::: 前往中央內容區塊
:::

歷史雜誌

購物提醒:當您要離開或跳轉頁面時,請先將您想要購買的文章加入購物車,以便快速紀錄完成購買流程!

高精度旋轉工作台熱誤差冷卻分析及節能研究

作者 紀凱元李坤穎

刊登日期:2025/03/05

摘要

近幾年來,因應半導體、生醫、光學、航太等應用發展隨著加工效率及精度的需求不斷地提升,造就高精密五軸工具機成為高附加價值產業需求。本研究將直驅式(Direct Drive, DD)旋轉工作台進行熱誤差多重物理耦合分析及冷卻性能優化改善並透過實際機台進行實驗及計算提升模擬分析邊界條件的準確性,在模擬分析下,得到了各入口流量及入口溫度設定之變形量及結構溫度結果,能有效的找出適合的邊界條件,研究中透過流量差異最高降低了30 %以上的變形量,透過溫度控制最高降低了40 %以上的變形量,使未來在設定各項邊界條件時有更多的依據及數據去做參考。另外也針對目前低碳化的節能議題進行探討,而能耗及碳排放的研究上,在ISO 230-3:2007實驗方法下,兩種冷卻流量控制方式,冷卻機產生的能源消耗及成本還有碳排放量計算,計算後發現進行了流量控制之整年用電量,相比未控制情況下,減少了1525.33度(kWh)的用電量,相當於減少755.036 kgCO2e的碳排放量,有效減少37.89 %的能耗成本及碳排放。不僅提升了機台精度,也在成本及碳排放量上有明顯的成效。

Abstract

In recent years, the demand for machining efficiency and precision has steadily increased alongside advancements in applications such as semiconductors, biomedical engineering, optics, and aerospace. This trend has driven the development of high-precision five-axis machine tools, which are essential for high-value-added industries. This study focuses on the multi-physics coupling analysis of thermal errors and the optimization of cooling performance for direct-drive (DD) rotary worktables. Experiments and simulations were conducted on actual machines to enhance the accuracy of boundary condition settings in simulation analyses. The simulation results provided insights into deformation and structural temperature distributions under various inlet flow rates and temperatures, facilitating the identification of optimal boundary conditions. Through flow rate adjustments, the deformation was reduced by more than 30%, while temperature control achieved a reduction of over 40 %. These findings offer robust data and a methodological basis for future boundary condition settings in similar applications. Furthermore, this study addresses energy efficiency and carbon reduction, critical topics in the transition towards low-carbon manufacturing. Following the experimental guidelines of ISO 230-3:2007, the energy consumption, operational costs, and carbon emissions associated with two cooling flow control methods were evaluated. The implementation of flow control reduced annual electricity consumption by 1,525.33 kWh compared to uncontrolled scenarios, corresponding to a reduction of 755.036 kgCO2e in carbon emissions. This represents a 37.89 % decrease in both energy costs and carbon emissions.

前言

因應工具機應用領域的擴增,對於加工件的需求亦變得更加複雜。因此我相信未來工具機的發展將朝向實現多角度、多方向切削的五軸加工機為主,以應對不斷變化的市場需求。同時,在面對當前ESG(Environment Social Governance)環境議題時,針對節能減碳的挑戰,未來將會著重於調整加工方式,其中包括提高加工轉速和進給率等,旨在提升生產效率,縮短製程時間,進而減少了單位產品在運轉中所需的能源,透過這些調整,可以有效降低能源消耗,實現能永續發展的生產過程。

工具機在製造零件時的尺寸精度,典型的誤差源是運動誤差、機械熱誤差、負荷、動態力以及運動控制和控制程式,而高達75%的幾何誤差[1],是由熱所引起的,因此控制工具機的熱誤差是精密製造的關鍵需求。Berend Denkena[2] 等人認為未來因為驅動以及軸承技術的成長,主軸將需要承受更高強度的機械負荷,主軸在轉速條件需求越來越高的情況下,對於熱負荷的冷卻要求日益成長。熱源的冷卻效益不足,是影響主軸性能潛力的主因。本文描述近幾十年來許多冷卻方法的研究及其發展動機,開發更高效能且更具成本效益的冷卻概念能應用到現今以及未來的工業實務上。

Teng Liu[3] 等人提出了用於精密機台的差異化多迴路再循環系統,系統可以針對工具機各部位進行差異化的溫度及流量調整,更有效的控制溫度場及熱誤差,對比傳統冷卻系統最高可減少熱誤差64.3 %。Thi-Thao Ngo[4] 等人開發了一種熱電冷卻模組(Thermoelectric Cooling Module, TCM),它可能取代傳統的空氣冷卻系統,用於控制小型內藏式主軸的溫度和熱位移,透過使用TCM冷卻系統,使達到穩態溫度的時間減少了47 %。Kun-Ying Li[5] 等人針對工具機的油冷卻劑開發了不同的冷卻油流量的控制系統,根據主軸的加工負荷和旋轉速度調整油循環流量,加工精度與目前恆定冷卻油量的情況相比,可以大幅度提高34 %~62 %。Yang Tang[6] 等人為利用現有水冷技術提高冷卻效果,在內藏式主軸矩形水冷流道的基礎上提出一種新型凸結構水冷流道,可以增加流體的對流傳熱,提高其冷卻效果。Chenhui Xia[7] 等人基於分形理論,設計了一種新型的分形樹狀網絡流道冷卻水套,並透過數值模擬建立了其熱流分析模型,在相同的泵浦功率下,新型分形流道對流的熱流是螺旋式流道的兩倍以上。

綜上所述,影響工具機精度穩定性的因素涵蓋範圍廣泛,運動誤差、機械熱誤差、負荷、動態力以及運動控制和控制程式,而其中熱誤差又占了最主要的因素。因此,本研究針對五軸加工機中的關鍵零組件-AC旋轉工作台進行多重物理耦合分析探討透過流量控制是否能夠有效降低其溫升及熱誤差,並在實際的五軸加工機透過冷卻流量及溫度控制提昇AC旋轉工作台的動態精度。

「如欲訂購單篇,請至 「華藝線上圖書館」
回文章內容列表

更完整的內容歡迎訂購 2025年03月號 (單篇費用:參考材化所定價)

3篇450元

NT$450
訂閱送出

10篇1200元

NT$1,200
訂閱送出