精密零組件製作主軸設計與應用實務 黃興杰 禁止轉載 2018.11.13 財團法人精密機械研究發展中心
前言 工具機通常對主軸的最基本要求如下 : (1) 旋轉精度高 (2) 高轉速 (3) 工作轉速範圍寬 (4) 高剛性 (5) 溫昇低 (6) 可靠度高 2
全球工具機主軸產業分布 歐美 90% 以上的工具機使用內藏式主軸 禁止轉載日韓 60% 左右的工具機都使用內藏式主軸財團法人精密機械研究發展中心 3
美國主軸廠 與其主軸規格 Company Modal Tool Interface Housing Diameter (mm) Power (kw) Speed (rpm) Bearing Lubrication Option HSD ES510 - H6161H0949 HSK-A63 180 42 24,000 Oil - Air Setco X X 170 X 20,000 X Dynomax 14-3C-C-27-H810993 HSK-A63 X 20 18,000 X 禁止轉載 4 財團法人精密機械研究發展中心
南韓主軸廠與其主軸規格 5
歐洲主軸廠 禁止轉載 6 財團法人精密機械研究發展中心
台灣主軸廠 禁止轉載 7 財團法人精密機械研究發展中心
大陸主軸廠與其主軸規格 數控機床廠 + 歐洲主軸品牌禁止轉載電主軸國產化率低成為數控機床發展之痛財團法人精密機械研究發展中心 8
主軸分類與轉速 1. 齒輪式主軸 Max. Speed 10,000rpm 2. 皮帶式主軸 Max. Speed 15,000rpm 3. 直接式主軸 Max. Speed 20,000rpm 4. 內藏式主軸陶瓷 / 氣壓 / 液壓 / 磁浮軸承 禁止轉載 P.S. BT40- 軸徑 70 mm 財團法人精密機械研究發展中心 9
齒輪式主軸 禁止轉載齒輪與組裝精度財團法人精密機械研究發展中心 10
皮帶式主軸 禁止轉載皮帶與組裝精度財團法人精密機械研究發展中心 11
直結式主軸 禁止轉載連軸器與同心度財團法人精密機械研究發展中心 12
內藏式主軸 13
內藏式主軸 14
主軸軸承介紹與選用 15
軸承方向定義 徑向 軸向 16
主軸 = 軸承 SKF INA SKF Sweden Barden(USA) SKF Japan FAG (Germany) SNFA 17
SNFA GMN NTN NSK Fanir NSK-RHP Koyo SNR 軸承廠 禁止轉載 TIMKEN NRB 財團法人精密機械研究發展中心 18
軸承形式比較 D m =( OD + ID ) / 2
軸承精度各國等級分類 標準精度等級 GB/T307-94 B C D E G ISO CLASS2 CALSS4 CLASS5 CLASS6 NORMAL CLASS DIN P2 P4 P5 P6 P0 ANSI ABEC9 ABEC7 ABEC5 ABEC3 ABEC1 禁止轉載 JIS JIS2 JIS4 JIS5 JIS6 JIS0 財團法人精密機械研究發展中心 20
主軸軸承介紹 21
軸承內徑編號 軸承內徑編號與相對應軸徑 (mm) 8 8 9 9 00 10 01 12 02 15 03 17 04 20 22
斜角滾珠軸承 F r F a 禁止轉載 70 與 719 系列 _ 徑 / 軸向財團法人精密機械研究發展中心
斜角滾珠軸承 禁止轉載轉速高滾珠材質與珠徑財團法人精密機械研究發展中心
斜角滾珠軸承 高轉速心軸內孔 禁止轉載 70 與 719 系列轉速高財團法人精密機械研究發展中心
軸承預壓 斜角滾珠軸承的預壓, 一般有兩種方法 : 1. 定位置預壓 (Position Preload) 與 2. 彈簧預壓 (Constant-Pressure Preload) 禁止轉載剛性轉速財團法人精密機械研究發展中心
軸承定位置預壓 定位置預壓 : 將兩個軸向相反的軸承配置, 然後施加外力定位在預先設計好的位置上, 而軸承本身獲得必要的預壓 ; 位置一旦固定, 在運轉位置中保持不變
軸承定位置預壓 使用預先製作有適當尺寸段差的間隔環 (spacer), 來增減預期的預壓力 S S 禁止轉載 Increasing Preload Decreasing Preload Back to Back Arrangement 財團法人精密機械研究發展中心
軸承彈簧預壓 彈簧預壓 : 使用壓縮彈簧或盤型彈簧, 施加一定量的力量於軸承, 以獲得定壓預壓 ; 即使在運轉時軸承的相對位置已有所變動, 但此一位置的變化量對彈簧而言, 幾乎可略而不計, 因此彈簧的預壓力變化甚微, 故可保持相對定壓恆定
滾柱軸承 F r 高負載低轉速 _ 鋼柱高負載高轉速 _ 陶柱 (N10) 禁止轉載 N10 與 NN30 系列 _ 徑向財團法人精密機械研究發展中心
軸承潤滑方式 油脂潤滑 (Grease) 噴油潤滑 (Oil-Jet) 油霧潤滑 (Oil/Air-Mix) 禁止轉載油氣潤滑 (Oil-Air) 財團法人精密機械研究發展中心
軸承油脂潤滑 TURMOGREASE Highspeed L 252 Suitable for the lubrication of spindle and cylindrical roller bearings for bore sizes of the inner ring d < 100 mm. It is the special grease to be used for high-speed rolling bearings up to Dm x N = 220 x 10 4 (rpm x mm). TURMOGREASE Highspeed L 182 This grease is particularly well suitable for smaller rolling bearings (d < 25 mm) and very high speed factors up to Dm x N = 250 x 10 4 (rpm x mm).
