臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要以高速搪孔刀組合系統為分析對象，透過電腦輔助虛擬模型工程分析 ( Computer Aided Virtual Model Engineering Analysis)技術，先將未修改原始設計之結構的高速搪孔刀組合模型進行CAE模擬，運用ANSYS Workbench軟體進行靜剛性以及模態分析分析，測試組合模型的結構設計，藉以評估組合模型之結構的靜剛性及動剛性(模態)，並提出刀柄之結構設計上的修改，利用SolidWorks繪圖軟體繪製出刀柄之結構，將錐度、內孔及長度的參數做修改，再導入到ANSYS Workbench軟體，將所有刀柄進行靜剛性以及模態分析之數值做對比，選擇最佳模型的刀柄進行最佳化模型組合，運用軟體模擬來最佳化模型的結構設計，藉以評估高速搪孔刀結構的靜剛性及動剛性(模態)，並與組合模型之比較。首先利用理論公式將高速搪孔刀模型之頻率比及阻尼比計算。然後將各種動態震動吸收器模型導入RecurDyn多體動力學軟體從事等效系統振動分析。最後運用軟體修改動態震動吸收器剛性以及阻尼係數下，評估並且驗證動態震動吸收器對高速切削搪刀組合模型之避震效用。
本研究將結構中主要承受靜態負荷的單位變形量參數定義為靜剛性，模態參數則定義為動剛性，運用模態參數的方式驗證靜剛性所需設定的作用力，對結構設計提出修改的方針，並且達到原來高速搪孔刀所需的剛性，在安全係數下達成結構設計中的修改要求，以導出最佳化模型，並運用各種等效系統振動分析驗證動態震動吸收器之效果，用以有效降低振動幅度，以解決刀具之振刀情形。

This thesis mainly uses the high-speed boring tool combination system as the analysis research target. By using computer aided virtual model engineering analysis technology, the unmodified original design structure of high-speed boring cutter combination model is simulated by CAE software such as ANSYS Workbench to carry out static stiffness analysis and modal analysis. It will understand the structural design of the combination model by evaluating the static stiffness and dynamic stiffness (modal analysis) of the combination model structure. In this research, it propose the structural design modification of the tool holders, and redesign them with SolidWorks CAD software. For the structure of tool holder, we can modify the parameters of the taper, inner hole and length, then import these redesigned models into the ANSYS Workbench software to perform the static stiffness and modal analysis values of all tool holders. From the output data, we can select the best tool holder model as the optimized model. By using CAE softwares to optimize the structural design of the combination model, we can evaluate the static stiffness and dynamic stiffness (modal analysis) of the high-speed boring cutter structure and verify the simulation results. First of all, we use theoretical formulas to calculate the frequency ratio and damping ratio of the high-speed boring cutter model. Secondly, the designed DVA(Dynamic Vibration Absorber) models can be imported into the RecurDyn multi-body dynamics software for vibration analysis. We can modify the stiffness and damping coefficient of these equivalent systems to evaluate the dynamic behavior and verify the effect of the DVA on the combination model.
In this study, the main static loading models of the structures are defined as static stiffness. The modal properties are defined as dynamic stiffness. The force required to set static stiffness is verified by means of modal parameters. In this research, a method for modification of the structure design is proposed and the allowable static stiffness, dynamic stiffness and high speed requirements are achieved. The static stiffness and dynamic stiffness required by the boring cutter combination systems are modified in the structural design under the safety factor, and the optimized models are obtained. The dynamic vibration absorber is used to verify the damping effect of the dynamic vibration absorber system and make sure that the vibration amplitude is effectively reduced to solve the vibration of the cutter chattering situation.

