工具機動態進給熱生成與冷卻機制的探討

摘要：熱誤差是超精密加工機最主要的誤差來源，而在切削加工過程中所產生的溫昇造成的熱變位往往使得加工精度降低及品質不佳。工具機加工時之誤差有40 %至70 %是由熱變位所造成[1]。由於在工具機的運轉或切削加工過程中很難避免熱的產生，如何預測工具機的溫度變化，進而設計有效的熱管理措施，便是發展超高精度工具機的一項重要任務。就目前而言，工具機廠除了發展高精度五軸加工機外以及加值軟體之外，最主要還是會針對工具機熱誤差相關課題去做研究。在工具機內的熱傳模擬中，影響甚大的一項因子即是工件之間的接觸熱阻。接觸熱阻會受到接觸面材質、表面粗糙度、表面油膜特性及結合應力的影響，進而改變工具機內的溫度分布與熱變形量。因此，工具機熱行為表現的優劣程度，可視為衡量精度與穩定度的重要指標；本研究中，我們針對工具機主要使用的鑄鐵及碳鋼材料做分析並使用冷卻流體針對工具機動態進給所產生的熱量進行熱交換的動作來達到熱誤差抑制的手段。我們以有限元素法模擬最佳的冷卻流道及冷卻條件並搭配冷卻機針對熱源做熱抑制手段，使結構溫度變異在±0.5℃以內。

Abstract: The main error in ultra-precision machining is thermal error. The temperature rise during the cutting process caused by heat generated often makes low quality and poor accuracy. During machine tool cutting processes, about 40% to 70% of error is caused by thermal deformation. Because heat is produced during the machining processes, thermal displacement is inevitable without proper thermal management. In addition to the development of high-precision 5-axis machining and intelligent software, thermal error is very important and a leading research topic for the machine tool. Usually, finite element simulation is used to in order to come up with an effective thermal solution. However, one unknown parameter in such a modeling effort is the thermal contact resistance found between two parts in contact. Usually, thermal contact resistance is affected by the interstitial materials, surface roughness, and contact pressure between the two bodies in thermal contact. So, the thermal behavior of machine tools can be used as an important index to judge accuracy and stability. In this study, we analyzed material properties of cast iron and carbon steel, in addition , we used finite element method to simulate optimal cooling channels and cooling conditions as well as control the heat source of a cooler to make the structural temperature variation within ±0.5℃.

關鍵詞：熱誤差、熱變位、接觸熱阻、熱抑制

Keywords：Thermal Error, Thermal Deformation, Thermal Contact Resistance, Heat Inhibition

前言
近幾年來隨著高效率及高精度化的加工需求不斷地提升，工具機在動態加工時精度上的要求也越來越高。然而，在高精度的工具機開始運轉後，機件之間的摩擦及加工所產生的熱能，卻是影響工具機加工精度的關鍵因素。工具機熱源種類可分為外部與內部熱源。外部熱源主要包括外在環境與人為影響所造成的溫度變異；內部熱源則是包括機械本體運轉與切削過程中產生的熱，機械本體熱源主要有各軸向馬達、主軸、冷卻系統、導軌或螺桿等運動介面所產生的熱量，而切削過程產生的熱主要是由刀具與工件之間相對運動以及其所產生之切屑所造成。不管是外部或是內部熱源，上述各種熱源會以傳導、對流、或是輻射的方式來改變機械結構的熱狀態，致使刀具尖點產生位移而造成所謂之熱誤差。可見其對於工具機加工精度之影響，扮演著絕對關鍵的角色。現今工具機技術發展的重點，即在於如何有效地控制熱變位所導致的誤差。一般而言，最常採用的措施有熱源抑制、熱源隔絕及熱平衡設計等方式。如何有效地控制溫升效應，盡量降低工作組件的熱變位，是設計超高精度工具機的主要項目之一。目前有許多精密的工具機系統採用了熱源冷卻系統，然而，在設計冷卻系統的時候，必須先了解熱源溫升的影響。Xia等人[2]使用白金電阻式溫度感測器，對進給系統實驗平台進行不同操作條件(進給速度、切削力、預拉力)情形下，進給系統所受熱變位情況。1998年，Fraser等人[3,4]建立結構熱變形的數學模型並簡化，並能夠把握有限元求解的準確性，也能呈現整個結構溫度場的完整性，另外把“廣義建模”新觀念進一步延伸至S域使用拉普拉斯傳遞函數的形式，使得該模型更適合用於控制上之應用，並能提高求解計算速度。1999年，Yun等人[5]將高速進給系統的熱誤差分成導螺桿以及導軌兩部分，分別經由MLCM以及GEA方法分析滾珠導螺桿進給系統的線性定位誤差並結合FEM方法來估計結構受熱變形之行為。1989年，Marshall和Hardwick [6]利用溫度量測技術量測結構溫度與結構尺寸變形量對應刀尖點對於工作台之相對位移，並將對應之刀尖─工作台位移量，輸入控制器作熱補償。1993年，Hatamura [7]利用熱致動器結合力量感測器與應變規來做主動式補償結構熱變形之設計，並分別利用矩陣法以及神經網絡法來測試結構熱變形之控制。1995年，Wecka等人[8]描述工具機結構熱變形的研究分析，針對不同的熱源所造成的熱變形問題以及熱變形之行為分析。