軸承油脂潤滑 Klüberspeed BF 72-22 Base Oil Type Synthetic Thickener Type Polyurea Base Oil Viscosity @ 40 C (cst) 22 Service Temperature Range ( C) -50 to 120 NLGI Class 2/3 Speed Factor, ndm (mm/min) > 200 x 10 4 Density @ 20 C (g/ml).92 Klüberspeed BF 42-22 Base Oil Type Synthetic 禁止轉載 Thickener Type Special Lithium Soap Base Oil Viscosity @ 40 C (cst) 24 Service Temperature Range ( C) -50 to 120 NLGI Class 2 Speed Factor, ndm (mm/min) 160 x 10 4 Density @ 20 C (g/ml).90 財團法人精密機械研究發展中心
軸承油氣潤滑 Oil/Air Mist Oil Jet Oil/Air 34
軸承噴油潤滑 (Oil-Jet Lubrication)
軸承噴油潤滑 Oil Jet
軸承油霧潤滑 (Oil/Air-Mix Lubrication)
軸承油霧潤滑 Oil/Air Mist CPL 超微油霧潤滑裝置解說 禁止轉載 Technosystems 微量油氣潤滑系統財團法人精密機械研究發展中心
軸承油氣潤滑 (Oil-Air Lubrication)
軸承油氣潤滑 Oil/Air
油氣潤滑迴路
油氣潤滑迴路
軸承油氣潤滑 Direct oil-air lubrication
軸承損壞原因 安裝不當 16% 疲勞 34% 禁止轉載潤滑不良 36% 污染 14% 財團法人精密機械研究發展中心 44
主軸性能需求 研磨主軸 : 內藏式皮帶式內藏式銑削主軸最高轉速銑削主軸 : 直接式 剛性 最大 皮帶式內藏式車削主軸 禁止轉載車削主軸 : 齒輪式皮帶式齒輪式銑削主軸軸承預壓財團法人精密機械研究發展中心
主軸性能需求 研磨主軸 : 高轉速與低剛性 F r 砂輪 F a 皮帶驅動 禁止轉載 F r 財團法人精密機械研究發展中心
主軸性能需求 內藏式銑削主軸 : 高轉速與徑 / 軸向剛性 F 禁止轉載 a F r 財團法人精密機械研究發展中心
主軸性能需求內藏式車削主軸 : 轉速與徑向剛性兼具 禁止轉載直接式 / 皮帶式銑削鑽孔主軸 : 轉速與徑 / 軸向剛性兼具財團法人精密機械研究發展中心
主軸性能需求 車削主軸 : 低轉速與高徑向剛性 禁止轉載齒輪式銑削主軸 : 低轉速與高徑向剛性財團法人精密機械研究發展中心
油脂油霧油氣 主軸與軸承 低速斜角高速形式滾柱轉速定位置彈簧力預壓主軸承軸 潤滑 禁止轉載剛性軸向固定端徑向浮動端排列財團法人精密機械研究發展中心
高速主軸設計流程 刀具系統迷宮環驅動方式軸承形式冷卻液迴路主軸轉速潤滑方式切削液迴路中噴系統拉刀機構潤滑油迴路 禁止轉載切削液平衡孔與吊孔設計財團法人精密機械研究發展中心 51
刀具系統 52
主軸刀具系統發展 禁止轉載 53 財團法人精密機械研究發展中心
銑削主軸刀具系統 7/24 Taper 加工中心機的主軸錐孔通常分為兩大類 : 1 錐度為 7:24(7/24) 的 BT 實心傳統系統 ; 2 錐度為 1:10(1/10) 的 HSK 中空系統 錐度為 7:24 的通用刀柄通常有五種標準和規格 : NT( 傳統手動裝刀型 DIN 2080 / ISO 2583) DIN 69871 ( 德國標準 )SK 禁止轉載 IS0 7388/1 ( 國際標準 ) MAS403 ( 日本標準 )BT ANSI/ASME( 美國標準 )CAT 財團法人精密機械研究發展中心 54
銑削主軸刀具系統 55
銑削主軸刀具系統 56
銑削主軸刀具系統 鋼珠式 57
拉刀力參考值 Forces shown are "Suggested Drawbar Pull Force". CAT(BT/DIN)30 : 5340 N / 1200 lbf CAT40(BT/DIN) : 10230 N / 2300 lbf CAT45(BT/DIN) : 17790 N / 4000 lbf CAT50(BT/DIN) : 22240 N / 5000 lbf 禁止轉載 CAT60(BT/DIN) : 57830 N / 13000 lbf 財團法人精密機械研究發展中心 58 58
