加工中心主轴系统

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概述
Spindle: bar or pin which turns or on which sth. turns.
• 主軸為工具機進行加工時，直接帶動刀具 或工件旋轉，進行切削、研磨..等加工程序 之重要單元。
– 帶動工件旋轉，如車床。 – 帶動刀具旋轉，如銑床。
L 跨距
a 懸伸
Y
後端軸承 刀具端軸承
F
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心軸
– 設計考量
• • • • • L ≈ 3d (跨距約為軸徑3倍) a ≈ 3B (懸伸約為軸承寬度3倍) 心軸內之軸孔不超過軸徑65% 軸承承靠面須超過軸承內外環截面積2/3 間隔環為容易安裝可於端面作15˚~30˚倒角。
打刀桿
活塞 增壓桿
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刀具系統
• 打刀機構
常見浮動打刀機構 機構式倍力設計
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刀具系統
• 刀把介面
– 7/24錐度
• • • • • • • BT-403:BT30, BT40, BT50 (日本Bottle Grip 公司) CAT30, CAT40, CAT50 (美國 Catipillar公司) DIN 69871 Form A, Form B: SK40, SK50 兩面拘束實心刀把 BBT-40,50 (BIG plus ) 兩面拘束實心刀把 MBT-40,50(Nikken) 兩面拘束中空刀把HSK A-50, A-63, A-100 兩面拘束中空刀把KM A-50,A-63,A-80,A-100
工具機系統設計與分析
主軸系統(一)
系統簡介
紀華偉 大葉大學機械與自動化工程學系 2010.03.16
課程內容
• • • • • • • • • 概述 主軸架構 心軸 軸承 刀具系統 冷卻系統 潤滑系統 密封系統 主軸馬達
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概述
•工具機市場需求
3C 模具 航太輕合金 汽機車 一般加工
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概述
• 依驅動方式分為:
– 齒輪式
優點： • 傳動系統扭轉剛性大，能 承受低速高扭力負載 • 適合低速大切深加工，但 主軸剛性須加大 缺點： • 效率差，傳輸功率損耗大， 噪音大，油污染 • 高速受限制 • 齒輪及箱體製造成本高 • 齒輪造成軸承負荷
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Spindle
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概述
• 依驅動方式分為:
– 直結式
優點： • 高速化，噪音遠低於皮帶式主軸 • 直接電磁能 - 機械能轉換 • 低傳輸功率損耗 • 低速重切削不會有皮帶式之跳脫問題 缺點： • 系統總組合長度拉長， • 組裝精度要求高， • 使用在C-frame重量集中前端。 • 動平衡校正較困難，聯軸器易受切削激振鬆脫。
• 刀具夾持系統
利用並串聯盤形彈簧組合經拉桿， 瓣爪拉住刀柄螺栓，使刀具斜面與 主軸內孔斜面緊密接觸，形成足夠 的界面剛性。
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刀具系統
碟型彈簧之並串聯(以並串聯上調整拉刀力)
刀具夾持系統 F
1 1 n K total mK
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F n:串聯數(圖例 n = 20 )
– 主軸熱源
• 軸承 • 馬達 • 切削
CTS coolant
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冷卻系統
• 主軸馬達及軸承因主軸運轉產生熱，須以冷卻液帶走，以 控制主軸溫升變形量。 • 大部分主軸以水套環繞馬達定子及軸承外環，以冷卻液循 環其中，進行冷卻。 • 冷卻循環一般無法冷卻馬達線圈及軸承內部，造成外冷內 熱。
– 1/10錐度
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刀具系統
• 刀具介面系統
- 7/24 錐度 BT
CAT
SK Form A
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刀具系統
• 刀具介面系統
- 1/10 錐度
HSK: 1/10 空心短刀把
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KM : 1/10 空心短刀把
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軸承
• 軸承
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心軸-軸承
• 主軸心軸與軸承系統之組合設計，影響主軸之 剛性。
•軸承之選用與配置 •主軸之內外徑、懸伸與軸承跨距
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主軸襯套管
• 主軸襯套管
提供軸承支撐、冷卻水套及主軸安裝介面。
Belt Spindle
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概述
• 依驅動方式分為:
– 馬達內藏式
優點： •電磁能直接傳動為機械能，無傳遞功率損耗， 亦無須考慮如 DDS 主軸連軸器的剛性問題 • 此外馬達具有雙線圈兩段輸出功率，具備低速 高扭力功能 • 低速重切削能力大約介於齒輪式與皮帶式之間 • 高速切削能力則較優。 缺點： • 製造及材料成本高， • 組裝複雜，維修困難度高 • 線圈發熱易影響主軸溫升。 轉子 定子
刀柄長度比較:
HSK刀柄長僅有一般1/2
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刀具系統
剛性比較:
相同拉刀力作用下: 徑向剛性為長刀把5倍
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刀具系統
重複精度比較:
徑向與長刀把約略相等 軸向約為長刀把4倍
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冷卻系統
• 冷卻系統
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高速鑽孔攻牙，輕切削面銑 1mm以下小孔徑鑽孔
高速
硬鋼材加工，曲面加工
高速銑削，曲面加工 高速銑削，鑽孔，攻牙 精密搪孔
高精度
高效率
鑽孔，攻牙，面銑，搪孔
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概述
CNC工具機高速切削關鍵技術
輕量化高剛性結構 工藝(程式，夾治具)
控制器
高速，高精度 切削
CAD/CAM
主軸系統 刀具技術 進給系統
精度 速度 剛性
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概述
主軸設計之性能指標
•主軸剛性:徑向與軸向 •最高轉速: 安全持續運轉極轉速 •主軸馬力:連續出力與尖峰出力
心軸系統 軸承系統
剛性
軸承系統
轉速
潤滑系統 冷卻系統
襯套支承
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概述
主軸設計主要元素
• • • • 主軸驅動方式: 齒輪/皮帶式，直結式，內藏式 主軸軸承:軸承形式，數量，組裝方式，潤滑 主軸馬達:馬達型式，馬力，尺寸 主軸心軸:刀把拉桿，刀把型式
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刀具系統
傳統單面接觸式刀把不適用於高速運轉
1. 旋轉離心力，溫升 2. 刀把較長，較重
剛性不足 精度低 換刀不易
兩面拘束 中空刀把
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刀具系統
