工具机结构设计与分析.pdf

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1、工具機結構設計與分析程泰機械股份有限公司大綱工具機主結構設計主結構簡介主結構材質主結構設計要點主結構設計流程有限元素法介紹何謂有限元素法有限元素分析的過程有限元素的優缺點研發部21工具機主結構簡介工具機的骨架大型與高重量功能：支撐模組，吸收作用力與震動，在運動、加工和溫度變化下保持相對位置的精度。EX.MC：Bed、Saddle、Column、Table、HeadLathe：Base、Saddle、CrossSlide、Turrut、Tailstock研發部3立式綜合加工機(VerticalMachineCenter)立柱Column頭座

2、Head工作台Table鞍座Saddle床身Bed研發部42臥式車床(HorizontalLathe)床鞍Saddle刀塔Turrut尾座Tailstock機頭Headstock底座Base研發部5常用的主結構材質ManufacturemannerMaterial鑄造〈Casting〉鑄鐵〈Castiron〉焊接〈Welding〉鋼板〈Steelplate〉灌漿〈Grouting〉人造花崗岩〈Polymergranite〉研發部63鑄造此法已經有很長的歷史了，佔整機工具機中70%以上的重量。優點：高阻尼、一體成型、減少加工程序、適合複雜形狀、可大量生產。缺點：

3、製造的環境不佳，有害健康及污染問題。需要製作木模。尺寸掌握較不易。研發部7焊接常用於沖床，滾壓的工具機或少量生產的工具機產品中。優點：強度高，高材料使用率，少量生產時價格低廉，容易變更設計。缺點：低阻尼特性、成本高。Yasda：精度2μ/m多使用「鋼板焊接」。研發部84人造花崗岩以往多用於檢測設備，ex.三次元量床近年來常被採用於磨床與超精密車床床身優點：吸振特性佳熱膨脹小缺點：高價研發部9What’sstiffness?物件受力下抵抗變形的能力。FyKyy研發部105靜剛性〈StaticStiffness〉工具機的靜剛性是指工具在

4、在受靜態負荷作用下抵抗變形的能力，以傳統車床床身為例，當剛性接近線性時可表示為：床身的水平抗彎剛性Kx，垂直抗彎剛性Ky，抗扭剛性C。FxKxxFyKyyMC研發部11靜剛性〈StaticStiffness〉抗彎剛性與抗扭剛性在結構設計來說是非常重要的，越大的截面慣性矩提供越大的抗彎剛性。對於抗扭剛性的提昇則必須設計封閉的截面。2IyzdA2IzydA1M：curvatureBendingdeformtionM：bendingmomentEIE：Young'smodulusI：Momentofinertia研發部126設計要點-合適的截斷面

5、積特性根據材料力學的理論和實驗證明，結構件的抗拉與抗壓剛性決定截面面積的大小，與截面形狀無關；而抗彎與抗扭剛性，除了與截面面積的大小有關外，也與截面形狀有關；因此適當的選擇截面的形狀與尺寸，可以使結構件在同樣的重量條件下具有較高的抗彎剛性與抗扭剛性。研發部13動剛性〈DynamicStiffness〉當動態力作用下，會使機台發生振動，或稱激振力。K：DynamicstiffnessDPkgfP：ExcitedforceKDfmA：AmplitudeAf：Frequency高頻，振幅小；低頻，振幅大當激振力發生在特定頻率下，機台若發生強烈的振動

6、，即所謂的共振效應。研發部147動剛性〈DynamicStiffness〉合理的結構設計，應該盡可能的提高共振頻率，意味著靜剛性的提高和重量減輕，可以同時達到提高鑄件的自然頻率。f：Naturalfrequencyn1KSK：StaticstiffnessfnS2mm：Massofstructure因此，當設計結構時，必須在足夠的靜剛性要求下，設計的結構件質量要越輕越好。研發部15結構設計原則為足夠的靜剛性設計，意指再機台加工時，其最大的受力造成的變形必須在允許的範圍內，及刀具與工件的相對位置能夠在公差範圍內，不需要設計出太壯的結構。具有良好的動態特性，利用

7、提升靜岡性與重量的比值，來提高結構的共振頻率，以防止共振發生，並且在任何頻率下的振動都能在允許的範圍內。減少熱變形，工具機在工作過程中產生的摩擦熱與切削熱，引起結構件的溫度變化，造成熱變形和內應力，必須提供良好的熱對策因應，其他如方便製造、裝配、維修、排屑、運輸…等，在設計過程中應一併考慮。研發部168結構件的壁厚壁厚應盡量取小，其剛性以肋補強，因此，才能使整機的重量減輕，進而提升機台的自然頻率，以獲得良好的動態特性，但是對於鑄造結構件，必須考慮壁避免太薄造成破裂，可與鑄造廠討論設計的厚度是否合理。1KSfn2mMachinesi