一、概論
隨著科技的日新月異，機械的精密度要求也就日趨嚴苛，因此現代的工具機製造廠之加工精度以及裝配精度亦不斷的提高，為的就是能使工具機加工出高精度的零組件，以符合市場的需求。要達到此一目的，除了提高工具機剛性、抗振性以及熱穩定性之外，首先必須提高工具機的各主要組件，特別是主軸組件的精度。主軸組件的性能是影響工具機加工品質與生產效率極其重要的關鍵因素。而主軸迴轉精度又是影響主軸組件性能的最基本指標，其具體影響表現在工件的「加工精度」和「表面粗糙度上」。因此，如何提高主軸迴轉精度是非常重要的一項技術。
二、提高主軸精度的方法
影響主軸迴轉精度之因素
(一) 軸承精度和間隙的影響：
1. 滾道的徑向跳動。
2. 各滾動體直徑不一致和形狀誤差。
3. 滾道的端面誤差。
4. 軸承間隙的影響：
a. 使主軸在外力作用下發生靜位移。
b. 使主軸旋轉軸線作複雜的週期運動。
c. 動態特性不佳。
其改善方式為採取預加負荷消除軸承間隙。
(二)主軸本身及配合零件的精度和裝配品質的影響：
1.影響主軸本身的精度因素有軸頸、內錐孔、裝拆夾頭或刀具的定位基面、安裝傳動件的定位基面、定位軸肩、鍵槽與花鍵、螺紋等。主軸軸頸的尺寸和形狀誤差必須嚴格控制，其精度不應低於軸承相對應精度。
2.調整間隙的螺母、過渡套、墊圈和主軸軸肩等的端面不垂直度：將使軸承裝配時因受力不均而造成滾道畸變。實驗證明，調整螺母的端面跳動超過0.05毫米時，對主軸前端的徑向跳動影響十分顯著。引起調整螺母端面跳動的主要原因是：螺母本身的端面與其軸線不垂直，主軸的螺紋軸線與軸頸線偏斜。
3.軸承螺帽：軸承內圈通常用螺帽在軸向鎖緊，螺帽端面跳動（端面垂直度不佳），使軸承內圈傾斜，導致滾珠打滑而溫度升高，噪音及磨損增大，軸的徑向跳動增大。螺帽除了尺寸及形狀公差須加以控制外，也需控制鎖緊力量，SKF建議在內圈最小截面積的最大應力，若是斜角滾珠系列軸承，應力是5N/mm2；滾柱軸承系列，其應力是15N/mm2，就會使間隔環緊貼在軸承端面，完成預壓。FAG建議其應力是10N/mm2。螺帽鎖緊的多大力矩才會達到軸承於內圈之最大應力，會因主軸軸頸的粗糙杜、干涉量、螺紋等級極其粗糙度，是否潤滑及其間的預壓大小等因素而改變。
三、量測實例介紹
1、測試參考依據
本測試參考ASME B5.54-1992，以主軸最高轉速的10%、50%、 100%為測試轉速，測試主軸在動態迴轉下之徑向與軸向精度，其量測架構分別如圖a及圖b所示。
(a)
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主軸動態量測實質意義：
量測工件與刀具之間的切削點
量測切削點之相對位置變化
此量測是動態的(於操作轉速下)
了解造成相對運動的原因,例如結構誤差運動及溫度變化效應
使用非接觸式動態位移計(頻寬: DC 0Hz~20KHz, 解析度: 2 nanometer)
為什麼需做主軸動態量測
當你製作或採購一部新的加工機時
當你要找加工精度問題或做定期精度檢查保養工作時
找出加工機最佳精度以改善加工品質
減少發生問題維修時猜測及試誤的時間
你所做出來的主軸真的是品質均一,好的沒話說?以目前的主軸品管檢驗方法就足夠,不用再做任何測試? (迴轉精度,熱剛性,自然頻率/運轉振動)
2、分析
LION SEA實際機台測試應用
根據實機測試，可得如圖之運動誤差圖，分析如下：
對一般的工具機,如搪床,銑床,加工中心機,車床等都可使用此儀器來評價其性能及找出相關精度上的問題此設備可以做以下測試:
1）主軸動態迴轉精度測試
2）主軸溫昇熱變形測試
其他測試應用
①動剛性量測
②振動量測
③厚度量測(導體與非導體)
④伺服定位控制(微進給軸,或主軸熱補償)
⑤圓度與偏心量量測
⑥動態偏擺與迴轉精度量測
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圖解說明：
·平均誤差(Average Error)
是總誤差運動極座標圖的平均輪廓線,代表機台在理想切削條件下所能加工出零件的最好真圓度.
·非同步誤差(Asynchronous Error)
是總誤差運動對平均誤差運動的偏離,代表機台在理想削條件下所能穫得的表面精度.
·基本誤差(Fundamental Error)
平均誤差運動的最密切圓,代表主軸軸心線每轉一次的軸向誤差.
·殘餘誤差(Residual Error)
平均誤差運動對基本誤差圖像的偏離,代表端面加工的平面度.
四、主軸動態迴轉精度分析
徑向迴轉精度與工件精度的關係
以單刃切削為例,主軸迴轉精度之平均誤差 (Average Error Motion)和加工孔徑之圓度 (roundness)直接相關。
LOW AVERAGE ERROR = ROUNDER HOLES
主軸迴轉精度之非同步誤差 (Asynchronous Error Motion) 和加工之表面粗度(peak to valley surface finish)直接相關一般情況: 為4到6倍的工件表面粗度(Ra)(4 to 6 times the average surface finish) of a machined part.
LOW ASYNCHRonOUS ERROR = BETTER SURFACE FINISH
造成徑向運動誤差(Radial Error Motion)的原因:
有兩個主要的原因造成工具機上之主迴轉精度誤差 :
1. 軸承(Bearings), 包含軸承不對心(bearing alignment)
2. 機台結構變形造成主軸與量測點間的動態位移
造成徑向平均誤差(Average Error)的原因:
1.軸承內(外)環軌道不圓
2.軸承座不圓
3.軸承座不對心
4.主軸動不平衡偶合結構剛性不均勻
5.機台結構與主軸轉速共振
造成徑向非同步誤差(Asynchronous Error)的原因:
1. 軸承預壓不當(Improper preload )
2. 軸承缺陷(Bearing defects)例如:
滾珠或滾柱尺寸有差異或缺陷
滾珠或滾柱與軌道面的摩擦
保持器磨損變形或組裝不良
3. 機台結構變形造成相對振動
4. 由機台外部振動源造成的結構振動變形
5. 機台內部振動源(Self excited motion)引起的:
液壓系統(Hydraulic system)
冷卻系統(Coolant system)
齒輪,皮帶及皮帶輪(Gears, belts, pulleys)
潤滑系統(Lubrication systems)
6. 機械結構或主軸之共振