摘要....i
Abstract....ii
誌謝....iv
目錄....v
表目錄....x
圖目錄....xiii
符號和簡稱....xx
第一章 緒論....1
1.1 前言....1
1.2 研究目的....2
1.3 研究流程....3
1.4 文獻回顧....4
1.5 論文架構....5
第二章 振動學理論....6
2.1 振動模型的要素[1]....6
2.2 單自由度系統的強迫振動....8
2.2.1 無阻尼單自由度強制振動....8
2.2.2 具阻尼系統單自由度強迫振動....9
2.3 多自由度的系統....10
2.3.1 多自由度無阻尼強制振動[4]....10
2.3.2 多自由度阻尼系統強迫振動....11
2.4 連續系統....12
2.4.1 強迫軸向振動....12
2.4.2 強迫扭轉振動....15
2.4.3 強迫側向振動....15
2.5 傅立葉轉換[4]....17
2.6 離散傅立葉轉換及快速傅立葉轉換[4]....19
第三章 高速搪孔刀組合模型與最佳化模型結構分析....22
3.1 結構靜剛性....22
3.2 結構動剛性....23
3.3 高速搪孔刀組合模型....23
3.3.1 高速搪孔刀組合模型介紹....24
3.3.2 高速搪孔刀組合模型分析架構....25
3.3.3 高速搪孔刀組合模型動剛性....26
3.3.4 高速搪孔刀組合模型靜剛性....28
3.4 高速搪孔刀刀柄結構設計修改....29
3.4.1 高速搪孔刀刀柄原始錐度分析....30
3.4.2 高速搪孔刀刀柄錐度變大分析....33
3.4.3 高速搪孔刀刀柄錐度變小分析....36
3.4.4 高速搪孔刀刀柄錐度修改比較結果....39
3.4.5 高速搪孔刀刀柄原始內孔分析....40
3.4.6 高速搪孔刀刀柄內孔變大分析....43
3.4.7 高速搪孔刀刀柄內孔變小分析....46
3.4.8 高速搪孔刀刀柄內孔修改比較結果....49
3.4.9 高速搪孔刀刀柄加長分析....50
3.4.10 高速搪孔刀刀柄加長內孔變小分析....53
3.4.11 高速搪孔刀刀柄加長錐度變大分析....56
3.4.12 高速搪孔刀刀柄加長修改比較結果....59
3.4.13 高速搪孔刀刀柄選用結果....60
3.5 高速搪孔刀最佳化模型....61
3.5.1 高速搪孔刀最佳化模型介紹....61
3.5.2 高速搪孔刀最佳化模型分析架構....63
3.5.3 高速搪孔刀最佳化模型動剛性....64
3.5.4 高速搪孔刀最佳化模型靜剛性....66
3.6 高速搪孔刀組合模型及最佳化模型分析結果比較....67
第四章 高速搪孔刀模型振動分析....68
4.1 減振搪桿數學模型[18]....68
4.1.1 阻尼搪桿簡化模型....69
4.1.2 阻尼振動系統參數值....69
4.2 高速搪孔刀等效軸向振動分析....71
4.2.1 高速搪孔刀無阻尼等效軸向模型介紹....71
4.2.2 高速搪孔刀無阻尼等效軸向振動分析....72
4.2.3 高速搪孔刀無阻尼等效軸向振動分析結果....73
4.2.4 高速搪孔刀動態震動吸收器等效軸向模型介紹....74
4.2.5 高速搪孔刀動態震動吸收器等效軸向振動分析....75
4.2.6 高速搪孔刀動態震動吸收器等效軸向振動分析結果....76
4.2.7 等效軸向振動分析結果總結....78
4.3 高速搪孔刀等效側向振動分析....79
4.3.1 高速搪孔刀無阻尼等效側向模型介紹....79
4.3.2 高速搪孔刀無阻尼等效側向振動分析....80
4.3.3 高速搪孔刀無阻尼等效側向振動分析結果....81
4.3.4 高速搪孔刀動態震動吸收器等效側向模型介紹....82
4.3.5 高速搪孔刀動態震動吸收器等效側向振動分析....83
4.3.6 高速搪孔刀動態震動吸收器等效側向振動分析結果....84
4.3.7 等效側向振動分析結果總結....86
4.4 高速搪孔刀等效扭轉振動分析....87
4.4.1 高速搪孔刀無阻尼等效扭轉模型介紹....87
4.4.2 高速搪孔刀無阻尼等效扭轉振動分析....88
4.4.3 高速搪孔刀無阻尼等效扭轉振動分析結果....89
4.4.4 高速搪孔刀動態震動吸收器等效扭轉模型介紹....90
4.4.5 高速搪孔刀動態震動吸收器等效扭轉振動分析....91
4.4.6 高速搪孔刀動態震動吸收器等效扭轉振動分析結果....92
4.4.7 等效扭轉振動分析結果總結....94
4.5 分析小結....95
第五章 結論與未來展望....96
5.1 結論....96
5.2 未來展望....96
參考文獻....97
Extended Abstract....98

[1]Shabana, A. A., 2019, “Theory of Vibration,” 3rd edition, Springer International Publishing AG.
