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高速主軸期末報告. 組長 : 紀世麒 D9401008 組員 : 陳俊佑 D9401002 洪聖凱 D9401009 林聖宏 D9401023 張金泉 D9401026. ㄧ . 高速主軸摘要說明 :. 由於高速切削長期的研究，使得相關技術如高速主軸、控制器、刀具材料有著顯著的進步，也漸促使高速切削達到實用的地步。高速切削為高轉速、淺切深、高進給的加工方式，對於高速切削，加工參數由不同的加工材料而有不同的切削參數選擇，適當的加工參數可以得到適合的加工光度。不同的切削參數所導致的切削力、切削溫度不盡相同，也因此所得到的加工品質也不一樣。.
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高速主軸期末報告 組長:紀世麒 D9401008 組員:陳俊佑 D9401002 洪聖凱 D9401009 林聖宏 D9401023 張金泉 D9401026
ㄧ.高速主軸摘要說明: 由於高速切削長期的研究，使得相關技術如高速主軸、控制器、刀具材料有著顯著的進步，也漸促使高速切削達到實用的地步。高速切削為高轉速、淺切深、高進給的加工方式，對於高速切削，加工參數由不同的加工材料而有不同的切削參數選擇，適當的加工參數可以得到適合的加工光度。不同的切削參數所導致的切削力、切削溫度不盡相同，也因此所得到的加工品質也不一樣。
高速切削除了硬體關鍵技術的配合外，軟體方面亦需相對的搭配應用，才能將硬體的效益發揮的淋漓盡致，達到事半功倍的效果。高速切削的刀具路徑規畫需要考慮到的部份很多，諸如高速切削為高速進給的加工方式、高速切削下切削宜保持恆定的切屑負荷等。高進給速度是高速加工得以提昇加工效率的一大原因，但是加速、減速間仍一定耗費時間，此情況說明在越高速的進給下時間比例佔差異愈形顯著。此外在路徑彎折處，刀具必須快速減速並且轉向在加速，此時很容易因為機台剛性不夠造成震動而影響表面品質。高速切削除了硬體關鍵技術的配合外，軟體方面亦需相對的搭配應用，才能將硬體的效益發揮的淋漓盡致，達到事半功倍的效果。高速切削的刀具路徑規畫需要考慮到的部份很多，諸如高速切削為高速進給的加工方式、高速切削下切削宜保持恆定的切屑負荷等。高進給速度是高速加工得以提昇加工效率的一大原因，但是加速、減速間仍一定耗費時間，此情況說明在越高速的進給下時間比例佔差異愈形顯著。此外在路徑彎折處，刀具必須快速減速並且轉向在加速，此時很容易因為機台剛性不夠造成震動而影響表面品質。
二.元件使用說明 HW-1 15-1031B-D9401002
三.工具機結構或作動說明 主要用來切削迴轉類零件的數控機床稱為數控車床。 數控車床集中了普通臥式車床、轉塔車床、多刀車床、自動和半自動車床等車削功能，是數控機床中應用最廣的品種之一。(一)數控機床的性能特點 數控機床與普通機床相比，增加了功能，提高了效率，簡化了機械結構。其性能對比如表 1-1 所示。
(二)數控機床的結構特點 數控機床與同類的普通機床在外形結構上雖然大體相似，但其內部結構卻有很大的差異。 為了保證穩定的加工質量，提高加工能力和切削效率等，在數控機床的結構設計中，必須具備如下特點: 1.結構剛度高、抗振性好 有標準規定數控機床的剛度係數應比類似的普通機床高 50% 。 從提高數控機床抗振性角度出發，應減少機床內部振源，提高靜態剛度，增加構件或結構的阻尼以達到抑制振動產生的目的。