• 刀具夾持系統
– 兩面拘束: – 中空刀把:
兩面拘Baidu Nhomakorabea刀把
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7/24 空心刀把
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馬達內藏式主軸
馬達定子 冷卻水套 冷卻水套
HSK刀把
馬達轉子
碟型彈簧
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主軸架構
Supporting Bearings Mounting Flange
Balancing block Pulley Water Jacket
Main Bearing set
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圖片: GMN
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冷卻系統
• 另一種方式以冷空氣為冷卻媒介，可以有效冷卻馬達內外 線圈，降低主軸溫升變形。 • 許多主軸備有中心出水(CTS，Coolant Thru Spindle) 切削 液，亦具有冷卻主軸中心之功能。但於高轉速運用於易因 冷煤通道不對稱或冷卻液遭或空氣污染而造成主軸/刀具 系統不平衡。
刀具系統
• 刀具介面系統
– 兩面拘束中空短刀把: 更高介面剛性，更精密 定位及更短換刀時間。
HSK BT
介面長度
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介面長度
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刀具系統
• 刀具介面系統
– 兩面拘束中空短刀把: 更高介面剛性，更精密 定位及更短換刀時間。
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刀具系統
motor
Coupling
Spindle
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概述
• 各式主軸
軸線可動主軸
磁浮主軸
液靜壓主軸
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液動壓主軸
滾珠軸承主軸
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主軸架構
• • • • • • • 心軸 軸承 刀具夾持系統 冷卻系統 潤滑系統 密封 其他
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m:並聯數(圖例 m = 4) K:單一碟片剛性
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刀具系統
• 刀具夾持系統
– 液壓系統(以油壓調整拉刀力)
資料來源: KELCH， Cytec
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刀具系統
• 刀具夾持系統
– 倍力機構
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刀具系統
• 打刀機構
常見空壓轉液壓增壓缸設計:
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心軸-軸承-襯套管
心軸-軸承-襯套管 結構系統:
1 1 1 1 ksys kspindle kbearing khou sin g
l a
F
+ +
心軸變形 F 襯套變形 F 軸承變形
=
F
系 統 變 形
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刀具系統
Source: WWW.DYNOSPINDLES.COM
油霧潤滑(Oil Mist)
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噴射潤滑(Oil Jet)
油氣潤滑(Oil Air)
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潤滑系統
主軸潤滑技術比較
潤滑方式
權重 1 油脂潤滑 Nozzle type 2 油霧潤滑 Open type 3 油氣潤滑 Standard nozzle Under race Ranking : 1 2 3 4 5 Very bad Bad Middle Good Very good 4 3 2 4 4 4 4 4 5 3 1 2 1 3 3 2 3 2 5 5 5 51 52 54
Mounting Flange
Water Jacket
Pulley
Draw bar assembly
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主軸架構
• 綜合加工機(machining Center)
密封環 刀把介面 密封環
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主軸架構
• 綜合加工機(machining Center)
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心軸
– 主軸之心軸為一多段式中空階梯樑，是主 軸單元重要結構元件。 – 功能
• • • • 提供主軸所需剛性。 提供刀把介面及刀具夾持系統。 與軸承組成主軸-軸承系統，為主軸旋轉組件。 提供主軸中心出水(CTS)機構(部分系統)。
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心軸
– 設計考量
• 等效慣性矩:各階段之長度與截面尺寸設計。 • 軸承間之跨距: 軸承間距離影響心軸負荷變形量。 • 懸伸量:前端軸承至刀把介面距離。
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主軸架構
• 車削中心機(Turning Center)
Supporting Bearings
Chuck
Pulley
Main Bearing set
資料來源: FAG
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主軸架構
• 綜合加工機(machining Center)
Seal Tool Holder Main Bearing set Supporting Bearings Balancing block
L 跨距 a 懸伸
Y
後端軸承
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刀具端軸承
F
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軸承
• 軸承
支持主軸，並限制位移，使主軸繞固定旋轉中 心運動，此外提供足夠界面剛性，使主軸承受 切削力。
– – – – 滾動軸承(Rolling Bearing) 液靜壓軸承(Hydrostatic Bearing) 液動壓軸承(Hydrodynamic Bearing) 磁浮軸承(Active Magnetic Bearing )
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潤滑系統
油浴式 油脂潤滑 潤滑方式 油潤滑 不使用空氣 飛濺式 滴油式 噴射式 循環式 油霧式
使用高壓空氣
油氣式
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潤滑系統
滾動軸承 • 潤滑系統:
• • • • 油脂潤滑(Grease): 油霧潤滑(Oil Mist): 油氣潤滑(Oil Air): 噴射潤滑(Oil Jet):
motor
Gear Spindle
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概述
• 依驅動方式分為:
– 皮帶式
優點： • 高張力低噪音齒型設計，高 速時噪音比齒輪式低 • 組裝，維修容易，成本低 缺點： • 傳動系統撓性大，扭轉剛性低 • 皮帶造成軸承負荷 • 高速運轉受皮帶限制而無法提高 • 過負荷切削易使皮帶滑移。
motor