臺灣博碩士論文加值系統

機台切削系統穩定性分析，有助於工程技術人員正確選擇切削參數，在不影響加工品質的條件下，提高零件加工的切削效率。
穩定的切削加工在近幾年被廣泛的討論，已知的研究發現幾個影響加工穩定性的重要參數，尤其以主軸轉速和切削深度為最。
本文以PCB成型機內藏式主軸為研究對象，首先說明主軸設計的重點，其次以一簡單物理模型說明顫振的形成原因，並針對上述之物理模型加以模擬，最後分析求解以獲得主軸轉速、切削深度對於加工穩定性的相互關係，並繪製成加工穩定性圖。

On turning or milling machines, the stability analysis can help manufacturing engineers to choose the right operating parameters in order to increase the cutting efficiency, without affecting processing quality.
In recent years, he stable cutting process has been widely discussed. Many researches have investigated the stability of several important parameters of spindle machining, particularly including the spindle speeds and cutting depth.
In this study, the spindle of PCB machine with 60k rpm is taken as our research object. Firstly, we discus the methodology of the spindle design, then we use a physical model to explain the causes of chatter. With the spindle-bearing model , an analytical method is applied to calculate the limiting stable depth-of-cut and corresponding spindle speeds to generate stability lobe diagrams.

摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII
符號說明 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 1
1.4 研究方法 2
第二章 機台結構振動 4
2.1 機台結構 4
2.2 加工過程中的結構振動 5
2.2.1 自由振動和強迫振動 5
2.2.2 強迫振動 7
2.3 機械設計座標轉換系統 13
2.4 多自由度振動系統 16
2.5 模態測試 23
2.6 小結 25
第三章 高速主軸設計 27
3.1 前言 27
3.2 轉子有限元素分析法 27
3.2.1 圓盤運動方程式 28
3.2.2 軸段運動方程式 29
3.2.3 軸承運動方程式 30
3.2.4 轉子系統運動方程式及臨界轉速計算 31
3.3 轉子設計分析 31
3.4 主軸參數鑑別 38
3.5 小結 41
第四章 主軸切削顫振 42
4.1 前言 42
4.2 切削係數 42
4.3 顫振理論推導 43
4.3.1 切削的穩定性和穩定性極限 43
4.3.2 再生型切削顫振分析 44
4.4 高速主軸顫振分析 53
第五章 結論與未來展望 62
5.1 結論 62
5.2 未來展望 62
第六章 參考文獻 64

圖目錄
圖1.1 穩定切削條件測試 2
圖2.1 SDOF自由振動系統 6
圖2.2 自由振動系統時間響應 6
圖2.3 SDOF強迫振動系統 7
圖2.4 幅值頻率響應圖 8
圖2.5 相角頻率響應圖 9
圖2.6(a) 實部頻率響應圖 10
圖2.6(b) 虛部頻率響應圖 10
圖2.7 振動系統Nyquist圖 11
圖2.8 局部座標系統 13
圖2.9 設計座標系統 14
圖2.10兩自由度振動系統 17
圖2.11 靜態模態測試架構 24
圖2.12 動態模態測試架構 25
圖3.1 轉子固定及旋轉座標系統 28
圖3.2 高速主軸主架構圖 32
圖3.3 高速主軸轉動件 33
圖3.4 有限元素分析模型 34
圖3.5 轉子模型a 34
圖3.6 轉子模型b 36
圖3.7 轉子模型c 37
圖3.8 主軸模態測試 39
圖3.9 虛部頻率響應圖 40
圖3.10 實部頻率響應圖 40
圖4.1 切削振紋 42
圖4.2 切削動力量測架構 43
圖4.3 穩定狀態示意圖 44
圖4.4 極限切削寬度[17] 44
圖4.5 再生型顫振產生過程 45
圖4.6 動態切削力與切削厚度變化的關系[17] 46
圖4.7 切削過程動柔度曲線 48
圖4.8 振動系統及切削過程動態特性 49
圖4.9 切削穩定性示意圖[17] 51
圖4.10 切削過程穩定性圖[5] 53
圖4.11 切削顫振文獻範例分析結果 54
圖4.12 切削顫振程式模擬結果 54
圖4.13 6萬轉主軸切削顫振分析 55
圖4.14 主軸共振頻率=2800Hz 56
圖4.15 主軸共振頻率=3000Hz 56
圖4.16 系統阻尼比=0.02 57
圖4.17 系統阻尼比=0.07 58
圖4.18 系統剛性=1.5x108 N/m 59
圖4.19 系統剛性=0.5x108 N/m 59
圖4.20 材料切削係數=400 MPa 60
圖4.21 材料切削係數=800 MPa 61

表目錄
表3.1 高速主軸架構構件 32
表3.2 高速主軸轉動件構件 33
表3.3 轉子模型a分析&實驗結果比對表 35
表3.4 轉子模型b分析&實驗結果比對 36
表3.5 轉子模型c分析&實驗結果比對 37

[1] Y. Altintas and P. Lee, "Prediction of Ball-End Milling Forces From Orthogonal Cutting Data, "International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 36, pp. 1059-1072, 1996.
[2] J. TIusty , F. Ismail, "Special Aspects of Chatter in Milling, "Journa of Vibration, Stress, and Reliability in Design, Vol. 105, pp.24-32, 1983.
[3] Bert R. Forgensen ,Yung C. Shin,” Dynamic of Spindle-Bearing System at High Speeds Including Cutting Load Effects”, Transactions of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering , May 1998, Vol.120,pp.387-394
[5] H.E. Merritt , ”Theory of Self-Excited Machine-Tool Chatter ”,Transections of the ASME , Journal of Engineering for Industry,1965, Vol.87,pp.447-454
[6] J. Tlusty ,”High-Sped Machining ”, Annals of CIRP, Vol.42/2/1993,
pp.773-738
[7] S. Smith , J. Tlusty,”Update on High-Sped Milling Dynamics ”,Transections of the ASME ,Journal of Engineering for Industry ,May 1990, Vol.112,pp.142-149
[8] S. Smith, W. R. Winfough , J. Halley,” The Effect of Tool Length on Stable Metal Removal Rate in High Speed Milling ”,Annals of the CIRP, Vol.47/1/1998,pp.307-310
[9] S. Smith ,J. Tlusty, ”Stabilizing Chatter by Automatic Spindle Speed Regulation”, Annals of the CIRP, Vol. 41/1/1992,pp.433-436
[10] S. Smith ,J. Tlusty,” Current Trends in High-Sped Machining”, Transections of the ASME ,Journal of Manufacturing Science and Engineering, November 1997,vol.119,pp.664-666
[11] S. Smith ,J. Tlusty,” Efficient Simulation Programs for Chatter in Milling”, Annals of the CIRP ,Vol. 42/1/1993,pp.463-466
[12] S. Smith ,W. R. Winfough ,H. J. Borchers ,”Power Stability Limits in Milling”, CIRP Annals - Manufacturing Technology ,Vol.49/1/2000, pp309-312
[13] Y. Altintas ,E. Budak, ”Analytical Prediction of Stability Lobes in Milling”, Annals of the IRP ,Vol.44/1/1995,pp.357-362
[14]劉嘉尚,”端铣顫振之分析”,國立交通大學機械工程研究所碩士論文,1988
[15]楊益群,”CNC銑床之顫振控制”,國立台灣大學機械工程研究所碩士論文,1994
[16] S. Rao. Singiresu , ”Mechanical Vibrations(4th ed)” Pearson international edition
[17]楊橚、唐恒齡、廖伯瑜(1983)”機床動力學”,北京，機械工業出版社