刀具平衡与高速洗切加工.ppt

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1、1,刀具平衡與 高速切削加工,主講人：褚春旭上海意威科技有限公司上海市天目西路547號A1702室TEL:021-63532225 33030520 FAX:021-63549102,2,大 綱,何謂平衡刀柄不平衡於高速加工之影響刀柄不平衡的來源刀柄平衡機如何測試刀柄不平衡平衡公差訂定結論,3,鏈球之丟擲與平衡之關聯,4,為何鏈球之丟擲與平衡有關聯？,不平衡(unbalance)-鍊球及繩離心力(centrifugal force)-旋轉造成旋轉軸(rotation axis)衝擊軸承-腳底起水泡,許多關係！,Centrifugal force F(離心力),5,什麼是不平衡(unbalanc

2、e)？,6,不 平 衡,當慣性軸（重心軸）與 幾何旋轉軸中心軸不同心時 稱為不平衡之轉子。,7,8,9,不平衡之單位,Ounce-Inch(oz.-in)盎斯-英吋Gram-Inch(gm.-in)克-英吋Gram-Millimeter(gm-mm)克-厘米Kilogram-Millimeter(Kg-mm)公斤-厘米,10,不平衡單位從何而來？,11,12,例1.不平衡重量=1克 半徑位置r=100mm,例2.轉子重量=5000克 重心偏位置e=0.02mm,1 Gram x 100 mm=100 gm-mm,5000 Gram x.02mm=100 gm-mm,13,14,不平衡種類,15

3、,不平衡種類,STATIC Unbalance(靜不平衡)重心與旋轉中心產生平移偏差,U=(m)x(r),16,不平衡種類,COUPLE Unbalance(偶不平衡)慣性軸通過旋轉中心線重心點,17,不平衡種類,DYNAMIC Unbalance(動不平衡)結合靜與偶不平衡,慣性軸,18,不平衡產生之原因？,不均等之重量分配,19,刀具不均等重量的來源,設計及加工Drive slots on CAT-Type刀柄 油壓式夾緊刀柄 零元件組合及夾持間隙夾筒及螺帽追加之零件切削刀具及鎖緊螺帽重心與旋轉軸中心不同加工公差,20,不平衡造成之結果,振 動,21,為何造成振動？,當一不平衡轉子經由旋轉

4、產生離心力“F”(centrifugal)，離心力衝擊主軸產生振動。不平衡“u”離心力“F”振動“V”離心力“F”=m x r x 2=m=質量 r=半徑=角加速度例：n=15000 min-1 r=50mm m=4g F=450N n=30000 min-1 r=50mm m=4g F=1800N,m x r x(2 x x n)2 602,22,振動造成主軸損壞,Bearing fatigue life function of load(-3),不平衡力與切削力對主軸之影響,23,不平衡對高速切削之影響,主軸壽命降低產生動態偏擺(Dynamic Run-out)影響表面精度幾何加工誤差加大

5、形狀加工誤差加大刀具磨損,24,Unbalance Causes Spindle Runout,Amount of runout depends on machine and rotating workpiece or tool,Low speed:unbalance force small,only static runout present,High speed:unbalance force causes dynamic runout,25,Dynamic Runout Causes Milling Error,Combined Static/Dynamic Runout can cau

6、se significant geometry errors,26,Dynamic Runout Causes Milling Error,Actual width,Pocketswider,+,+,27,Unbalance-Induced Runout Accelerates Milling Tool Wear,Increased cutting forces lead to premature tool wear,Nominal chip thickness,Increased chip load for“high”tooth,Reduced chip load for“low”tooth

7、,28,平衡可改善高速加工精度,提升幾何切削精度延長軸承及主軸壽命延長刀具壽命保持穩定切削力提升加工表面粗糙度,29,刀具平衡可降低主軸振動,30,平衡可減少Dynamic Runout,Balanced,Measured Tool Orbit Motion(microns)With Toolholder/Spindle Assembly Unbalanced and Balanced at 24,000 rpm,31,保持穩定切削力,Unbalance Tool Produces Unstable Cut,Balancing Eliminated Chatter,Measured Spind

8、le Housing Vibration During Cut At 16,000 rpm,32,提升表面粗度,By eliminating runout,4-flute cutter can achieve same surface at 4X the feed!,(To achieve 1.25 m-m surface with worst case runout,feed must be reduced to 0.033 mm/tooth),Predicted End-Milled Surfaces3.2 mm,4 Flute Cutter,0.132 mm Feed/tooth,(Bu

9、t if runout exceeds worst case,surface will not get any worse),33,不平橫因素之來源,固定來源不確定來源,34,不平衡因素固定來源,V-flange未加工不均等重量分配驅動槽深度不一致(CAT V-flange)DIN規定之HSK等級Drive key slot 在 HSK A,B,C,D形狀,35,36,不確定因素,筒夾筒夾螺帽切削刀具鎖緊旋鈕Back-up 螺栓,37,38,切削刀具之不平衡,切刃之深度變化切刃之長度變化單刃搪刀,39,刀柄之銘板,部份銘板之重量約 0.15 mg/mm2尺寸 38 x 24 mm 150 mg

