｜工具機結構結合介面特性對機械接觸熱阻影響之研究

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。在工具機的誤差中，熱的影響是最嚴重的，熱對於精度的誤差佔了所有誤差的70 %。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。在本研究中，我們針對工具機主要使用的鑄鐵及碳鋼材料，利用實驗的方式量測在不同螺絲鎖合應力與不同表面粗糙度下的接觸熱阻，期能為超高精度的工具機建立一接觸熱阻資料庫，進而能夠更準確地進行熱傳模擬以探討其熱耦合效應。

Abstract: The main error of ultra-precision machining is thermal error. The temperature rise during the cutting process which is caused by heat generation often results in low quality and poor accuracy. Among all the factors which compromise the accuracy of machine tools, heat plays the most critical role and accounts for more than 70 % of the error. Because heat is produced during the machining processe, 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 is a major research problem for the machine tool. Usually, finite-element simulation is utilized in order to come up with an effective thermal solution. However, one unknown parameter in such a modeling effort is thermal contact resistance found between two adjacent parts. Usually, thermal contact resistance is affected by the interstitial materials, surface roughness, and contact pressure between the two bodies in thermal contact. In this study, we focus on establishing a database for thermal contact resistances between cast iron and carbon steel commonly used in ultra-precision machine tools. The influences of surface roughness and bolt tension are discussed. The outcome will contribute to a more accurate simulation effort for studying the thermal coupling effects on ultra-high precision machining tools in the future.

關鍵詞：熱誤差、表面粗糙度、接觸熱阻、熱耦合

Keywords：Thermal Error, Surface Roughness, Thermal Contact Resistance, Thermal Coupling

前言
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。

工具機加工總誤差量約有40-70 %是由熱誤差所貢獻[1]，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。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。國內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對加工定位的影響，尤其是工件與工件之間的接觸熱阻，在進行數值模擬時常常忽略不計，造成誤差。也由於工具機定位精度通常都是以m為單位，因此接觸熱阻就變成了工具機熱傳分析時影響準確度的重要因子。近年來國外開始有學者專家投入動態模型之研究，國際大廠更是相繼提出減少熱誤差的技術。若能採取建立熱誤差模擬分析技術之手段導入先期工具機開發設計以減少熱誤差產生，更具有便利性且符合經濟效益，屬於適合先行發展之技術。

工具機在動態行為中產生的熱傳行為，根據傅立葉定律（Fourier's Law），在固體內的熱通量與溫度梯度呈線性關係，其中材料之熱傳導係數隨著溫度的變化並不明顯，故我們通常將熱傳導係數視為一定值。當兩個固體相互接觸時，熱會由較高溫的物體傳向較低溫的物體。然而，由於表面粗糙度的緣故，在兩物體接觸的接合面上會產生溫差。故可由通過材質A與材質B接合面之熱通量與兩材質的溫度在接合面處差值TA-TB的比值來定義接觸熱阻，如式（1）所示。