HSK 刀具系統 HSK 25 32 40 50 63 80 100 125 160 DIN ISO 69893-1 12164-1 A * * * * * * * * 69063-1 12164-2 B * * * * * * * 69893-2 69063-2 N/A C * * * * * * 69893-1 69063-1 N/A 69893-2 D * * * * * * N/A 禁止轉載 69063-2 69893-5 E * * * * * N/A 69063-5 69893-6 F * * * N/A 69063-6 財團法人精密機械研究發展中心 59
HSK 刀具型式 自動換刀 (ATC) 高速型適用綜合加工機手動換刀木工機適用 60
HSK 夾爪 61
HSK 容許最高轉速 62
BT vs.hsk JMTBA MAS-403 "BT" JIS B 6339-1986 JIS B6339-1992 ISO 7388/1-1983 MODEL D1 D2 t1 t2 L1 L2 L3 L d1 d2 G BT30 46 38 20 2 48.4 34 24 70.4 31.75 12.5 M12 BT40 63 53 25 2 65.4 70 30 92.4 44.45 17 M16 BT50 100 85 35 3 101.8 90 45 139.8 69.85 25 M24 A40 A50 A63 A32 禁止轉載 B50 B63 B80 A80 A100 A125 HSK E25 B40 A160 E40 E50 E63 B100 B125 B160 E32 F50 F63 F80 d 2 19 24 30 38 48 60 75 95 120 財團法人精密機械研究發展中心 63
BT vs.hsk 64
軸承選用 65
BT vs. 軸承選擇 66
HSK-A vs. 軸承選擇 67
HSK-B vs. 軸承選擇 68
軸承排列規劃
軸承排列位置定義 浮動端固定端 ( 精度 )
主軸軸承排列結構 大 O 排列 小 O 排列 禁止轉載小 O+ 彈簧預壓財團法人精密機械研究發展中心 71
軸承排列 齒輪式銑削主軸 F a 禁止轉載 F r 轉速與剛性 F r 立式與臥式財團法人精密機械研究發展中心
軸承排列 皮帶式銑削主軸 F a 禁止轉載 F r F 轉速與剛性 r 立式與臥式財團法人精密機械研究發展中心
軸承排列 齒輪式銑削主軸皮帶式銑削主軸
軸承排列 直結式銑削主軸 F a 禁止轉載 F r 轉速與剛性立式與臥式財團法人精密機械研究發展中心
軸承排列 內藏式銑削主軸 F a 禁止轉載 F r 轉速與剛性立式與臥式財團法人精密機械研究發展中心
內藏式銑削主軸 軸承排列 轉速與剛性立式 禁止轉載轉速與剛性臥式財團法人精密機械研究發展中心
軸承排列 皮帶式車削主軸 F a 禁止轉載 F r F r 轉速與剛性臥式財團法人精密機械研究發展中心
軸承排列 皮帶式車削主軸
軸承排列 皮帶式研削主軸 F 禁止轉載 r F r 轉速與剛性臥式財團法人精密機械研究發展中心
軸承排列 皮帶式研削主軸
軸承排列 內藏式研削主軸
永磁式馬達 83
Encoder 禁止轉載 FANUC 財團法人精密機械研究發展中心 84
迷宮環設計 85
迷宮環設計 86
迷宮環設計 87
迷宮環設計 88
迷宮環設計 89
SETCO Air Shield 90
冷卻迴路 91
主軸熱源分佈 92
15.000 rpm ISO / BT 50 45 / 37 kw 93
刀具檢知設計 94
Tool In Tool Out HSK 刀具檢知位置 禁止轉載 No Tool 財團法人精密機械研究發展中心 95
中噴系統 96
中噴 旋轉接頭 ES ESX ESX20M ES20J 禁止轉載 最高圧力:20MPa 最高回転数:50000rpm 最大行程:8mm 財團法人精密機械研究發展中心 97
中噴 旋轉接頭 最高圧力: 7 MPa 最高回転数:15000 rpm MQL 禁止轉載 LX 財團法人精密機械研究發展中心 98
中噴 旋轉接頭 99
中噴 旋轉接頭 禁止轉載 20,000rpm 財團法人精密機械研究發展中心 100
吊孔, 退出孔 101
主軸性能量測 組裝測試 靜態精度檢驗 溫昇跑和測試 動平衡校正 振動 / 頻譜量測 102
主軸剛性測試 103
主軸外型圖 104
拉刀力檢測 105
拉刀力檢測 106
主軸精度檢驗 107
主軸精度檢驗 108
主軸精度檢驗 109
主軸精度檢驗 110
主軸溫度量測 111
主軸溫度量測 112
油氣潤滑油量與軸承溫升 113
動平衡校驗 進行主軸振動與動平衡校驗 114
動平衡校驗 心軸及轉子動平衡校正 115
動平衡校正 禁止轉載 116 財團法人精密機械研究發展中心
