Vturn2

一、前言

工具機結構體剛性的強弱與否對於此機台的加工表現有一定程度的影響。而結構體的剛性在設計人員完成結構形狀的設計且選定材質後就已確定，因此在此時就可以用有限元素法的技術對此結構進行分析，可以馬上看出所設計的結構是否有足夠的剛性、是否有結構弱點等…。一方面預先發現問題，另一方面也可嘗試各個不同形狀的設計，以得到最符合結構負載要求的最佳結構形狀。本文的目的在於介紹新開發車床VTurnⅡ-20的底座單體結構在設計的階段所進行的分析工作，藉以讓各位更加瞭解機種開發時結構分析工作的過程。

二、結構分析:

車床的底座結構承受的作用力有頭部、鞍座以上移動件、尾座的重量，以及切削產生的靜態及動態切削力等。本小組針對這些作用力，建立以下三項分析工作，藉以評估底座結構之剛性。

1.頭部、刀塔(包括鞍座)以及尾座重量的作用力:

考量頭部、尾座以及考慮鞍座在Z軸的三個不同位置，分析結構重量對底座造成的影響。分析後的變形結果如圖1～圖3。

图1

 

图2

 

图3

nextpage經由這樣的分析工作可觀察底座結構受到頭部、鞍座以及尾座的重力作用時的變形程度，可看出底座支撐頭部及尾座處之局部結構是否夠強壯，另一方面可看出鞍座在Z軸做移動時，底座軌道面的變形趨勢是否平穩。

2.切削力作用

車削加工時，刀具及工件間會產生大小相同方向相反的切削力，切削力會分別藉著鞍座以及頭部本體傳遞到底座，使底座產生變形。若底座承受切削力的能力太差，則有可能會造成加工尺寸不良問題，因此良好的車床底座必須要有足夠的剛性來抵抗切削力。車削作用力主要有三個方向，其中最主要的是切削點之切線方向（車床座標系統之Y軸方向）的這個作用力，因此在分析底座抵抗車削力的能力時，僅考量這個方向的切削力。分析的變形結果如圖4。

 

图4

3.結構自然頻率分析

另外一項評斷底座結構剛性強度的工作是結構自然頻率分析，剛性較差的結構有較低的自然頻率。工具機在進行加工時不但會受到靜態的力量作用(前述之結構重量以及切削力等)，還會受到動態的力量作用，如斷續車削產生之車削力、主軸與工件造成動平衡不良產生之不平衡力等。當這些動態作用力的頻率與結構的自然頻率相近時，結構會產生共振現象。機台產生共振不但會大大減低加工品質，還會影響到機台的壽命，因此應該避免共振現象產生，所以應該盡可能將設計的結構之自然頻率提高。有限元素分析可計算結構的自然頻率大小以及相對應之振型，圖5及圖6為底座結構的第一及第二個自然頻率對應之振型。

 

图5

 

图6

三、結語

在開發的階段進行結構的有限元素分析工作不但可以預先發現結構問題，還可以進而變更結構形狀以達到最佳的結構設計，對於機台性能的提升有一定的幫助。