工具機設計實務-1

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琉继明
5 years ago
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1 主軸設計與分析主軸系統 ( 二 ) 軸承原理紀華偉大葉大學機械與自動化工程學系重切削剛性心軸系統軸承系統襯套支承輕切削轉速軸承系統潤滑系統大葉大學機械與自動化工程學系 2/80 1

2 課程內容軸承種類與選用軸承排列與預壓軸承負荷估算可調式預壓系統大葉大學機械與自動化工程學系 3/80 軸承種類與選用大葉大學機械與自動化工程學系 4/80 2

3 軸承種類滾動軸承 (Rolling Bearing): 滾珠軸承, 滾柱軸承靜液壓軸承 (Hydrostatic Bearing): 藉由液壓系統強制的把高壓潤滑液送入軸體與軸承面的間隙之中, 利用液體靜壓力來承擔負載的一種軸承動液壓軸承 (Hydrodynamic Bearing) 藉由軸承元件相對速度建立油壓, 形成油膜承擔負載的一種軸承磁浮軸承 (AMB, Active Magnetic Bearing) 由電磁力支撐轉軸, 無需潤滑系統目前大部分工具機主軸採用滾動軸承大葉大學機械與自動化工程學系 5/80 軸承種類常見滾動式軸承 (Rolling Bearings) 深溝軸承 (deep groove ball bearings) 斜角滾珠軸承 (angular contact ball bearings) 單向斜角止推滾珠軸承 (single direction angular contact thrust ball bearings) 雙向斜角止推滾珠軸承 (double direction angular contact thrust ball bearings) 單列滾柱軸承 (single row cylindrical roller bearings) 雙列滾柱軸承 (double row cylindrical roller bearings) 梯形滾柱軸承 (tapered roller bearings) : : 大葉大學機械與自動化工程學系 6/80 3

軸承種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 深溝軸承 (deep groove ball

(angular contact ball bearings) 較高剛性 (higher rigidity)

4 軸承種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 深溝軸承 (deep groove ball bearings) 安靜 (quiet running) 振動小 (min. vibration) 高轉速 (ultra high speed) 資料來源 : SKF,FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 7/80 軸承種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 斜角滾珠軸承 (angular contact ball bearings) 較高剛性 (higher rigidity) 具軸向與徑向剛性 (radial and axial stiffness) 高轉速 (high speed) 資料來源 : SKF,FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 8/80 4

bearings) 高精度 (high running accuracy) 高軸向剛性

5 軸承種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 單向斜角止推滾珠軸承 (single direction angular contact thrust ball bearings) 高剛性 (high stiffness) 低磨擦 (low friction) 資料來源 : SKF,FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 9/80 軸承種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 雙向斜角止推滾珠軸承 (double direction angular contact thrust ball bearings) 高精度 (high running accuracy) 高軸向剛性 (high axial stiffness) 資料來源 : SKF,FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 10/80 5

高徑向剛性 (high radial stiffness) 高負載 ( high

大葉大學機械與自動化工程學系 11/80 軸承之種類滾動式軸承 (Rolling

6 軸承之種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 單列滾柱軸承 (single row cylindrical roller bearings) 高徑向剛性 (high radial stiffness) 高負載 ( high load capacity) 資料來源 : SKF,FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 11/80 軸承之種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 雙列滾柱軸承 (double row cylindrical roller bearings) 更高徑向剛性 (higher radial stiffness) 高負載 ( high load capacity) 資料來源 : SKF,FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 12/80 6

軸承之種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 梯形滾柱軸承 (tapered roller bearings) 高徑軸向剛性 (high radial, axial stiffness) 高負載 ( high load capacity) 資料來源 : SKF,FAG 大葉大學機械與自動化工程學系

