工業基礎專欄|工具機螺絲鎖固對組裝精度與性能影響分析

作者:

曾立維、黃韋倫、卓家軒、鐘政皓、蔡皓宇、吳承彥

刊登日期:2020/09/30

前言
目前國產工具機組裝精度已經達到先進國家的水準,但然而在機台的切削性能與精度保持性和先進國家比起來仍有些許的差距,分析原因之一在於工具機零部件之間的結合面。工具機絕大部分的零部件是利用螺絲鎖固結合,結合面也是機台剛性與阻尼特性較薄弱之處,因此工具機零組件組裝鎖固過程會影響結合面的性能和精度。而不同螺栓鎖固參數(鎖固序列、鎖緊力施加分配、擰緊步數、鎖固扭矩、地腳螺栓…)會影響到工具機組裝精度和精度壽命,適當的螺絲鎖固方式可以降低組裝時產生的變形量和應力,再加上合適的鏟花結合鎖固優化的實施,能改善結合面的接觸特性,進而提升工具機精度性能與穩定性。
螺絲鎖固參數與機台精度與性能的關係,受制於檢測設備能量,不易直接由實驗取得到明顯穩定的變化狀態。因此藉由有限元素分析彌補實驗的不足,並將分析與 有限的實驗結果相互比對確認,對於瞭解這些參數對機台精度性能的影響顯得相當重要。為此,精密機械研發中心(PMC)在執行工基計畫-高穩定組裝技術發展時與彰師大機電系曾立維教授團隊合作,依規劃的實驗載具發展螺絲鎖固有限元素分析模型,探討鎖固參數對機台組裝精度性能的影響,尋求鎖固性能優化參數與改善方向。
螺絲交互作用暨鎖固性能影響分析
螺絲照一定順序對螺絲組進行預緊鎖固時,隨著接觸狀態的改變,螺栓、被連接件或密封墊的剛性和形狀都會發生變化,因此先擰緊的螺栓會受到後擰緊螺栓的作用,導致先擰緊螺絲的夾緊力發生或大或小的變化,大多數情況下會減少,這種作用即為彈性相互作用(Elastic interaction)。由於螺絲交互作用影響,會導致螺絲鎖固後的狀態的變化,為了釐清鎖固參數會對機台組裝後精度造成影響,本研究以商用有限元分析軟體為工具,首先發展螺絲鎖固模型與分析方法,透過與國外文獻分析結果比對等方式驗證模型的準確性後,分別建立導軌的螺絲鎖固、機台結構件的螺絲鎖固等模型進行分析。此外,由於地腳支撐也是影響工具機穩定性的原因之一,研究中也探討地腳螺栓與墊鐵接觸形狀對其支撐性能的影響,本研究的實施大綱如圖1所示。

圖1 工具機螺絲鎖固對組裝精度與性能影響分析實施大綱

1.鎖固參數對機台精度與性能影響分析
目前完成的成果包括:螺絲擰緊次數與擰緊扭矩分配、不同導軌與構件鎖固順序、結合面有無應力面積優化、螺絲鎖固距離等參數…對組裝後精度變化影響,以及鎖緊力對結構變形的分析,找出對應精度較佳的鎖固參數,藉此增加機台組裝後的儲備精度,改善機台的精度穩定性,以下舉出本計畫部份的研究成果:

 

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