2.採取消除傳動齒輪側隙的措施 數控機床進給系統的傳動齒輪副中若存在側隙，在開環系統中則會造成進給運動的位移值滯後於指令值；反向運動時，則會出現反向死區，影響加工精度。在閉環系統中，雖然側隙帶來的滯後量可以得到反饋信號的補償，但反向時會使伺服系統產生振盪而不穩定。為了提高數控機床伺服系統的性能，在設計時必須採取相應措施，使側隙減小到允許的範圍內，圖 1-3 所示為圓柱齒輪傳動側隙消除方法。
(1)偏心軸套調整法（圖 1-3 （ a ））利用偏心環 2 縮小兩個嚙合齒輪中心距的方法來消除圓柱齒輪正反轉時的齒側隙。 圖1-3（a） 圖1-3（b） (2)軸向墊片調整法（圖 1-3 （ b ））將嚙合齒輪的節圓直徑沿著齒寬方向製成稍有錐度，這樣就可有軸向墊片 3 使齒輪軸向移位來消除其齒側隙。
(3)雙片薄齒輪調整法（圖 1-3 （ c ））兩個嚙合著的圓柱齒輪，一個製成寬齒輪，另一個有兩片能相對轉位的薄齒輪組成，再附加某些措施使寬齒輪的齒面兩側分別與兩薄片齒輪的不同齒側貼緊。 這樣利用錯齒消除齒側隙，反向時就不會出現死區。 圖1-3（c）
(4)採用傳動效率很高的精密滾珠絲槓螺母副圖 1-4 所示為滾珠絲槓螺母副。它是迴轉運動與直線運動相互轉換的傳動機構，由絲槓a、螺母b和其間的滾珠c組成。在絲槓a和螺母b上都有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形的螺旋槽對起來就形成螺旋滾道，在滾道內裝有許多滾珠c。當絲槓a迴轉時，滾珠c相對於螺母b上的滾道按箭頭d方向滾動。 因此，絲槓a於螺母b之間基本上是滾動摩擦。沿著迴路管道重新返回到滾道另一端，以進行循環不斷的流動。
為了防止滾珠從螺母中掉出來，在螺母b的螺旋槽兩端應有擋珠器擋住，並有迴路管道使它的兩端連接起來，使滾珠c從螺旋槽的一端滾出螺母體後，沿著迴路管道重新返回到滾道另一端，以進行循環不斷的流動。為了防止滾珠從螺母中掉出來，在螺母b的螺旋槽兩端應有擋珠器擋住，並有迴路管道使它的兩端連接起來，使滾珠c從螺旋槽的一端滾出螺母體後，沿著迴路管道重新返回到滾道另一端，以進行循環不斷的流動。 圖 1-4 滾珠絲槓螺母副
(5)採用了摩擦係數很小的滾動導軌副 如圖 1-5 、圖 1-6 滾動導軌副是在導軌工作面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，形成滾動摩擦。其摩擦係數小，動靜摩擦力相差很小 運動輕便靈活，所需功率小，摩擦發熱少，磨損小，精度保持性好，移動精度和定位精度都較高。 圖 1-5 滾珠導軌副 圖 1-6 滾柱導軌副
目前在數控機床中普遍採用滾動導軌支撐塊結構，並且已經做成獨立的標準組件。圖 1-7 為滾動導軌支撐塊結構。 其結構特點是剛度高，承載能力大，便於拆裝，可直接裝在任意行程長度的運動部件上。 1-7 滾動導軌支撐塊
(6)採用了性能優良的主軸調速電機 如直流或交流主軸電動機，見圖 1-8。這類電機有以下特點：輸出功率大，恆功恆功率輸出的速度範圍寬、在大的調速範圍內速度穩定，在斷續負載下電動機轉速波動小，升降速時間短，電機溫升低，振動、噪聲小，過載能力強，可靠性高，壽命長，安裝維護方便等。現代數控機床更是向高速、高精度方向發展，為此，其主軸和電機常採用一體化設計——電主軸，見圖 1-9。
圖 1-8 交流伺服電動機圖1-9 電主軸 (7)採用了增大功率的伺服進給電動機和先進刀具，以滿足高速，強力切削的要求。
(三)五數控車床結構剖析 目前使用的數控車床分為兩大類：數控立式車床，數控臥式車床。 CINCINNATI21i/210is — TA 為具有先進的斜床身式數控車床。 其結構圖如圖 1-10 所示。 其整體佈局見圖 1-11 。 圖 1-10 斜床身式數控車床