7 軸承之種類滾動式軸承 (Rolling Bearings) 梯形滾柱軸承 (tapered roller bearings) 高徑軸向剛性 (high radial, axial stiffness) 高負載 ( high load capacity) 資料來源 : SKF,FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 13/80 主軸軸承 : 軸承選用滾動軸承 (Rolling Bearing): 斜角滾珠軸承最常使用於高速主軸斜角 (12, 15, 25,.) 數量與排列 (DF, DB, Tandem, ) 預壓 ( 輕, 中, 重 ) 潤滑與冷卻達成精密, 剛性與轉速要求大葉大學機械與自動化工程學系 14/

8 軸承選用軸承選用重要考慮因素 : 1. 精度 (accuracy) 2. 負載 (loads) 3. 剛性 (stiffness) 4. 轉速 (speed) 大葉大學機械與自動化工程學系 15/80 1. 精度 (accuracy) 軸承選用 - 精度運轉精度 (running accuracy) 尺寸精度 (dimensional accuracy) 徑向偏擺大葉大學機械與自動化工程學系 16/80 8

9 1. 精度 (accuracy) 軸承選用 - 精度運轉精度 (running accuracy) 尺寸精度 (dimensional accuracy) 大葉大學機械與自動化工程學系 17/80 1. 精度 (accuracy) 軸承標記軸承選用 - 精度 1. 軸承編號 2. 批次編號 3. 內外環最大偏離處 4. 內外徑實際尺寸偏差 5. 軸承組合順序大葉大學機械與自動化工程學系 18/80 9

10 2. 負載 (loads) 軸承選用 - 負載軸向負荷徑向負荷資料來源 : SKF 徑向負荷 + 軸向負荷大葉大學機械與自動化工程學系 19/80 3. 剛性 (stiffness) 軸承選用 - 剛性資料來源 : SKF 徑向剛性大葉大學機械與自動化工程學系 20/80 10

11 3. 剛性 (stiffness) 軸承選用 - 剛性資料來源 : SKF 軸向剛性大葉大學機械與自動化工程學系 21/80 4. 轉速 (speed) 軸承選用 - 轉速資料來源 : SKF 大葉大學機械與自動化工程學系 22/80 11

斜角滾珠軸承系列 : 轉速 : 719 70 72 剛性 72 70 719 軸承選用 - 轉速圖片來源 :SKF 大葉大學機械與自動化工程學系 23/80

12 斜角滾珠軸承系列 : 轉速 : 剛性軸承選用 - 轉速圖片來源 :SKF 大葉大學機械與自動化工程學系 23/80 23 常見主軸軸承選用 : 軸承選用斜角滾珠軸承斜角滾珠軸承綜合加工機 (Machining Center) 大葉大學機械與自動化工程學系 24/80 12

13 常見主軸軸承選用 : 軸承選用斜角滾珠軸承斜角滾珠軸承研磨機 (Cylindrical Grinder) 資料來源 : FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 25/80 常見主軸軸承選用 : 軸承選用雙向斜角止推滾珠軸承雙列滾柱軸承雙列滾柱軸承鑽孔機 (Drilling Machine) 資料來源 : FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 26/80 13

14 常見主軸軸承選用 : 軸承之種類單列滾柱軸承斜角滾珠軸承車削中心機 (CNC Turning Center) 資料來源 : FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 27/80 軸承配合 : 軸承之配合與允差軸承內徑與軸之配合軸承外徑與軸承殼之配合軸心公差帶軸承外環公差帶軸承內環公差帶與軸配合與孔座配合軸承座公差帶大葉大學機械與自動化工程學系 28/80 14

15 軸承配合 : 軸承之配合與允差軸承內徑與軸之配合大葉大學機械與自動化工程學系 29/80 軸承配合 : 軸承之配合與允差軸承內徑與軸之配合大葉大學機械與自動化工程學系 30/80 15

16 軸承配合 : 軸承之配合與允差軸承內徑與軸之配合大葉大學機械與自動化工程學系 31/80 軸承配合 : 軸承之配合與允差軸承外徑與孔之配合大葉大學機械與自動化工程學系 32/80 16

