工具機鎖固結合面與地腳性能提升探討

前言
目前國產工具機的精度、性能已接近國外領導廠家，但在機台精度壽命仍有較大的差距，對工具機而言，組配對其性能影響巨大，即使是同樣精度的組件，裝配過程的差池，品質和性能就會有很大差異，而以往易被廠家忽略的機台組件結合面、支撐地腳的剛性與精度都對工具機的精度壽命與穩定度有很大影響。
以組件間的結合面為例：由於結合面是機台性能最薄弱的環節，在接合面在鏟配鎖固過程中，當裝配精度達不到要求時，利用試誤法或者不恰當的螺絲鎖緊力等措施使連接件局部變形過大來保證幾何精度，造成較大的裝配應力，在使用時應力釋放導致導軌或底座等安裝基準產生變化；或是鏟配鎖固時結合面的接觸率不足，造成接觸剛性與阻尼的下降，會導致機台動態特性不佳使機台振動與切削顫振的發生，不僅加工品質不佳，也易導致機台精度的衰退與下降。
在支撐地腳方面，地腳由墊鐵支撐與床台底座鎖附的地腳螺絲組成，其作用是將機台固定在基礎上，支撐床身重量並承受機台切削力與移動件產生的傾覆力矩，防止床身位移；傳遞與吸收機台與外界振源的部分振動；且能調整機台的水平與維繫其基礎精度，顯示支撐地腳組配的剛性與精度對機台性能的維持有重要影響。不適當的設計、安裝會導致地腳模組的接觸剛性不足，除了影響機台切削性能與穩定性外，不均勻的地腳支撐負載，可能導致使螺絲鬆弛影響墊鐵的支撐力與接觸剛性，導致床身幾何精度發生變化，而影響機台的精度保持狀態。
為此，工基計畫高穩定整機組配基礎技術結合精機中心的組裝研發能量，在FY107年針對(1)工具機固定結合面剛性提升技術；(2)地腳支撐剛性與精度提升技術等項目進行探討，以下說明相關研發成果：
計畫成果說明
1.工具機固定結合面剛性提升技術
以提升工具機固定結構件結合面的性能為研究目標，發展固定接合面組裝穩定性分析技術與方法，發展提升結合面剛性與精度的參數，並進行分析與驗證，其研發實施說明如圖1所示。主要研發成果包括：
(1) PMC提出優化鎖固結合面應力錐面積，提昇結合面剛性的方法；以螺絲鎖固應力錐理論為基礎，透過優化結構件肋厚，螺絲、墊圈尺寸或形態等參數，讓鎖固結合面上有最大應力錐面積，當結合面壓應力面積越大，單位面積受力變形越小，結合面剛性也越高，因此，可預期當結合面處位在應力最大截面積位置時，有較佳的結合面剛性，而且應力分布狀態較為均佈，本方法可提供業界具學理性的鎖固方法，改善依經驗公式進行螺絲鎖的現況，進而強化結合面的性能。
(2)發展鏟花結合面鎖固後剛性鑑別分析技術；依所提出結合面鎖固優化方法，進行實驗驗證。由於結構結合面為確保其穩定接觸，會對接觸面進行鏟花，確保結構件間有適當的接觸率。本計畫設計製作業界常用的鏟花接觸率實驗載具，透過發展載具有限元素分析模型，並與動態響應試驗結果比對，進行結合面剛性鑑別，本計畫所發展剛性鑑別方法優勢，在於可很快獲得不同鎖緊力矩下的結合面剛性，作為評估鎖固性能優化效果依據。