動平衡校正 禁止轉載 117 財團法人精密機械研究發展中心
動平衡校正 主軸心軸單體 --- G0.4 主軸組裝 --- G1 118
動平衡校正 禁止轉載 119 財團法人精密機械研究發展中心
主軸振動檢測 主軸頻譜分析 禁止轉載 120 財團法人精密機械研究發展中心
主軸振動檢驗振動計 禁止轉載 121 財團法人精密機械研究發展中心
主軸振動檢驗 禁止轉載 122 財團法人精密機械研究發展中心
主軸振動檢驗振動單位 加速度 Gs (RMS) 速度 mm/s (0-P) 禁止轉載位移 μm (P-P) 123 財團法人精密機械研究發展中心
振動幅值的轉換圖 禁止轉載 124 財團法人精密機械研究發展中心
振動幅值的轉換表 禁止轉載 125 財團法人精密機械研究發展中心
主軸振動檢驗 禁止轉載 126 財團法人精密機械研究發展中心
禁止轉載 127 財團法人精密機械研究發展中心
主軸振動檢驗 禁止轉載 128 財團法人精密機械研究發展中心
主軸振動檢驗 Vibration Severity Limits ISO 10816-1 禁止轉載 129 財團法人精密機械研究發展中心
工具機主軸振動量測 ISO 17243-1 禁止轉載 130 財團法人精密機械研究發展中心
工具機主軸振動量測 ISO 17243-1 ( 滾珠軸承 ) 禁止轉載 131 財團法人精密機械研究發展中心
工具機主軸振動量測 ISO 17243-1 ( 滾柱軸承 ) 禁止轉載 132 財團法人精密機械研究發展中心
Shutdown level Full Measurement, 6 x base level Analysis & Vibration Level V RMS 主軸振動檢驗 Diagnosis Alarm level 2 x base level Repair 禁止轉載 Time 133 財團法人精密機械研究發展中心
主軸頻譜量測
主軸頻譜量測 Contact Angle β Pitch Diameter Ball Diameter Number of Balls
主軸頻譜量測
主軸頻譜量測 禁止轉載 137 財團法人精密機械研究發展中心
主軸頻譜量測 UNBALANCE 1X RPM always present and normally dominates 禁止轉載 Amplitude varies with square of increasing speed Can cause high axial as well as radial amplitudes 138 財團法人精密機械研究發展中心
主軸頻譜量測 ANGULAR MISALIGNMENT PARALLEL MISALIGNMENT 禁止轉載 1x 2x 4x Radial 139 財團法人精密機械研究發展中心
主軸頻譜量測 BENT SHAFT Bent shaft problems cause high axial vibration 禁止轉載 1X RPM dominant if bend is near shaft center 2X RPM dominant if bend is near shaft ends 140 財團法人精密機械研究發展中心
主軸頻譜量測 MECHANICAL LOOSENESS (C) Phase is often unstable 禁止轉載 Will have many harmonics Can be caused by a loose bearing liner, excessive bearing clearance or a loose impeller on a shaft 141 財團法人精密機械研究發展中心
主軸智慧化發展 The Development of Intelligent Spindle 142
An Intelligent and Energy Efficient Performance Spindle System 軸承溫度檢知 旋轉振動檢知 軸向位移檢知 禁止轉載 Smart Spindle 財團法人精密機械研究發展中心 143
Intelligent Performance Spindle (IPS)
Performance Spindle System 溫度檢知軸承溫升保護 振動檢知主軸振動研判 溫度計頻譜分析軸承故障診斷 加速規切削顫振預警 刀具壽命預知 位移計 編碼器 軸向位移 加工撞擊紀錄 近接開關 旋轉速度 軸向精度補償 禁止轉載換刀次數軸承壽命預知 運轉時間拉刀壽命預知 預警保護 預知保養 精度提升 財團法人精密機械研究發展中心 145
Question & Discussion See You Next Time 146