17 軸承配合 : 軸承之配合與允差軸承外徑與孔座之配合大葉大學機械與自動化工程學系 33/80 軸承配合 : 軸承之配合與允差軸承外徑與孔之配合大葉大學機械與自動化工程學系 34/80 17

18 軸承配合一般建議 : 軸承之配合與允差軸承外徑與軸承座之配合 : 鬆配合 : 中低速 2~5mm, 高速 5~8 mm 軸承外徑與軸承座之配合 : 緊配合 : 中低速 2~5mm, 高速 5~10mm 大葉大學機械與自動化工程學系 35/80 35 軸承排列與預壓大葉大學機械與自動化工程學系 36/80 18

19 軸承排列主軸軸承排列考慮要點 : 剛性 (stiffness) 運轉精度 (running accuracy) 轉速 (speed) 運轉溫度 (operating temperature) 大葉大學機械與自動化工程學系 37/80 斜角滾珠軸承基本排列形式 O 形排列 (Double Back) X 形排列 (Double Face) 同向排列 (Tandem) 軸承排列 (Tandem) (Double Back) (Double Face) 大葉大學機械與自動化工程學系 38/80 19

20 軸承排列斜角滾珠軸承基本排列形式 ( 三顆軸承 ) 大葉大學機械與自動化工程學系 39/80 39 軸承排列斜角滾珠軸承基本排列形式四顆軸承 ) 大葉大學機械與自動化工程學系 40/

21 常見主軸軸承排列形式軸承排列資料來源 : SKF 大葉大學機械與自動化工程學系 41/80 常見主軸軸承排列形式軸承排列資料來源 : SKF 大葉大學機械與自動化工程學系 42/80 21

22 配組軸承軸承排列軸承製造時即配對完成安裝時必須依標記順序內環最大偏離處須排成一線與軸之最大偏離處安裝相反方向若以間隔環隔開, 內外間隔環須維持相同長度萬向軸承軸承斷面差均相同, 可以任意順序組合組裝後每一軸承具有相同預壓與允許轉速修改間隔環相對長度差即可形成不同預壓大葉大學機械與自動化工程學系 43/80 43 主軸軸承排列 Typical arrangement of the spindle of machining center Tool Holder Main Bearing set Supporting Bearings Balancing block Mounting Flange Water Jacket Pulley 大葉大學機械與自動化工程學系 44/80 22

23 軸承預壓軸承預壓優點消除軸承游隙, 增加運轉精度降低運轉振動與噪音增加軸承剛性抑制滾珠滑動缺點降低軸承極轉速增加能量耗損提高溫昇變形程度大葉大學機械與自動化工程學系 45/80 軸承預壓之達成擠壓軸承內環擠壓軸承外環軸承預壓 d 大葉大學機械與自動化工程學系 46/80 23

軸承預壓之種類定位預壓定壓預壓可變預壓軸承預壓 Pressure chamber 定位預壓定壓預壓 Inner Spacer 可變預壓 Fore-Elastic Spacer 大葉大學機械與自動化工程學系 47/80 預壓力估算軸承預壓軸承通常配對組裝形成預壓, 依預壓力可分 : Class A: 輕預壓 ( 預壓力 G A )

24 軸承預壓之種類定位預壓定壓預壓可變預壓軸承預壓 Pressure chamber 定位預壓定壓預壓 Inner Spacer 可變預壓 Fore-Elastic Spacer 大葉大學機械與自動化工程學系 47/80 預壓力估算軸承預壓軸承通常配對組裝形成預壓, 依預壓力可分 : Class A: 輕預壓 ( 預壓力 G A ) Class B: 中預壓 ( 預壓力 G B ) Class C: 重預壓 ( 預壓力 G C ) FAG 7014C 斜角滾珠軸承 d A =3.6 mm d B =6.0 mm d C =7.3 mm Outer Ring Inner Ring Contact Angle d Force D o 大葉大學機械與自動化工程學系 48/80 24

