工具機導軌結合面剛性提升暨結合面鏟花參數檢測技術

導軌結合面剛性提升技術發展
工具機是由結構與零組件透過組裝鏟配完成的機器，其中結構或零組件間互相連接的接觸面，稱為結合面，如：導軌與底座鎖固接觸面、底座與立柱結合面等。這些結合面多以螺栓鎖固連接，結合面一般是機台剛性較薄弱部位，對機台精度與穩定度影響很大，組配時結合面的接觸率或鎖緊力矩不足，不適當的組配參數，造成結合面剛性與阻尼的下降，在切削過程會導致機台動態特性不佳而使振動與切削顫振發生，不僅工件品質不佳，也易造成結合面螺栓夾緊力的下降，影響機台精度保持與加快精度衰退過程。由於剛性是負載除以變形而得，因此，若能加大結合面剛性，以增加儲備剛性與精度概念，不僅減少變形改善導軌精度，並可增加穩定性與延長精度壽命。
因此精機中心藉由發展高穩定整機組配基礎技術計畫，提出可行解決方案，年度成果說明如圖1：

圖1 導軌結合面剛性提升技術發展成果示意

(1)提出以結合面上最大應力錐面積優化螺栓鎖固參數的方法，以螺栓結合剛性理論為基礎，當螺栓鎖固應力錐最大截面積處在結合面位置時，具有較佳結合面剛性特性，依此設計螺栓鎖固參數。目前業界螺栓鎖固參數多數採用經驗公式(鎖緊深度約為螺栓螺牙外徑×2)，並無學理性設計方法依循，最大應力錐面積往往並非位於結合面上。本計畫設計模擬導軌與床身結合面的實驗載具，分別採用本文提出的最大應力錐面積方法與業界經驗公式設計螺栓尺寸(也可設計螺孔尺寸)，使結合面上的應力錐面積較經驗公式提高3倍以上，以實驗載具進行結合面剛性鑑別實驗，結果顯示以結合面最大應力錐面積鎖固方式，相較於經驗公式，在相同的鎖緊力矩下，實驗載具單一螺栓結合面剛性提升20%以上。
(2)發展一種螺栓結合面剛性鑑別方法，為了求取不同加工方式(研磨、銑削)與螺栓鎖固應力錐面積等參數對導軌結合面剛性影響，本計畫整合實驗載具設計、結構動態響應試驗與有限元素(FEA)分析，發展一種鎖固結合面剛性鑑別方法，此方法特點為：藉由比對實驗所得自然頻率與鎖緊力矩關係圖，與FEA分析自然頻率隨結合面剛性變化關係圖，透過內插法計算可很快得到不同鎖緊力矩下結合面等效剛性值。