[2]賴湘焄，2017，“超高速切削智慧 CNC 帶鋸床之電腦輔助設計與振動模態分析”， 國立虎尾科技大學機械設計工程研究所，碩士論文。
[3]黃冠倫，2010，“CAE 技術在樑與板結構產品的動態特性分析與應用”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所，碩士論文。
[4]王柏村，實驗模態分析之應用，國立屏東科技大學。
[5]周昌玉，賀小華，2006，有限元素分析的基本方法及工程應用，北京，化學工業出版社。
[6]陳精一，蔡國忠，2000，電腦輔助工程分析-ANSYS使用指南，全華科技圖書股份有限公司。
[7]周寧，2006，ANSYS 機械工程應用實例，北京，中國水利水電出版社。
[8]Steven, R., Schmid, B. J., Hamrock, B., Jacobson, O., Fundamentals of Machine Elements.
[9]吳政憲，詹子奇，王焜潔，1999，“高速化工具機結構靜動剛性分析與測試”，機械月刊，二十五卷，三期。
[10]MatWeb, “Structural Steel 材料特性”, http://www.matweb.com/index.aspx
[11]MatWeb, “WC材料特性”, http://www.matweb.com/index.aspx
[12]黃運琳，2009，RecurDyn在多體動力學上之應用，五南出版社。
[13]陳靖廷，2020，“PCB鑽孔機的電腦輔助設計與動態分析”，國立虎尾科技大學機械設計工程研究所，碩士論文。
[14]黃運琳，2009，機械振動概論與實務，五南出版社。
[15]Fitzgerald, G. W., Gulibon, R. S., Penrod, P. M., 1985, “Boring Tool and Method of Reducing Vibrations Therein,” U. S.Patent No. 4,553,884.
[16]Andreassen, L., Rosdal, G., Holmen, H. K., 1974, “Adjustable Damping Device, in Particular for Boring Bar and the Like,” U .S.Patent No. 3,838,936.
[17]Shurtliff, N. E., 1986, “Damped Boring Bar and Tool Holder,” U .S.Patent No. 4,616,738.
[18]Wang, Ji-sheng, 2018, “Structural Design and Vibration Analysis of the Built-in Damping Boring Bar,” 2018 International Conference on Computational, Modeling, Simulation and Mathematical Statistics, ISBN: 978-1-60595-562-9.
[19]Qin, B., 2006, “Design and Simulation of Deep-hole Machining Dynamic Damping Boring Bar for Heavy CNC Machine Tools,” Harbin University of Technology.
[20]Tobes, S. A., 1988, “Tianjin University Mechanical Manufacturing Department translated, Machine Tool Vibration,” Mechanical Industry Press.
[21]Qu, W. D., Tang H. L., 2000, “Mechanical Vibration Manual,” Machinery Industry Press.