25 軸承預壓未組裝前預壓力資料來源 : SKF 大葉大學機械與自動化工程學系 49/80 預壓力估算軸承預壓軸承配對預壓後安裝於軸上, 預壓增加 ( 干涉配合 ): f f f G m 1 2G A, B, C Gm: 組裝後軸承組預壓力 G A,B,C : 組裝後軸承組預壓力 f : 軸承型式係數 f 1 : 接觸角修正係數 f 2 : 預壓等級修正係數軸承剛性亦受心軸外徑與軸承內徑之干涉配合量影響大葉大學機械與自動化工程學系 50/80 25

26 預壓力修正係數軸承預壓大葉大學機械與自動化工程學系 51/80 軸承預壓單一軸承變形與負荷關係 : F= K 1 d p1 + K 2 d p2 (FAG bearings) K 1,K 2, p1,p2 隨軸承型式及尺寸而定 F 軸承負荷 d 軸承軸向變形資料來源 : FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 52/80 26

] 資料來源 : FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 53/80 軸承預壓軸承組變形與負荷關係 : dfa p1k1 ( d0 da) dd a p1 1 p2 1 p1 1 p2 1 p2k2( d0 da)

27 Stiffness(N/mm) 軸承預壓軸承組變形與負荷關係 : Fa Bearing 1 Bearing 2 F a = F 2 - F 1 F a = (K 1 d p1 2 + K 2 d p2 2 )-(K 1 d p1 1 + K 2 d p2 1 ) = [K 1 (d 0 +d a ) p1 + K 2 (d 0 +d a ) p2 ] - [K 1 (d 0 -d a ) p1 + K 2 (d 0 -d a ) p2 ] 資料來源 : FAG 大葉大學機械與自動化工程學系 53/80 軸承預壓軸承組變形與負荷關係 : dfa p1k1 ( d0 da) dd a p1 1 p2 1 p1 1 p2 1 p2k2( d0 da) p1k1 ( d0 da) p2k2( d0 da) Average stiffness of preloaded FAG 7014 bearing set 資料來源 : Lin 大葉大學機械與自動化工程學系 54/80 27

28 軸承預壓對剛性影響軸承預壓 c = k d c: bearing stiffness, N/mm k: stiffness factors d: bearing bore diameter, mm 資料來源 : SKF 大葉大學機械與自動化工程學系 55/80 軸承預壓對轉速影響 : 軸承預壓軸承組允許極轉速 = 單一軸承極轉速 Reduction Factor 大葉大學機械與自動化工程學系 56/80 28

29 軸承規格表 : 軸承預壓軸徑接觸角軸承外徑型號軸承寬度額定負荷重量極轉速大葉大學機械與自動化工程學系 57/80 軸承負荷估算大葉大學機械與自動化工程學系 58/80 29

30 軸承負載能力軸承負荷靜額定負荷 (static load rating, C 0 ) max. permissible static load that does not impair the running characteristics of bearing: permanent deformation < diameter of the rolling element 軸承組靜額定負荷 = 單一軸承靜額定負荷 X N ( 軸承數 ) 動額定負荷 (dynamic load rating,c) 10 6 revolutions with 90% reliability 軸承組動額定負荷 = 單一軸承靜額定負荷 X K ( 修正係數 ) K =1.62 (2 個軸承 ) =2.16 (3 個軸承 ) =2.64 (4 個軸承 ) 大葉大學機械與自動化工程學系 59/80 軸承負荷等效軸承負荷 ( 以 SKF 為例 ): 斜角滾珠軸承同時承受軸向與徑向負荷等效軸承動態負荷 : 單一軸承或同向排列 (tandem): P F when F / F e r P XF YF when F / F e r a X 型 (DF) 或 O(DB) 型排列 : P F Y F when F / F e r 1 a P XF Y F when F / F e r 2 a a r a a a r r r 大葉大學機械與自動化工程學系 60/80 30

