatly improved.
Meanwhile, the noise level reduces from 90db to 82db. This method
effectively improves the spindle vibration quantity and the noise problem, which
meets the technical demand of high speed spindle’s processing cutting technology
.目錄
中文摘要 I
ABSTRACT IV
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與目的 1
1.2 硏究方法 2
1.3 本文架構 3
第二章 高速主軸特性研究 4
2.1 高速主軸基本結構 4
2.2 主軸結構之探討 11
第三章 改善主軸振動之設計 20
3.1 主軸振動原因之探討 20
3.2高速主軸平衡校正 23
3.3 改善高速主軸振動之設計 31
第四章 實測結果與分析 39
4.1主軸振動量之探討 39
4.2實驗量測儀器介紹 42
4.3實驗數據之分析 46
4.4 實驗結果討論 57
第五章 結論 59
5.1 結論 59
5.2未來研究 59
參考文獻 61

圖目錄
圖2-1 高速主軸設計分析圖 4
圖2-2 皮帶式主軸結構圖 6
圖2-3 直結式主軸結構圖 7
圖2-4 齒輪傳動式主軸結構圖 8
圖2-5 內藏式主軸結構圖 9
圖2-6 ISO40 刀桿特性圖 11
圖2-7 ISO40(7/24)刀桿夾持圖 12
圖2-8 HSK 刀桿圖 13
圖2-9 HSK 拉刀爪示意圖 13
圖2-10 BBT40 刀桿兩面拘束示意圖14
圖2-11 主軸拉刀桿組合圖 15
圖2-12 皮帶傳動式主軸打刀組立圖16
圖2-13 倍力機構原理圖 17
圖2-14 倍力式拉刀桿機構圖 18
圖2-15 軸承鬆動之間隙分析圖19
圖3-1 皮帶輪平衡設計圖 21
圖3-2 主軸振動之分析圖 22
圖3-3 單平面校正圖 24
圖3-4 雙平面校正圖 24
圖3-5 靜平衡與動平衡選擇參考圖 25
圖3-6 試加重角度平衡示意圖 26
圖3-7 主軸平衡校正圖27
圖3-8 主軸重量平衡圖 28
圖3-9 三平面平衡校正圖 29
圖3-10 主軸振動模態分析圖 30
圖3-11 改善主軸振動之設計圖 31
圖3-12 ISO 40 主軸軸心內孔圖 32
圖3-13 ISO 40/12000rpm主軸改善振動實驗流程圖 33
圖3-14 軸心內孔研磨圖34
圖3-15 軸心內孔表面粗糙度說明圖 35
圖3-16 軸心靜態量測圖 36
圖3-17 轉子數據輸入圖 36
圖3-18 主軸振動與頻譜量測圖 37
圖3-19 主軸振動頻譜量測圖 38
圖3-20 主軸振動計量測圖 38
圖4-1 正弦波振動圖40
圖4-2 軸心內孔表面粗度量測數據 46
圖4-3 軸心(內孔研磨加工)靜態量測數據圖 47
圖4-4 主軸頻譜量測參數設定視窗 49
圖4-5 Novian 頻譜分析軟體之視窗 50
圖4-6 MV1110 主軸T1 之時域訊號圖51
圖4-7 MV1110 主軸T2 之時域訊號圖51
圖4-8 MV1110 主軸T1 振動頻譜圖 52
圖4-9 MV1110 主軸T2 振動頻譜圖 52
圖4-10 ISO 40 主軸T1 時域圖 54
圖4-11 ISO 40 主軸T2 時域圖 54
圖4-12 ISO 40 主軸T1 振動頻譜圖 55
圖4-13 ISO 40 主軸T2 振動頻譜圖 55
圖4-14 MV1110 主軸結構圖 58
表目錄
表2-1 各型主軸優缺點比較表 10
表4-1 主軸振動頻譜特性分析表 41
表4-2 CAB690-H 之規格表 42
表4-3 Mitutoyo SJ-301 表面粗度儀規格表 43
表4-4 VPod II 智慧型微電腦振動計規格表44
表4-5 攜帶式雙頻道動態訊號分析儀規格表 45
表4-6 主軸結構差異分析表 48
表4-7 MV1110 主軸振動統計表 53
表4-8 ISO 40 高速主軸振動統計表 56
參考文獻
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