10、 5 gmm 不平衡,40,刀柄平衡機,41,硬支撐平衡機V.S軟支撐平衡機,42,43,軟支撐平衡機特性,量測位移量操作速度須在共振速度以上不同重量及外形尺寸之刀柄須用已知之砝碼校正後，始能開始平衡,44,軟支撐平衡機之優缺點,優點：價格較低無特殊地基要求少樣大量之生產適合，不須常更換夾具及校正,缺點：每種不同規格、重量、尺寸均須校正後，始能量測，不適合多樣少量及彈性生產線感測器較脆弱、易故障操作者須有極佳之經驗及平衡理論之知識,45,46,HOFMANN硬支撐平衡機特性,直接測量離心力F=u x w2操作速度範圍低於共振速度旋轉後可立即指示不平衡量不同規格轉子不須校驗,47,HOFMANN

11、硬支撐平衡機優缺點,優點：永久免校正不同規格轉子不須試重塊校正不平衡量測不受轉子重量及轉速影響感測器較堅固機種改變快速容易操作者不須特殊經驗,缺點：價格較高重量大之轉子地基要求較高(2000kg以上),48,HOFMANN硬支撐平衡機提供更多之優點：,彈性化高機種更換快速容易適用零件範圍較大環境要求較低可靠性高,49,兩種刀柄平衡之優缺點,橫式平衡直立式平衡,50,橫式刀柄平衡法,51,刀柄橫式平衡缺點,須要一平衡用之假軸或夾具須要拉桿或類似之刀柄拉緊機構外懸平衡造成另一測試架產生負向負載，面分離精度及平衡精度不佳,52,HOFMANN直立式刀柄平衡機,53,直立式平衡優點,無須平衡假軸無須刀

12、柄拉桿，不影響平衡精度極佳之面分離及平衡精度,54,刀柄平衡單面或雙面校正,55,刀柄不平衡修正方法,加料(重)修正去料(重)修正不平衡修正配重調整(配重環或螺絲),56,HOFMANN刀柄平衡機規格,57,平衡公差,58,平衡標準及HOFMANN建議,ISO 1940-歐洲及亞洲ANSI 2.19及API 610-美國,“H.T.B.M”-5 from HOFMANN“G 16”from“AIF-Arbeitskreis Wuchten”,59,什麼是ISO 1940？,ISO 1940 G平衡等級是什麼？,60,G平衡等級之定義,重心點之旋轉速度單位：mm/secG=e x w,61,IS

13、O 1940平衡等級表,62,如何使用ISO 1940定義公差？,平衡公差 g-mm=,9.54 x G(等級)x 轉子質量(g),RPM,63,依ISO及ANSI標準銑削加工機應符合G 2.5,但是G 2.5並非適用於所有高速加工,為什麼？,64,刀柄製造精度,BT刀柄Centring精度 5-10mHSK刀柄Centring精度 1-3m,65,刀柄Centring精度之極限在極高速下無法達到G2.5平衡精度要求,G,x 103 min-1 Operational speed,SK/BT centring ability set to 5 mHSK centring ability set

14、 to 2 m,66,其他各種不確定之平衡誤差,例如：主軸內之拉桿(drawbar)刀柄與主軸之結合主軸之不平衡,以上等因素皆可能造成平衡超過G 2.5,67,不同加工方式產生不同之平衡要求,鑽孔與銑削不同銑削與擴孔不同擴孔與鉸孔不同其他等,68,平衡公差要求取決於：,刀柄重量工作速度 RPM-(w2)“要求執行之加工種類刀柄Centring之能力,適當之公差為合理之要求,69,G 2.5要求造成將一些不必要的負擔加諸於：,刀柄及刀具製造廠工作母機製造廠機器使用者,是否有其他較合理之方法？,70,HOFMANN提出H.T.B.M-5平衡公差方法,何謂H.T.B.M-5？刀柄之平衡公差應依據其組

15、裝後執行加工時所承受之最大切削力而訂定其公差,71,何謂H.T.B.M-5？,平衡公差應以其刀柄及刀具組合後，其不平衡產生之離心力，須等於或小於5%切削加工力。為什麼？,72,增加5%切削力並不影響,軸承壽命刀具壽命表面粗糙度加工公差及精度(不會產生動偏擺“Dynamic Runout”)因此為合理之平衡公差,73,ISO 1940 G2.5與HOFMANN HTBM-5平衡公差比較,74,例一,刀具刀具重量切削轉速最大切削力刀柄允許之離心力HTBM-5平衡公差ISO 1940 G2.5平衡公差,HSK-100A3Kg15000RPM1000N50N(5%)20g-mm4.3g-mm,75,例二,刀具刀具重量工作轉速最大切削力刀柄允許之最大離心力HTBM-5公差ISO 1940 G 2.5,HSK-400.35Kg22000RPM100N5N(5%)7 g-mm0.3 g-mm,76,結 論高速加工刀柄及刀具平衡,刀柄及刀具之不平衡造成-主軸壽命減低-刀具壽命減低-幾何精度加工精度較差-加工表面粗度差-產生噪音刀柄平衡機應選用直立式單面或雙面硬支撐平衡機刀柄及刀具平衡公差應依切削力決定而非盲目追求ISO G2.5公差,