31 軸承負荷等效軸承負荷 ( 以 SKF 為例 ): 斜角滾珠軸承同時承受軸向與徑向負荷等效軸承靜態負荷 : 單一軸承或同向排列 (tandem): P0 0. 5Fr Y0 F a P0 Fr if P0 F r X 型 (DF) 或 O(DB) 型排列 : F Y P0 r 0F a 大葉大學機械與自動化工程學系 61/80 軸承負荷等效軸承負荷 ( 以 SKF 為例 ): 斜角滾珠軸承同時承受軸向與徑向負荷軸承預壓之影響 ( 概估 ): F G 0.67K when K 3G a a m a a F K when K 3G a a m m 此處 F a : 軸承軸向負荷 G m : 軸承預壓 K a : 軸向外部負荷大葉大學機械與自動化工程學系 62/80 31

32 軸承負荷大葉大學機械與自動化工程學系 63/80 軸承壽命估算 C L 10r ( ) P L 10 6 C h ( 60n P ) 10 a a 軸承負荷 L 10r = 預估壽命 90% reliability (in 10 6 revolutions) L 10h = 預估壽命 90% reliability (in 10 6 revolutions) C = 動額定負荷 P = 軸承負載 n = 轉速 (rpm) a = 3( 滾珠軸承 ) = 10/3 ( 滾柱軸承 ) 大葉大學機械與自動化工程學系 64/80 32

33 軸承壽命估算 Reliability factor Kr 軸承負荷 C L r Kr ( ) P a 10 6 C L h Kr ( ) 60n P a 大葉大學機械與自動化工程學系 65/80 液壓式可調預壓系統開發與測試大葉大學機械與自動化工程學系 66/80 33

34 重切削剛性輕切削轉速軸承系統設計, 高剛性與高轉速要求經常相互牴觸有可能一支主軸, 同時具有高剛性與高轉速特性? 可調式預壓系統大葉大學機械與自動化工程學系 67/80 可調式外間隔環可調預壓系統 Pressure Chamber 無液壓時原始預壓設計為 A 級預壓增加 Pressure Chamber 內之液壓可增加軸承之預壓力 Outer Spacer Inner Spacer Pressure chamber Inner Spacer Fore-Elastic Spacer 大葉大學機械與自動化工程學系 68/80 34

35 可調預壓系統 Pressure Chamber 無液壓時之原始預壓設計為 A 級預壓增加 Pressure Chamber 內之液壓可增加軸承之預壓力 Pressure chamber Outer Spacer Inner Spacer Inner Spacer Fore-Elastic Spacer 大葉大學機械與自動化工程學系 69/80 可調預壓系統 Elastic outer spacer Bearing 1 Oil seal Spacer Lock nut Shaft Inner spacer Fore-Elastic Spacer Bearing 2 大葉大學機械與自動化工程學系 70/80 35

36 可調預壓系統模型可調預壓系統 L 1 L 1 =L 1 -δ 1 Pressure chamber L 3 L 3 =L 3 -δ 3 Elastic outer spacer Bearing 1 and 2 Fore-elastic spacer Inner Spacer Fore-Elastic Spacer Node 1 F 1 =F 0 +F 3 F 1 : 作用於 elastic outer spacer 之壓縮負荷 F 3 : 作用於 fore-elastic spacer 之壓縮負荷 F 0 : 軸承 1,2 之預壓力大葉大學機械與自動化工程學系 71/80 可調預壓系統假設當 pressure chamber 內充滿高壓液體時, elastic outer spacer 的剛性很大 (>> 軸承剛性 ) Positive load 刀具端 Negative load 刀具端正向負荷時, 主軸軸向剛性如設計值負向負荷時, 主軸軸向剛性會受串聯之 foreelastic spacer(k 3 ) 影響而減弱. 大葉大學機械與自動化工程學系 72/80 36

Hydrolic Pressure (kgf/cm 2 ) 可調預壓系統 60 50 40 30 20 10 Hydraulic Pressure and Bearing preload test 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 movement of bearing outer ring (μm) 大葉大學機械與自動化工程學系 73/80 偏擺測試