圖 1-11 CINCINNATI21i/210is — TA 佈局 1.床身結構 CINCINNATI21i/210is — TA 採用了特殊設計的 45 °斜式床身，作為機床的基礎部件。 主電機、主軸箱、刀架、尾架、數控裝置等安裝在床身上。
2.主軸箱和主軸 CINCINNATI21i/210is — TA 主軸箱內僅有一根主軸，通過皮帶與伺服電機直接連接，無齒輪傳動，可避免傳動件發熱和振動對加工精度的影響。 主軸設計上對各裝配過程的技術要求都一一量化，如重要緊固螺釘的緊固力矩、重要軸承所加潤滑油的體積和裝配前的預熱度、皮帶的張力等等。刀具的夾緊裝置有電動、液動和氣動三種：（ 1 ）電動的簡單、靈活；（ 2 ）液動的複雜，夾緊力大；（ 3 ）氣動的方便、靈活、結構簡單。 CINCINNATI21i/210is — TA 採用液動夾緊裝置。
3.刀架: CINCINNATI21i/210is — TA 採用有 12 個刀位的轉塔式刀架，為內外徑共用刀架，每個刀具位置均可安裝內徑刀或外徑刀。 轉塔刀架各刀座之間方向、位置經嚴格計算，保證在加工與轉位中不發生刀具之間的碰撞與乾擾。 圖 1-12 為轉塔刀架圖。 圖 1-12 轉塔刀架
4.進給系統CINCINNATI21i/210is — TA X 、 Z 軸進給都採用伺服電機與滾珠絲槓直接相連、無帶傳動或齒輪傳動，避免了側隙及振動，使精度大為提高。 滾珠絲槓螺母副精度高，而且耐用性好，摩擦係數小，無爬行現象，定位精度高、壽命長。 5.伺服系統 數控車床伺服系統多采用無刷直流電動機或交流電動機，目前調頻異步交流電動機已佔優勢。 它與直流電動機相比，由於無電刷，而結構簡單，工作可靠。 伺服系統見圖 1-13。
圖 1-13 數控機床伺服傳動系統 6.控制系統CINCINNATI21i/210is — TA 採用日本 FANUC 控制系統，具有彩色顯示，各種指標顯示及故障報警系統。 7.潤滑系統導軌副及滾珠絲槓，在運動中必須要適量的潤滑油來潤滑，以減小摩擦，帶走熱量。
四.主軸架構介紹 (一)刀具系統與拉刀機構 一般工具機拉刀機構大致 可區分為四大部分：刀把 扣爪、提供拉刀力之盤型 彈簧、拉刀力放大裝置及 鬆刀油壓缸，如圖2-5 所 示。刀把扣爪部分之功用 是對刀把進行拉刀以及鬆 刀之動作，而扣爪的形式也會
因刀把的不同而有不同，諸如BT 刀把、HSK 刀把等，如圖2-6 所示。當主軸進行切削時，此扣爪需閉合而將刀把之拉桿扣緊，經由盤型彈簧所提供的拉刀力將刀把固定於主軸前端錐孔內，如需換刀則將扣爪鬆開使刀把脫離斜錐孔即可。一般常用者有鋼珠式扣爪及刀瓣式扣爪，如圖2-7 所示。 （a）鋼珠式 （b）瓣爪式
盤型彈簧是主軸拉刀力的來源，一般受限於主軸的空間大小，而在有限的行程下，提供拉刀力的彈性體必須能夠具有較大的彈簧力以挾持刀具，因盤型彈簧可藉由不同的堆疊方式產生各種不同力量，所以傳統上拉刀機構皆選以盤型彈簧安裝於心軸來提供拉刀力。盤型彈簧是主軸拉刀力的來源，一般受限於主軸的空間大小，而在有限的行程下，提供拉刀力的彈性體必須能夠具有較大的彈簧力以挾持刀具，因盤型彈簧可藉由不同的堆疊方式產生各種不同力量，所以傳統上拉刀機構皆選以盤型彈簧安裝於心軸來提供拉刀力。 放大裝置是近年來為使主軸小型化，故在拉刀機構中安裝一利用鋼珠和斜面的放大機構（約2~3倍），在合乎所需拉刀力前提下，使盤型彈簧串聯的長度縮短，則主軸的長度也可減少，而達到主軸小型化之目的。