37 Hydrolic Pressure (kgf/cm 2 ) 可調預壓系統 Hydraulic Pressure and Bearing preload test movement of bearing outer ring (μm) 大葉大學機械與自動化工程學系 73/80 偏擺測試 (Run-out test) 可調預壓系統 draw force Preload 7000N (714kgf) 8000N (816kgf) 9000N (918kgf) 10000N (1020kgf) A 3μm 3μm 3μm 3μm B 4μm 3μm 4μm 4μm C 4μm 4μm 4μm 4μm D 4μm 4μm 4μm 4μm 大葉大學機械與自動化工程學系 74/80 37

BRG2 ROOM 1500 4000 6000 8000 10000 Time (min) 大葉大學機械與自動化工程學系 75/80 可調預壓系統跑合測試 (Run in test) Spindle Run-In Test (Class

38 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 Temperature ( o C) 0:00 0:20 0:40 1:00 1:20 1:40 2:00 2:20 2:40 3:00 3:20 3:40 Temperature ( ) 跑合測試 (Run in test) 可調預壓系統 Spindle Run-In Test (Class A Preload) BRG 1 BRG2 ROOM Time (min) 大葉大學機械與自動化工程學系 75/80 可調預壓系統跑合測試 (Run in test) Spindle Run-In Test (Class B Preload) BRG 1 BRG2 ROOM rpm 8000 rpm rpm Time (min) 大葉大學機械與自動化工程學系 76/80 38

39 0:00 0:20 0:40 1:00 1:20 1:40 2:00 2:20 2:40 3:00 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 Temperature ( o C) 溫度 ( ) 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 Temperature ( o C) Temperature ( o C) 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 跑合測試 (Run in test) 2000 rpm Spindle Run-In Test (Class C Preload) 38 BRG 1 BRG2 ROOM rpm Time (min) 可調預壓系統 6000 rpm 7000 rpm rpm Spindle Run-In Test (Class D Preload) 8000 rpm BRG 1 BRG2 ROOM 4000 rpm Time (min) 5000 rpm 6000 rpm 7000 rpm 大葉大學機械與自動化工程學系 77/80 可調預壓系統跑合測試 (Run in test) Spindle Run-In Test (8000 rpm) 34 Spindle Run-In Test (5000 rpm) BRG 1 BRG2 ROOM BRG 1 BRG2 ROOM A 級預壓 B 級預壓 C 級預壓 D 級預壓 24 A 級預壓 A 級預壓 B 級預壓 C 級預壓 D 級預壓 rpm 5000 rpm 5000 rpm 5000 rpm 5000 rpm Time (min) 20 Time (min) 大葉大學機械與自動化工程學系 78/80 39

LOAD (kgf) Transfer H1 (g/n) Transfer H1 (g/n) FRF 測試可調預壓系統 X (FREE) Class A Class B Class C Class D 2.50E+00 2.00E+00 1.

40 LOAD (kgf) Transfer H1 (g/n) Transfer H1 (g/n) FRF 測試可調預壓系統 X (FREE) Class A Class B Class C Class D 2.50E E E E E-01 Y (FREE) Class A Class B Class C Class D 0.00E E Frequency (Hz) 1.20E E E E E E E Frequency (Hz) 大葉大學機械與自動化工程學系 79/80 靜剛性測試可調預壓系統 Static Stiffness 150 D= kgf/μm 135 C= kgf/μm 120 B= kgf/mm A=7.897 kgf/μm Displacement (μm) Preload A Preload B Preload C Preload D 大葉大學機械與自動化工程學系 80/80 40

SHIMPO_表1-表4

SHIMPO_表1-表4 For servo motor ABLEREDUCER SSeries Coaxial shaft series Features S series Standard backlash is 3 arc-min, ideal for precision control. High rigidity & high torque were achived by uncaged needle roller